Generazione di vapore freddo oltre il limite di energia solare in ingresso

L’avvento del motore a vapore è stato uno degli sviluppi chiave che ha portato alla prima rivoluzione industriale. Da allora, l’uso del vapore ha influenzato molti aspetti della vita moderna. Per esempio, la generazione di vapore termico e la condensazione era una delle tecnologie dominanti per la desalinizzazione dell’acqua di mare prima dell’introduzione delle tecnologie ad osmosi inversa.1, 2 Sebbene le tecnologie a membrana siano diventate la soluzione dominante per la desalinizzazione, esse sono di solito energicamente impegnative con gravi impatti ambientali derivanti dalla pulizia e dalla manutenzione.2, 3 Di conseguenza, sta emergendo un interesse globale nello sviluppo di tecnologie di desalinizzazione alternative per affrontare questi problemi.4 La generazione di vapore solare senza apporto elettrico si sta rivelando una soluzione promettente e rispettosa dell’ambiente, soprattutto nelle aree con risorse limitate. Tuttavia, le tecniche convenzionali per la generazione di vapore solare si basano tipicamente su sistemi di concentrazione ottica costosi e ingombranti per consentire il riscaldamento di un liquido alla rinfusa, con conseguenti rendimenti relativamente bassi (ad esempio, 30-40%) a causa dell’assorbimento di calore in tutto il volume del liquido che non si traduce direttamente nella produzione di vapore. Recentemente, sono stati esplorati vari avanzati e costosi plasmonici metallici5, 6, 7, 8, 8, 9, 10, 10, 11, 12, 13 e nanomateriali a base di carbonio14,15, 16, 17, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 per l’uso nella generazione di vapore solare/vapore. Tuttavia, l’efficienza di vaporizzazione di queste strutture segnalate è ancora relativamente bassa sotto 1 illuminazione solare (ad esempio, dal 48%10 all’83%21). Molto recentemente, abbiamo dimostrato una strategia economicamente vantaggiosa utilizzando carta con rivestimento in carbonio termicamente isolato (CP) su polistirolo espanso con un’efficienza record di ≈88% nell’ambiente di laboratorio.24 Per aumentare il tasso di generazione di vapore, in genere l’approccio consiste nell’aumentare la temperatura operativa per una data illuminazione solare. Nella maggior parte della letteratura sulla generazione di vapore a energia solare utilizzando nanomateriali avanzati (ad esempio, rif. 12, 13, 16, 19), la concentrazione moderata è stata di solito introdotta per aumentare il tasso di generazione di vapore da una data area dell’evaporatore ad acqua. Uno degli scopi principali era quello di ridurre l’area richiesta per i costosi evaporatori ad acqua. A causa della limitata energia solare (cioè, ≈1 kW m-2 ^{sotto 1} illuminazione solare) e dell’energia necessaria per il cambio di fase da liquido a vapore (ad esempio, ≈2450 kJ kg-1 vicino alla temperatura ambiente), le tecnologie di generazione di vapore solare a stadio singolo senza riciclo termico richiedono intrinsecamente grandi aree per raccogliere sufficiente energia solare per l’evaporazione. Pertanto, la strategia di concentrazione solare è valida quando il materiale dell’evaporatore è più costoso di quello del concentratore o è richiesto vapore ad alta temperatura (ad esempio, nella desalinizzazione solare-termica convenzionale multieffetto, nella desalinizzazione multistadio-flash, ecc.25) ma non applicabile a strategie di costo estremamente basso per applicazioni portatili e distribuite, come la struttura CP-foam. Inoltre, nei sistemi di evaporazione a stadio singolo, la concentrazione solare aumenterà inevitabilmente la perdita termica nell’ambiente circostante principalmente per conduzione, convezione e perdite di radiazione. Pertanto, la generazione di vapore solare ad alta temperatura utilizzando costosi nanomateriali (ad esempio, con concentrazione solare12, 13, 16, 19) soffre intrinsecamente di limiti nell’efficienza di conversione energetica.

In questo rapporto, esploreremo l’approccio opposto, utilizzando l’energia solare per generare vapore freddo al di sotto della temperatura ambiente. Si tratta di un percorso innovativo per la generazione efficiente del vapore solare, poiché sotto l’illuminazione a bassa densità di potenza, l’efficienza di conversione dell’energia da luce assorbita a vapore può raggiungere ≈100% quando la temperatura di evaporazione è inferiore alla temperatura ambiente. In questa condizione, l’ambiente fornirà energia supplementare per la generazione di vapore, con conseguente tasso di vaporizzazione totale superiore al limite superiore che può essere prodotto utilizzando la sola energia solare in ingresso. Forniremo una validazione sperimentale di questa tecnica di generazione di vapore freddo con tassi di vaporizzazione che rompono i limiti utilizzando un sistema a schiuma CP a costi estremamente bassi.24 Poiché il costo del materiale evaporativo è molto più basso di quello degli elementi concentratori solari, l’architettura proposta è più adatta per lo sviluppo di sistemi solari a basso costo ad alte prestazioni, senza concentrazione solare, per la purificazione personale dell’acqua in aree con risorse limitate.

I canali di perdita nei sistemi di generazione di vapore solare e la strategia per realizzare un’efficienza quasi perfetta: Come illustrato nella figura1A, i principali canali di perdita includono le radiazioni nette, la convezione e le perdite di conduzione.12, 16, 24, 26 Pertanto, il flusso di energia consumato dall’evaporazione a energia solare, Pevap_, può essere descritto come26(1)Pevap=Piombo-ambiente.=αCoptqi;εσ(T24-T14);hT2-T1-qacqua

Figura 1.Meccanismo fisico di generazione di vapore. A) Bilancio energetico e diagramma di trasferimento del calore della schiuma CP sotto forte illuminazione solare. La temperatura superficiale,_T2, è superiore alla temperatura ambiente, T1. B) Bilancio energetico e diagramma di trasferimento del calore della CP-schiuma in ambiente scuro o con illuminazione a bassa intensità. C) Una fotografia di CP-schiuma galleggiante sulla superficie dell’acqua e la sua corrispondente immagine termica in ambiente buio. La sua temperatura superficiale è inferiore alla temperatura ambiente. D) Una fotografia di una struttura CP-aria-schiuma galleggiante sull’acqua e la sua corrispondente immagine termica in un ambiente buio. La sua temperatura superficiale è ancora più bassa della struttura della schiuma CP. Barra di scala: 1 cm.

Qui, la potenza di ingresso della luce, Plight= αCoptqi_,αè il coefficiente di assorbimento ottico, Copt la concentrazione ottica, qi la normale irradiazione solare diretta (cioè, 1 kW m-2 per 1 ^{sole ad} AM 1,5). Il flusso di potenza scambiato con l’ambiente,_Penvironment = εσ (T24 – T14) + h(T2 –T1) + qwater, ε l’emissione_ottica, σ la costante di Stefan-Boltzmann (cioè 5,67 × 10-8 ^{W m-2} K-4^{)), T2 la} temperatura alla superficie del materiale evaporativo, h il coefficiente di trasferimento del calore per convezione, e qwater il_{flusso di} calore_verso l’acqua alla rinfusa. Poiché l’evaporazione naturale dell’acqua alla rinfusa è stata in gran parte soppressa, la sua temperatura è approssimativamente identica a quella dell’ambiente (vedi Figura S1 nelle Informazioni di supporto). Per semplicità, qui si usa un singolo T1per indicare la temperatura dell’ambiente adiacente. Questa equazione descrive la maggior parte dei principali processi (se non tutti) coinvolti nel processo di evaporazione, cioè l’assorbimento della luce, αCoptqi_,la perdita netta di radiazione nell’ambiente circostante, εσ (T24 – T14), la perdita convettiva nell’ambiente, h(T2 – T1), e la perdita radiativa e conduttiva nell’acqua alla rinfusa, q acqua. Manipolando la distribuzione dell’energia tra questi canali, si possono realizzare meccanismi unici di generazione di vapore solare. Per esempio, in una strategia recentemente riportata, sono stati introdotti un assorbitore selettivo e una copertura a bolle d’aria per diminuire la radiazione termica infrarossa (ε) e la perdita convettiva (h) verso l’ambiente circostante, rispettivamente, per produrre vapore a 100 °C sotto 1 illuminazione solare.26 Tuttavia, per i sistemi di generazione di vapore solare ad alta temperatura(_T2 > T1 ), queste perdite possono solo essere ridotte ma non eliminate completamente (cioè, Pevap_< Plight)_. Pertanto, una domanda importante è: cosa succede quando_T2 ≤ T1_? Questa condizione sarà il fulcro del nostro lavoro.

Come illustrato nella figura 1B, in un caso stabile (con una temperatura superficiale stabile_T2 ≤ T1₎, l’equazione (1) sarà leggermente modificata come (2) Pevap=Plight++.Penvironment=αCoptqi++εσ(T14 – T24)+hT1 -T2+q acqua

In questo caso, il sistema preleverà effettivamente l’energia dall’ambiente (cioè_Pevap > Plight₎ e l’energia solare assorbita sarà consumata solo nella transizione di fase liquido-vapore, corrispondente alla quasi perfetta conversione dell’energia solare! Successivamente, utilizziamo il nostro CP isolato termicamente su schiuma24 come banco di prova a basso costo per analizzare il bilancio energetico e i trasferimenti di calore sia in condizioni di buio che di luce (vedere la Sezione S1 nelle Informazioni di supporto per i dettagli sulla preparazione del materiale e del campione).

L’evaporazione dell’acqua è un processo naturale che avviene in qualsiasi condizione, indipendentemente dall’illuminazione solare.27 Secondo la teoria cinetica classica dei gas,28 le molecole d’acqua vicine all’interfaccia aria-acqua che si muovono verso l’interfaccia con energia cinetica sufficiente a superare le forze intermolecolari in fase liquida possono evaporare. Il tasso di evaporazione dipende da molti fattori, tra cui il calore (o la temperatura), la pressione atmosferica (compresa l’umidità), il movimento dell’aria (compresa la convezione) e la salinità dell’acqua. Si può fare riferimento alla Sezione S2, Figura S2, e alle Tabelle S1 e S2 (Informazioni di supporto) per la caratterizzazione sperimentale dei tassi di generazione di vapore dei campioni di CP in ambiente buio con temperatura e umidità ben controllate utilizzando un vano portaoggetti commerciale. Per semplicità, l’effetto della salinità non è stato considerato in questo lavoro.

Come mostrato in Figura 1C, un ≈20 cm2 CP è stato attaccato ad un substrato di schiuma che galleggiava sopra l’acqua. Due strisce di CP a contatto con l’acqua sottostante trasportano l’acqua alla superficie superiore per l’evaporazione da parte delle forze capillari. La sua distribuzione termica superficiale è stata poi caratterizzata utilizzando un imager termico portatile (FLIR ONE) una volta che la temperatura era stabile. Si può vedere che la temperatura superficiale del CP è ≈14,3 ± 0,2 °C (T2), cheèinferiore a quella della temperatura ambiente (cioè, T1 = 22,3-23_, 3 °C). Secondo la nostra caratterizzazione in ambiente di laboratorio (con l’umidità del 16-25% in inverno a Buffalo), il tasso di evaporazione medio in ambiente buio è di 0,275 kg m-2 ^h-1. A ^{causa dell}‘evaporazione naturale, questo processo consumerà 6,78 × 105 J m-2 h-1 energia ^dall’ ambiente (considerando l’entalpia di vaporizzazione a 14,3 °C29). Pertanto, il bilancio energetico e il diagramma di trasferimento del calore in ambiente buio (o in condizioni di illuminazione a bassa intensità) è diverso da quello della precedente situazione di riscaldamento solare. Come mostrato in Figura 1B, il trasferimento di calore è in realtà dall’ambiente alla superficie CP a causa della temperatura più bassa del campione. Secondo l’equazione (2), la potenza convettiva di ingresso, Pcon= h(T1– T2) ,è ≈2,88 × 105 J m-2 h-1 (h ^{è assunto essere} 10 W m-2 K-126) in ^{condizioni di buio}. Questa direzione di trasferimento del calore sarà valida fino a quando la temperatura della superficie del CP sarà inferiore alla temperatura circostante. Inoltre, il sistema non ha alcuna perdita netta di radiazione quando_T2 ≤ T1_. Invece, secondo l’equazione_Prad = εσ (T14 – T24) (ε è 0 ,969per il CP, vedi Figura S3 nelle Informazioni di supporto), la potenza di ingresso radiativa può essere calcolata per essere 1,56 × 105 J m-2 h-1. L’^ingresso rimanente è ^apportato da q acqua dalla carta immersa nell’_acqua e dal substrato di schiuma. Pertanto, il sistema a schiuma CP in realtà prende energia dall’ambiente piuttosto che perderla. Da questo punto di vista, il materiale/struttura ideale per la generazione di vapore solare dovrebbe avere un tasso di evaporazione più alto in condizioni di oscurità, al fine di raggiungere una temperatura di equilibrio più bassa. Come risultato di questa intuizione, abbiamo rimosso la schiuma sotto il CP per introdurre un traferro d’aria (CP-air-foam), la velocità di evaporazione è stata poi aumentata a 0,34 kg m-2 h-1^{, ottenendo una} temperatura inferiore di ≈13,6 °C sulla superficie del CP, come mostrato nella Figura 1D. Per esaminare come questa disposizione influenza la nostra generazione di vapore solare, introduciamo l’illuminazione luminosa per accelerare la generazione di vapore.

In questo esperimento (vedere la Sezione S1 nelle Informazioni di supporto per i dettagli), abbiamo utilizzato un simulatore solare (Newport) per illuminare i campioni CP(Figura2A e Figura S4 (Informazioni di supporto)). Il fascio di luce viene filtrato da un diffusore ottico (vedi Figura S3 nelle Informazioni di supporto) per ottenere uno spot di fascio più uniforme con una densità di potenza di ≈0,6 kW m-2^(cioè equivalente alla potenza di 0,6 sole ad AM1,5). Tuttavia, la distribuzione della temperatura non è uniforme a causa della divergenza del raggio dal simulatore solare. Si può vedere che la temperatura superficiale della parte centrale del campione CP-foam (pannello superiore in Figura 2B) è aumentata fino a 35,3 °C, mentre la temperatura superficiale CP-air-foam (pannello inferiore in Figura 2B) è aumentata fino a 29,7 °C. Entrambi sono superiori alla temperatura ambiente. Pertanto, i canali di perdita evidenziati nella Figura 1Asi tradurranno in una minore efficienza di conversione dell’energia solare in queste aree. Si può vedere dalla Figura 2Cche questi tassi di evaporazione media misurata (cioè, 0,68 kg m-2 ^h-1( sfere ^viola ) e 0,80 kg m-2 h-1^(sfere arancioni)) sono entrambi al di sotto del limite superiore che può essere prodotto dall’energia solare in ingresso (cioè, ≈0,90 kg m-2 h-1, la ^{curva solida)}. Va notato che il campione di schiuma CP-air-foam ha realizzato una migliore velocità di generazione di vapore sotto la stessa illuminazione, confermata dalla sua temperatura superficiale inferiore.

Figura 2.Generazione di vapore sotto l’illuminazione a bassa densità di luce. A) Fotografie di un CP-foam (pannello superiore) e di un CP-air-foam (pannello inferiore) sotto l’illuminazione solare 0,6. B) Immagini termiche del CP-foam (pannello superiore) e del CP-air-foam (pannello inferiore) sotto l’illuminazione solare 0,6. C) Confronto tra la variazione di peso dell’acqua misurata rispetto al tempo di CP-schiuma (sfere viola) e CP-aria-schiuma (sfere arancioni). Il limite superiore che può essere prodotto dall’energia solare di 0,6 sole in ingresso viene tracciato dalla curva solida. D) Immagini termiche del CP-schiuma (pannello superiore) e del CP-aria-schiuma (pannello inferiore) sotto l’illuminazione solare 0,2. E) Confronto della variazione di peso dell’acqua misurata rispetto al tempo di CP-schiuma (sfere blu) e CP-aria-schiuma (sfere rosse). Il limite superiore che può essere prodotto dall’energia solare di 0,2 sole in ingresso viene tracciato dalla curva solida. Le due curve solide sono vicine l’una all’altra a causa delle temperature superficiali simili indicate in (D). Barra di scala: 1 cm.

Per ridurre al minimo questi canali di perdita, abbiamo ridotto la potenza incidente a ≈0,2 kW m-2^{. Come} mostrato dal pannello superiore in Figura 2D, la temperatura dell’area centrale della struttura della schiuma CP è stata ridotta a 22,9 °C. Altre aree di questo campione sono tutte al di sotto della temperatura ambiente. Inoltre, la temperatura più alta della struttura CP-aria-schiuma è stata di 20,1 °C (pannello inferiore in Figura 2D), tutte al di sotto della temperatura ambiente. In questa situazione (cioè, Figura 1B), abbiamo ottenuto il tasso di generazione di vapore totale di 0,39 kg m-2 ^{h-1 per} il campione di CP-schiuma e 0,48 kg m-2 h-1 ^{per il} campione di CP-aria-schiuma, rispettivamente, come mostrato dalle sfere in Figura 2E. Evidentemente, sono tutte oltre il limite superiore teorico del tasso di generazione di vapore che può essere prodotto dall’energia solare in ingresso (cioè, ≈0,30 kg m-2 ^{h-1, la} curva ^solida in Figura 2E). Va notato che non abbiamo sottratto lo “sfondo” scuro dell’evaporazione e poi spiegheremo perché questo “sfondo” non deve essere rimosso analizzando il processo termodinamico in diverse condizioni di funzionamento.

Nella letteratura sulla generazione di vapore solare precedentemente riportata, l’evaporazione scura era solitamente considerata come uno sfondo che veniva sottratto dalla generazione di vapore totale per ottenere la generazione netta di vapore indotta dal sole e calcolare l’efficienza di conversione dell’energia solare. Tuttavia, confrontando semplicemente la Figura 1A, e la Figura 1B, si può vedere che il bilancio energetico e la direzione del flusso di calore in condizioni di buio sono diversi da quelli in condizioni di illuminazione. Pertanto, l’evaporazione al buio non dovrebbe far parte dell’evaporazione in condizioni di illuminazione solare. Certo, questo aggiustamento dell’interpretazione non è un fattore importante per la letteratura precedentemente riportata, poiché il tasso di evaporazione al buio è di solito trascurabile rispetto a quelli ottenuti in condizioni di concentrazione solare. Ma, è più importante nella nostra condizione di illuminazione a bassa intensità. È importante notare che, analizzando le condizioni transitorie di cambiamento termico e di massa cambiando l’intensità dell’illuminazione, il processo termodinamico può essere rivelato.

Come mostrato in figura3A, abbiamo registrato la variazione di massa del sistema CP-foam quando la luce (0,6 sole) è stata spenta al momento di ≈162 s (indicato dalla freccia). Si può vedere che il tasso di evaporazione guidato dal sole (la linea tratteggiata rossa) è cambiato al tasso di oscurità (la linea tratteggiata viola) dopo ≈2 min (vedere il filmato S1 nelle Informazioni di supporto per l’intero processo termico). Durante questo periodo di 2 minuti, il tasso di evaporazione è sempre superiore al tasso di buio a causa dell’energia solare-termica immagazzinata nel sistema di evaporazione. Tuttavia, la definizione ampiamente utilizzata dell’efficienza di conversione dell’energia solare (ad es. rif. 9, 10, 10, 11, 12, 13, 13, 16, 18, 19, 20, 21, 21, 26, 30) non è ovviamente applicabile in questo processo transitorio, in quanto non vi è alcun ingresso solare. Pertanto, il quadro fisico dell’evaporazione guidata dal sole dovrebbe essere rivisto.

Figura 3.Interpretazione fisica del bilancio energetico termodinamico dei sistemi di generazione di vapore solare. A) Variazione della massa misurata in continuo da un’illuminazione solare di 0,6 a condizioni di buio. B) La massa misurata in continuo passa da un’illuminazione solare scura a 0,2 sole e poi a 0,6 condizioni di sole. Le linee tratteggiate indicano i tassi di variazione della massa misurata. Inserti: Dati di zoom da scuro a 0.2 sole (pannello di sinistra) e da 0.2 sole a 0.6 sole (pannello di destra). C) Diagramma del flusso di energia in condizioni di buio: l’energia in ingresso dall’ambiente è in equilibrio con l’energia di evaporazione. D) Diagramma del flusso di energia di un sistema a temperatura ambiente con un ingresso di luce debole: l’energia di evaporazione in uscita è la somma dell’ingresso di luce e dell’ingresso dell’ambiente. E) Diagramma di flusso energetico di un sistema a temperatura ambiente: l’energia di evaporazione in uscita è in equilibrio con l’ambiente circostante e con la luce in ingresso. F) Diagramma di flusso energetico di un sistema caldo: l’energia solare in ingresso è la somma dell’energia di evaporazione e della perdita per l’ambiente.

Per descrivere il processo termodinamico transitorio, l’energia immagazzinata o rilasciata dal sistema di evaporazione può essere studiata utilizzando l’equazione del flusso di potenza in funzione del tempo.(3) Pevapt=Plightt+Penvironmentt=αCoptqit -εσ [T24t – T14 – T14 – hT2t – T1] -qwatert

Quando l’ingresso solare viene acceso o spento, il sistema immagazzina o rilascia energia a seconda della capacità termica dell’impianto. Per interpretare questo intrigante problema, abbiamo registrato un continuo cambiamento di peso del sistema CP in diverse condizioni di illuminazione. Come mostrato nella Figura 3B, il simulatore solare è stato acceso al momento di 120 s (freccia viola) con l’intensità di 0,2 sole e poi è stato regolato a 0,6 sole al momento di 420 s (freccia rossa). Il loro bilancio energetico sarà analizzato utilizzando un modello “contenitore d’acqua”, come illustrato nella Figura 3C-F.

In condizioni di buio (Figura 3C), l’energia consumata dall’evaporazione naturale è in equilibrio con l’energia di ingresso da convezione, conduzione, radiazione, e altri (se presenti). La temperatura del sistema_T2 è inferiore alla temperatura ambiente T1(ad esempio, Figura 1C,D). L’evaporazione scura del sistema dipende dalle condizioni ambientali (ad es. temperatura, umidità, pressione, architettura del sistema, ecc.), come indicato dalla linea tratteggiata viola in Figura 3B. In questa situazione, c’è un ingresso (cioè l’ambiente) ed un’uscita (cioè l’evaporazione al buio).

Quando introduciamo un ingresso di energia solare relativamente debole (ad esempio, 0,2 sole a freccia viola in Figura 3B), la temperatura del sistema_T2(t) aumenterà (Figura 3D). Parte dell’energia solare assorbita provocherà questo aumento di temperatura e il resto sarà consumato nella transizione liquido-vapore (vedere la curva di curvatura dalla linea tratteggiata viola alla linea tratteggiata verde nell’inserto di sinistra in Figura 3B). Durante questo processo transitorio, il sistema immagazzinerà energia extra dall’ingresso solare. Per esempio, a partire da ≈120 s, la temperatura superficiale del sistema è aumentata da 14,3 a ≈14,8 °C in ≈10 s (il periodo di 10 s è stato selezionato a causa della precisione nella nostra misurazione del cambiamento di massa). Durante questo periodo di 10 s, la temperatura media è ≈14,6 °C e il tasso di evaporazione è ≈0,26 kg m-2 h-1. ^Poiché la temperatura ^media è inferiore a quella ambientale, il sistema ha comunque prelevato energia dall’ambiente. Pertanto, in questo processo transitorio, ci sono due ingressi (cioè, l’ingresso solare e l’ingresso ambientale) e due uscite (cioè, l’evaporazione dell’acqua e l’aumento della temperatura del sistema). Utilizzando i dati medi misurati, il rapporto di distribuzione dell’energia nei canali di ingresso e di uscita può quindi essere stimato (vedere i dettagli del calcolo nella Sezione S3.2 nelle Informazioni di supporto): per il canale di ingresso, il contributo solare in ingresso è ≈54,7% e il contributo ambientale è ≈45,3%; per il canale di uscita, solo ≈51,8% dell’energia totale in ingresso entro questo periodo transitorio di 10 s è stata consumata dall’evaporazione. Il resto ≈48,2% è stato immagazzinato nel sistema e ha portato all’aumento di temperatura osservato. È importante notare che questo rapporto di distribuzione dell’energia continua a cambiare durante questo processo transitorio. Ad esempio, nel successivo periodo di 10 s (ad esempio, 130-140 s), la temperatura superficiale del sistema è aumentata da ≈14,8 a ≈15,6 °C e il tasso di evaporazione medio è ≈0,31 kg m-2 h-1, ^{rispettivamente}. A causa dell’aumento della temperatura in questo periodo di 10 s (cioè, minore differenza di temperatura tra la superficie e la temperatura ambiente), il contributo dell’ingresso solare è aumentato a ≈56,8% e il contributo ambientale è diminuito a ≈43,2%. Per il canale di uscita, ≈64,2% dell’energia totale in ingresso entro questo periodo di 10 s è stata consumata nell’evaporazione, mentre il resto ≈35,8% è stato immagazzinato nel sistema e ha portato ad un ulteriore aumento della temperatura.

Questo processo di accumulo di calore è continuato fino a quando la temperatura superficiale si è stabilizzata a ≈22,9 °C (cioè il pannello superiore nella Figura 2D). Poi, il sistema ha raggiunto un nuovo stato stazionario con un tasso di evaporazione di ≈0,39 kg m-2 ^{h-1 (Figura 2E)}. Dopo di che, l’energia totale in ingresso può andare solo al canale di uscita dell’evaporazione (cioè, un sistema a due ingressi e un’uscita). In questo stato stazionario, l’energia totale in ingresso è stata apportata dall’ingresso solare e dall’ambiente rispettivamente per ≈61,5% e ≈38,5%. Si può vedere che sotto un’illuminazione a bassa intensità, il contributo dell’ambiente gioca un ruolo importante nell’evaporazione. Finché la temperatura stazionaria del sistema è ancora inferiore alla temperatura ambiente T1 (ad_esempio, Figura 2D), l’energia solare assorbita sarà trasferita esclusivamente alla transizione liquido-vapore (perché non vi è alcuna perdita termica per l’ambiente). In questa condizione di stato stazionario, l’evaporazione totale è superiore a quella che può essere prodotta dall’energia solare in ingresso a causa dell’ingresso supplementare dall’ambiente (ad esempio, Figura 2E).

Quando la temperatura del sistema aumenta fino alla temperatura ambiente con un ingresso solare più forte (Figura 3E), il canale di energia in ingresso dall’ambiente viene chiuso. In definitiva, l’energia in uscita consumata dall’evaporazione è in equilibrio con l’energia solare in ingresso sotto il nuovo stato stazionario con una perfetta efficienza di conversione. Se l’energia solare in ingresso viene ulteriormente aumentata, come illustrato nella Figura 3F(ad esempio, 0,6 sole nella Figura 3B), la temperatura del sistema_T2(t) è superiore a T1(ad esempio, Figura 2B). Durante questo processo di transizione, il sistema immagazzinerà più energia dall’ingresso solare (cioè la curva di curvatura dalla linea tratteggiata verde alla linea tratteggiata rossa nell’inserto di destra in Figura 3B), che si tradurrà in una perdita per l’ambiente. In questo caso, l’energia di evaporazione è sempre minore dell’energia solare in ingresso. Pertanto, l’efficienza di conversione dell’energia solare assorbita è inferiore al 100% e il tasso di generazione di vapore ottenuto non può superare il limite superiore teorico (ad esempio, Figura 2C). Maggiori dettagli sulla stima della distribuzione dell’energia per l’illuminazione solare 0,6 sono elencati nella Sezione S3.1 (Informazioni di supporto).

Anche se la Figura 2Eha dimostrato il limite che rompe la generazione di vapore guidato dal sole, il tasso di generazione di vapore totale è ancora relativamente basso a causa della debole illuminazione solare. La domanda più importante è come realizzare questa strategia sotto la temperatura ambiente con una pratica illuminazione solare 1. Un metodo semplice è quello di aumentare la superficie effettiva all’interno di una data area di proiezione, come illustrato in figura4A. Per dimostrare questa strategia, abbiamo fabbricato un insieme di strutture triangolari con diversi angoli apicali (θ) e confrontato le loro distribuzioni di temperatura superficiale con un campione piatto. Come mostrato nella Figura 4B, la temperatura più alta sul campione piatto CP è di 42,6 °C. La variazione di massa misurata e i dati teorici del limite superiore (normalizzati all’area di proiezione) sono riportati nella Figura 4C. Poiché la temperatura superficiale del campione di CP piatto è superiore alla temperatura ambiente, corrispondente al sistema a perdita in Figura 3F, il tasso di generazione di vapore misurato (≈1,21 kg m-2 ^{h-1, vedi} sfere ^viola) è inferiore a quello del limite teorico (≈1,58 kg m-2 h-1, la ^{curva viola).}

Figura 4.Aumento della superficie sotto 1 illuminazione solare. A) Diagramma schematico per ridurre la densità della luce introducendo strutture di superficie più grandi. B,D,E) Le immagini di distribuzione termica e le fotografie corrispondenti di (B) una schiuma CP piatta, (D) una struttura triangolare con θ di 37,8°, (E) una struttura triangolare con θ di 22,9°. C) Confronto della variazione di peso dell’acqua misurata rispetto al tempo di questi tre campioni di CP-schiuma (sfere). I limiti superiori che possono essere prodotti da 1 energia solare in ingresso al sole sono tracciati da curve solide. F,G) Le immagini di distribuzione termica e le corrispondenti fotografie delle strutture di CP-aria-schiuma con (F) θ = 37,4° e (G) θ = 22,4°. H) Confronto della variazione di peso dell’acqua misurata rispetto al tempo di questi due campioni di CP-aria-schiuma (sfere). I limiti superiori che possono essere prodotti da 1 energia solare in ingresso al sole sono tracciati da curve solide. La variazione di peso sotto l’illuminazione solare 1 e 2 riportata da Ghasemi et al.16 è rappresentata da curve tratteggiate. Barra di scala: 1 cm.

Quando abbiamo impiegato la stessa luce per illuminare i campioni triangolari con superfici più grandi (Figura 4D,E), la temperatura diminuisce significativamente rispetto al campione piatto mostrato in Figura 4B. Va notato che tutti i campioni sono stati caratterizzati dopo 30 minuti di stabilizzazione con 1 illuminazione solare. Come mostrato dal filmato S3 (Supporting Information), il tempo di stabilizzazione è ≈2 min. Qui, indichiamo quattro punti di temperatura in diverse aree lungo le pareti laterali. Si può vedere che un’area principale del campione nella Figura 4D(θ = 39°) è ancora più alta della temperatura ambiente. Di conseguenza, abbiamo osservato un tasso di evaporazione totale di ≈1,50 kg m-2 ^{h-1, che è ≈88},9% dell’energia solare in ingresso (vedi sfere verdi e la curva verde in Figura 4C). Questa efficienza è migliorata rispetto al campione di CP piatto della Figura 4B. Più intrigante, per realizzare la densità di potenza di illuminazione solare di 0,2 (Figura 2D) in 1 condizione di sole, la superficie del CP deve essere aumentata di 5 volte. Pertanto, l’angolo apicale (θ) dovrebbe essere ≈23° (cioè, sin(θ/2) = 1/5). In questo caso, il tasso di generazione di vapore dovrebbe essere aumentato di ≈5× rispetto a quello osservato nella Figura 2D. Come mostrato in Figura 4E, abbiamo fabbricato un campione con la θ di 22,4°. Si può vedere che la temperatura della superficie è stata ulteriormente diminuita con le aree principali al di sotto della temperatura ambiente. In questo caso, abbiamo osservato un tasso di generazione di vapore totale di ≈2,02 kg m-2 ^{h-1 (} sfere ^arancioni nella Figura 4C), che èsuperiore al limite superiore teorico (≈1,65 kg m-2 h-1, si veda ^{la curva} arancione nella Figura 4C). In definitiva, abbiamo rimosso la schiuma sotto questi due campioni triangolari per ottenere campioni triangolari CP-air per migliorare ulteriormente il contributo di convezione dall’ambiente circostante e accelerare il tasso di evaporazione. Come mostrato dalle Figure 4F,G, le temperature superficiali possono essere ulteriormente ridotte a parità di condizioni di illuminazione, indicando il miglioramento della velocità di generazione del vapore. Come mostrato nella Figura 4H, abbiamo ottenuto tassi di generazione di vapore totale di 1,58 kg m-2 ^{h-1 per il} campione in Figura 4F e 2 ,20 kg m-2 h-1 ^per il ^campione in Figura 4G, rispettivamente .In particolare, il miglior risultato di 2,20 kg m-2 ^{h-1) è ≈4},6× di quello osservato nella Figura 2D (cioè, 0,48 kg m-2 h-1), anche più ^veloce di ^quelli riportati da altri sistemi sotto 1-2 illuminazione solare (ad esempio, ≈1,09 kg m-2 ^{h-1 sotto 1 sole} e ≈1,93 kg m-2 h-1 sotto ^{2 sole riportati da} Ghasemi et al.,16 vedere le linee tratteggiate nella Figura 4H). Confrontando il tasso di generazione di vapore totale e il limite superiore teorico in Figura 4C,H, si può vedere che le strutture con superfici più grandi in Figura 4E,G (θ = 23°-24°) hanno preso ≈16,0% e ≈20,7% di energia, rispettivamente, dall’ambiente per la generazione di vapore. Questo risultato incoraggiante indica il potenziale per realizzare alambicchi solari ultraefficienti e ad alte prestazioni basati su materiali a bassissimo costo. Riducendo l’angolo apicale θ, la superficie del campione triangolare può essere ulteriormente aumentata. Il limite pratico dell’angolo apicale (≈8,4°) è determinato dal limite di trasporto dell’acqua della striscia di carta (vedi Figura S5 nelle Informazioni di supporto).

Inoltre, abbiamo riconosciuto che la temperatura nella parte superiore del campione triangolare è ancora più alta della temperatura ambiente. Queste regioni “calde” sono introdotte principalmente dalla luce incidente non uniforme: nel nostro esperimento, l’intensità solare a diverse altezze è leggermente diversa a causa della divergenza del raggio dal simulatore solare. Pertanto, le temperature massime sono superiori alla temperatura ambiente in alcune regioni. Per ottenere una comprensione più accurata del processo di conversione dell’energia, abbiamo usato l’intensità solare più forte nella posizione più alta come intensità di ingresso per calcolare il limite di generazione di vapore guidato dal sole (vedere la Sezione S4 e la Tabella S3 nelle Informazioni di supporto). Pertanto, il risultato sperimentale di rottura del limite è inequivocabile. D’altra parte, indica che il tasso di evaporazione sperimentale osservato nella Figura 4 può essere ulteriormente ottimizzato perché il sistema perde ancora un po’ di energia nell’ambiente nelle regioni calde. Maggiori dettagli sotto l’illuminazione solare uniforme in un ambiente esterno sono discussi nella Figura S6 (Informazioni di supporto).

In conclusione, per le applicazioni pratiche all’aperto ancora solare, l’illuminazione solare stabile e continua non è realizzabile nella maggior parte delle aree di questo pianeta a causa delle diverse condizioni atmosferiche e della posizione del sole. Anche con concentratori solari moderati a basso costo (ad esempio, rif. 16), una potenza incidente stabile superiore a quella della luce solare AM 1,5 non può ancora essere garantita. Inoltre, poiché la maggior parte degli alambicchi solari sono coperti da vetro o altro materiale di raccolta simile, la condensazione può portare ad una dispersione ottica e ad una diminuzione della potenza solare incidente. Pertanto, la generazione di vapore sotto 1 condizione di illuminazione solare è importante, nonostante sia stata trascurata nella maggior parte dei lavori precedentemente segnalati. Di conseguenza, questo rapporto ha esplorato un approccio alternativo alla generazione di vapore solare utilizzando il vapore freddo sotto la temperatura ambiente e ha rivelato un’efficienza di conversione quasi unitaria dell’energia solare assorbita. A causa del contributo energetico dell’ambiente circostante, la generazione di vapore totale misurata è superiore al limite superiore che può essere prodotto da una data energia solare incidente. È importante notare che questa tecnica innovativa è stata realizzata utilizzando un sistema di schiuma CP a bassissimo costo sotto l’illuminazione solare, senza bisogno di nanomateriali avanzati e costosi. Inoltre, abbiamo anche rivelato le caratteristiche chiave per l’assorbimento ottico e l’evaporazione dei materiali per i futuri sistemi di alambicchisolari31 , vale a dire, in un dato ambiente, una maggiore capacità di evaporazione naturale si tradurrà in una temperatura superficiale più bassa. Questo indica una nuova direzione di ricerca per esplorare e sviluppare diversi materiali evaporativi, che possono avere applicazioni nella tecnologia degli alambicchi solari, nel raffreddamento evaporativo,32 applicazioni minerarie ad evaporazione solare,33 generatori adevaporazione,34, 35ed elettricità indotta dall’evaporazione dell’acqua.36 Inoltre, questa generazione di vapore freddo solleverà una nuova questione scientifica sulla condensazione dell’umidità per la raccolta dell’acqua.37 È impegnativo liberare l’energia termica da questi vapori al di sotto della temperatura ambiente senza elettricità. Pertanto, prevediamo che l’integrazione di questo regime evaporativo con i sistemi di raffreddamento radiativo diurno recentemente emersi38,39, 40, 41 darà il via a una rivoluzione nelle tecnologie termodinamiche.

Conflitto di interessi

Gli autori non dichiarano alcun conflitto di interessi.

Informazioni di supporto

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