摘要：自從世界上第1個(gè)大型太陽能海水淡化裝置建成以來，被動(dòng)式太陽能海水淡化技術(shù)沒有取得突破性進(jìn)展。其原因在于沒有妥善解決光熱轉(zhuǎn)換、蒸發(fā)和冷凝問題。作為當(dāng)前研究熱點(diǎn)的太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)只是對(duì)盤式太陽能海水淡化技術(shù)的改良。頂置加熱面太陽能蒸發(fā)技術(shù)將加熱面、蒸發(fā)面、冷凝面自上而下依次設(shè)置，光熱轉(zhuǎn)換效率高，海水蒸發(fā)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(shù)。縱觀被動(dòng)式太陽能海水淡化技術(shù)發(fā)展歷程，盤式太陽能海水淡化技術(shù)是全程起點(diǎn)，太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，頂置加熱面太陽能蒸發(fā)技術(shù)將是全程終點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：海水淡化 太陽能 蒸發(fā) 冷凝

1．引言

自從世界上第1個(gè)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(shù)就成為世界科學(xué)難題。在此期間人類不懈探索，開創(chuàng)了被動(dòng)式太陽能海水淡化和主動(dòng)式太陽能海水淡化兩條技術(shù)路線。然而，100多年過去了，這道世界科學(xué)難題依然沒有令人滿意的答案。目前，太陽能海水淡化技術(shù)仍處于研究發(fā)展和小型試驗(yàn)階段［1］，世界各國(guó)有眾多科研機(jī)構(gòu)在開展太陽能海水淡化技術(shù)研究。2014年，英國(guó)“經(jīng)度獎(jiǎng)”也將開發(fā)低成本可持續(xù)性海水淡化技術(shù)列為六個(gè)候選的科學(xué)難題之一［2］。2020年，美國(guó)能源部（DOE）宣布將投入900萬美元啟動(dòng)一項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)競(jìng)賽——“美國(guó)制造挑戰(zhàn)：太陽能海水淡化獎(jiǎng)”，旨在推動(dòng)太陽能光熱海水淡化技術(shù)加速創(chuàng)新。

就技術(shù)路線而言，被動(dòng)式太陽能海水淡化技術(shù)路線相對(duì)主動(dòng)式太陽能海水淡化技術(shù)路線有優(yōu)勢(shì)。

被動(dòng)式太陽能海水淡化技術(shù)路線起點(diǎn)是盤式太陽能海水淡化技術(shù)。其加熱面是盤底面，蒸發(fā)面在水面，冷凝面是玻璃罩表面。這種加熱面、蒸發(fā)面、冷凝面設(shè)置方式導(dǎo)致盤式太陽能海水淡化技術(shù)存在兩大缺點(diǎn)：1是盤底面吸收的熱量必須使盤內(nèi)全部海水升溫，只有部分熱量使海水在水面蒸發(fā)成蒸汽，熱量利用率不高；2是冷凝面在加熱面和蒸發(fā)面以上，冷凝熱直接全部散發(fā)到大氣中，不能回收利用。為了克服第1個(gè)缺點(diǎn)，近年來，將加熱面從盤底面提升到水面的太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。對(duì)于第2個(gè)缺點(diǎn)，太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)無法克服。因此導(dǎo)致太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)推廣應(yīng)用受到限制。

2020年，將加熱面和蒸發(fā)面設(shè)置在水面以上、冷凝面設(shè)置在加熱面和蒸發(fā)面以下的發(fā)明在中國(guó)申請(qǐng)了專利［3］。盤式太陽能海水淡化技術(shù)存在的兩大缺點(diǎn)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(fā)面設(shè)置在水面以上，冷凝面設(shè)置在加熱面和蒸發(fā)面以下，能夠利用現(xiàn)有太陽能界面蒸發(fā)材料的發(fā)明申請(qǐng)了中國(guó)專利［4］。這兩項(xiàng)專利共同的技術(shù)特征是加熱面、蒸發(fā)面、冷凝面自上而下依次設(shè)置。將上述技術(shù)特征定義為頂置加熱面太陽能蒸發(fā)技術(shù)。至此，現(xiàn)有被動(dòng)式太陽能海水淡化技術(shù)將被顛覆，人類低成本太陽能海水淡化的愿望終將實(shí)現(xiàn)。

2．被動(dòng)式太陽能海水淡化技術(shù)路線解析

完美的被動(dòng)式太陽能海水淡化技術(shù)方案，需要妥善解決光熱轉(zhuǎn)換、蒸發(fā)和冷凝問題。光熱轉(zhuǎn)換問題的解決主要取決于加熱面，蒸發(fā)問題的解決主要取決于蒸發(fā)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(shù)將加熱面設(shè)置在盤底面，太陽光穿透玻璃罩和海水才能到達(dá)盤底面轉(zhuǎn)換成熱量加熱海水。海水被加熱后在水面蒸發(fā)成蒸汽，水面就是蒸發(fā)面。蒸汽在玻璃罩內(nèi)表面放熱冷凝，冷凝熱經(jīng)玻璃罩外表面散發(fā)到大氣中。玻璃罩內(nèi)表面就是冷凝面。為了提高光熱轉(zhuǎn)換效率，將加熱面提升到水面的太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。中國(guó)科學(xué)院、麻省理工學(xué)院、上海交通大學(xué)、南京大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)的研究人員成功研發(fā)多種太陽能界面蒸發(fā)新材料。這些新材料的應(yīng)用，并沒妥善解決光熱轉(zhuǎn)換、蒸發(fā)和冷凝問題。究其原因，太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)只是對(duì)盤式太陽能海水淡化技術(shù)的改良，而不是顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新。兩者都具有蒸汽上行冷凝和冷凝熱全部直接散發(fā)到大氣層的技術(shù)特點(diǎn)。頂置加熱面太陽能蒸發(fā)技術(shù)的特點(diǎn)在于：加熱面和蒸發(fā)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(zhuǎn)換、蒸發(fā)和冷凝問題得到解決。中國(guó)發(fā)明專利2020109186213和中國(guó)發(fā)明專利2021100455488就是頂置加熱面太陽能蒸發(fā)技術(shù)的具體實(shí)施方案。

中國(guó)發(fā)明專利2020109186213在光熱板與冷凝器之間和冷凝器與海水蒸發(fā)罐底部之間實(shí)現(xiàn)汽液兩相傳質(zhì)傳熱，構(gòu)成熱量向下傳遞通道。采用吸水材料構(gòu)建了海水向上輸運(yùn)通道。冷凝器具有蓄水功能，不僅實(shí)現(xiàn)了高效傳質(zhì)傳熱，而且無論日照強(qiáng)弱都能均衡供水［3］。

中國(guó)發(fā)明專利2021100455488將加熱面和蒸發(fā)面都布置在海水面以上的冷凝器內(nèi)，冷凝面是冷凝器底面和側(cè)面。冷凝器內(nèi)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(cè)面沉入海水的吸水材料。漂浮在水面的多個(gè)冷凝器底部連通，其中一個(gè)冷凝器底部接通水泵［4］。

被動(dòng)式太陽能海水淡化技術(shù)由盤式太陽能海水淡化技術(shù)到太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)，再到頂置加熱面太陽能蒸發(fā)技術(shù)的發(fā)展路線都圍繞怎樣解決光熱轉(zhuǎn)換、蒸發(fā)和冷凝問題展開。光熱轉(zhuǎn)換、蒸發(fā)和冷凝問題只有通過加熱面、蒸發(fā)面、冷凝面的優(yōu)化設(shè)置來解決。頂置加熱面太陽能蒸發(fā)技術(shù)是最佳方案。

3．頂置加熱面太陽能蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用前景展望

頂置加熱面太陽能蒸發(fā)技術(shù)在海水淡化、污水處理、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。

在海島，應(yīng)用該技術(shù)建設(shè)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(yùn)行時(shí)，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(chǔ)設(shè)施。

在水質(zhì)性缺水地區(qū)，該技術(shù)可以利用太陽能將不符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)的水處理成合格飲用水。如中國(guó)西北地區(qū)，太陽光照強(qiáng)，苦咸水豐富。采用該太陽能海水淡化技術(shù)能解決缺水問題。在廣大農(nóng)村地區(qū)，小型太陽能海水淡化裝置普及使用，農(nóng)村飲用水安全問題將得到解決。

沿海曬鹽場(chǎng)的鹽田采用該技術(shù)裝置，在獲得淡水的同時(shí)，加快了鹽水濃縮速度。鹽和淡水都有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

使用該技術(shù)裝置，各類污水經(jīng)太陽能蒸發(fā)冷凝后可以排放或回收利用。

頂置加熱面太陽能蒸發(fā)技術(shù)將對(duì)消除世界水危機(jī)和環(huán)境保護(hù)作出重大貢獻(xiàn)。

4．結(jié)論

被動(dòng)式太陽能海水淡化技術(shù)的核心是妥善解決光熱轉(zhuǎn)換、蒸發(fā)和冷凝問題。加熱面、蒸發(fā)面、冷凝面自上而下依次設(shè)置是解決上述問題的最佳方案?？v觀被動(dòng)式太陽能海水淡化技術(shù)發(fā)展歷程，盤式太陽能海水淡化技術(shù)是全程起點(diǎn)，太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，頂置加熱面太陽能蒸發(fā)技術(shù)將是全程終點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

［1］高從堦 阮國(guó)嶺 海水淡化技術(shù)與工程［M］ 化學(xué)工業(yè)出版社 2016

［2］趙熙熙英國(guó)設(shè)巨獎(jiǎng)解決全球頭號(hào)科學(xué)難題［J］ 中國(guó)科學(xué)報(bào) 2014

［3］孔令斌一種蓄水冷凝的太陽能海水淡化裝置［P］中國(guó)專利公報(bào)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(guó)專利公報(bào)2021