在夏天里吹著空調(diào)、喝著冰水絕對(duì)是件美事，但是，你可曾知道，世界上有很多人還享受不到這種待遇，因?yàn)樗c能源都是當(dāng)今世界面臨的主要發(fā)展挑戰(zhàn)。

《2014年世界水發(fā)展報(bào)告》的主要作者理查德•康納(Richard Connor)指出：“全世界有13億人缺乏電力，全世界有7億7000多萬(wàn)人缺乏改善過(guò)的水源。缺乏供水的地區(qū)常常與缺乏電力的地區(qū)相重合，這從另一個(gè)角度顯示了水與能源之間的關(guān)聯(lián)。”

(圖片來(lái)源：http://engineering.danfoss.com.cn)

“閱讀原文”

能源與水的關(guān)系密不可分并且已受到廣泛關(guān)注，一方面，能源資源的開采、加工和轉(zhuǎn)化過(guò)程需要消耗大量純凈水。另一方面，水的凈化過(guò)程中需要消耗大量能量?？茖W(xué)家們一直試圖找到合適的方法處理水與能源的關(guān)系。沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)王鵬教授結(jié)合現(xiàn)有光伏技術(shù)和多級(jí)膜蒸餾技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種可同時(shí)產(chǎn)水產(chǎn)電的裝置，相關(guān)論文發(fā)表在Nature·Communications上(Simultaneous production of fresh water and electricity via multistage solar photovoltaic membrane distillation，詳情請(qǐng)戳~)，為解決水-能源危機(jī)提供了更綠色的標(biāo)桿。

水與能源相互制約

能源從開采到最終轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程十分復(fù)雜，其中水扮演著重要的角色。在大多數(shù)發(fā)電廠中，需要用水冷卻渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，而這一過(guò)程中大量水分通過(guò)蒸發(fā)而消耗。即使以清潔的方式通過(guò)光伏發(fā)電，也需要使用純凈水定期給光伏面板進(jìn)行清洗。

水與能源的關(guān)系(圖片來(lái)源：https：//dspace.mit.edu/handle/1721.1/72886)

而隨著人口的增長(zhǎng)以及全球氣候的變化，我們正面臨嚴(yán)重的水危機(jī)：全球約三分之一的人口每年至少有一個(gè)月生活在嚴(yán)重缺水條件下，5億人全年面臨水資源短缺問(wèn)題。盡管地球71%的面積被水覆蓋，然而其中97%為不可直接飲用的鹽水，淡水資源僅占3%。在這些淡水資源中，2/3來(lái)自冰川，因此可利用的淡水資源極其有限。

普通自來(lái)水廠只能用于鹽度較低的淡水(如江水、河水以及淡水湖中的水)凈化，對(duì)于鹽度較高的海水，則需要能量消耗較高的海水淡化技術(shù)，如多級(jí)閃蒸、多效蒸餾、膜蒸餾以及反滲透。通常，海水淡化工廠不僅需要消耗大量電能，前期設(shè)備投入較高，因此僅適用于人口密度較高以及較發(fā)達(dá)地區(qū)。

太陽(yáng)能發(fā)電低溫“廢熱”待利用

太陽(yáng)光作為一種可持續(xù)、可再生的清潔能源，對(duì)未來(lái)可持續(xù)發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。目前已提出多種太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化技術(shù)，如光催化分解水產(chǎn)氫、太陽(yáng)能電池、光熱存儲(chǔ)等。其中由于光伏發(fā)電可直接從太陽(yáng)光中獲取電能受到廣泛關(guān)注。

光伏發(fā)電(圖片來(lái)源：http://www.gov.cn/xinwen/2015-08/29/content_2921894.htm)

光伏發(fā)電通過(guò)將太陽(yáng)光中較短波長(zhǎng)部分通過(guò)光伏效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，而太陽(yáng)光中長(zhǎng)波段部分則被轉(zhuǎn)化為熱能。根據(jù)S-Q理論(Shockley–Queisser limit)，單結(jié)太陽(yáng)能電池的最大光電轉(zhuǎn)換效率僅為33.7%，而目前工業(yè)化的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率通常低于22%。剩余~78%的太陽(yáng)光主要被轉(zhuǎn)化為“廢熱”，造成較高的太陽(yáng)能電池運(yùn)行溫度(60~80oC)。在較高溫度下，太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率及使用壽命也將減少。

與傳統(tǒng)熱能利用技術(shù)相比(如熱能發(fā)動(dòng)機(jī))，太陽(yáng)能電池僅能作為一種低溫?zé)嵩?，?duì)其熱能的使用造成了一定的挑戰(zhàn)。因此，科學(xué)家們一直致力于尋求合適的策略有效處理太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的低溫“廢熱”。

高效發(fā)電凈水一機(jī)搞定

能夠綜合水與電力生產(chǎn)的系統(tǒng)是可持續(xù)前景的關(guān)鍵，例如在沙特阿拉伯和阿聯(lián)酋的一些發(fā)電廠集海水淡化和能源生產(chǎn)于一身。不過(guò)在傳統(tǒng)光熱水凈化技術(shù)中，光熱材料將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為熱能后將水源蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽在在透明玻璃內(nèi)表面冷凝，并將熱量擴(kuò)散至環(huán)境。其理論最大產(chǎn)水速率為~1.6 kg/m2h， 而由于冷凝表面熱量擴(kuò)散較慢，使其冷凝速度降低，因此其實(shí)際產(chǎn)水速率僅為0.3~0.7 kg/m2h。

傳統(tǒng)光熱水凈化技術(shù)(圖片來(lái)源：https：//www.researchgate.net/publication/294577641_Factors_affecting_solar_stills_productivity_and_improvement_techniques_A_detailed_review/figures?lo=1)

那么王鵬教授團(tuán)隊(duì)的裝置有什么獨(dú)到之處?

該裝置將太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的低溫廢熱作為熱源，利用水蒸發(fā)吸熱、冷凝釋放熱量的特點(diǎn)，通過(guò)多級(jí)膜蒸餾技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效蒸發(fā)和冷凝。其中，單級(jí)組件主要由蒸發(fā)層、多孔膜、冷凝層以及導(dǎo)熱層組成(如下圖所示)。

光伏-多級(jí)膜蒸餾結(jié)構(gòu)示意圖(圖片來(lái)源：https：//www.nature.com/articles/s41467-019-10817-6)

太陽(yáng)能電池受光照后，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能。熱量通過(guò)導(dǎo)熱層被蒸發(fā)層中的水吸收后產(chǎn)生水蒸氣并向下擴(kuò)散至冷凝層冷凝，釋放熱量。所釋放的熱量經(jīng)過(guò)冷凝層底部的導(dǎo)熱層傳送至下一級(jí)并作為下一級(jí)的熱源進(jìn)行蒸發(fā)、冷凝。

該過(guò)程主要包括熱量傳輸以及蒸汽擴(kuò)散，其驅(qū)動(dòng)力主要由多級(jí)裝置頂部與底部溫差產(chǎn)生：

1)頂部由于太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的熱能溫度較高，而底部溫度較低，而熱量可通過(guò)熱傳導(dǎo)從高溫出傳送至低溫處;

2)就蒸汽擴(kuò)散而言，多孔膜上側(cè)的蒸發(fā)層靠近太陽(yáng)能電池，其溫度與冷凝層相比較高。而水的飽和蒸氣壓隨溫度的升高而升高，因此蒸發(fā)層蒸氣壓高于冷凝層，驅(qū)使其向冷凝層擴(kuò)散。

此外，多孔膜由疏水材料制備而成，因此可阻擋液體水從蒸發(fā)層流向冷凝層。

與傳統(tǒng)光熱水凈化技術(shù)相比，這種光伏產(chǎn)水技術(shù)利用多級(jí)結(jié)構(gòu)，充分回收利用了水蒸氣冷凝釋放的熱能，使其產(chǎn)水速率大大提升。在保證11%產(chǎn)電效率的前提下，以海水作為水源，在三級(jí)組件中產(chǎn)水速率高達(dá)1.64 kg/m2h，這對(duì)于光伏產(chǎn)業(yè)以及海水淡化具有重要意義。

展望

這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了在同一個(gè)裝置中通過(guò)太陽(yáng)能同時(shí)產(chǎn)水產(chǎn)電，大大提高了太陽(yáng)能的利用率，具有很高的商業(yè)應(yīng)用前景。例如在沙特阿拉伯沿海地區(qū)，淡水資源匱乏而陽(yáng)光充足，因此在該地區(qū)發(fā)展光伏產(chǎn)水技術(shù)具有廣大前景。

光伏發(fā)電的展望：產(chǎn)電與產(chǎn)水同時(shí)進(jìn)行(圖片來(lái)源：https：//www.bbc.co.uk/news/science-environment-48910569)

此外，已有報(bào)道表明太陽(yáng)能電池發(fā)電廠的建立有利于太陽(yáng)能電板下面植物生長(zhǎng)，這是由于清洗太陽(yáng)能電池面板的純凈水灌溉造成的。據(jù)此，研究團(tuán)隊(duì)將致力于利用光伏產(chǎn)水裝置在靠近海水、咸水湖的半干旱地區(qū)打造光伏-咸水凈化-農(nóng)業(yè)生態(tài)。

當(dāng)前光伏-農(nóng)業(yè)生態(tài)(圖片來(lái)源：http://www.sohu.com/a/306897707_739670)