通過太陽能蒸發器進行海水淡化被認為是解決清潔水短缺問題的一種簡單易行且零碳的方法。然而，現有的太陽能蒸發器在能量收集和清潔水生產方面表現出效率不足，從而限制其實際應用。為此，前沿研究致力于提高太陽能海水淡化效率，例如采取新材料以促進供水、減少熱損失、降低蒸發焓、捕獲環境能量等。近來，具有三維結構的太陽能蒸發器設計同樣備受關注。該設計通過增加蒸發面積提高蒸發率，并可以促進局部鹽結晶，有助于從高鹽度鹽水中連續產生淡水。但現有的裝置大多采用固定結構，無法動態跟隨太陽軌跡，在實際應用場景中可實現的工作效率仍然不足。
為解決這一問題，香港大學團隊與深圳職業技術大學團隊合作，在此前的水凝膠材料研究基礎上[1]，設計了一種由剪紙（kirigami）啟發的具備動態三維結構的水凝膠太陽能蒸發器（KHSE）（圖1）。該裝置通過簡單的拉伸變形可實現三維蒸發表面和俯仰角按需調節，從而實現對太陽高度的動態跟蹤，表現出3.4 kg m?2 hour?1的穩定蒸發率，相比靜態平面蒸發器提高了80%。此外，通過一系列理論建模，針對Kirigami動態結構力學、微觀傳質傳熱、規模化制造應用等重要問題提出了通用的設計規律。該工作以 “Kirigami enabled reconfigurable three-dimensional evaporator arrays for dynamic solar tracking and high efficiency desalination”為題發表在Science Advances期刊上[2]。
圖1 KHSE 的概念設計
1、剪紙結構設計與俯仰角調控
由剪紙啟發的切割圖案可將二維薄膜轉變為具有三維動態形貌的可重構結構，為柔性器件設計提供了廣泛思路。然而，太陽能蒸發中涉及的復雜傳質過程需要對結構設計和材料配置進行專門的考慮。通過理論模型、數值計算和實驗驗證，得到了面向太陽能蒸發器的水凝膠剪紙結構設計規律。其中，剪紙的切割角度θ對剪紙的結構剛度和俯仰角有顯著影響（圖2F）；剪紙的切割長度l與厚度t構成的無量綱量l/t對剪紙的最大仰角有顯著影響（圖2G）。為避免剪紙結構裂紋擴展和微觀結構（圖2D）破壞，以及確保三維面外結構生成，水凝膠的模量（圖2H）、韌性（圖2C）和剪紙的拉伸率（圖2E）必須滿足一系列定量要求。
圖2 KHSE結構設計與調控方法
2、KHSE光熱蒸發性能及鹽結晶處理方法
器件中使用的新型納米纖維復合水凝膠本身具備優異的光熱蒸發性能[1]。此外，為實現KHSE在高濃度鹽溶液中連續蒸發，太陽能蒸發器還需克服鹽結晶的問題。通過微觀結構（圖3C）實現了鹽水的定向輸運（圖3D），使得鹽結晶在剪紙尖端局部發生（圖3E、G、H）。利用剪紙的重構實現結晶鹽的按需清除，使得KHSE可以長期穩定運行（圖3K）。得益于三維的蒸發結構，KHSE相比于常規的平面蒸發器顯著提高了水汽生成速率（圖3I、J）。
圖3 KHSE的太陽能蒸發、脫鹽性能
3、KHSE實際應用設計
針對太陽能海水淡化應用，通過實驗論證，提出了KHSE最優使用方法。在太陽高度較低時，對太陽光進行動態追蹤（圖4D），在太陽高度較高時，采用固定三維結構以優化蒸發速率。另一方面，對不同尺寸KHSE薄膜的均勻性進行分析（圖4E），得到定量模型以預測結構參數，實現精確定制（圖4F）。
圖 4 太陽角度動態跟蹤
4、海水淡化原型驗證
在上述研究基礎上，面向實際應用開展了海水淡化原型驗證。通過單片機驅動結構拉伸來調控剪紙俯仰角以實現太陽高度角追蹤（圖5B、C），另一方面驅動系統旋轉以實現太陽方位角追蹤（圖5B）。在戶外實驗中，太陽光線追蹤模式的KHSE產生淡水的速率為14.9 L m?2，顯著優于靜態的KHSE和平面太陽能蒸發器，為進一步優化以實現工業應用提供了良好基礎。
圖5 KHSE海水淡化原型驗證
論文共同第一作者：李昊（香港大學機械工程系博士生）、張偉鑫（香港大學機械工程系博士后）。通訊作者：廖翕（深圳職業技術大學建筑工程學院）、徐立之（香港大學機械工程系）。
團隊網頁：xulizhi.hku.hk
參考文獻：
1.H. Li, W. Zhang, J. Liu, M. Sun, L. Wang, L. Xu, Self-Assembled Nanofibrous Hydrogels with Tunable Porous Network for Highly Efficient Solar Desalination in Strong Brine. Advanced Functional Materials n/a, 2308492 (2023).
2.H. Li, W. Zhang, X. Liao, L. Xu, Kirigami enabled reconfigurable three-dimensional evaporator arrays for dynamic solar tracking and high efficiency desalination. Science Advances 10, eado1019 (2024).
