直接产生太阳能蒸汽：收集太阳的能量以获取清洁的饮用水

解决日益严重的清洁饮用水供应问题的方法是直接产生太阳能蒸汽技术，该技术可以从水中去除有害的可溶性污染物。

科学家们回顾了一项技术背后的一些研究，这项技术可能会加剧全球饮用水危机的蔓延。

解决世界水资源短缺问题的一个新生但有前途的解决方案可能是通过直接产生太阳能的蒸汽技术进行水净化。但是，尽管研究人员正处于使该技术切实可行的道路上，但终点线仍然遥遥无期。Elsevier的太阳能材料和太阳能电池的一项新研究使我们完成了这一令人难以置信的研究旅程的一部分，该旅程涉及优化蒸汽产生过程的设备设计策略。

没有饮用水就没有生命。然而，全世界将近11亿人无法获得淡水，另有24亿人患有由不洁净的饮用水所带来的疾病。这是因为尽管科学已经产生了先进的水处理方法，例如膜蒸馏和反渗透，但由于成本高，生产率低，在发展中国家通常难以实施。

新兴的技术显示出有望成为世界上此类地区的替代选择：直接太阳能蒸汽发电（DSSG）。DSSG涉及从太阳收集热量以将水转化为蒸气，从而使水脱盐或将其溶解于其他可溶性杂质中。然后将蒸气冷却并收集为净水供使用。

这是一项简单的技术，但关键的一步是蒸发，这为其商业化提供了障碍。利用现有技术，蒸发性能已达到理论极限。但是，这对于实际实施是不够的。已经采取了一些措施来改进设备设计，以在到达大量水之前将太阳热损失降至最低，对水中的潜热进行再循环，还吸收和利用周围环境中的能量等，以提高蒸发性能，使其超出理论极限，并且使这项技术可行。

在日本《太阳能材料和太阳能电池》上发表的一篇新论文中，日本芝浦理工大学的缪Lei教授与中国桂林电子科技大学的穆晓江，顾玉飞和周建华同事进行了回顾，最近两年超过了这个理论极限。苗教授说：“我们的目的是总结新蒸发策略发展的故事，指出当前的不足和挑战，并规划未来的研究方向，以加快DSSG纯化技术的实际应用。”

这种进化传奇的开创性策略是体积系统，该系统代替大量加热，使用贵金属或碳纳米颗粒的悬浮液吸收太阳的能量，将热量传递给这些颗粒周围的水，并产生蒸汽。虽然这会增加系统的吸收能量，但会产生大量的热量损失。

为了解决该问题，开发了“直接接触式”系统，其中具有不同大小的孔的双层结构覆盖了大量的水。具有较大孔的顶层用作吸热剂和蒸气逸出路线，具有较小孔的底层用于将水从块体向上输送到顶层。在该系统中，加热的顶层和水之间的接触被浓缩，并且热损失减少到大约15％。

接下来是“ 2D水路”或“间接接触式”系统，它通过避免太阳能吸收器与大量水之间的接触进一步降低了热损失。这为“一维水径”系统的最终开发铺平了道路，这一系统受到了植物中基于毛细作用的自然水传输过程的启发。该系统显示出令人印象深刻的4.11 kg m-2h-1的蒸发速率，几乎是理论极限值的三倍，并且热量损失仅为7％。

随后是注入控制技术，在该技术中，作为雨水的洒水在太阳能吸收器上的受控洒落使其吸收方式类似于在土壤中的吸收方式。这导致蒸发速率为2.4 kg m-2h-1，从太阳能到水蒸气的转换效率为99％。

同时，为了提高蒸发速率，正在开发从环境或大量水本身中获取更多能量，并从高温蒸汽中回收潜热的策略。首先，也正在开发减少蒸发所需能量的技术，例如可水化和吸收光的气凝胶，带有炭黑纳米颗粒的聚氨酯海绵以及带有碳点（CD）的木材，以将太阳的能量和水保持在被蒸发。

存在其他几种这样的设计策略，并且还会有更多其他的设计策略。许多相关问题，例如冷凝水的收集，材料的耐用性以及在风和天气条件变化的户外应用中的稳定性，仍然有待解决。

然而，这项技术的发展步伐使它值得期待。苗教授说：“ DSSG的实际实施之路充满了问题。”“但是，鉴于其优势，它有可能成为解决我们日益严重的饮用水短缺问题的最前沿解决方案之一。”

参考：穆晓江，谷玉飞，顾鹏飞，王鹏飞，魏安云，田永志，周建华，陈玉莲，张佳宏，孙志强，刘静，孙立贤，荣田荣和雷M，2020年10月19日，太阳能材料和太阳能电池.DOI：
10.1016 / j.solmat.2020.110842

资金：中国国家重点研究发展计划，中国广西自然科学基金，广西科学研究与技术发展计划。