<td id="gzzz0"><option id="gzzz0"></option></td>
  • <p id="gzzz0"></p>

    <acronym id="gzzz0"></acronym>
    1. 南大朱嘉教授團隊Joule:蒸汽焓存儲利用,太陽能水電聯產

      發布時間:2018-09-09 06:22      

      【研究背景】

      電力以及潔凈水資源已成為人們生活中必不可缺的元素,然而在世界很多地方,尤其一些發展中國家和偏遠地區,人們仍然面臨著潔凈水資源和電力資源的短缺。近幾年來,界面光蒸汽轉換(interfacial solar steam generation)作為新興太陽能利用技術因其高轉換效率及其在海水淡化、衛生、化工等諸多領域的應用前景,引起學界、產業界的廣泛關注。過去幾年世界各地的研究小組嘗試通過各種方法,包括材料結構設計、光學調控、熱學管理以及低維水通道的創新,極大地提高了光-蒸汽轉換效率。然而,在諸多界面光蒸汽轉換的研究工作中,蒸汽焓在冷凝過程中往往被直接交換到環境中成為了廢熱,白白被浪費掉了(如圖1A 所示)。

      針對這一問題,南京大學朱嘉課題組通過材料與器件結構設計,將高效界面光熱轉換與蒸汽冷凝潛熱的存儲進行結合,并集成了熱電模塊進行產電,最終實現了只需太陽光和自然水源,即可同時產出潔凈水和電的太陽能器件。該太陽能器件另一個重要的功能是,由于設計中具備熱存儲功能,即便天氣狀況不理想或太陽落山后,依然可以持續輸出電能(如圖1B 所示)。

      【圖文解析】

      圖1. 界面太陽能蒸汽冷凝過程示意圖:(A) 傳統界面光熱轉換設計,蒸汽冷凝過程中,其蒸汽焓被釋放到環境中;(B) 蒸汽焓收集及利用設計,結合了熱存儲及熱電轉換功能,從而實現水電聯產。

      器件工作的基本過程和原理如圖1B 所示,以自然水源為源頭,借助于界面太陽能蒸汽技術來產生高溫蒸汽。隨后將高溫蒸汽輸送到儲熱模塊中,通過與儲熱模塊的熱交換,蒸汽焓被有效的存儲。同時,蒸汽在此過程中冷凝成水滴從器件中流出。儲存的熱量,借助于熱電模塊可有效產生電能。最終達到以太陽光和自然水源為源頭,實現潔凈水和電的聯合產出。

      圖2. 太陽能水純化性能:(A) 在不同光照強度下的產水速率; (B) 在不同光照強度下產生蒸汽的溫度; (C) 在不同光照強度下的光熱蒸汽轉化效率; (D) 純化前后水質量檢測。

      如圖2所示,器件具有優異的產水性能。由于借助界面光蒸汽技術,器件進入平衡狀態的時間被大大縮短(在8, 17, 22 和30 kW/m2 條件下,需要的穩態時間分別為666 s, 146 s, 40 s 和 32 s)。如圖2A所示,在8, 17, 22 和30kW/m2 條件下,生成蒸汽的速率可達4.2, 15.5, 24.3, 和34.8 kg/m2h。經計算,在不同光照強度下相應的蒸汽產生效率可達36.4%, 64.7%, 73.3% 和81.7%;連接有儲熱模塊后,相應產水效率可達26.5%, 60.5%, 70.0%和74.7%。 純化前后水質量的變化如圖2D所示,即便以受Pb2+, Cu2+ 和 Cr3+等高濃度重金屬離子污染的水源,經該技術處理后,相應的濃度可降到0.007, 0.338 和5×10-4mg/L,遠低于世界衛生組織對相應離子的要求 (Pb2+: 0.01 mg/L, Cu2+:2 mg/L, Cr3+: 0.05 mg/L)。

      圖3. 太陽能產電性能:(A) 不同光照強度下產生的開路電壓;(B) 器件在不同光照強度下產生的短路電流; (C) 在不同光照強度下產電的功率;(D) 器件所產生的電能驅動風扇和LED的光學照片。在(A)和(B)中,20 分鐘后關閉光源,器件的開路電壓和短路電流依然保持輸出,持續輸出時間可通過熱存儲設計有效調控。

      器件的產電性能如圖3所示。如圖3A和B所示,其開路電壓和短路電流最大可達3.87 V 和0.55 A。在8, 17, 22 和30kW/m2 條件下,輸出的產電功率分別為 1.7, 135.7, 363.0 和574 mW。經計算,器件的最大產電效率可達0.98%,通過過熱蒸汽的利用,其最大產電效率可達1.23%, 從而可有效驅動小型電風扇和LED (如圖3D所示)。如圖3A和B所示,當關閉光源后,由于熱學存儲模塊的作用,器件仍可以持續輸出一段時間電能。輸出時間的長短和熱學模塊儲熱能力的大小直接相關?,F階段,熱學存儲主要基于材料的顯熱,未來有望通過相變材料的設計來大幅度提升熱學模塊的存儲能力,進而長時間調控電力的輸出。

      【小結及展望】

      總結起來,該工作意義主要有幾點:1)在界面光熱轉換中,首次實現了蒸汽焓的儲存和再利用; 2)功能上,依靠太陽光和自然水源兩種地球上最充沛的資源,即可以實現潔凈水和電的聯產;3)器件上,將界面光熱轉換與熱存儲、熱電轉換有機銜接,從而實現了一種新型的太陽能轉換、存儲與利用一體化的功能器件。

      目前太陽能光-蒸汽的能量轉換效率可達70%以上,通過對蒸汽焓的回收和再利用可再產生1.23%的電能。展望未來,隨著熱學調控的發展、工作溫度的提高、熱電材料性能的進步,相信這一類太陽能器件的性能有望獲得進一步的提升。該器件基于可用于規?;a的材料制備工藝、高的能量轉移效率和儲熱能力,有望提供一種便攜式的水電聯產器件,以滿足偏遠地區及特殊場景下人們對飲用水和電力的需求。

      Xiuqiang Li, Xinzhe Min, Jinlei Li, Ning Xu, Pengchen Zhu, Bin Zhu, Shining Zhu, Jia Zhu, Storage and recycling of interfacial solar steam enthalpy, Joule, 2018,?DOI:10.1016/j.joule.2018.08.008

      作者簡介?

      朱嘉教授本科畢業于南京大學物理系,后在美國斯坦福大學獲得碩士和博士學位,隨后在加州大學伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室從事能源和環境材料領域的研究,在此期間獲得“國際材料學會優秀研究生金獎”、“中國政府優秀留學生獎”以及“美國化學學會無機化學青年科學家”。2013年回到南京大學擔任現代工程與應用科學學院教授、博士生導師。多年來從事基于微納結構的太陽能光熱轉換材料與器件方面的研究工作,迄今在Nature系列、Science系列、 Joule, PNAS, National Science Review, Nano Letters,Advanced Materials等高影響力學術期刊發表論文60余篇,他引超過3000次,申請國家、國際專利6項。所獲得的獎項包括:陳嘉庚青年科學家獎、麻省理工技術評論全球35歲以下創新者榜單、杜邦“青年教授獎”等。

      Copyright ? 2018 武漢流光設備有限公司 鄂ICP備18016868號
      日本强奷在线播放