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近日，上海交通大學(xué)王如竹教授領(lǐng)銜的“能源-水-空氣”交叉學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)ITEWA（Innovation Team for Energy, Water & Air）在Cell姊妹刊Device上發(fā)表了題目為“Improving solar water harvesting via airflow restructuring using 3D vapor generator”的研究論文。論文分析了3D折紙型蒸發(fā)器在實(shí)驗(yàn)室與戶外條件下蒸發(fā)率和效率提升現(xiàn)象，通過對(duì)蒸發(fā)器周圍氣流熱力學(xué)參數(shù)以及戶外太陽能動(dòng)態(tài)捕捉性能的研究，揭示了蒸發(fā)器自身以及在動(dòng)態(tài)太陽運(yùn)動(dòng)軌跡下的蒸發(fā)增強(qiáng)機(jī)理。這一研究有助于未來太陽能蒸發(fā)器或空氣取水器的高性能制造與實(shí)施。論文第一作者為制冷與低溫工程研究所博士生山訸，通訊作者為王如竹教授和徐震原副教授。
探索非常規(guī)水資源已經(jīng)成為緩解淡水短缺的可行解決方案，其中太陽能蒸發(fā)是一種零能耗和環(huán)保的淡水獲取方法。雖然已經(jīng)有大量的研究證明了該技術(shù)的可行性與潛力，但在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用之間仍然存在差距。這種差距主要體現(xiàn)在，蒸發(fā)器內(nèi)部及其周圍的水與蒸汽傳熱傳質(zhì)的原理探究的缺失，以及缺乏在戶外動(dòng)態(tài)太陽軌跡下的實(shí)際性能評(píng)估兩方面。這使得實(shí)際部署性能與所報(bào)道的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)存在差距，阻礙了太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)技術(shù)的有效和大規(guī)模實(shí)施。
論文作者設(shè)計(jì)了一種3D結(jié)構(gòu)折紙型蒸發(fā)器，并對(duì)其蒸發(fā)性能增強(qiáng)背后的潛在機(jī)制進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，除了被廣泛關(guān)注到的暗蒸發(fā)現(xiàn)象增強(qiáng)之外，蒸發(fā)器周圍氣流的重構(gòu)產(chǎn)生更關(guān)鍵的作用，這種重構(gòu)將為蒸汽擴(kuò)散提供補(bǔ)充途徑，并且避免蒸汽的積累、降低傳輸阻力，同時(shí)有利于蒸發(fā)器內(nèi)部溫度的重新分配。最終，這些協(xié)同效應(yīng)提高了蒸發(fā)速率與整體效率。
在室外設(shè)備級(jí)產(chǎn)水過程中，以往研究常常忽視動(dòng)態(tài)太陽軌跡（不同太陽高度角和方位角）對(duì)性能的影響，這使得現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)水性能偏離實(shí)驗(yàn)室測(cè)試性能。該研究定量分析了太陽運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)對(duì)蒸發(fā)器實(shí)際一日太陽能總能量捕獲的影響，并揭示了3D蒸發(fā)器在戶外條件下蒸發(fā)速率進(jìn)一步增強(qiáng)的機(jī)理，為下一代可規(guī)模化太陽能海水淡化技術(shù)提供支撐。
王如竹教授領(lǐng)銜的能源-水-空氣創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于解決能源、水、空氣交叉領(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(dòng)相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)近年來在Science, Nature Communications, Joule, EES, Advanced Materials等高水平期刊發(fā)表系列跨學(xué)科交叉論文。
論文鏈接：https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(23)00089-3
https://doi.org/10.1016/j.device.2023.100065
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