被動式太陽能海水淡化技術路線解析
摘要：自從世界上第1個大型太陽能海水淡化裝置建成以來，被動式太陽能海水淡化技術沒有取得突破性進展。其原因在于沒有妥善解決光熱轉換、蒸發和冷凝問題。作為當前研究熱點的太陽能界面蒸發技術只是對盤式太陽能海水淡化技術的改良。頂置加熱面太陽能蒸發技術將加熱面、蒸發面、冷凝面自上而下依次設置，光熱轉換效率高，海水蒸發量大，冷凝效果好，部分冷凝熱加熱上行海水被回收利用，是顛覆性技術?？v觀被動式太陽能海水淡化技術發展歷程，盤式太陽能海水淡化技術是全程起點，太陽能界面蒸發技術是當前研究熱點，頂置加熱面太陽能蒸發技術將是全程終點。
關鍵詞：海水淡化 太陽能 蒸發 冷凝
1．引言
自從世界上第1個大型太陽能海水淡化裝置于1872年在智利北部的Las Salinas建成以來，低成本太陽能海水淡化技術就成為世界科學難題。在此期間人類不懈探索，開創了被動式太陽能海水淡化和主動式太陽能海水淡化兩條技術路線。然而，100多年過去了，這道世界科學難題依然沒有令人滿意的答案。目前，太陽能海水淡化技術仍處于研究發展和小型試驗階段［1］，世界各國有眾多科研機構在開展太陽能海水淡化技術研究。2014年，英國“經度獎”也將開發低成本可持續性海水淡化技術列為六個候選的科學難題之一［2］。2020年，美國能源部（DOE）宣布將投入900萬美元啟動一項獎項競賽——“美國制造挑戰：太陽能海水淡化獎”，旨在推動太陽能光熱海水淡化技術加速創新。
就技術路線而言，被動式太陽能海水淡化技術路線相對主動式太陽能海水淡化技術路線有優勢。
被動式太陽能海水淡化技術路線起點是盤式太陽能海水淡化技術。其加熱面是盤底面，蒸發面在水面，冷凝面是玻璃罩表面。這種加熱面、蒸發面、冷凝面設置方式導致盤式太陽能海水淡化技術存在兩大缺點：1是盤底面吸收的熱量必須使盤內全部海水升溫，只有部分熱量使海水在水面蒸發成蒸汽，熱量利用率不高；2是冷凝面在加熱面和蒸發面以上，冷凝熱直接全部散發到大氣中，不能回收利用。為了克服第1個缺點，近年來，將加熱面從盤底面提升到水面的太陽能界面蒸發技術成為研究熱點。對于第2個缺點，太陽能界面蒸發技術無法克服。因此導致太陽能界面蒸發技術推廣應用受到限制。
2020年，將加熱面和蒸發面設置在水面以上、冷凝面設置在加熱面和蒸發面以下的發明在中國申請了專利［3］。盤式太陽能海水淡化技術存在的兩大缺點被克服。而且蒸汽冷凝速度快，部分冷凝熱加熱上行海水得到回收利用。2021年，將加熱面和蒸發面設置在水面以上，冷凝面設置在加熱面和蒸發面以下，能夠利用現有太陽能界面蒸發材料的發明申請了中國專利［4］。這兩項專利共同的技術特征是加熱面、蒸發面、冷凝面自上而下依次設置。將上述技術特征定義為頂置加熱面太陽能蒸發技術。至此，現有被動式太陽能海水淡化技術將被顛覆，人類低成本太陽能海水淡化的愿望終將實現。
2．被動式太陽能海水淡化技術路線解析
完美的被動式太陽能海水淡化技術方案，需要妥善解決光熱轉換、蒸發和冷凝問題。光熱轉換問題的解決主要取決于加熱面，蒸發問題的解決主要取決于蒸發面，冷凝問題的解決主要取決于冷凝面。盤式太陽能海水淡化技術將加熱面設置在盤底面，太陽光穿透玻璃罩和海水才能到達盤底面轉換成熱量加熱海水。海水被加熱后在水面蒸發成蒸汽，水面就是蒸發面。蒸汽在玻璃罩內表面放熱冷凝，冷凝熱經玻璃罩外表面散發到大氣中。玻璃罩內表面就是冷凝面。為了提高光熱轉換效率，將加熱面提升到水面的太陽能界面蒸發技術應運而生。中國科學院、麻省理工學院、上海交通大學、南京大學等科研機構的研究人員成功研發多種太陽能界面蒸發新材料。這些新材料的應用，并沒妥善解決光熱轉換、蒸發和冷凝問題。究其原因，太陽能界面蒸發技術只是對盤式太陽能海水淡化技術的改良，而不是顛覆性的技術創新。兩者都具有蒸汽上行冷凝和冷凝熱全部直接散發到大氣層的技術特點。頂置加熱面太陽能蒸發技術的特點在于：加熱面和蒸發面在上，蒸汽下行冷凝，部分冷凝熱加熱上行海水被回收利用。光熱轉換、蒸發和冷凝問題得到解決。中國發明專利2020109186213和中國發明專利2021100455488就是頂置加熱面太陽能蒸發技術的具體實施方案。
中國發明專利2020109186213在光熱板與冷凝器之間和冷凝器與海水蒸發罐底部之間實現汽液兩相傳質傳熱，構成熱量向下傳遞通道。采用吸水材料構建了海水向上輸運通道。冷凝器具有蓄水功能，不僅實現了高效傳質傳熱，而且無論日照強弱都能均衡供水［3］。
中國發明專利2021100455488將加熱面和蒸發面都布置在海水面以上的冷凝器內，冷凝面是冷凝器底面和側面。冷凝器內自上而下是透明材料、墊圈、光熱材料、吸水材料、支架、防浪板、防浪浮板。冷凝器外有通氣管、水泵接口和沿側面沉入海水的吸水材料。漂浮在水面的多個冷凝器底部連通，其中一個冷凝器底部接通水泵［4］。
被動式太陽能海水淡化技術由盤式太陽能海水淡化技術到太陽能界面蒸發技術，再到頂置加熱面太陽能蒸發技術的發展路線都圍繞怎樣解決光熱轉換、蒸發和冷凝問題展開。光熱轉換、蒸發和冷凝問題只有通過加熱面、蒸發面、冷凝面的優化設置來解決。頂置加熱面太陽能蒸發技術是最佳方案。
3．頂置加熱面太陽能蒸發技術應用前景展望
頂置加熱面太陽能蒸發技術在海水淡化、污水處理、工農業生產等領域有廣泛應用前景。
在海島，應用該技術建設的太陽能海水淡化裝置固定在淺灘或漂浮在海面，不占用陸地。裝置運行時，除了抽取淡水所耗電能和太陽能外，沒有其他能源消耗。是海島必備的淡水供給基礎設施。
在水質性缺水地區，該技術可以利用太陽能將不符合飲用水標準的水處理成合格飲用水。如中國西北地區，太陽光照強，苦咸水豐富。采用該太陽能海水淡化技術能解決缺水問題。在廣大農村地區，小型太陽能海水淡化裝置普及使用，農村飲用水安全問題將得到解決。
沿海曬鹽場的鹽田采用該技術裝置，在獲得淡水的同時，加快了鹽水濃縮速度。鹽和淡水都有經濟價值。
使用該技術裝置，各類污水經太陽能蒸發冷凝后可以排放或回收利用。
頂置加熱面太陽能蒸發技術將對消除世界水危機和環境保護作出重大貢獻。
4．結論
被動式太陽能海水淡化技術的核心是妥善解決光熱轉換、蒸發和冷凝問題。加熱面、蒸發面、冷凝面自上而下依次設置是解決上述問題的最佳方案?？v觀被動式太陽能海水淡化技術發展歷程，盤式太陽能海水淡化技術是全程起點，太陽能界面蒸發技術是當前研究熱點，頂置加熱面太陽能蒸發技術將是全程終點。
參考文獻
［1］高從堦 阮國嶺 海水淡化技術與工程［M］ 化學工業出版社 2016
［2］趙熙熙英國設巨獎解決全球頭號科學難題［J］ 中國科學報 2014
［3］孔令斌一種蓄水冷凝的太陽能海水淡化裝置［P］中國專利公報2020
［4］孔令斌一種漂浮在水面的太陽能海水淡化裝置［P］ 中國專利公報2021
