被动式太阳能海水淡化技术路线解析
摘要：自从世界上第1个大型太阳能海水淡化装置建成以来，被动式太阳能海水淡化技术没有取得突破性进展。其原因在于没有妥善解决光热转换、蒸发和冷凝问题。作为当前研究热点的太阳能界面蒸发技术只是对盘式太阳能海水淡化技术的改良。顶置加热面太阳能蒸发技术将加热面、蒸发面、冷凝面自上而下依次设置，光热转换效率高，海水蒸发量大，冷凝效果好，部分冷凝热加热上行海水被回收利用，是颠覆性技术。纵观被动式太阳能海水淡化技术发展历程，盘式太阳能海水淡化技术是全程起点，太阳能界面蒸发技术是当前研究热点，顶置加热面太阳能蒸发技术将是全程终点。
关键词：海水淡化 太阳能 蒸发 冷凝
1．引言
自从世界上第1个大型太阳能海水淡化装置于1872年在智利北部的Las Salinas建成以来，低成本太阳能海水淡化技术就成为世界科学难题。在此期间人类不懈探索，开创了被动式太阳能海水淡化和主动式太阳能海水淡化两条技术路线。然而，100多年过去了，这道世界科学难题依然没有令人满意的答案。目前，太阳能海水淡化技术仍处于研究发展和小型试验阶段［1］，世界各国有众多科研机构在开展太阳能海水淡化技术研究。2014年，英国“经度奖”也将开发低成本可持续性海水淡化技术列为六个候选的科学难题之一［2］。2020年，美国能源部（DOE）宣布将投入900万美元启动一项奖项竞赛——“美国制造挑战：太阳能海水淡化奖”，旨在推动太阳能光热海水淡化技术加速创新。
就技术路线而言，被动式太阳能海水淡化技术路线相对主动式太阳能海水淡化技术路线有优势。
被动式太阳能海水淡化技术路线起点是盘式太阳能海水淡化技术。其加热面是盘底面，蒸发面在水面，冷凝面是玻璃罩表面。这种加热面、蒸发面、冷凝面设置方式导致盘式太阳能海水淡化技术存在两大缺点：1是盘底面吸收的热量必须使盘内全部海水升温，只有部分热量使海水在水面蒸发成蒸汽，热量利用率不高；2是冷凝面在加热面和蒸发面以上，冷凝热直接全部散发到大气中，不能回收利用。为了克服第1个缺点，近年来，将加热面从盘底面提升到水面的太阳能界面蒸发技术成为研究热点。对于第2个缺点，太阳能界面蒸发技术无法克服。因此导致太阳能界面蒸发技术推广应用受到限制。
2020年，将加热面和蒸发面设置在水面以上、冷凝面设置在加热面和蒸发面以下的发明在中国申请了专利［3］。盘式太阳能海水淡化技术存在的两大缺点被克服。而且蒸汽冷凝速度快，部分冷凝热加热上行海水得到回收利用。2021年，将加热面和蒸发面设置在水面以上，冷凝面设置在加热面和蒸发面以下，能够利用现有太阳能界面蒸发材料的发明申请了中国专利［4］。这两项专利共同的技术特征是加热面、蒸发面、冷凝面自上而下依次设置。将上述技术特征定义为顶置加热面太阳能蒸发技术。至此，现有被动式太阳能海水淡化技术将被颠覆，人类低成本太阳能海水淡化的愿望终将实现。
2．被动式太阳能海水淡化技术路线解析
完美的被动式太阳能海水淡化技术方案，需要妥善解决光热转换、蒸发和冷凝问题。光热转换问题的解决主要取决于加热面，蒸发问题的解决主要取决于蒸发面，冷凝问题的解决主要取决于冷凝面。盘式太阳能海水淡化技术将加热面设置在盘底面，太阳光穿透玻璃罩和海水才能到达盘底面转换成热量加热海水。海水被加热后在水面蒸发成蒸汽，水面就是蒸发面。蒸汽在玻璃罩内表面放热冷凝，冷凝热经玻璃罩外表面散发到大气中。玻璃罩内表面就是冷凝面。为了提高光热转换效率，将加热面提升到水面的太阳能界面蒸发技术应运而生。中国科学院、麻省理工学院、上海交通大学、南京大学等科研机构的研究人员成功研发多种太阳能界面蒸发新材料。这些新材料的应用，并没妥善解决光热转换、蒸发和冷凝问题。究其原因，太阳能界面蒸发技术只是对盘式太阳能海水淡化技术的改良，而不是颠覆性的技术创新。两者都具有蒸汽上行冷凝和冷凝热全部直接散发到大气层的技术特点。顶置加热面太阳能蒸发技术的特点在于：加热面和蒸发面在上，蒸汽下行冷凝，部分冷凝热加热上行海水被回收利用。光热转换、蒸发和冷凝问题得到解决。中国发明专利2020109186213和中国发明专利2021100455488就是顶置加热面太阳能蒸发技术的具体实施方案。
中国发明专利2020109186213在光热板与冷凝器之间和冷凝器与海水蒸发罐底部之间实现汽液两相传质传热，构成热量向下传递通道。采用吸水材料构建了海水向上输运通道。冷凝器具有蓄水功能，不仅实现了高效传质传热，而且无论日照强弱都能均衡供水［3］。
中国发明专利2021100455488将加热面和蒸发面都布置在海水面以上的冷凝器内，冷凝面是冷凝器底面和侧面。冷凝器内自上而下是透明材料、垫圈、光热材料、吸水材料、支架、防浪板、防浪浮板。冷凝器外有通气管、水泵接口和沿侧面沉入海水的吸水材料。漂浮在水面的多个冷凝器底部连通，其中一个冷凝器底部接通水泵［4］。
被动式太阳能海水淡化技术由盘式太阳能海水淡化技术到太阳能界面蒸发技术，再到顶置加热面太阳能蒸发技术的发展路线都围绕怎样解决光热转换、蒸发和冷凝问题展开。光热转换、蒸发和冷凝问题只有通过加热面、蒸发面、冷凝面的优化设置来解决。顶置加热面太阳能蒸发技术是最佳方案。
3．顶置加热面太阳能蒸发技术应用前景展望
顶置加热面太阳能蒸发技术在海水淡化、污水处理、工农业生产等领域有广泛应用前景。
在海岛，应用该技术建设的太阳能海水淡化装置固定在浅滩或漂浮在海面，不占用陆地。装置运行时，除了抽取淡水所耗电能和太阳能外，没有其他能源消耗。是海岛必备的淡水供给基础设施。
在水质性缺水地区，该技术可以利用太阳能将不符合饮用水标准的水处理成合格饮用水。如中国西北地区，太阳光照强，苦咸水丰富。采用该太阳能海水淡化技术能解决缺水问题。在广大农村地区，小型太阳能海水淡化装置普及使用，农村饮用水安全问题将得到解决。
沿海晒盐场的盐田采用该技术装置，在获得淡水的同时，加快了盐水浓缩速度。盐和淡水都有经济价值。
使用该技术装置，各类污水经太阳能蒸发冷凝后可以排放或回收利用。
顶置加热面太阳能蒸发技术将对消除世界水危机和环境保护作出重大贡献。
4．结论
被动式太阳能海水淡化技术的核心是妥善解决光热转换、蒸发和冷凝问题。加热面、蒸发面、冷凝面自上而下依次设置是解决上述问题的最佳方案。纵观被动式太阳能海水淡化技术发展历程，盘式太阳能海水淡化技术是全程起点，太阳能界面蒸发技术是当前研究热点，顶置加热面太阳能蒸发技术将是全程终点。
参考文献
［1］高从堦 阮国岭 海水淡化技术与工程［M］ 化学工业出版社 2016
［2］赵熙熙英国设巨奖解决全球头号科学难题［J］ 中国科学报 2014
［3］孔令斌一种蓄水冷凝的太阳能海水淡化装置［P］中国专利公报2020
［4］孔令斌一种漂浮在水面的太阳能海水淡化装置［P］ 中国专利公报2021
