太陽能驅動水蒸發性能測試系統的實驗設計

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發展造成嚴重威脅［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］，無法滿足社會發展的需求。為此，很多淡水生產技術得到開發，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［6］。因此，使用陽光作為唯一能量輸入的太陽能水蒸發技術在近十年得到了廣泛的關注和發展，其具有綠色環保、成本低、結構簡單、方便等優點［7-8］。在太陽能蒸發技術中，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，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性能指標的蒸發效率、蒸發速率、溫度變化、質量改變、循環穩定性以及脫鹽濃度變化等開展了深入研究和優化，但是由于實驗環境和測試細節的差異，不同報道中光熱材料的水蒸發性能很難直接進行比較［10］。比如，水的蒸發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性能的區別，太陽能水蒸發領域需要統一的測試標準。然而，由于缺乏集成性、一體化的測試系統，不同研究團隊的實驗環境難以統一。因此，需要開發一種完善和全面的測試系統，能夠有效、準確地記錄光熱材料光熱蒸發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效率和蒸發速率等參數。更重要的是，該測試系統需要高效地調控環境條件，使得測試環境保持統一。

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性能測試系統，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，測試水蒸發性能，以此驗證該測試系統的可行性和效果，并應用于實驗教學。

1 測試系統設計

1.1 基本結構

太陽能驅動水蒸發性能測試系統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、環境溫度檢測及調控模塊、環境濕度檢測及調控模塊。

圖1 太陽能驅動水蒸發性能測試系統的主要構成示意圖

（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境。所用的自制PVC 暗箱可以有效地將實驗環境和外界環境分離，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，便于后續分析。

（6）環境溫度檢測及調控模塊。本實驗是在室溫下進行，測試系統設置了多個溫度計，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對暗箱內部濕度的調節。與溫度探測類似，在測試系統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性能的測試，除了蒸發裝置的結構（如流體加熱模式，界面蒸發模式等）可能有所區別，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境包括空氣濕度和溫度等調整到目標狀態。將帶有光熱材料的蒸發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速率和蒸發效率。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、蒸發速率和蒸發效率等性能數據。其中，蒸發速率ν和蒸發效率η是衡量光熱材料水蒸發性能的關鍵指標，也是不同光熱材料之間進行性能比較的重要依據。循環穩定性是對水蒸發性能測試的多次重復。

2.1 蒸發速率

光熱材料水蒸發性能的蒸發速率［11］

式中：Δm為光熱蒸發系統達到穩定狀態后的質量變化，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定時，蒸發系統達到穩定狀態。通常，式（1）中的S為投影面積，對于二維薄膜形態的光熱蒸發系統，其投影面積與蒸發面積保持一致，而對于一些三維結構光熱蒸發系統，蒸發面積明顯大于投影面積。因此，三維結構的光熱蒸發系統的ν 一般高于二維光熱蒸發系統。為了消除額外蒸發面積的影響，通常三維光熱蒸發系統的ν 中需要減去暗場的ν。而且，三維光熱蒸發系統可以突破傳統二維光熱蒸發系統的理論極限，即在1 kW／m2的光強照射下，系統的最大ν［12］約為1.6 kg／（m2·h）。

2.2 蒸發效率

光熱材料水蒸發性能的η計算式［13］為

式中：hLV為水的蒸發總焓，kJ／kg；I為光照強度，kW／m2。根據能量守恒原則，光熱蒸發系統的η 不可能超過100%，這在傳統的普通二維光熱蒸發系統上已經得到了很好的驗證。隨著一些三維光熱蒸發系統的出現，η的理論極限100%時常被突破，這種現象歸因于三維結構的大表面積導致額外的外部環境能量輸入到系統中。當然，這種蒸發器與環境之間的能量傳遞需要進一步計算，以評估環境外部能量對提高η 的貢獻。在式（2）中，蒸發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。目前蒸發焓并沒有統一的計算標準，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 循環穩定性

光熱材料能否在長期工作中保持性能的穩定，這是在實際應用中需要考慮的因素及重要的評價指標。循環穩定性的測試方式是對同一光熱材料的連續多次測量，每一次的測量都可以計算出ν和η，從而得到水蒸發性能隨循環次數增加的變化趨勢。水蒸發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工作。

3 實驗結果與分析

3.1 納米多孔銀薄膜的光熱蒸發性能測試

本文使用太陽能驅動水蒸發性能測試系統測試了NP-Ag和NP-Cu 2 種薄膜的光熱蒸發性能，并驗證該測試系統的可行性。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，其宏觀形態為連續的自支撐黑色薄膜（見圖3 插圖），并且具有寬帶吸收特性和良好的親水性［15］，這有利于實現良好的水蒸發性能。圖4 所示為采用燈芯結構的蒸發裝置，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）］，以隔離蒸發系統與周圍環境之間不必要的熱交換。相比較于傳統接觸式的界面蒸發結構，該燈芯結構的蒸發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裝置示意圖

圖5 所示為NP-Ag 薄膜在不同光強下水蒸發性能的測試數據。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異的水蒸發性能。NP-Ag薄膜在1 kW／m2的光強照射下30 次的連續測試中η保持穩定［見圖5（d）］，可重復利用。

圖5 NP-Ag薄膜的水蒸發性能測試比較

3.2 納米多孔銅薄膜的光熱蒸發性能測試

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，其宏觀形態為連續的自支撐薄膜（見圖6 中插圖），并且展現出寬帶吸收特性和優異的親水性［16］，這些特點有利于實現良好的水蒸發性能。對于NP-Cu薄膜的測試同樣采用燈芯結構，將環境溫度調整到301 K，空氣濕度為40%，其他測試細節不變。

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 次的連續測試中，NP-Cu薄膜的η波動較?。垡妶D7（d）］，說明該薄膜具有良好的穩定性和耐久性。

圖7 NP-Cu薄膜的水蒸發性能測試比較

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性能測試的系統，具有很強的創新性，并對NP-Ag和NP-Cu 2 種薄膜進行了水蒸發性能測試，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 種薄膜均具有優異的水蒸發性能，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 次連續測試中，2 種薄膜均展現出良好的循環穩定性。實驗驗證表明了該測試系統的可行性和測試的準確性，也可以促進太陽能水蒸發技術的發展。在實驗教學方面可將該測試系統應用于材料類專業課程，有助于學生深入學習和了解光熱轉換機理。