中国海洋大学徐晓峰教授课题组Nano Energy：漂浮式太阳能水电联产系统设计与制备

中国海洋大学徐晓峰教授课题组将光伏技术与多级膜蒸馏技术集成，制备了漂浮式水电联产系统，在水面上协同实现了清洁水和绿色电力生产。通过多孔膜材料和膜蒸馏器件结构设计合理地优化了多级装置中的传热和传质过程，提高了太阳能（光电和光热）转换效率和清洁水收集速率，实现了太阳能的高效转换和最大化利用，为应对能源与水资源短缺的危机提供了可持续解决方案。本工作以“Synergistic Solar-Powered Water-Electricity Generation: An Integrated Floating System on Water”为题发表在《Nano Energy》上。本工作得到了国家自然科学基金面上项目、山东省泰山学者青年项目、山东省自然科学基金和青岛市自然科学基金等项目的支持。本工作获得了华南理工大学陈军武教授团队，英国剑桥大学Zhihang Wang博士的支持和协助。

图1. 漂浮式水电联产系统（PV-MD）结构和应用示意图

图2. Janus薄膜的（a）静水压力、防水和透气性能示意图；Janus薄膜的（b）防水性能和（c）水蒸气渗透性能的展示图。（d）多级装置各组成部分实物图

利用静电纺丝的方法，构筑了具有不对称浸润性的各向异性Janus纤维膜。其中，多孔的纤维素（CMF）纤维层具有优异的亲水性、保水性和水传输能力。多孔的聚苯乙烯（PS）纤维层具有高的疏水性，调控合理的厚度和孔隙尺寸能够保证水蒸气的透过而阻碍液态水的透过，并具备一定的防污损性能。

图 3.（a）多级PV-MD系统的实物照片；多级PV-MD系统在1个阳光下（b）光伏电池的表面温度；（c）产水量；（d）光伏电池的电流-电压曲线；（e）开路电压；（f）光电能量转换效率和产水速率。（g） 多级PV-MD装置传热和传质示意图。（h）PV-MD5器件中的温度测量与模拟；（i）PV-MD5器件中各级的光热转换效率和蒸汽通量。（j）太阳能多级膜蒸馏系统的产水速率和太阳能-蒸汽转换效率总结。

光伏电池将可见和近红外波长范围的太阳光转换为电能，多级膜蒸馏装置能利用太阳能电池的废热和水蒸汽的汽化潜热实现高效光热蒸发和清洁水收集，并有效冷却光伏电池提升光电转换效率。本工作证明了水面的冷却效应能增强光电和光热转换，实现更高的饮用水产率。在一个太阳下，5级系统能实现3.39 kg m−2 h−1的饮用水产率和16.6%的光电转换效率；8级系统能实现4.14 kg m−2 h−1的饮用水产率和16.4%的光电转换效率。

图4.（a）基于PV-MD5系统的户外水收集实验；（b）光伏电池表面和各级温度；一天内的（c）光伏发电和（d）水收集测试；（e）一个月内水收集测试。（f）多级PV-MD系统的水收集速率总结。（g）兼具太阳能转换和储存功能的大面积PV-MD5器件制备。

在户外条件下，漂浮于水面的PV-MD5系统实现了11.6 kg m−2 day−1的饮用水产率。预计一平方米装置的日产水量能够满足一个家庭的日常饮用水需求，凸显出该项技术在高效饮用水生产领域的前景。利用3D打印技术，器件结构和有效面积可以灵活扩展，大面积器件可以与储能电池集成，突显了水电联产集成储能系统的应用潜力。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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