港城大团队利用被动强化的能量交互，实现太阳能驱动高效水电联产

近期，香港城市大学吕坚院士团队与香港理工大学杨洪兴教授团队合作，以被动界面冷却（passive interfacial cooling，PIC）策略为基础，设计出一种水电联产系统，并在实验上证明了技术的可行性。

根据实验结果，该水电联产系统在 1 日照条件下，功率密度为1.5Wm−2，水蒸发率为 2.81kgm−2h−1，这两种指标分别比非基于 PIC 策略设计的系统高出 328% 和 158%。

图丨吕坚院士（左）与毛正义博士（来源：吕坚）

从创新性来看，该研究通过三维结构设计调控热传导路线，实现多级能量的利用。另一方面，以往的研究主要集中在产水模块和产电模块的材料或结构设计，而该研究首次提出两个模块之间的能量交互设计。

也就是说，通过设计两个结构之间的界面，在相同的能源输入下，强化的能量交互可增加能源的利用，提高混合模块的废热和潜热的利用率，从而明显提高产水和产电的效果。

研究人员采用的是常见的、通用的材料，并且，容易操作的结构有利于贴近于实际应用。该技术能够让偏远（例如离岛、沙漠，特别是热带地区）和相对贫困的地区，在没有互联网或其他外部能源输入、额外资金投入的情况下，仅利用太阳能即能实现产水、产电。

该研究对“碳中和”背景下太阳能驱动的水电联产系统设计，以及解决偏远贫困地区的能源-淡水危机具有重要意义。除了能够产水和产电，该技术还有望应用于农业灌溉、改造沙漠和荒田等。

另外，这种强化设计不仅可应用于热电，还适用于光伏发电，以显著增强光伏板功率密度。

PIC 策略在增强光伏发电系统方面展现出应用前景，在该研究中，研究人员将功率密度从 55.7Wm−2 提升到 75Wm−2，可应用于各种商用电子设备的充电，比如灯牌、智能手环和手机等。

图丨相关论文（来源：Nature Water）

近日，相关论文以《被动界面冷却诱导的可持续水电联产》（Passive interfacial cooling-induced sustainable electricity–water cogeneration）为题发表在 Nature Water 上 [1]。

香港城市大学博士后毛正义为论文第一作者，香港城市大学吕坚教授、香港理工大学王其梁研究助理教授为论文共同通讯作者。

图丨基于被动界面冷却设计的水电联产系统和传热过程（来源：Nature Water）

吕坚为法国国家技术科学院院士，中国香港工程科学院院士，香港城市大学机械工程学讲座教授。在该研究中，吕坚课题组在结构和材料设计的优势，设计界面结构高效调控传热，杨洪兴课题组则重点聚焦于太阳能利用的研究。

PIC 实现高效产电和产水的机理在于，PIC 设计被动强化水-电模块之间的能量交互。具体来说，PIC 区域巨大的散热器-蒸发器界面和高导热的散热片促进了蒸发器的有效加热，蒸发器-空气界面使蒸汽能够快速逃逸到空气中，进而提高蒸发速率。

同时，快速蒸发会产生大量的蒸发潜热，快速冷却热电片的冷侧，从而提高发电性能并减少对流和辐射损失。此外，蒸发潜热还有助于吸收环境中的能量，进一步加速产水。

图丨制备和表征（来源：Nature Water）

据了解，这项研究中的测试在香港进行。但需要了解的是，香港虽然湿度大，但太阳能的强度并非特别高，如果未来在太阳能资源丰富区域（例如沙特阿拉伯）进行实验，发电效率有望进一步提升。

另一方面，由于该研究中太阳能板的使用温度远低于目前市场上太阳能板的实际温度，因此有利于提高水电联产系统的整体寿命。吕坚表示：“我们正在进行相关数据的核算，发电效率和系统使用寿命的提升将是可观的数据。”

目前，该课题实验自制材料成本较低但规模较小。“如果将商业比较成熟的材料组合到该系统中，将会进一步降低成本，为将来的大规模生产奠定基础。”毛正义说。

图丨基于被动界面冷却设计的水电联产系统实际应用的稳定性和耐久性（来源：Nature Water）

下一步，研究团队计划在以下三方面继续探索。

第一，通过 3D、4D 打印和其他先进的原创性技术，在整体设计上实现更高效的方案；第二，进一步提高基于蒸发器（水凝胶）的性能；第三，为大规模生产做准备。

后续，研究人员将尝试把结构放大至几平方米甚至 10 平方米以上，以探索可能产生的问题，他们计划将结构放置于自然环境中进行实验，以确定使用的持久性。

“我们通过集成设计实现了具有低价、可持续型的技术方案，希望未来可以和更多合作者共同推进该技术的落地。目前，我们已经预见到一些可能产生的问题，并做出可供有效解决的预案。”吕坚最后说道。