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探索发现
王如竹ITEWA团队揭示3D太阳能蒸发器性能增强机理

发布时间:2023-09-13

近日,上海交通大学王如竹教授领衔的“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA(Innovation Team for Energy, Water & Air)在Cell姊妹刊Device上发表了题目为“Improving solar water harvesting via airflow restructuring using 3D vapor generator”的研究论文。论文分析了3D折纸型蒸发器在实验室与户外条件下蒸发率和效率提升现象,通过对蒸发器周围气流热力学参数以及户外太阳能动态捕捉性能的研究,揭示了蒸发器自身以及在动态太阳运动轨迹下的蒸发增强机理。这一研究有助于未来太阳能蒸发器或空气取水器的高性能制造与实施。论文第一作者为制冷与低温工程研究所博士生山訸,通讯作者为王如竹教授和徐震原副教授。

 

 

探索非常规水资源已经成为缓解淡水短缺的可行解决方案,其中太阳能蒸发是一种零能耗和环保的淡水获取方法。虽然已经有大量的研究证明了该技术的可行性与潜力,但在实验室测试的结果与实际应用之间仍然存在差距。这种差距主要体现在,蒸发器内部及其周围的水与蒸汽传热传质的原理探究的缺失,以及缺乏在户外动态太阳轨迹下的实际性能评估两方面。这使得实际部署性能与所报道的实验室数据存在差距,阻碍了太阳能驱动界面蒸发技术的有效和大规模实施。

 

论文作者设计了一种3D结构折纸型蒸发器,并对其蒸发性能增强背后的潜在机制进行了研究。研究发现,除了被广泛关注到的暗蒸发现象增强之外,蒸发器周围气流的重构产生更关键的作用,这种重构将为蒸汽扩散提供补充途径,并且避免蒸汽的积累、降低传输阻力,同时有利于蒸发器内部温度的重新分配。最终,这些协同效应提高了蒸发速率与整体效率。
在室外设备级产水过程中,以往研究常常忽视动态太阳轨迹(不同太阳高度角和方位角)对性能的影响,这使得现实的产水性能偏离实验室测试性能。该研究定量分析了太阳运动轨迹参数对蒸发器实际一日太阳能总能量捕获的影响,并揭示了3D蒸发器在户外条件下蒸发速率进一步增强的机理,为下一代可规模化太阳能海水淡化技术提供支撑。

 

王如竹教授领衔的能源-水-空气创新团队长期致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术,旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案,推动相关领域取得突破性进展。团队近年来在Science, Nature Communications, Joule, EES, Advanced Materials等高水平期刊发表系列跨学科交叉论文。

 

论文链接:https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(23)00089-3

https://doi.org/10.1016/j.device.2023.100065

供稿:制冷与低温工程研究所    
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