NC：提升太陽蒸發環境穩健性以彌合實驗室與實際應用之間的性能差距

論文信息： C. Wang, C. Lin, K. Xu, Y. Liu, Z. Lao, J. Cao, B. Liu, A. Baqais, K. Bin Bandar, S. Aldrees, M.A. Alhussaini, S.-Y. Leu, N. Ghaffour, Q. Gan, W. Wang, P. Wang, Engineering high environmental robustness in solar evaporation to bridge the lab-to-field performance gap, Nat Commun (2026).

論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41467-026-71004-y.

研究背景

太陽蒸發一直被視為離網制取淡水的一條很有潛力的路線，尤其適合缺乏大型基礎設施的海島、偏遠地區和高缺水地區。過去這些年，多級向下太陽蒸發系統在實驗室里已經做出了很高的產水效率，甚至明顯超過單級蒸發的熱力學上限。但真正到了戶外，問題就暴露出來了：同樣的太陽輻照條件下，系統性能常常比實驗室結果下降23%到57%。這說明，決定技術能否真正落地的，不只是實驗室里的高指標，更關鍵的是在風速、天空輻射冷卻、環境溫度和太陽通量波動等復雜條件下，系統還能不能保持穩定輸出。正是圍繞這個長期被忽視的“實驗室—現場差距”，這項工作提出了新的評價指標和新的工程解決思路。

研究內容

研究首先這項工作一開始并沒有急著去追求更高的產水紀錄，而是先追問一個更基礎的問題：為什么太陽蒸發器在實驗室表現很好，一到戶外就明顯失效。圍繞這個問題，文中首先定義了環境穩健性指數 ERI，也就是現場歸一化產水率與實驗室歸一化產水率之比，用它來直接衡量一個系統抵抗環境擾動的能力。進一步的熱損失分析表明，戶外場景下最大的麻煩并不只是風帶來的對流散熱，還包括晴空條件下由于大氣窗口導致的“天空冷卻”效應，這些額外熱損失正是造成 lab-to-field 性能鴻溝的核心來源。

圖1. 在不同環境條件下，帶有和不帶 SSAL 絕熱層的吸收體熱損失情況。（a）不同溫度黑體的光譜輻亮度曲線（左縱軸），陰影區域表示大氣透過率（右縱軸）。大氣透過率數據由 IRTRANS4 程序生成，并取自 UKIRT（英國紅外望遠鏡）網站。32 （b）和（c）風對吸收體（60°C）向環境空氣（25°C）傳熱的影響，其中（b）為室內實驗室條件，（c）為室外現場條件。堆疊柱狀圖給出了熱損失路徑的分解——輻射熱損失（Qr，黃色）和對流熱損失（Qv，藍色），其數值由圖中標注給出。（d）在具有理想 5 mm 厚 SSAL 的現場條件下，風對吸收體（60°C）向環境空氣（25°C）傳熱的影響。此時熱損失僅通過熱傳導（Qd，綠色）進行。在紅外不透明絕熱層存在時，輻射熱損失降為零。

在找到了問題根源之后，文章提出了一個很有概括性的工程策略：光譜選擇性空氣鎖，也就是 SSAL。這個思路的目標很明確，一方面要讓材料盡可能透過太陽光，保證吸熱；另一方面又要阻斷中遠紅外熱輻射，并且抑制空氣流動造成的對流散熱。圍繞這一原則，文中設計了三種實現路線：一種是接近理想狀態的介孔硅氧烷氣凝膠，另外兩種則是更便于推廣的復合結構，分別由 PMMA 或普通鈉鈣玻璃加靜止空氣層組成。這里很重要的一點是，SSAL 被論證為一種“普適設計原則”，而不是只依賴某一種昂貴先進材料。

圖2. SSAL 材料的表征結果。（a）6 mm 硅氣凝膠的直接半球透過率光譜。圖中同時給出了空氣質量 1.5（AM 1.5）的太陽透射光譜以及 60°C 黑體的發射光譜作為參考。（b）SSAL 氣凝膠的太陽加權透過率隨厚度的變化關系。虛線表示 90%。左側插圖為將 6 mm 氣凝膠對著天空拍攝的數碼照片，右側插圖為顯示氣凝膠精細骨架結構的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。（c）SSAL 氣凝膠在 8–13 μm 波長范圍內的透過率隨厚度的變化關系（左縱軸），并疊加顯示了大氣透明窗口（藍色陰影區域，右縱軸）。（d）由 N? 吸附得到的孔徑分布。插圖為顯示氣凝膠介孔結構的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（e）6 mm 氣凝膠、3 mm PMMA 板和 3 mm 鈉鈣玻璃板的太陽加權透過率（圓點，左縱軸）以及在 10.5 μm 處的紅外透過率（三角，右縱軸）。（f）SSAL 各種構型的熱阻對比。插圖示意了 SSAL 裝置的構型：氣凝膠直接覆蓋在太陽吸收體上（左），以及 PMMA 或玻璃板通過一層靜止空氣層與吸收體隔開（右）。

在此基礎上，工作建立了一個完整的熱質傳遞模型，用來系統預測不同環境變量下的產水率和 ERI。模型把風速、天空輻射冷卻、環境溫度和太陽通量都納入進去，并對無覆蓋、氣凝膠覆蓋、PMMA-空氣復合層和玻璃-空氣復合層幾種方案進行了對比。結果顯示，沒有任何頂部保護的模塊對環境極其脆弱，風速從 0 增加到 2 m·s?1 時，產水率會迅速跌落，ERI 也會降到很低；而采用 SSAL 后，系統在風和天空冷卻共同作用下仍能維持接近實驗室水平的輸出。更有意思的是，模型還指出高環境溫度反而可能成為一種“助力”，在特定條件下甚至可以使 ERI 超過 1。

圖3. 不同環境條件下 MSD 模塊性能的理論分析。（a）未覆蓋吸收體（上）和采用 SSAL 絕熱的吸收體（下）在 MSD 模塊頂部級中的主要傳熱路徑示意圖。關鍵熱流包括太陽輸入（Qin）、傳導損失（Qd）、對流損失（Qv）、輻射損失（Qr）、光譜損失（Qs）和蒸發熱流（Qevap）。（b）至（f）為六級模塊在四種頂部覆蓋構型下的模型結果對比：無遮蓋、6 mm 氣凝膠、帶 6 mm 空氣層的 3 mm PMMA，以及帶 6 mm 空氣層的 3 mm 玻璃。圖中柱狀表示產水率（左縱軸），符號表示 ERI（右縱軸）。ERI 定義為給定條件下歸一化產水率 P' 與基準值 P'lab 的比值，其中基準條件為實驗室室內環境、1 kW·m?2、無風、25°C。（b）在 25°C 和太陽輻照通量 1 kW·m?2 條件下，比較室內環境中產水率和 ERI 隨風速的變化。（c）在 25°C 和太陽輻照通量 1 kW·m?2 條件下，比較兩種不同風速下室內與室外（考慮天空輻射冷卻）環境中的產水率和 ERI。（d）在室內（無風）和室外（風速 2 m·s?1）條件下、太陽輻照通量為 1 kW·m?2 時，各種熱損失機制的分解。（e）室外無風條件下環境溫度對產水率和 ERI 的影響。（f）室外無風條件下太陽輻照強度對產水率和 ERI 的影響。

為了驗證這些理論判斷，研究進一步搭建了六級向下多級蒸餾模塊，在模擬日照和可控風場中進行了實驗。實驗結果和模型趨勢高度一致：未加覆蓋的系統一旦遇到較強風速，吸收器溫度快速下降，產水率幾乎“塌陷”；而加了氣凝膠、PMMA-空氣層或玻璃-空氣層之后，系統的溫度和產水表現都穩定得多。其中，氣凝膠方案整體表現最好，但另外兩種低成本復合結構也展現出相當強的環境穩健性。與此同時，實驗還揭示了系統在低太陽通量下存在啟動閾值，這說明真實應用中不僅要關注峰值性能，還要關注裝置在早晚和弱光時段是否還能維持有效運行。

圖4. MSD 模塊性能的實驗驗證。（a）實驗裝置示意圖以及 MSD 模塊的詳細截面結構。（b）在太陽輻照通量為 1 kW·m?2 條件下，實驗測得的產水率（柱狀，左縱軸）和吸收體溫度（符號，右縱軸）隨風速的變化關系。（c）在無風條件下，實驗測得的產水率和吸收體溫度隨太陽輻照強度的變化關系。（b）和（c）中的數據分別對應四種模塊構型：無遮蓋、6 mm 氣凝膠、帶 6 mm 空氣層的 3 mm PMMA，以及帶 6 mm 空氣層的 3 mm 玻璃。柱狀圖表示 3 次獨立測量的平均值，誤差棒表示標準差。疊加的散點圓和菱形分別表示每次產水率和吸收體溫度測量的單次實驗數據。

真正體現這篇工作應用價值的是后面的海水戶外驗證。研究在真實海水條件下，讓一個無遮蓋模塊和一個加 6 mm 氣凝膠的模塊并行運行。結果很直接：在環境溫度約 24°C 的代表性測試日里，無遮蓋模塊的吸收器峰值溫度只有 42.8°C，而加了 SSAL 的模塊能達到 60.0°C，因而整天產水更高、更穩定。七天連續測試中，SSAL 模塊的日均產水量大約是無遮蓋系統的兩倍，在11月晴天條件下最高日產水量達到 10.88 kg·m?2，對應歸一化產水率 3.83 kg·kWh?1，ERI 達到 0.98。更進一步，在 38°C 高環境溫度場景下，SSAL 模塊的歸一化產水率達到了 6.53 kg·kWh?1，ERI 達到 1.68，這一結果直接證明了高溫環境下現場表現可以反超 25°C 的實驗室基準。

圖5. MSD 模塊的室外現場測試及實驗室到實際場景性能分析。（a）并行室外實驗裝置照片，其中左側為無遮蓋模塊，右側為采用 6 mm 氣凝膠絕熱的模塊。（b）、（c）為代表性測試日（2024 年 11 月 27 日）的實時環境與性能數據，其中（b）給出了采用 6 mm 氣凝膠絕熱的 MSD 模塊吸收體溫度（實線，左縱軸）與未采用 SSAL 時的吸收體溫度（虛線，左縱軸），同時還顯示了環境溫度（點劃線，左縱軸）和周圍風速（陰影區域，右縱軸）；（c）給出了累計產水量（曲線，左縱軸）和入射太陽輻照通量（陰影區域，右縱軸）。（d）比較了 2024 年 11 月 24–30 日連續七天室外測試中，氣凝膠絕熱模塊與無遮蓋模塊的 ERI，以及 2025 年 8 月 23 日玻璃-空氣復合絕熱模塊與無遮蓋模塊的 ERI。ERI 定義為實測日歸一化產水率 P′field 與相應實驗室基準值 P′lab（見圖4）的比值。（e）在環境溫度 24°C 和 38°C 條件下，對比實驗室測量與現場測試數據，對熱損失及歸一化產水率 P′ 進行了定量分析。堆疊柱狀圖（左縱軸）分別表示無天空輻射冷卻影響時的各項熱損失貢獻：輻射損失（Qr，黃色）、對流損失（Qv，藍色）、傳導損失（Qd，綠色）和光譜損失（Qs，深藍色）。虛線輪廓表示考慮天空輻射冷卻影響時的輻射熱損失。綠色斜線柱（右縱軸）表示對應的現場歸一化產水率，藍色斜線柱表示在相同風速和太陽輻照強度下實驗室環境中測得的歸一化產水率。（f）ERI 與實驗室歸一化產水率 P′lab 的基準對比圖。該圖將本工作與先前同時報告了實驗室和現場數據的研究進行了比較。虛線表示 ERI = 1.0。

最后，文章沒有停留在“性能展示”層面，而是把視角推進到了工程部署與經濟性。基于實驗室數據看，無遮蓋系統和加 SSAL 系統的單位水價差別并不算特別大；但一旦換成真實戶外數據，無遮蓋系統由于 ERI 低，產水成本會明顯上升，在 24°C 條件下甚至翻倍到 0.038 美元每升，而 SSAL 模塊的水價則保持相對穩定。與此同時，文中還討論了模塊尺寸放大和級數增加對 ERI 的影響，指出更大的模塊和更高環境溫度下適度增加級數，都有助于進一步提升真實應用表現。換句話說，這項工作不僅提出了一個新材料策略，更重要的是給太陽蒸發技術建立了一套面向實際部署的評價和設計框架。

圖6. MSD 模塊的經濟性評估與靈敏度分析。（a）、（b）分別給出了在不同運行壽命下蒸餾水單位體積成本的預測結果，其中（a）對應受控實驗室條件（1 kW·m?2、無風、25°C），（b）對應室外測試條件（0.7 kW·m?2、風速 0.3 m·s?1）。圖（b）中的短虛線標示了無遮蓋模塊在第 1 年的水價。點線表示商業瓶裝水的平均價格。（c）至（f）為 ERI 對設計參數和環境條件的靈敏度分析。（c）、（d）中的熱圖對應無遮蓋的常規模塊，而（e）、（f）中的熱圖對應采用玻璃-空氣復合層作為頂部絕熱的模塊。（c）、（e）給出了在 25°C 室外條件下，ERI 隨風速和模塊尺寸變化的關系。（d）、（f）給出了在室外無風條件下，ERI 隨環境溫度（Tamb）和級數變化的關系。顏色標尺表示 ERI 從低值（藍色）到高值（黃色）的變化。

結論與展望

這篇論文的核心貢獻，不在于單純刷新太陽蒸發的實驗室產水紀錄，而在于首次系統地把“環境穩健性”提升為太陽蒸發真實應用中的關鍵評價維度。研究指出，多級向下太陽蒸發系統在實驗室中表現優異，但在戶外常因風、天空輻射冷卻、環境溫度變化和太陽通量波動而出現明顯性能衰減。為此，文中提出環境穩健性指數 ERI，用于定量衡量系統從實驗室走向現場時的性能保持能力；同時提出光譜選擇性空氣鎖 SSAL 這一工程策略，通過兼顧太陽光透過、紅外輻射屏蔽和對流抑制，顯著削弱環境熱損失。實驗和戶外海水測試都表明，SSAL 可以把系統 ERI 從 0.55 提升到接近 1，在高環境溫度下甚至實現 ERI 大于 1。整體來看，這項工作最重要的意義，是推動太陽蒸發研究從“追求實驗室最高值”轉向“面向真實場景的穩健設計”，這對后續淡化、廢水處理以及其他太陽熱利用技術都具有啟發意義。