太阳能驱动水蒸发性能测试系统的实验设计

张忠华， 于 滨， 司聪慧

（1.山东大学材料科学与工程学院，济南 250061；2.齐鲁工业大学（山东省科学院）材料科学与工程学院，济南 250353）

0 引 言

随着人口的迅速增长和工业化进程的加快，淡水资源短缺问题日益加重，已经对人类社会的可持续发展造成严重威胁［1］。不幸的是，地球上的淡水资源仅占全球水资源总量的2.5%［2］，无法满足社会发展的需求。为此，很多淡水生产技术得到开发，比如反渗透膜［3］、多效蒸馏［4］和多级闪蒸［5］等工艺。然而，这些技术能耗大，生产成本高，装置结构复杂，不适合经济落后的偏远地区［6］。因此，使用阳光作为唯一能量输入的太阳能水蒸发技术在近十年得到了广泛的关注和发展，其具有绿色环保、成本低、结构简单、方便等优点［7-8］。在太阳能蒸发技术中，光热材料的探索一直是研究的热点，很多种不同类型的光热材料得到开发，比如等离子金属材料、碳基材料、聚合物以及半导体等［9-10］。

近年来，用于反映光热材料太阳能蒸发性能指标的蒸发效率、蒸发速率、温度变化、质量改变、循环稳定性以及脱盐浓度变化等开展了深入研究和优化，但是由于实验环境和测试细节的差异，不同报道中光热材料的水蒸发性能很难直接进行比较［10］。比如，水的蒸发速率是温度和湿度的函数，实验中不同的湿度和温度都会对水的蒸发产生影响，这需要合理的调控。为了更加合理地比较不同光热材料水蒸发性能的区别，太阳能水蒸发领域需要统一的测试标准。然而，由于缺乏集成性、一体化的测试系统，不同研究团队的实验环境难以统一。因此，需要开发一种完善和全面的测试系统，能够有效、准确地记录光热材料光热蒸发过程中的质量改变和温度变化信息，进而计算出准确的蒸发效率和蒸发速率等参数。更重要的是，该测试系统需要高效地调控环境条件，使得测试环境保持统一。

鉴于以上背景，本文将不同的功能模块整合，设计了一体化太阳能驱动的水蒸发性能测试系统，并以2种典型的金属基光热薄膜纳米多孔银（Nanoporous Ag，NP-Ag）和纳米多孔铜（Nanoporous Cu，NP-Cu）薄膜为例，测试水蒸发性能，以此验证该测试系统的可行性和效果，并应用于实验教学。

1 测试系统设计

1.1 基本结构

太阳能驱动水蒸发性能测试系统的实验装置整体结构如图1 所示，实物照片见图2 所示。该测试系统的外壳采用聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）材质，具有防潮、阻燃、抗老化等特点。该测试系统主要由暗箱、模拟光源、电子天平、红外测温仪、光功率计、电脑、除湿机、加湿机、排风扇以及电暖器等部件整合而成（见图2），在采集光热材料质量和温度信息的同时，具有环境温度、湿度检测及调控等功能。从功能模块的角度来划分，可以将该测试系统分为暗场模块、光源模块、照明模块、样品质量采集模块、样品温度采集模块、环境温度检测及调控模块、环境湿度检测及调控模块。

图1 太阳能驱动水蒸发性能测试系统的主要构成示意图

（1）暗场模块。为防止外界光线的干扰，需要提供一个可靠的暗场环境。所用的自制PVC 暗箱可以有效地将实验环境和外界环境分离，在实验过程中防止外界光线的干扰而造成实验数据的不准确。同时，暗箱外部附带黑色遮光布，可进一步阻碍外部光线的进入。

（2）光源模块。本文采用配有AM 1.5G 光谱滤光片的PLS-SXE300／300UV氙灯作为模拟光源，提供更加贴近 真实阳光的光能输入。分别在光强为1、3和5 kW／m2下进行样品水蒸发性能测试，光强大小可以通过改变工作电流和照射距离来调控。

（3）照明模块。在暗箱顶部安装了发光二极管（Light Emitting Diode，LED）灯，便于在非测试时间观察暗箱内部情况，其控制开关在暗箱外部，方便操作。

（4）样品质量采集模块。使用BSA124S-CW高精度电子天平来记录水的质量变化，该天平可以将质量数据实时地传输到电脑上，从而得到蒸发损失的质量随时间变化的曲线。

（5）样品温度采集模块。使用FLIR E8xt红外测温仪以采集实验过程中的温度信息，该测温仪可以实时地将包含温度数据的红外热图像传输到电脑上，便于后续分析。

（6）环境温度检测及调控模块。本实验是在室温下进行，测试系统设置了多个温度计，以实时检测暗箱不同位置的温度。当暗箱内部温度偏低时，可使用电暖气片加热内部环境，使温度达到合适的范围；经过长时间的光照后，当暗箱内部温度可能会升高时，在暗箱一侧安装了排风扇，以快速降温。而暗箱正面的推拉门也可打开进行散热，并且箱内放置了风扇，也可以加速箱内原有的热空气排出。

（7）环境湿度检测及调控模块。为了将暗箱内部空气湿度调整到实验所需的湿度，可以同时使用除湿机和加湿机来实现对暗箱内部湿度的调节。与温度探测类似，在测试系统多个位置安放了湿度计，以实时检测暗箱不同位置的空气湿度。

1.2 操作步骤

对于光热材料的水蒸发性能的测试，除了蒸发装置的结构（如流体加热模式，界面蒸发模式等）可能有所区别，其他测试过程是通用的，学生经过适当培训即可开展实验操作，具体的测试步骤：①测试开始前，将氙灯模拟光源打开预热1 h，打开电子天平和红外测温仪并连接到电脑。将暗箱内部的测试环境包括空气湿度和温度等调整到目标状态。将带有光热材料的蒸发装置放在电子天平上，使用光功率计调整光强。将电子天平清零，并将红外测温仪对准光热材料样品表面。关闭暗箱前门并拉下遮光布。②测试开始时，在打开模拟光源的同时，打开红外测温仪和电子天平软件的录制开关，实现实时同步记录，每次测试时长为1 h。③测试结束后，得到的质量随时间变化的数据经过转换计算得到蒸发速率和蒸发效率。温度数据可以评估光热材料的热响应速度以及表面温度分布。

2 评价指标

通过实验测试，最终可以得到质量随时间变化、温度随时间变化、蒸发速率和蒸发效率等性能数据。其中，蒸发速率ν和蒸发效率η是衡量光热材料水蒸发性能的关键指标，也是不同光热材料之间进行性能比较的重要依据。循环稳定性是对水蒸发性能测试的多次重复。

2.1 蒸发速率

光热材料水蒸发性能的蒸发速率［11］

式中：Δm为光热蒸发系统达到稳定状态后的质量变化，kg；S为光照面积，m2；Δt为对应的时间变化，h。当光热材料的温度保持稳定时，蒸发系统达到稳定状态。通常，式（1）中的S为投影面积，对于二维薄膜形态的光热蒸发系统，其投影面积与蒸发面积保持一致，而对于一些三维结构光热蒸发系统，蒸发面积明显大于投影面积。因此，三维结构的光热蒸发系统的ν 一般高于二维光热蒸发系统。为了消除额外蒸发面积的影响，通常三维光热蒸发系统的ν 中需要减去暗场的ν。而且，三维光热蒸发系统可以突破传统二维光热蒸发系统的理论极限，即在1 kW／m2的光强照射下，系统的最大ν［12］约为1.6 kg／（m2·h）。

2.2 蒸发效率

光热材料水蒸发性能的η计算式［13］为

式中：hLV为水的蒸发总焓，kJ／kg；I为光照强度，kW／m2。根据能量守恒原则，光热蒸发系统的η 不可能超过100%，这在传统的普通二维光热蒸发系统上已经得到了很好的验证。随着一些三维光热蒸发系统的出现，η的理论极限100%时常被突破，这种现象归因于三维结构的大表面积导致额外的外部环境能量输入到系统中。当然，这种蒸发器与环境之间的能量传递需要进一步计算，以评估环境外部能量对提高η 的贡献。在式（2）中，蒸发焓的合理计算和取值也十分重要，是水的潜热焓和显热焓的总和［14］，由如下表达式计算：

式中：C为水的比热容，4.2 kJ／kg；ΔT为光照后的温度变化，K；ΔHvap为水的汽化潜热，kJ／kg；T0为水的初始温度，K。目前蒸发焓并没有统一的计算标准，在很多研究中为了便于计算常常使用固定值2 260 kJ／kg 来代替水的蒸发焓［10］，这也导致不同的计算方式使得η存在一定差异。

2.3 循环稳定性

光热材料能否在长期工作中保持性能的稳定，这是在实际应用中需要考虑的因素及重要的评价指标。循环稳定性的测试方式是对同一光热材料的连续多次测量，每一次的测量都可以计算出ν和η，从而得到水蒸发性能随循环次数增加的变化趋势。水蒸发性能的波动情况可以评估光热材料是否可用于长期的光热蒸发工作。

3 实验结果与分析

3.1 纳米多孔银薄膜的光热蒸发性能测试

本文使用太阳能驱动水蒸发性能测试系统测试了NP-Ag和NP-Cu 2 种薄膜的光热蒸发性能，并验证该测试系统的可行性。纳米银和纳米铜是典型的等离子金属材料，具有局域表面等离子共振特性，可用作光热转换材料，在太阳能水蒸发领域得到了许多研究和关注［15-16］。

NP-Ag薄膜由前驱体稀固溶体合金Al99Ag1（原子百分比）在碱液中一步脱合金得到，其内部为典型的三维双连续纳米多孔韧带结构，其平均韧带尺寸为（19.7 ±5.8）nm，经过计算，其孔隙率高达96.5%，如图3 所示。这些丰富的多孔结构有利于光热蒸发过程中水分的运输和蒸汽的释放，可以通过增加光的多重散射提高光吸收能力，其宏观形态为连续的自支撑黑色薄膜（见图3 插图），并且具有宽带吸收特性和良好的亲水性［15］，这有利于实现良好的水蒸发性能。图4 所示为采用灯芯结构的蒸发装置，将NP-Ag薄膜置于作为隔热材料的聚苯乙烯泡沫上，底部使用棉棒作为一维水通道将下方的水输送到上表面，聚苯乙烯泡沫的导热系数低［0.04 W／（m·K）］，以隔离蒸发系统与周围环境之间不必要的热交换。相比较于传统接触式的界面蒸发结构，该灯芯结构的蒸发装置可以大大减少不必要的接触热损失，有利于提高水蒸发性能。

图3 NP-Ag薄膜样品的SEM（插图为实物照片）

图4 具有灯芯结构的蒸发装置示意图

图5 所示为NP-Ag 薄膜在不同光强下水蒸发性能的测试数据。由图可知，在受到光照后，NP-Ag薄膜的表面温度在5 min 内迅速升高并保持稳定，表明其具有良好的热响应。在1、3 和5 kW／m2的光强照射下，NP-Ag 薄膜的表面温度分别升至约313、328 和337 K［见图5（a）］，说明增加光强会带来更高的温度，其较高的平衡温度证明了其优越的光热转换性能；在1、3 和5 kW／m2的光强照射下，NP-Ag 薄膜在1 h 内的总质量变化分别为1.40、4.33 和7.29 kg／m2［见图5（b）］，说明随着光照强度的增加，NP-Ag 薄膜产生的蒸汽质量增加。经过计算，NP-Ag 薄膜在1、3 和5 kW／m2的光强照射下的ν 分别为1.42、4.42 和7.43 kg／（m2·h）［见图5（c）］，表明更大的光能输入能够带来更高的ν；相应地，在1、3 和5 kW／m2的光强照射下，NP-Ag薄膜的η分别为92.6%、92.6%和93.1%，表明该薄膜在不同光强下均可以保持优异的水蒸发性能。NP-Ag薄膜在1 kW／m2的光强照射下30 次的连续测试中η保持稳定［见图5（d）］，可重复利用。

图5 NP-Ag薄膜的水蒸发性能测试比较

3.2 纳米多孔铜薄膜的光热蒸发性能测试

NP-Cu薄膜由前驱体稀固溶体合金Al98Cu2（原子百分比）在碱液中一步脱合金得到。如图6 所示，NPCu薄膜结构特征与NP-Ag薄膜类似，具有纳米多孔韧带结构，其韧带宽度为（21.9 ±3.6）nm，孔隙率为94.8%。类似地，其宏观形态为连续的自支撑薄膜（见图6 中插图），并且展现出宽带吸收特性和优异的亲水性［16］，这些特点有利于实现良好的水蒸发性能。对于NP-Cu薄膜的测试同样采用灯芯结构，将环境温度调整到301 K，空气湿度为40%，其他测试细节不变。

图6 NP-Cu薄膜样品的SEM（插图为实物照片）

图7 所示为NP-Cu 薄膜水蒸发性能的测试结果。由图可知，不同光照条件下，NP-Cu薄膜表面温度可以在5 min 内急剧上升，然后达到稳定，在1、3 和5 kW／m2的光强照射下，NP-Cu 的最高表面温度分别可达315.6、335.5 和344.8 K［见图7（a）］，表明NP-Cu薄膜具有良好的光热转换能力；在1、3 和5 kW／m2的光强照射下，NP-Cu 薄膜的最终质量变化量分别为1.42、4.39 和7.31 kg／m2［见图7（b）］，经计算，其ν分别为1.47、4.47 和7.47 kg／（m2·h），η 分别为92.9%、93.5%和93.7%［见图7（c）］。除此之外，在30 次的连续测试中，NP-Cu薄膜的η波动较小［见图7（d）］，说明该薄膜具有良好的稳定性和耐久性。

图7 NP-Cu薄膜的水蒸发性能测试比较

4 结 语

本文设计并搭建了一套用于光热材料太阳能水蒸发性能测试的系统，具有很强的创新性，并对NP-Ag和NP-Cu 2 种薄膜进行了水蒸发性能测试，结果表明：①2 种薄膜均具有极快的热响应，在1 kW／m2的光强下，表面温度可维持在313 K以上；②2 种薄膜均具有优异的水蒸发性能，在不同光强下其η均达到92%以上，在1 kW／m2的光强下，其ν在1.42 kg／（m2·h）以上；③在30 次连续测试中，2 种薄膜均展现出良好的循环稳定性。实验验证表明了该测试系统的可行性和测试的准确性，也可以促进太阳能水蒸发技术的发展。在实验教学方面可将该测试系统应用于材料类专业课程，有助于学生深入学习和了解光热转换机理。