97国际浙江大学王娟研究员《自然·通讯》：新型冷却策略突破太阳能淡水生产瓶颈效率提升至76%

　　随着全球淡水短缺问题因气候变化、人口增长和工业扩张而日益严峻，太阳能驱动清洁水生产因其低碳环保特性备受关注。特别是界面太阳能蒸发97国际游戏app技术，其太阳能利用率超过90%，已成为一种可持续的淡水生产方案。然而，尽管蒸汽生成速率显著提升，冷凝过程中有限的热耗散始终制约整体产水效率，导致实际产水率远低于理论值，成为该技术推广的关键挑战。

　　近日，浙江大学王娟研究员提出了一种名为“潜热辅助蒸发冷却”的新策略，通过利用水蒸发时的潜热有效驱散冷凝过程中释放的热量，显著提升了太阳能淡水生产系统的整体效率。该研究以脱木素木材为冷却基底，实现了热耗散热通量2.5倍的提升，并加速了蒸汽从蒸发区向冷凝界面的扩散。该系统将太阳能产水效率提高至76%，远高于传统系统的49%，并展现出良好的耐盐性和多场景适用性，为实现高效、可持续的淡水供应提供了新路径。Nature Communications上。

　　为深入理解冷凝热管理的核心问题，图1揭示了封闭环境下太阳能淡水生产系统中热耗散的关键步骤。图中比较了传统体积蒸发与界面蒸发在热力学循环中的差异，指出界面系统在蒸汽饱和与冷凝阶段释放的热量更大，亟需高效散热97国际游戏app机制。研究进一步对比了环境冷却、被动日间辐射冷却与潜热蒸发冷却三种策略，理论计算表明，LHEC在高温环境下具有更优的冷却97国际游戏app功率，特别适用于炎热气候。

　　图1 封闭环境下太阳能驱动淡水生产所涉及的热耗散过程。 a. 封闭环境中太阳能驱动淡水生产关键步骤示意图，突出热耗散的关键作用。蓝色虚线箭头表示蒸汽扩散与对流。 b. 温湿图描绘封闭环境中体积蒸发与界面蒸发的闭环循环，展示关键参数变化。 c. 环境冷却、被动日间辐射冷却与潜热蒸发冷却策略的对比示意图，强调环境条件对其性能的影响。 d. 不同冷却策略随冷却表面温度变化的冷却功率理论计算结果，假设环境条件为25°C与50%相对湿度。

　　研究团队选取脱木素木材作为LHEC基底，其天然多尺度通道结构兼具优良的亲水性与光散射能力。图2展示了该材料的物理与光学特性：扫描电镜图像显示其具有从微米级导管到纳米级孔洞的多级通道，有效促进毛细水传输与蒸发；动态接触角与毛细上升实验证实其超亲水特性；光谱测量表明其太阳能吸收率仅为0.11，远低于原始木材的0.46，有效减少了寄生热积累。此外，木材在长波红外波段具有高达0.96的发射率，进一步增强了其在冷凝过程中的散热能力。

　　图2 脱木素木材作为LHEC基板的表征。 a. 自然光下脱木素木材的光学照片。 b, c, d. 低分辨率扫描电镜图像分别展示脱木素木材的横截面与纵向结构。 e. 水毛细上升测试中脱木素木材的红外热成像图，其基部浸没于水中。 f. 脱木素木材中多孔结构在0.3–2.5 μm太阳光谱范围内的散射效率模拟。 g. 脱木素木材与原始木材在湿润状态下全太阳光谱范围内的吸收谱，叠加AM 1.5G太阳辐射谱。 h. 脱木素木材与原始木材的傅里叶变换红外光谱。 i. 湿润脱木素木材的长波红外发射谱，叠加30°C、40°C和50°C黑体辐射曲线。 j. 脱木素木材作为LHEC基板的功能示意图，具备持续水输送与蒸发、低太阳吸收与高长波红外辐射能力。

　　为评估LHEC基板的实际冷却性能，图3展示了一套97国际游戏app定制实验装置及其测试结果。随着热输入的增加，LHEC功率呈比例上升，能量效率比稳定在0.8至1.0之间，表明蒸发冷却在散热过程中占主导地位。与传统玻璃基板相比，脱木素木材在相同热负荷下保持更低的界面温度，凸显其优异的散热性能。

　　图3 脱木素木材作为LHEC基板的性能评估。 a. 用于测量脱木素木材LHEC性能的自组装实验装置示意图。 b. 脱木97国际游戏app素木材在逐渐增加的热输入下，有无太阳辐照时的LHEC功率曲线。 c. LHEC功率与总热输入的能量比随热输入变化的曲线。 d. 脱木素木材与参考玻璃基板在不同热输入下的界面温度变化。

　　将LHEC基板集成至典型太阳能界面蒸发系统后，其冷凝强化效果显著。图4显示，LHEC辅助系统的热耗散速率达到无LHEC系统的2.5倍，冷凝壁面温度降低4~6°C，蒸汽与冷凝壁面之间的温差显著扩大。数值模拟进一步表明，LHEC系统内蒸汽浓度梯度更陡，扩散通量更高，直接促进了蒸汽的凝结过程。在1 kW m⁻²光照下，LHEC系统产水率提升34.3%，太阳能产水效率最高达76%。此外，该基板可灵活嵌入多种冷凝结构（如单坡、倒置、多级蒸馏等），均能显著提升产水性能。

　　图4 潜热辅助蒸发冷却对太阳能界面清洁水生产的提升效果。 a. 用于评估LHEC对清洁水生产贡献的实验装置示意图。 b. 有无LHEC辅助条件下，系统在不同太阳辐照强度下的稳态热耗散热通量。 c. 有无LHEC辅助条件下，冷凝表面与生成蒸汽的温度曲线。 d. 有无LHEC辅助条件下，蒸发区附近水蒸气浓度分布的模拟结果。 e. 基于水蒸气浓度分布计算的蒸发表面蒸汽扩散通量。 f. 有无LHEC辅助条件下的太阳能淡水生产速率。 g. LHEC基板相比传统裸玻璃装置在太阳能产水效率方面的提升。 h. LHEC辅助策略在多种代表性冷凝装置中带来的产水率提升。

　　在实际应用测试中，图5展示了LHEC系统在户外与海水环境中的表现。无论是在晴朗或是多云天气下，LHEC系统均能稳定提升产水率，且在高温高湿环境中仍保持19%以上的性能增益。在模拟海水环境中连续运行120小时后，其散热通量仍稳定在1 kW m⁻²，未出现盐堵塞现象。净化后的湖水与海水各项指标均符合世界卫生组织饮用水标准。经济分析显示，集成LHEC策略后，每升水成本下降18.2%，展现出良好的规模化应用前景。

　　图5 潜热辅助蒸发冷却策略的实际性能评估。 a, b. 户外太阳能淡水生产实验现场照片与示意图。 c. 晴天条件下LHEC辅助系统与裸玻璃系统的产水率对比。 d. 在模拟海水环境中，LHEC基板在持续热负荷下的散热稳定性测试。 e, f. 海上漂浮式LHEC辅助系统实物图及其在海水条件下的户外产水性能。 g. 原水与经LHEC系统净化后水样的离子浓度与总有机碳对比。 h. LHEC辅助系统与文献中其他代表性冷却策略在太阳能产水效率方面的比较。 i. 集成LHEC与否的系统在一年运行周期内的经济性分析。 j. LHEC辅助太阳能蒸发策略在海上浮式淡化与野外应急取水等场景中的应用示意图。

　　该研究通过潜热辅助蒸发冷却策略，成功解决了太阳能界面蒸发系统中冷凝热管理的核心难题。脱木素木材作为理想基板，兼具高效散热、耐盐抗污、低成本与环境友好等优势，为实现全被动、高效率的太阳能淡水生产提供了可行路径。未来，该技术有望广泛应用于海水淡化、野外应急取水等场景，为应对全球水资源短缺贡献可持续解决方案。