被动界面冷却诱导的可持续水-电联产
淡水和电力是现代社会进一步发展的两个相互交织的基本组成部分。人口增长、气候变化和污染加剧加剧了全球水和电力短缺。太阳能作为最取之不尽、用之不竭、最环保的能源，因其生产绿色电力和清洁水而受到极大关注。得益于近年来的深入研究工作，一系列太阳能水电热电联产设备已被开发出来。水电发电策略可以分为两类：第一个是通过蒸发引起的水/离子流发电；第二个是热流诱导发电-水热发电。
基于此，香港城市大学吕坚院士、香港理工大学WangQiliang助理教授合作提出了一种基于被动界面冷却（PIC）策略的合理设计的混合系统。系统内的 PIC 区域加强了发电模块和水发电模块之间的能量交换，从而提高了混合模块余热和潜热的利用率，并最大限度地减少了空气中的能量损失。因此，在 1 个太阳光的光照条件下，PIC 诱导的热电联产器表现出1.5 W m-2 的超高功率密度和2.81 kg m-2 h-1 的出色水蒸发率，分别比没有 PIC 效应的设备高出 328% 和 158%。该系统还表现出卓越的盐排斥能力、稳定性、耐久性和在各种恶劣条件下的适用性，证明了其在实际应用中的潜力。此外，还证实了PIC 策略在增强基于光伏的发电系统方面的有效性，从而将功率密度从 55.7 W m-2 提高到 75 W m-2。这项研究为水电联产发电机的设计提供了启示，并推动了其与多种自然能源在高效水电联产方面的应用。相关研究成果以题为“Passive interfacial cooling-induced sustainable electricity–water cogeneration”发表在最新一期《 Nature Water》上。
【PICG的设计与机理】
PICG是一个具有四个功能组件的混合系统（图1a）。顶层覆盖有一层由炭黑组成的聚合物薄膜，以实现显着的光热转换。第二层是用于发电的商业TEG。TEG的冷侧附有散热器，以实现高效热传导。底层包括由海绵制成的三叉戟形蒸发器，并通过定向冷冻制备。将散热器插入三叉形蒸发器中形成PIC区域，提供大的散热器-蒸发器和蒸发器-空气界面，有利于TEG、蒸发器和环境之间的能量交换。整个PICG热流的产生、传输和利用可分为三个步骤（图1b）：（1）吸收器将太阳光转化为热量作为一次能源输入，热量流经TEG用于发电。(2)热量通过散热器传导至蒸发器。由于PIC区域的工程设计，界面区域的热量可以有效地促进水蒸发。蒸发引起的潜热进一步降低了TEG冷侧的温度，从而提高了发电量。(3)从环境中吸取热量。蒸发器底部的温度低于室温，可以进一步吸收环境能量。图1c显示了PIC区域实现高效发电-水力发电的机制。PIC区域增强了发电和水生成模块之间的能量交换。
图 1. PICG的设计
【PICG的表征】
涂覆的TEG（CTEG；图2a）的黑色吸收层的厚度为约100µm，与TEG表现出无缝结合，表现出强粘附力，界面处没有任何间隙（图2b）。原始的TEG显示出超过75%的反射率，而CTEG的整个光吸收率显着增强，超过96%太阳光谱（350-2500nm），证明吸收层具有出色的光吸收率（图2c）。PICG具有对齐水道的蒸发器（图2d，e）。同时蒸发器表现出优异的机械耐久性（图2f）。
图 2. PICG的制备与表征
【PICG的热流与水蒸发性能】
为了证明 PIC 效应的关键作用，作者准备了四个系统来测试蒸发和发电性能（图 3a）： (1) CTEG；(2) 被动冷却诱导热电联产器（PCG；CTEG下方连接一个长方体蒸发器，运行中仅涉及被动冷却）；(3)PICG（PIC效应在运行中起主导作用）；(4)三叉形蒸发器。为记录发电-制水性能，作者建立了一个定制的测试系统。PCG和PICG在1Sun光照下的红外图像，并模拟了PCG和PICG横截面的温度分布（图3b，c）。辐照1h后，PICG从CTEG的顶面到TS蒸发器的底部表现出明显的温度梯度（图3d），与模拟结果一致。由于PIC效应，PICG系统中的TEG表现出最低的表面温度但最大的温差（图3e）。PICG（2.81kgm −2h −1）的速率比PCG（1.53kgm −2h −1；图3f）高83.7％。所制备的PICG的平均能量到蒸汽的转换效率为91.1%，高于之前报道的许多太阳能水蒸发器（图3g）。
图 3. PIC在热流与蒸发性能上的影响
【PICG的产能特性】
PICG的开路电压高达222mV，高于PCG和CTEG（分别为182mV和132mV；图4a）。在相同的照明条件下，PICG的功率密度为1.5Wm -2，比PCG和CTEG分别高出87.8%和327.6%（图4b、c）。此外，还分析了PICG在不同风速和辐照强度下的水电联产性能（图4d，e）。作者将PICG、PCG、CTEG和三叉形蒸发器的性能与基于TEG的水电耦合器的性能进行了比较，后者的性能是在没有任何其他人工干预的情况下，在1个太阳的光照下测量的（图4f）。PICG展示了卓越的发电和制水能力。图4g显示了PIC区域引起的功率模块和水模块之间能量交换的增强。
图 4. CTEG, PCG, PICG产能特性
【PICG器件的实际应用】
作者开发了3D打印倒置结构原型，如图5a所示。PIG被放置在原型内部。PICG 系统对各种液体表现出广泛的适用性。 对于所有测试的液体，包括盐水溶液、有机污水和重金属溶液，蒸发速率和功率密度都保持稳定，这表明PICG系统与传统离子流诱导电水发生器相比具有出色的稳定性（图5）。此外，PICG 系统在高浓度盐水溶液（20 wt%）中的长期稳定性（图5d），即使经过各种严酷的化学和物理处理，PICG的电水热电联产性能也几乎没有变化（图5e）。
图5. PICG在实际应用中的稳定性与持久性
【总结】
本文展示了一种新型太阳能驱动热电联产器，它利用PIC效应加强发电模块和水蒸发模块之间的能量交换，从而实现发电和制水的最佳效率。这种热电联产器具有多种优势，包括出色的光热转换性能、出色的供水性能和出色的热管理能力，从而使其发电能力和淡水生产率同时提高，在1太阳光照射下分别达到1.5 Wm-2和2.81 kgm-2h-1，优于之前报道的大多数基于TEG的热电联产器。此外，PICG系统在各种恶劣条件下都表现出卓越的耐久性和对各种液体的适应性，证明了其出色的实用性。
强化的PIC效应还显示出在各种水-能源关系系统中应用的巨大潜力。例如，将光伏面板与事先知情同意策略相结合，就能获得更高的功率输出，为智能手表、招牌和手机等实际商用电气设备充电。值得注意的是，通过安装聚光菲涅尔透镜，还可以进一步提高输出功率，这为缓解全球能源-水供应挑战提供了机遇。
来源：高分子科学前沿
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