太陽能驅動水蒸發(fā)性能測試系統(tǒng)的實驗設計

張忠華， 于 濱， 司聰慧

（1.山東大學材料科學與工程學院，濟南 250061；2.齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）材料科學與工程學院，濟南 250353）

0 引 言

隨著人口的迅速增長和工業(yè)化進程的加快，淡水資源短缺問題日益加重，已經對人類社會的可持續(xù)發(fā)展造成嚴重威脅［1］。不幸的是，地球上的淡水資源僅占全球水資源總量的2.5%［2］，無法滿足社會發(fā)展的需求。為此，很多淡水生產技術得到開發(fā)，比如反滲透膜［3］、多效蒸餾［4］和多級閃蒸［5］等工藝。然而，這些技術能耗大，生產成本高，裝置結構復雜，不適合經濟落后的偏遠地區(qū)［6］。因此，使用陽光作為唯一能量輸入的太陽能水蒸發(fā)技術在近十年得到了廣泛的關注和發(fā)展，其具有綠色環(huán)保、成本低、結構簡單、方便等優(yōu)點［7-8］。在太陽能蒸發(fā)技術中，光熱材料的探索一直是研究的熱點，很多種不同類型的光熱材料得到開發(fā)，比如等離子金屬材料、碳基材料、聚合物以及半導體等［9-10］。

近年來，用于反映光熱材料太陽能蒸發(fā)性能指標的蒸發(fā)效率、蒸發(fā)速率、溫度變化、質量改變、循環(huán)穩(wěn)定性以及脫鹽濃度變化等開展了深入研究和優(yōu)化，但是由于實驗環(huán)境和測試細節(jié)的差異，不同報道中光熱材料的水蒸發(fā)性能很難直接進行比較［10］。比如，水的蒸發(fā)速率是溫度和濕度的函數，實驗中不同的濕度和溫度都會對水的蒸發(fā)產生影響，這需要合理的調控。為了更加合理地比較不同光熱材料水蒸發(fā)性能的區(qū)別，太陽能水蒸發(fā)領域需要統(tǒng)一的測試標準。然而，由于缺乏集成性、一體化的測試系統(tǒng)，不同研究團隊的實驗環(huán)境難以統(tǒng)一。因此，需要開發(fā)一種完善和全面的測試系統(tǒng)，能夠有效、準確地記錄光熱材料光熱蒸發(fā)過程中的質量改變和溫度變化信息，進而計算出準確的蒸發(fā)效率和蒸發(fā)速率等參數。更重要的是，該測試系統(tǒng)需要高效地調控環(huán)境條件，使得測試環(huán)境保持統(tǒng)一。

鑒于以上背景，本文將不同的功能模塊整合，設計了一體化太陽能驅動的水蒸發(fā)性能測試系統(tǒng)，并以2種典型的金屬基光熱薄膜納米多孔銀（Nanoporous Ag，NP-Ag）和納米多孔銅（Nanoporous Cu，NP-Cu）薄膜為例，測試水蒸發(fā)性能，以此驗證該測試系統(tǒng)的可行性和效果，并應用于實驗教學。

1 測試系統(tǒng)設計

1.1 基本結構

太陽能驅動水蒸發(fā)性能測試系統(tǒng)的實驗裝置整體結構如圖1 所示，實物照片見圖2 所示。該測試系統(tǒng)的外殼采用聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）材質，具有防潮、阻燃、抗老化等特點。該測試系統(tǒng)主要由暗箱、模擬光源、電子天平、紅外測溫儀、光功率計、電腦、除濕機、加濕機、排風扇以及電暖器等部件整合而成（見圖2），在采集光熱材料質量和溫度信息的同時，具有環(huán)境溫度、濕度檢測及調控等功能。從功能模塊的角度來劃分，可以將該測試系統(tǒng)分為暗場模塊、光源模塊、照明模塊、樣品質量采集模塊、樣品溫度采集模塊、環(huán)境溫度檢測及調控模塊、環(huán)境濕度檢測及調控模塊。

圖1 太陽能驅動水蒸發(fā)性能測試系統(tǒng)的主要構成示意圖

（1）暗場模塊。為防止外界光線的干擾，需要提供一個可靠的暗場環(huán)境。所用的自制PVC 暗箱可以有效地將實驗環(huán)境和外界環(huán)境分離，在實驗過程中防止外界光線的干擾而造成實驗數據的不準確。同時，暗箱外部附帶黑色遮光布，可進一步阻礙外部光線的進入。

（2）光源模塊。本文采用配有AM 1.5G 光譜濾光片的PLS-SXE300／300UV氙燈作為模擬光源，提供更加貼近 真實陽光的光能輸入。分別在光強為1、3和5 kW／m2下進行樣品水蒸發(fā)性能測試，光強大小可以通過改變工作電流和照射距離來調控。

（3）照明模塊。在暗箱頂部安裝了發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）燈，便于在非測試時間觀察暗箱內部情況，其控制開關在暗箱外部，方便操作。

（4）樣品質量采集模塊。使用BSA124S-CW高精度電子天平來記錄水的質量變化，該天平可以將質量數據實時地傳輸到電腦上，從而得到蒸發(fā)損失的質量隨時間變化的曲線。

（5）樣品溫度采集模塊。使用FLIR E8xt紅外測溫儀以采集實驗過程中的溫度信息，該測溫儀可以實時地將包含溫度數據的紅外熱圖像傳輸到電腦上，便于后續(xù)分析。

（6）環(huán)境溫度檢測及調控模塊。本實驗是在室溫下進行，測試系統(tǒng)設置了多個溫度計，以實時檢測暗箱不同位置的溫度。當暗箱內部溫度偏低時，可使用電暖氣片加熱內部環(huán)境，使溫度達到合適的范圍；經過長時間的光照后，當暗箱內部溫度可能會升高時，在暗箱一側安裝了排風扇，以快速降溫。而暗箱正面的推拉門也可打開進行散熱，并且箱內放置了風扇，也可以加速箱內原有的熱空氣排出。

（7）環(huán)境濕度檢測及調控模塊。為了將暗箱內部空氣濕度調整到實驗所需的濕度，可以同時使用除濕機和加濕機來實現(xiàn)對暗箱內部濕度的調節(jié)。與溫度探測類似，在測試系統(tǒng)多個位置安放了濕度計，以實時檢測暗箱不同位置的空氣濕度。

1.2 操作步驟

對于光熱材料的水蒸發(fā)性能的測試，除了蒸發(fā)裝置的結構（如流體加熱模式，界面蒸發(fā)模式等）可能有所區(qū)別，其他測試過程是通用的，學生經過適當培訓即可開展實驗操作，具體的測試步驟：①測試開始前，將氙燈模擬光源打開預熱1 h，打開電子天平和紅外測溫儀并連接到電腦。將暗箱內部的測試環(huán)境包括空氣濕度和溫度等調整到目標狀態(tài)。將帶有光熱材料的蒸發(fā)裝置放在電子天平上，使用光功率計調整光強。將電子天平清零，并將紅外測溫儀對準光熱材料樣品表面。關閉暗箱前門并拉下遮光布。②測試開始時，在打開模擬光源的同時，打開紅外測溫儀和電子天平軟件的錄制開關，實現(xiàn)實時同步記錄，每次測試時長為1 h。③測試結束后，得到的質量隨時間變化的數據經過轉換計算得到蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率。溫度數據可以評估光熱材料的熱響應速度以及表面溫度分布。

2 評價指標

通過實驗測試，最終可以得到質量隨時間變化、溫度隨時間變化、蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率等性能數據。其中，蒸發(fā)速率ν和蒸發(fā)效率η是衡量光熱材料水蒸發(fā)性能的關鍵指標，也是不同光熱材料之間進行性能比較的重要依據。循環(huán)穩(wěn)定性是對水蒸發(fā)性能測試的多次重復。

2.1 蒸發(fā)速率

光熱材料水蒸發(fā)性能的蒸發(fā)速率［11］

式中：Δm為光熱蒸發(fā)系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)后的質量變化，kg；S為光照面積，m2；Δt為對應的時間變化，h。當光熱材料的溫度保持穩(wěn)定時，蒸發(fā)系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。通常，式（1）中的S為投影面積，對于二維薄膜形態(tài)的光熱蒸發(fā)系統(tǒng)，其投影面積與蒸發(fā)面積保持一致，而對于一些三維結構光熱蒸發(fā)系統(tǒng)，蒸發(fā)面積明顯大于投影面積。因此，三維結構的光熱蒸發(fā)系統(tǒng)的ν 一般高于二維光熱蒸發(fā)系統(tǒng)。為了消除額外蒸發(fā)面積的影響，通常三維光熱蒸發(fā)系統(tǒng)的ν 中需要減去暗場的ν。而且，三維光熱蒸發(fā)系統(tǒng)可以突破傳統(tǒng)二維光熱蒸發(fā)系統(tǒng)的理論極限，即在1 kW／m2的光強照射下，系統(tǒng)的最大ν［12］約為1.6 kg／（m2·h）。

2.2 蒸發(fā)效率

光熱材料水蒸發(fā)性能的η計算式［13］為

式中：hLV為水的蒸發(fā)總焓，kJ／kg；I為光照強度，kW／m2。根據能量守恒原則，光熱蒸發(fā)系統(tǒng)的η 不可能超過100%，這在傳統(tǒng)的普通二維光熱蒸發(fā)系統(tǒng)上已經得到了很好的驗證。隨著一些三維光熱蒸發(fā)系統(tǒng)的出現(xiàn)，η的理論極限100%時常被突破，這種現(xiàn)象歸因于三維結構的大表面積導致額外的外部環(huán)境能量輸入到系統(tǒng)中。當然，這種蒸發(fā)器與環(huán)境之間的能量傳遞需要進一步計算，以評估環(huán)境外部能量對提高η 的貢獻。在式（2）中，蒸發(fā)焓的合理計算和取值也十分重要，是水的潛熱焓和顯熱焓的總和［14］，由如下表達式計算：

式中：C為水的比熱容，4.2 kJ／kg；ΔT為光照后的溫度變化，K；ΔHvap為水的汽化潛熱，kJ／kg；T0為水的初始溫度，K。目前蒸發(fā)焓并沒有統(tǒng)一的計算標準，在很多研究中為了便于計算常常使用固定值2 260 kJ／kg 來代替水的蒸發(fā)焓［10］，這也導致不同的計算方式使得η存在一定差異。

2.3 循環(huán)穩(wěn)定性

光熱材料能否在長期工作中保持性能的穩(wěn)定，這是在實際應用中需要考慮的因素及重要的評價指標。循環(huán)穩(wěn)定性的測試方式是對同一光熱材料的連續(xù)多次測量，每一次的測量都可以計算出ν和η，從而得到水蒸發(fā)性能隨循環(huán)次數增加的變化趨勢。水蒸發(fā)性能的波動情況可以評估光熱材料是否可用于長期的光熱蒸發(fā)工作。

3 實驗結果與分析

3.1 納米多孔銀薄膜的光熱蒸發(fā)性能測試

本文使用太陽能驅動水蒸發(fā)性能測試系統(tǒng)測試了NP-Ag和NP-Cu 2 種薄膜的光熱蒸發(fā)性能，并驗證該測試系統(tǒng)的可行性。納米銀和納米銅是典型的等離子金屬材料，具有局域表面等離子共振特性，可用作光熱轉換材料，在太陽能水蒸發(fā)領域得到了許多研究和關注［15-16］。

NP-Ag薄膜由前驅體稀固溶體合金Al99Ag1（原子百分比）在堿液中一步脫合金得到，其內部為典型的三維雙連續(xù)納米多孔韌帶結構，其平均韌帶尺寸為（19.7 ±5.8）nm，經過計算，其孔隙率高達96.5%，如圖3 所示。這些豐富的多孔結構有利于光熱蒸發(fā)過程中水分的運輸和蒸汽的釋放，可以通過增加光的多重散射提高光吸收能力，其宏觀形態(tài)為連續(xù)的自支撐黑色薄膜（見圖3 插圖），并且具有寬帶吸收特性和良好的親水性［15］，這有利于實現(xiàn)良好的水蒸發(fā)性能。圖4 所示為采用燈芯結構的蒸發(fā)裝置，將NP-Ag薄膜置于作為隔熱材料的聚苯乙烯泡沫上，底部使用棉棒作為一維水通道將下方的水輸送到上表面，聚苯乙烯泡沫的導熱系數低［0.04 W／（m·K）］，以隔離蒸發(fā)系統(tǒng)與周圍環(huán)境之間不必要的熱交換。相比較于傳統(tǒng)接觸式的界面蒸發(fā)結構，該燈芯結構的蒸發(fā)裝置可以大大減少不必要的接觸熱損失，有利于提高水蒸發(fā)性能。

圖3 NP-Ag薄膜樣品的SEM（插圖為實物照片）

圖4 具有燈芯結構的蒸發(fā)裝置示意圖

圖5 所示為NP-Ag 薄膜在不同光強下水蒸發(fā)性能的測試數據。由圖可知，在受到光照后，NP-Ag薄膜的表面溫度在5 min 內迅速升高并保持穩(wěn)定，表明其具有良好的熱響應。在1、3 和5 kW／m2的光強照射下，NP-Ag 薄膜的表面溫度分別升至約313、328 和337 K［見圖5（a）］，說明增加光強會帶來更高的溫度，其較高的平衡溫度證明了其優(yōu)越的光熱轉換性能；在1、3 和5 kW／m2的光強照射下，NP-Ag 薄膜在1 h 內的總質量變化分別為1.40、4.33 和7.29 kg／m2［見圖5（b）］，說明隨著光照強度的增加，NP-Ag 薄膜產生的蒸汽質量增加。經過計算，NP-Ag 薄膜在1、3 和5 kW／m2的光強照射下的ν 分別為1.42、4.42 和7.43 kg／（m2·h）［見圖5（c）］，表明更大的光能輸入能夠帶來更高的ν；相應地，在1、3 和5 kW／m2的光強照射下，NP-Ag薄膜的η分別為92.6%、92.6%和93.1%，表明該薄膜在不同光強下均可以保持優(yōu)異的水蒸發(fā)性能。NP-Ag薄膜在1 kW／m2的光強照射下30 次的連續(xù)測試中η保持穩(wěn)定［見圖5（d）］，可重復利用。

圖5 NP-Ag薄膜的水蒸發(fā)性能測試比較

3.2 納米多孔銅薄膜的光熱蒸發(fā)性能測試

NP-Cu薄膜由前驅體稀固溶體合金Al98Cu2（原子百分比）在堿液中一步脫合金得到。如圖6 所示，NPCu薄膜結構特征與NP-Ag薄膜類似，具有納米多孔韌帶結構，其韌帶寬度為（21.9 ±3.6）nm，孔隙率為94.8%。類似地，其宏觀形態(tài)為連續(xù)的自支撐薄膜（見圖6 中插圖），并且展現(xiàn)出寬帶吸收特性和優(yōu)異的親水性［16］，這些特點有利于實現(xiàn)良好的水蒸發(fā)性能。對于NP-Cu薄膜的測試同樣采用燈芯結構，將環(huán)境溫度調整到301 K，空氣濕度為40%，其他測試細節(jié)不變。

圖6 NP-Cu薄膜樣品的SEM（插圖為實物照片）

圖7 所示為NP-Cu 薄膜水蒸發(fā)性能的測試結果。由圖可知，不同光照條件下，NP-Cu薄膜表面溫度可以在5 min 內急劇上升，然后達到穩(wěn)定，在1、3 和5 kW／m2的光強照射下，NP-Cu 的最高表面溫度分別可達315.6、335.5 和344.8 K［見圖7（a）］，表明NP-Cu薄膜具有良好的光熱轉換能力；在1、3 和5 kW／m2的光強照射下，NP-Cu 薄膜的最終質量變化量分別為1.42、4.39 和7.31 kg／m2［見圖7（b）］，經計算，其ν分別為1.47、4.47 和7.47 kg／（m2·h），η 分別為92.9%、93.5%和93.7%［見圖7（c）］。除此之外，在30 次的連續(xù)測試中，NP-Cu薄膜的η波動較小［見圖7（d）］，說明該薄膜具有良好的穩(wěn)定性和耐久性。

圖7 NP-Cu薄膜的水蒸發(fā)性能測試比較

4 結 語

本文設計并搭建了一套用于光熱材料太陽能水蒸發(fā)性能測試的系統(tǒng)，具有很強的創(chuàng)新性，并對NP-Ag和NP-Cu 2 種薄膜進行了水蒸發(fā)性能測試，結果表明：①2 種薄膜均具有極快的熱響應，在1 kW／m2的光強下，表面溫度可維持在313 K以上；②2 種薄膜均具有優(yōu)異的水蒸發(fā)性能，在不同光強下其η均達到92%以上，在1 kW／m2的光強下，其ν在1.42 kg／（m2·h）以上；③在30 次連續(xù)測試中，2 種薄膜均展現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。實驗驗證表明了該測試系統(tǒng)的可行性和測試的準確性，也可以促進太陽能水蒸發(fā)技術的發(fā)展。在實驗教學方面可將該測試系統(tǒng)應用于材料類專業(yè)課程，有助于學生深入學習和了解光熱轉換機理。