ECM||受自然启发的三维界面太阳能蒸发系统:通过高效设计和表面润湿性增强蒸汽生成

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研究背景

本研究调查了一种界面太阳能蒸发系统的性能，该系统采用空心、多孔的圆柱形结构，其截面为椭圆形，灵感来源于鱼类的流线型形状。这种仿生几何设计通过有效利用对流流，降低基发表面的相对湿度，并改善太阳能辐射的吸收，将蒸汽产生量与传统的空心圆柱形设计相比提高了多达60.86%。这种自然启发的Janus结构确保了盐水脱盐过程中的稳定性能，通过防止盐晶体在吸收阳光的表面形成，与典型的亲水性涂层结构相比，平均蒸汽产生率提高了5.6%。这些研究结果表明，通过最小化热损失和利用额外的环境能量，3D界面式太阳能蒸汽产生系统可以超越理论效率极限。数值模拟显示，与实验数据相比的最大偏差为10.52%，这进一步验证了设计方法，并强调了结构改进的重要性，以缓解可能损害整体系统效率的高湿度区域。相关工作以Nature-inspired 3D interfacial solar evaporation system: Enhancing steam generation through efficient design and surface wettability为题发表在《Energy Conversion and Management》期刊。（JCR一区, 中科院一区TOP, IF=10.9）

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研究内容

本研究开发了一种创新的仿生3D界面太阳能-风能蒸汽发生器（3D JISWSG），通过多维度结构优化和表面润湿性调控，系统解决了传统太阳能淡化技术中蒸发效率低和盐结晶堵塞的核心难题。研究首次将鱼类流线型形态引入蒸发器设计，构建了椭圆截面空心圆柱结构，结合底部战略性穿孔布局，实现了气流动力学与热管理的协同优化。实验表明，该设计使蒸汽生成率较传统圆柱结构提升60.86%，其中穿孔设计将内壁蒸发贡献率提高333%，有效打破了内部高湿度区的形成瓶颈。在能量利用方面，研究揭示了3D结构通过侧壁蒸发冷却效应捕获环境能量的新机制，使系统效率突破115.19%的理论极限。当引入0.2-1 m/s风速辅助时，蒸汽产量进一步提升118%，达到5.15 kg/m²·h。针对高盐环境稳定性问题，创新的Janus不对称润湿结构（外壁亲水/内壁疏水）成功将20 wt%盐水中的蒸发速率稳定在6.58 kg/m²·h，较传统设计提升5.6%，且连续运行六个周期仍保持93%以上的性能维持率。通过耦合计算流体动力学模拟与实验验证，研究建立了环境参数（温度、湿度、风速）与蒸发性能的定量关系模型，发现温度每升高10°C可带来32%的效能增益。该工作不仅提供了从材料选择（石墨-二氧化钛复合涂层）、结构设计（仿生椭圆穿孔圆柱）到系统集成（太阳能-风能-环境热能协同）的全链条解决方案，更通过多物理场耦合分析深化了对界面蒸发过程中质量-热量传递机理的理解，为下一代高效可持续海水淡化技术奠定了理论基础。

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研究数据

图1：(a) 使用毛毡构建三维ISSG模型。(b) 通过吸水分析评估毛毡孔隙体积。(c) 毛毡随时间的水分渗透情况。

图2：(a) 涂有石墨的毡。(b) 涂有石墨-钛氧化物层的毡。(c) 聚氨酯绝缘材料的制备。

图3：(a) 毛毡SEM图像。(b) 石墨涂层毛毡SEM图像。(c) 石墨-二氧化钛涂层毛毡的SEM图像。(d) 石墨和石墨-二氧化钛光吸收剂的XRD衍射图谱。

图4：(a) 用于评估三维ISWSG中水蒸发速率的实验装置示意图。(b) 实际图像。

图5: 带亲水性吸光涂层的2D和3D SSG。

图6: 工具及其精度。

图7：(a-c)模拟域的壁面和(d)三维ISWSG。

图8：网格独立性研究。

图9：(a)纯水、2D和3D ISSG的质量变化。(b)纯水、2D和3D ISSG的净蒸发速率和效率。(c)用于蒸汽生产的太阳能利用量。不同条件下2D和3DISSG的温度分布图像(d1和d2):无光照下的湿态，(d3和d4):湿态暴露于1个太阳光照下。(e1)2DISSG和(e2)3DISSG内部能量传递的示意图。(f1)2DISSG和(f2)3DISSG的能量分布。

图10：风速对蒸汽生成的影响。

图11：(a) 数值模型与实验数据的对比评估。(b)风速为1m/s时3DISWSG内的相对湿度分布图(b)((1)正面视图(2)顶视图)。(c)3DISWSG内外壁在风速为1m/s时的蒸发速率。

图12：一个受自然启发的三维ISWSG系统(源自[31])。该结构可暴露于不同角度的风流中

图13：(a)在不同角度下，受自然启发的三维ISWSG系统的性能。(b)在风速为1m/s条件下，受自然启发的三维ISWSG中的相对湿度分布。

图14：(a)蒸发速率。(b)在风速为1m/s条件下，自然启发式三维ISWSG模型中无穿孔和有穿孔情况下的相对湿度分布。

图15：自然启发式穿孔结构中。(a)空气相对湿度和(b)空气温度对蒸汽生成速率的影响。

图16：在连续6个周期内，具有(a)亲水性和(b)Janus涂层的三维ISWSG的平均蒸发速率。

图17：(a)3D JISWSG在盐水环境中的连续6个周期内的平均蒸发速率。(b)3D JISWSG蒸发速率与其他已报道的【32-34】在盐水环境下在1个太阳辐照量下的太阳能蒸发器的比较。

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研究结论

这项研究评估了天然多孔三维Janus界面太阳能-风力蒸汽发生器的海水淡化性能，并比较了界面太阳能蒸汽发生器(ISSG)系统在二维和三维配置下的蒸汽生成率和效率。进行了数值模拟，以研究3D-ISWSG周围的流体流动动力学，并评估环境条件对蒸发性能的影响。主要调查结果概述如下:

在2DISSG系统中，向环境散失的显著辐射和传导热量导致净蒸汽生成速率被限制在0.77 kg/m2·h。相比之下，3DISSG通过最小化热损失和利用环境能量，实现了1.71kg/m2·h的净蒸汽生成速率。

与无对流辅助的3DISSG相比，中空圆柱形的3DISWSG在02、0.4、0.6、0.8和1m/s的流速下，分别将蒸汽产生量提高了16%、47%、70%、91%和118%。

在3DISWSG中使用生物启发的椭圆形截面，与常规圆形截面相比，在1m/s的速度下，蒸汽产生量增加了43.47%。此外，在自然启发结构的面向流动侧底部进行穿孔处理，可以降低内部相对湿度，与没有穿孔的结构相比，蒸汽产生量增加了12.12%。

降低空气相对湿度并提高空气温度可增强ISWSG性能，其中温度被确定为主要影响因素。

Janus光吸收设计的应用在3DISWSG中有效地减少了光接收表面上的盐积累，从而提高了长期稳定性，并且在盐水脱盐过程中与全亲水性配置相比，平均蒸汽产生率提高了5.6%。

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https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.120365

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