一边发电一边造淡水 这个装置是沙漠标配了

作者：王文斌（沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

在夏天里吹着空调、喝着冰水绝对是件美事，但是，你可曾知道，世界上有很多人还享受不到这种待遇，因为水与能源都是当今世界面临的主要发展挑战。

《2014年世界水发展报告》的主要作者理查德•康纳（Richard Connor）指出：“全世界有13亿人缺乏电力，全世界有7亿7000多万人缺乏改善过的水源。缺乏供水的地区常常与缺乏电力的地区相重合，这从另一个角度显示了水与能源之间的关联。”

（图片来源：http://engineering.danfoss.com.cn）

能源与水的关系密不可分并且已受到广泛关注，一方面，能源资源的开采、加工和转化过程需要消耗大量纯净水。另一方面，水的净化过程中需要消耗大量能量。科学家们一直试图找到合适的方法处理水与能源的关系。沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学王鹏教授结合现有光伏技术和多级膜蒸馏技术，设计了一种可同时产水产电的装置，相关论文发表在Nature·Communications上（Simultaneous production of fresh water and electricity via multistage solar photovoltaic membrane distillation,详情请戳“阅读原文”~），为解决水-能源危机提供了更绿色的标杆。

水与能源相互制约

能源从开采到最终转化为电能的过程十分复杂，其中水扮演着重要的角色。在大多数发电厂中，需要用水冷却涡轮发动机，而这一过程中大量水分通过蒸发而消耗。即使以清洁的方式通过光伏发电，也需要使用纯净水定期给光伏面板进行清洗。

水与能源的关系（图片来源：https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/72886）

而随着人口的增长以及全球气候的变化，我们正面临严重的水危机：全球约三分之一的人口每年至少有一个月生活在严重缺水条件下，5亿人全年面临水资源短缺问题。尽管地球71%的面积被水覆盖，然而其中97%为不可直接饮用的盐水，淡水资源仅占3%。在这些淡水资源中，2/3来自冰川，因此可利用的淡水资源极其有限。

普通自来水厂只能用于盐度较低的淡水（如江水、河水以及淡水湖中的水）净化，对于盐度较高的海水，则需要能量消耗较高的海水淡化技术，如多级闪蒸、多效蒸馏、膜蒸馏以及反渗透。通常，海水淡化工厂不仅需要消耗大量电能，前期设备投入较高，因此仅适用于人口密度较高以及较发达地区。

太阳能发电 低温“废热”待利用

太阳光作为一种可持续、可再生的清洁能源，对未来可持续发展有着至关重要的作用。目前已提出多种太阳能转化技术，如光催化分解水产氢、太阳能电池、光热存储等。其中由于光伏发电可直接从太阳光中获取电能受到广泛关注。

光伏发电（图片来源：http://www.gov.cn/xinwen/2015-08/29/content_2921894.htm）

光伏发电通过将太阳光中较短波长部分通过光伏效应转化为电能，而太阳光中长波段部分则被转化为热能。根据S-Q理论（Shockley–Queisser limit），单结太阳能电池的最大光电转换效率仅为33.7%，而目前工业化的太阳能电池光电转换效率通常低于22%。剩余~78%的太阳光主要被转化为“废热”，造成较高的太阳能电池运行温度（60~80oC）。在较高温度下，太阳能电池光电转化效率及使用寿命也将减少。

与传统热能利用技术相比（如热能发动机），太阳能电池仅能作为一种低温热源，对其热能的使用造成了一定的挑战。因此，科学家们一直致力于寻求合适的策略有效处理太阳能电池产生的低温“废热”。

高效发电净水 一机搞定

能够综合水与电力生产的系统是可持续前景的关键，例如在沙特阿拉伯和阿联酋的一些发电厂集海水淡化和能源生产于一身。不过在传统光热水净化技术中，光热材料将太阳光转化为热能后将水源蒸发，产生的蒸汽在在透明玻璃内表面冷凝，并将热量扩散至环境。其理论最大产水速率为~1.6 kg/m2h, 而由于冷凝表面热量扩散较慢，使其冷凝速度降低，因此其实际产水速率仅为0.3~0.7 kg/m2h。

传统光热水净化技术（图片来源：https://www.researchgate.net/publication/294577641_Factors_affecting_solar_stills_productivity_and_improvement_techniques_A_detailed_review/figures?lo=1）

那么王鹏教授团队的装置有什么独到之处？

该装置将太阳能电池所产生的低温废热作为热源，利用水蒸发吸热、冷凝释放热量的特点，通过多级膜蒸馏技术实现高效蒸发和冷凝。其中，单级组件主要由蒸发层、多孔膜、冷凝层以及导热层组成（如下图所示）。

光伏-多级膜蒸馏结构示意图（图片来源：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10817-6）

太阳能电池受光照后，将太阳能转化为电能和热能。热量通过导热层被蒸发层中的水吸收后产生水蒸气并向下扩散至冷凝层冷凝，释放热量。所释放的热量经过冷凝层底部的导热层传送至下一级并作为下一级的热源进行蒸发、冷凝。

该过程主要包括热量传输以及蒸汽扩散，其驱动力主要由多级装置顶部与底部温差产生：

1）顶部由于太阳能电池产生的热能温度较高，而底部温度较低，而热量可通过热传导从高温出传送至低温处；

2）就蒸汽扩散而言，多孔膜上侧的蒸发层靠近太阳能电池，其温度与冷凝层相比较高。而水的饱和蒸气压随温度的升高而升高，因此蒸发层蒸气压高于冷凝层，驱使其向冷凝层扩散。

此外，多孔膜由疏水材料制备而成，因此可阻挡液体水从蒸发层流向冷凝层。

与传统光热水净化技术相比，这种光伏产水技术利用多级结构，充分回收利用了水蒸气冷凝释放的热能，使其产水速率大大提升。在保证11%产电效率的前提下，以海水作为水源，在三级组件中产水速率高达1.64 kg/m2h，这对于光伏产业以及海水淡化具有重要意义。

展望

这项研究实现了在同一个装置中通过太阳能同时产水产电，大大提高了太阳能的利用率，具有很高的商业应用前景。例如在沙特阿拉伯沿海地区，淡水资源匮乏而阳光充足，因此在该地区发展光伏产水技术具有广大前景。

光伏发电的展望：产电与产水同时进行（图片来源：https://www.bbc.co.uk/news/science-environment-48910569）

此外，已有报道表明太阳能电池发电厂的建立有利于太阳能电板下面植物生长，这是由于清洗太阳能电池面板的纯净水灌溉造成的。据此，研究团队将致力于利用光伏产水装置在靠近海水、咸水湖的半干旱地区打造光伏-咸水净化-农业生态。

当前光伏-农业生态（图片来源：http://www.sohu.com/a/306897707_739670）