近日，機(jī)械與動力工程學(xué)院王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA多學(xué)科交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在Cell姊妹刊Joule上發(fā)表了題為Photovoltaic-sorbent system for water and electricity generation的前瞻論文。該論文從材料學(xué)、工程學(xué)等不同層次分析了光伏-吸附劑復(fù)合系統(tǒng)的潛力與挑戰(zhàn)，提出了此類系統(tǒng)的分析優(yōu)化框架與地外行星探索等不同的潛在應(yīng)用場景。論文第一作者為制冷與低溫工程研究所博士生邵昭，合作作者為上海交通大學(xué)原博士后、斯洛文尼亞盧布爾雅那大學(xué)Primo? Poredoš博士，通訊作者為王如竹教授。
隨著全球能源結(jié)構(gòu)的革命性轉(zhuǎn)型，以光伏為代表的可再生能源比重將不斷提升。如何進(jìn)一步提升光伏產(chǎn)電效率從而促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)的革命性轉(zhuǎn)型成為了全球性挑戰(zhàn)，同時(shí)通過對于光伏系統(tǒng)的熱管理實(shí)現(xiàn)光伏產(chǎn)電效率的提升成為了新的技術(shù)突破口。
區(qū)別于常見的太陽能光伏/熱（PV/T）技術(shù)，將吸附劑熱管理模塊引入光伏系統(tǒng)成為了最新研究熱點(diǎn)。受到哺乳動物通過發(fā)汗進(jìn)行冷卻的啟發(fā)，該技術(shù)利用吸附劑的“吸附-解吸”循環(huán)實(shí)現(xiàn)了對于光伏系統(tǒng)的高效熱管理。同時(shí)在光伏系統(tǒng)余熱驅(qū)動下解吸出的水蒸氣也成為了潛在的產(chǎn)物，搭配種植農(nóng)業(yè)可以實(shí)現(xiàn)能源、水、食物的綜合輸出。該類系統(tǒng)可通過在現(xiàn)有的光伏系統(tǒng)背面加裝吸附劑部件的形式，實(shí)現(xiàn)對于光伏系統(tǒng)的簡便改造，從而降低部署難度。目前所進(jìn)行的初步研究已經(jīng)證實(shí)了這一技術(shù)路線的潛力，例如使光伏系統(tǒng)效率提升近10%并搭配農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在以沙特阿拉伯為代表的干旱地區(qū)的作物種植，然而在材料選擇與開發(fā)、系統(tǒng)形式構(gòu)建、多目標(biāo)系統(tǒng)優(yōu)化等不同層次都存在著巨大提升空間。
在材料選擇方面，目前所進(jìn)行的探索大多基于吸濕鹽復(fù)合吸附劑。這類吸附劑雖然在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證尺度展現(xiàn)了裝置的運(yùn)行潛力，但在實(shí)際使用場景下卻面臨著液解以及裝置腐蝕等實(shí)際問題，為此文章提出應(yīng)側(cè)重對于MOF和水凝膠等物理吸附劑的開發(fā)以更加貼近實(shí)際需求。同時(shí)在環(huán)境工況方面，文章基于埃及開羅夏季的氣候參數(shù)，提出應(yīng)充分考慮日夜?jié)穸茸兓⒔Y(jié)合工作模式進(jìn)行調(diào)整，不必受限于全日最低濕度，從而降低對于材料選擇的要求。此外文章還提出了高穩(wěn)定性、低使用價(jià)格、高水蒸氣吸附量、使用中不發(fā)生液解、易封裝等材料選取準(zhǔn)則與分析框架。
在裝置設(shè)計(jì)與系統(tǒng)層面，由于該類系統(tǒng)存在不同的潛在產(chǎn)物，文章提出應(yīng)結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化策略對運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)需要全盤考慮水、熱、電、食物等不同產(chǎn)物，從而對運(yùn)行策略進(jìn)行全面優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的提升。
文章指出，由于該系統(tǒng)具有便捷部署的優(yōu)勢，目前該技術(shù)已達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化的臨界點(diǎn)，有望為進(jìn)一步賦能光伏系統(tǒng)性能提升貢獻(xiàn)力量。該類復(fù)合系統(tǒng)可在離網(wǎng)的狀態(tài)下提供人類生存的三要素產(chǎn)物：水、能源和食物，有望為以地外行星為代表的不適宜人類居住的地區(qū)探索帶來物質(zhì)支撐。文章認(rèn)為在產(chǎn)業(yè)化的過程中仍需要材料科學(xué)、工程學(xué)、政府部門等不同領(lǐng)域的通力合作，從而促進(jìn)這一技術(shù)為人類可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA多學(xué)科交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（Innovative Team for Energy, Water & Air）致力于解決能源、水、空氣領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。近年來在Science、Joule、Energy & Environmental Science等國際期刊上發(fā)表系列跨學(xué)科交叉論文。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.01.006
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