近日，南方科技大学机械与能源工程系助理教授林蒙课题组在太阳能界面蒸发领域取得新进展，相关成果以“Cover matters: Enhanced performance of multistage solar evaporator with tuned optical and thermal cover properties”为题，在Energy & Environment Science期刊上在线发表。本研究探讨了多级太阳能蒸发器前盖板材料的光热特性对蒸发效率的影响，并提出了选择和优化策略。

图1 盖板材料的透过率和热导率对多级太阳能蒸发（MSE）装置性能的影响

本研究开发了基于等效电阻的集总参数模型，以研究盖板对MSE装置的光学和热传输及蒸发性能的影响。在n = 1，1 sun工况下，η_evap,norm差异低于0.5，表明使用气凝胶的优势有限（图1b）。考虑到机械稳定性、成本和大规模生产优势，亚克力和玻璃盖板可能是较为合适的选择。随着MSE装置级数增加，冷凝释放的潜热可多次利用，η_evap,norm在所有盖板材料中均有所提高（图1c）。因此，随着n增加，不同盖板之间的η_evap,norm差异也增大（3－6），证明了使用气凝胶的合理性。在较高太阳辐射工况下，三种盖板之间的η_evap,norm差异缩小（4－6）。这证明亚克力具有替代气凝胶作为盖板的潜力（图1d）。

图2 MSE装置盖板选择策略

为了进一步验证研究结果，本研究测试了使用三种不同盖板材料的MSE装置在不同太阳辐射和不同级数工况下的性能。图2a展示了n = 1, 1 sun工况下不同盖板的η_evap，气凝胶最高（~88%），比其它材料高约10%。但是体现在蒸发速率上约为0.1 kg m^-2 h^-1，表明在低级数和低太阳辐射工况下不需使用气凝胶。薄膜设计提供了成本效益较高的选择，且性能降幅较小。然而，气凝胶盖板适用于在n = 10, 1 sun工况下运行的MSE装置（图2b）。在此工况下气凝胶的η_evap高达414%，比亚克力高96%，比最差的薄膜高164%。同时，气凝胶在经济性分析中也保持了优势。在n = 10、3 sun工况下，亚克力相比气凝胶仅减少9%的效率（图2c）。同时，经济性分析结果表明此时亚克力比气凝胶更具成本效益。

图3 MSE装置盖板厚度优化设计

通过调节盖板厚度来平衡吸收器的光学损失和热损失，可以进一步提升性能。对于给定的盖板厚度，较高的T_abs通常导致较低的η_abs（图3a－3c）。气凝胶由于超低的热导率对高达180 ^oC的温度不敏感，使其适用于高温应用。在1 sun太阳辐射下，MSE装置玻璃盖板最佳厚度为20 mm，亚克力为11 mm，气凝胶为6 mm（图3d－3f）。在n = 10，1 sun工况下，6 mm厚气凝胶盖板覆盖的多级太阳能蒸发器实测蒸发速率为6.25 kg m^-2 h^-1，效率高达417%。

机械与能源工程系访问学生李士腾为第一作者，机械与能源工程系博士生刘尚为共同第一作者，林蒙助理教授为通讯作者，南方科技大学为第一单位。此项研究得到了国家自然科学基金，广东省自然科学基金，广东省基础与应用基础研究基金，深圳市科技创新局以及南科大计算科学与工程中心的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE02710H