其他
【能源】Chem. Eng. J.：仿生蜂窝结构的多级光热电集成装置实现高效水电联产
提高太阳能利用率和能源转化效率的一个有效途径是能源多级利用集成装置设计，在实现一级能源转换的同时，进一步将废弃能源(二级低品能源)充分转化为绿色能源(高品能源)。目前已经报道的一些光热电集成装置，实现太阳能光蒸汽净化水的同时，集成了光伏发电、温差发电，盐差发电、水伏发电和摩擦纳米发电等等。然而，上述光热电一体化装置大多侧重于利用蒸发过程中的余热及水输运的能量，而蒸发过程产生的蒸汽能量尚未得到充分开发和利用。因此，如何充分利用蒸汽能量对提高太阳能光热电联产装置的能量利用效率具有重要意义。
为了将蒸发过程产生的蒸汽能量进一步充分利用转换，云南大学研究团队设计了一种仿生蜂窝结构的多级太阳能光热电联产装置(MSTE)，该装置的蜂窝构型具备横向扩展的应用可能性，其纵向多级部件可自由拆卸组装，其多功能集成实现了太阳能光热电的协同生产。实验表明，通过回收各级蒸汽的潜热，7级 MSTE 可实现2.79 L/(m2•h)的淡水生产率，同时将湿度发电机(MEG)集成在8-10级上，实现了55.3 mW•m-2的湿度发电输出。这种独特的多级水电联产装置设计，可以充分利用太阳能源，实现高效率的淡水和电力联产，除了太阳光外无需其他能源输入且也无多余的废弃物排放，实现了零能耗、零碳排、零污染的目标。研究成果在国际著名期刊Chemical Engineering Journal 上在线发表。文章第一作者是云南大学材料与能源学院硕士研究生张大东和万艳芬教授，通讯作者为杨鹏副教授，该研究得到了国家自然科学基金经费的支持。
MSTE设备的总体设计如图1所示。该装置主要由三个模块组成，包括装置顶部的太阳能-热能转换模块，位于装置中部的蒸汽焓传递模块和底部的湿度发电模块。（1）光热转换模块通过光热材料吸收光能转化为热能用于水蒸发。此外，为了减少由热对流、热传导和热辐射引起的热量损失，将透明的隔热层放置在蒸发装置顶部，隔热层还使系统封闭以防止蒸汽向外逃逸而只能向下传输。（2）蒸汽焓传递模块由疏水层和毛细管水通道构成，每一层通道内的液态水为内空间的蒸汽提供了较低的冷凝温度，导致蒸汽在疏水层凝结成液滴，同时由于重力作用滑落进入中轴净水收集通道。（3）随着向下级数的增加，蒸汽的温度逐渐降低，蒸汽焓逐级减少，但蒸汽中仍含有很多化学能。湿度发电模块捕获低阶水分并将湿气中的化学势能转化为电势能。自上而下，该多级太阳能光蒸发封闭系统实现了太阳能光蒸发，冷凝水收集和湿气发电的协同生产。
综上所述，作者报道了一种多级太阳能光热电集成装置，具有高效多级蒸发焓传递和高性能湿度纳米发电机，其太阳能光蒸汽转换效率为187% ，产水率为2.79 kg•m-2•h-1，同时实现了55.3 mW•m-2的连续电输出。通过结构创新和仿生蜂窝阵列使该装置可灵活组装、可独立组网和大范围扩展应用，在有效提高产水率的同时，协同蒸汽化学能转换即湿度发电的创新应用进一步提高了太阳能利用效率。这项工作为将太阳能海水淡化和纳米发电相结合提供了一个创新路径，为今后充分利用纳米能源提供了一种新的可能性。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊