利用太阳能发电和海水淡化被广泛认为是解决水资源和电力短缺的可持续方案。近日，港城大吕坚/港理工杨洪兴教授团队提出了一种基于被动界面冷却（PIC）策略的合理设计的水-电联产系统。PIC区域被动强化了产水和产电系统的能量交互，从而提高混合模块的废热和潜热的利用率，并最大限度地减少了辐射和对流造成的能量损失，实现高效水-电联产。另外，该强化设计不仅可以应用于热电，还适用于光伏发电，显著增强光伏板功率密度。这项研究对碳中和大背景下的太阳能驱动的水-电联产系统设计和解决偏远贫困地区的能源-淡水危机具有重要意义。文章第一作者为香港城市大学博士后毛正义，文章通讯作者为香港理工大学研究助理教授王其梁和香港城市大学讲席教授吕坚。
图1. 基于被动界面冷却设计的水电联产系统和传热过程。
整个PICG中热流的消耗和利用可分为三个部分：（1）吸收层将太阳光转化为热量作为主要能量输入并流过TEG产电。(2)热量通过散热片传至蒸发器产水。由于 PIC 区域的优化设计，热量可以通过大面积传热界面高效加热蒸发器翅片，并利用翅片-空气界面快速水蒸发。同时，蒸发带来的大量潜热进一步降低TEG冷端的温度，提高发电量。(3)从环境中吸取热量。蒸发器底部低于室温可以进一步吸收环境能量。PIC实现高效发电水的机理：PIC设计被动强化水-电模块之间的能量交互。具体来说，散热器的高导热率有利于废热从产电模块快速传递到水模块。PIC区域巨大的散热器-蒸发器界面促进了蒸发器的有效加热，蒸发器-空气界面使蒸汽能够逃逸入空气中，提高蒸发速率。同时，快速蒸发会产生大量的蒸发潜热，快速冷却热电片(TEG)的冷侧，从而提高发电性能并减少对流和辐射损失。蒸发潜热还有助于吸收环境中的能量，进一步促进产水。
通过涂敷光吸收层，TEG在全波段的光吸收超过96%。蒸发器的超亲水和竖直孔结构实现快速水供应。同时蒸发器还表现出优异的力学性能便于实际应用。
通过对照组设计，证明PIC结构能够影响传热，在蒸发器中引入温度梯度，并被动的强化产水和产电系统之间的能量交互，显著提高产水率。
PIC引入的强化换热显著提高水-电联产性能。来自产电模块的废热大量用于水蒸发，水蒸发的潜热为产电模块降温，同时减少对环境的热辐射和对流。结果，强化换热结构的产水产电性能优于大部分传统TEG基的水-电联产系统。
由于优异的结构设计，PICG装置不需要透明上盖来冷凝蒸汽，减少了冷凝液体造成的光损失。同时，PICG在各种溶液和环境下表现稳定。更重要的是，该强化换热设计还可以应用于光伏产电系统中，通过对光伏板的有效降温实现产电功率从55.7 W m−2到75 W m−2的提高，并可用于各种商用电子设备的充电，比如：灯牌、智能手环和手机。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s44221-023-00190-6
