浙江大學王娟研究員《自然·通訊》：新型冷卻策略突破太陽能淡水生產瓶頸，效率提升至76%

隨著全球淡水短缺問題因氣候變化、人口增長和工業擴張而日益嚴峻，太陽能驅動清潔水生產因其低碳環保特性備受關注。特別是界面太陽能蒸發技術，其太陽能利用率超過90%，已成為一種可持續的淡水生產方案。然而，盡管蒸汽生成速率顯著提升，冷凝過程中有限的熱耗散始終制約整體產水效率，導致實際產水率遠低于理論值，成為該技術推廣的關鍵挑戰。

近日，浙江大學王娟研究員提出了一種名為“潛熱輔助蒸發冷卻”的新策略，通過利用水蒸發時的潛熱有效驅散冷凝過程中釋放的熱量，顯著提升了太陽能淡水生產系統的整體效率。該研究以脫木素木材為冷卻基底，實現了熱耗散熱通量2.5倍的提升，并加速了蒸汽從蒸發區向冷凝界面的擴散。該系統將太陽能產水效率提高至76%，遠高于傳統系統的49%，并展現出良好的耐鹽性和多場景適用性，為實現高效、可持續的淡水供應提供了新路徑。相關論文以“Latent heat-assisted cooling for high-efficiency solar-driven freshwater production”為題，發表在

Nature Communications

為深入理解冷凝熱管理的核心問題，圖1揭示了封閉環境下太陽能淡水生產系統中熱耗散的關鍵步驟。圖中比較了傳統體積蒸發與界面蒸發在熱力學循環中的差異，指出界面系統在蒸汽飽和與冷凝階段釋放的熱量更大，亟需高效散熱機制。研究進一步對比了環境冷卻、被動日間輻射冷卻與潛熱蒸發冷卻三種策略，理論計算表明，LHEC在高溫環境下具有更優的冷卻功率，特別適用于炎熱氣候。

圖1 | 封閉環境下太陽能驅動淡水生產所涉及的熱耗散過程。 a. 封閉環境中太陽能驅動淡水生產關鍵步驟示意圖，突出熱耗散的關鍵作用。藍色虛線箭頭表示蒸汽擴散與對流。 b. 溫濕圖描繪封閉環境中體積蒸發與界面蒸發的閉環循環，展示關鍵參數變化。 c. 環境冷卻、被動日間輻射冷卻與潛熱蒸發冷卻策略的對比示意圖，強調環境條件對其性能的影響。 d. 不同冷卻策略隨冷卻表面溫度變化的冷卻功率理論計算結果，假設環境條件為25°C與50%相對濕度。

研究團隊選取脫木素木材作為LHEC基底，其天然多尺度通道結構兼具優良的親水性與光散射能力。圖2展示了該材料的物理與光學特性：掃描電鏡圖像顯示其具有從微米級導管到納米級孔洞的多級通道，有效促進毛細水傳輸與蒸發；動態接觸角與毛細上升實驗證實其超親水特性；光譜測量表明其太陽能吸收率僅為0.11，遠低于原始木材的0.46，有效減少了寄生熱積累。此外，木材在長波紅外波段具有高達0.96的發射率，進一步增強了其在冷凝過程中的散熱能力。

圖2 | 脫木素木材作為LHEC基板的表征。 a. 自然光下脫木素木材的光學照片。 b, c, d. 低分辨率掃描電鏡圖像分別展示脫木素木材的橫截面與縱向結構。 e. 水毛細上升測試中脫木素木材的紅外熱成像圖，其基部浸沒于水中。 f. 脫木素木材中多孔結構在0.3–2.5 μm太陽光譜范圍內的散射效率模擬。 g. 脫木素木材與原始木材在濕潤狀態下全太陽光譜范圍內的吸收譜，疊加AM 1.5G太陽輻射譜。 h. 脫木素木材與原始木材的傅里葉變換紅外光譜。 i. 濕潤脫木素木材的長波紅外發射譜，疊加30°C、40°C和50°C黑體輻射曲線。 j. 脫木素木材作為LHEC基板的功能示意圖，具備持續水輸送與蒸發、低太陽吸收與高長波紅外輻射能力。

為評估LHEC基板的實際冷卻性能，圖3展示了一套定制實驗裝置及其測試結果。隨著熱輸入的增加，LHEC功率呈比例上升，能量效率比穩定在0.8至1.0之間，表明蒸發冷卻在散熱過程中占主導地位。與傳統玻璃基板相比，脫木素木材在相同熱負荷下保持更低的界面溫度，凸顯其優異的散熱性能。

圖3 | 脫木素木材作為LHEC基板的性能評估。 a. 用于測量脫木素木材LHEC性能的自組裝實驗裝置示意圖。 b. 脫木素木材在逐漸增加的熱輸入下，有無太陽輻照時的LHEC功率曲線。 c. LHEC功率與總熱輸入的能量比隨熱輸入變化的曲線。 d. 脫木素木材與參考玻璃基板在不同熱輸入下的界面溫度變化。

將LHEC基板集成至典型太陽能界面蒸發系統后，其冷凝強化效果顯著。圖4顯示，LHEC輔助系統的熱耗散速率達到無LHEC系統的2.5倍，冷凝壁面溫度降低4~6°C，蒸汽與冷凝壁面之間的溫差顯著擴大。數值模擬進一步表明，LHEC系統內蒸汽濃度梯度更陡，擴散通量更高，直接促進了蒸汽的凝結過程。在1 kW m?2光照下，LHEC系統產水率提升34.3%，太陽能產水效率最高達76%。此外，該基板可靈活嵌入多種冷凝結構（如單坡、倒置、多級蒸餾等），均能顯著提升產水性能。

圖4 | 潛熱輔助蒸發冷卻對太陽能界面清潔水生產的提升效果。 a. 用于評估LHEC對清潔水生產貢獻的實驗裝置示意圖。 b. 有無LHEC輔助條件下，系統在不同太陽輻照強度下的穩態熱耗散熱通量。 c. 有無LHEC輔助條件下，冷凝表面與生成蒸汽的溫度曲線。 d. 有無LHEC輔助條件下，蒸發區附近水蒸氣濃度分布的模擬結果。 e. 基于水蒸氣濃度分布計算的蒸發表面蒸汽擴散通量。 f. 有無LHEC輔助條件下的太陽能淡水生產速率。 g. LHEC基板相比傳統裸玻璃裝置在太陽能產水效率方面的提升。 h. LHEC輔助策略在多種代表性冷凝裝置中帶來的產水率提升。

在實際應用測試中，圖5展示了LHEC系統在戶外與海水環境中的表現。無論是在晴朗或是多云天氣下，LHEC系統均能穩定提升產水率，且在高溫高濕環境中仍保持19%以上的性能增益。在模擬海水環境中連續運行120小時后，其散熱通量仍穩定在1 kW m?2，未出現鹽堵塞現象。凈化后的湖水與海水各項指標均符合世界衛生組織飲用水標準。經濟分析顯示，集成LHEC策略后，每升水成本下降18.2%，展現出良好的規模化應用前景。

圖5 | 潛熱輔助蒸發冷卻策略的實際性能評估。 a, b. 戶外太陽能淡水生產實驗現場照片與示意圖。 c. 晴天條件下LHEC輔助系統與裸玻璃系統的產水率對比。 d. 在模擬海水環境中，LHEC基板在持續熱負荷下的散熱穩定性測試。 e, f. 海上漂浮式LHEC輔助系統實物圖及其在海水條件下的戶外產水性能。 g. 原水與經LHEC系統凈化后水樣的離子濃度與總有機碳對比。 h. LHEC輔助系統與文獻中其他代表性冷卻策略在太陽能產水效率方面的比較。 i. 集成LHEC與否的系統在一年運行周期內的經濟性分析。 j. LHEC輔助太陽能蒸發策略在海上浮式淡化與野外應急取水等場景中的應用示意圖。

該研究通過潛熱輔助蒸發冷卻策略，成功解決了太陽能界面蒸發系統中冷凝熱管理的核心難題。脫木素木材作為理想基板，兼具高效散熱、耐鹽抗污、低成本與環境友好等優勢，為實現全被動、高效率的太陽能淡水生產提供了可行路徑。未來，該技術有望廣泛應用于海水淡化、野外應急取水等場景，為應對全球水資源短缺貢獻可持續解決方案。