优化蒸发表面蒸汽流动以提升太阳能蒸汽发生系统的实际性能

本研究针对太阳能界面蒸汽发生(ISVG)技术在实际海水淡化应用中多蒸发器集成时的性能优化问题，通过系统研究蒸发器高度(h)与间距(d)对热环境获取和蒸汽对流的影响，揭示了三维蒸发器阵列中蒸汽流动的调控机制。韩国大邱庆北科学技术院(DGIST)团队发现高蒸发器以蒸汽对流为主导，矮蒸发器以环境热获取为主，优化h/d参数可使系统产汽量提升40%，为规模化ISVG系统设计提供了关键理论依据。

　　

全球气候变化加剧淡水危机之际，界面太阳能蒸汽发生(Interfacial Solar Vapor Generation, ISVG)技术因其仅需太阳能驱动水蒸发的特性，被视为解决水资源短缺的绿色方案。尽管单蒸发器性能已突破理论极限（1.5 kg m^?2 h^?1@1 kW m^?2），但实际应用中需将多个蒸发器集成于有限空间的太阳能蒸馏装置，蒸发器间因热环境共享和蒸汽流动产生的相互作用成为制约系统整体性能的关键瓶颈。

韩国大邱庆北科学技术院的研究团队在《Desalination》发表的研究中，创新性地构建了双三维蒸发器对置模型系统。通过精确调控蒸发器高度(h)和间距(d)，结合红外热成像与粒子图像测速技术，首次量化了蒸发器间热-流耦合效应对产汽量的影响规律。

关键技术包括：1) 采用聚吡咯修饰非织造棉布(P-NCF)制备三维蒸发器；2) 室内模拟太阳光实验系统控制辐照强度；3) 室外放大实验验证实际应用效果；4) 盐水淡化实验评估抗盐性能；5) 烟雾示踪法可视化蒸汽流动路径。

设计模型验证蒸发器间相互作用
通过固定总占地面积改变h/d比值的实验设计，发现当h=4 cm、d=2 cm时系统产汽量达峰值。矮蒸发器(h<2 cm)主要依赖侧壁环境热获取，而高蒸发器(h>3 cm)则通过增强的蒸汽对流提升冷蒸发效率，这种流动在窄间距时形成涡流，宽间距时转为层流。

材料与实验方法
聚吡咯修饰的棉布蒸发器在人工海水(盐度3.5%)中保持稳定蒸发性能，室外实验证实模型预测的h/d优化参数可推广至实际太阳能蒸馏装置。

结论与意义
该研究突破性地揭示：1) 蒸发器高度决定主导机制转换阈值(h≈2.5 cm)；2) 最优间距与高度呈非线性关系(d_opt≈0.5h)；3) 多蒸发器协同效应可使单位面积产汽量提升40%。这些发现为设计紧凑型ISVG海水淡化系统提供了量化标准，特别适用于船舶、岛屿等空间受限场景。研究首次建立的h-d性能预测模型，解决了蒸发器阵列设计中热管理与流体控制的协同优化难题。

作者声明
团队使用GPT-4优化语言表达但保持学术严谨性，研究受韩国科学技术信息通信部DGIST项目资助(21-BRP-06)。这项基础性工作为下一代太阳能淡化系统的工程化设计奠定了重要理论基础。