在夏天里吹著空調(diào)、喝著冰水絕對是件美事，但是，你可曾知道，世界上有很多人還享受不到這種待遇，因為水與能源都是當(dāng)今世界面臨的主要發(fā)展挑戰(zhàn)。
《2014年世界水發(fā)展報告》的主要作者理查德·康納（Richard Connor）指出：“全世界有13億人缺乏電力，全世界有7億7000多萬人缺乏改善過的水源。缺乏供水的地區(qū)常常與缺乏電力的地區(qū)相重合，這從另一個角度顯示了水與能源之間的關(guān)聯(lián)?！?/p>
（圖片來源：http://engineering.danfoss.com.cn）
能源與水的關(guān)系密不可分并且已受到廣泛關(guān)注，一方面，能源資源的開采、加工和轉(zhuǎn)化過程需要消耗大量純凈水。另一方面，水的凈化過程中需要消耗大量能量。科學(xué)家們一直試圖找到合適的方法處理水與能源的關(guān)系。沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)王鵬教授結(jié)合現(xiàn)有光伏技術(shù)和多級膜蒸餾技術(shù)，設(shè)計了一種可同時產(chǎn)水產(chǎn)電的裝置，相關(guān)論文發(fā)表在Nature·Communications上（Simultaneous production of fresh water and electricity via multistage solar photovoltaic membrane distillation,詳情請戳“閱讀原文”~），為解決水-能源危機提供了更綠色的標桿。
水與能源相互制約
能源從開采到最終轉(zhuǎn)化為電能的過程十分復(fù)雜，其中水扮演著重要的角色。在大多數(shù)發(fā)電廠中，需要用水冷卻渦輪發(fā)動機，而這一過程中大量水分通過蒸發(fā)而消耗。即使以清潔的方式通過光伏發(fā)電，也需要使用純凈水定期給光伏面板進行清洗。
水與能源的關(guān)系（圖片來源：https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/72886）
而隨著人口的增長以及全球氣候的變化，我們正面臨嚴重的水危機：全球約三分之一的人口每年至少有一個月生活在嚴重缺水條件下，5億人全年面臨水資源短缺問題。盡管地球71%的面積被水覆蓋，然而其中97%為不可直接飲用的鹽水，淡水資源僅占3%。在這些淡水資源中，2/3來自冰川，因此可利用的淡水資源及其有限。
普通自來水廠只能用于鹽度較低的淡水（如江水、河水以及淡水湖中的水）凈化，對于鹽度較高的海水，則需要能量消耗較高的海水淡化技術(shù)，如多級閃蒸、多效蒸餾、膜蒸餾以及反滲透。通常，海水淡化工廠不僅需要消耗大量電能，前期設(shè)備投入較高，因此僅適用于人口密度較高以及較發(fā)達地區(qū)。
太陽能發(fā)電 低溫“廢熱”待利用
太陽光作為一種可持續(xù)、可再生的清潔能源，對未來可持續(xù)發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。目前已提出多種太陽能轉(zhuǎn)化技術(shù)，如光催化分解水產(chǎn)氫、太陽能電池、光熱存儲等。其中由于光伏發(fā)電可直接從太陽光中獲取電能受到廣泛關(guān)注。
光伏發(fā)電（圖片來源：http://www.gov.cn/xinwen/2015-08/29/content_2921894.htm）
光伏發(fā)電通過將太陽光中較短波長部分通過光伏效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，而太陽光中長波段部分則被轉(zhuǎn)化為熱能。根據(jù)S-Q理論（Shockley–Queisser limit），單結(jié)太陽能電池的最大光電轉(zhuǎn)換效率僅為33.7%，而目前工業(yè)化的太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率通常低于22%。剩余~78%的太陽光主要被轉(zhuǎn)化為“廢熱”，造成較高的太陽能電池運行溫度（60~80oC）。在較高溫度下，太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率及使用壽命也將減少。
與傳統(tǒng)熱能利用技術(shù)相比（如熱能發(fā)動機），太陽能電池僅能作為一種低溫?zé)嵩?，對其熱能的使用造成了一定的挑?zhàn)。因此，科學(xué)家們一直致力于尋求合適的策略有效處理太陽能電池產(chǎn)生的低溫“廢熱”。
高效發(fā)電凈水 一機搞定
能夠綜合水與電力生產(chǎn)的系統(tǒng)是可持續(xù)前景的關(guān)鍵，例如在沙特阿拉伯和阿聯(lián)酋的一些發(fā)電廠集海水淡化和能源生產(chǎn)于一身。不過在傳統(tǒng)光熱水凈化技術(shù)中，光熱材料將太陽光轉(zhuǎn)化為熱能后將水源蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽在在透明玻璃內(nèi)表面冷凝，并將熱量擴散至環(huán)境。其理論最大產(chǎn)水速率為~1.6 kg/m2h, 而由于冷凝表面熱量擴散較慢，使其冷凝速度降低，因此其實際產(chǎn)水速率僅為0.3~0.7 kg/m2h。
傳統(tǒng)光熱水凈化技術(shù)（圖片來源：https://www.researchgate.net/publication/294577641_Factors_affecting_solar_stills_productivity_and_improvement_techniques_A_detailed_review/figures?lo=1）
那么王鵬教授團隊的裝置有什么獨到之處？
該裝置將太陽能電池所產(chǎn)生的低溫廢熱作為熱源，利用水蒸發(fā)吸熱、冷凝釋放熱量的特點，通過多級膜蒸餾技術(shù)實現(xiàn)高效蒸發(fā)和冷凝。其中，單級組件主要由蒸發(fā)層、多孔膜、冷凝層以及導(dǎo)熱層組成（如下圖所示）。
光伏-多級膜蒸餾結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來源：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10817-6）
太陽能電池受光照后，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能和熱能。熱量通過導(dǎo)熱層被蒸發(fā)層中的水吸收后產(chǎn)生水蒸氣并向下擴散至冷凝層冷凝，釋放熱量。所釋放的熱量經(jīng)過冷凝層底部的導(dǎo)熱層傳送至下一級并作為下一級的熱源進行蒸發(fā)、冷凝。
該過程主要包括熱量傳輸以及蒸汽擴散，其驅(qū)動力主要由多級裝置頂部與底部溫差產(chǎn)生：
1）頂部由于太陽能電池產(chǎn)生的熱能溫度較高，而底部溫度較低，而熱量可通過熱傳導(dǎo)從高溫出傳送至低溫處；
2）就蒸汽擴散而言，多孔膜上側(cè)的蒸發(fā)層靠近太陽能電池，其溫度與冷凝層相比較高。而水的飽和蒸氣壓隨溫度的升高而升高，因此蒸發(fā)層蒸氣壓高于冷凝層，驅(qū)使其向冷凝層擴散。
此外，多孔膜由疏水材料制備而成，因此可阻擋液體水從蒸發(fā)層流向冷凝層。
與傳統(tǒng)光熱水凈化技術(shù)相比，這種光伏產(chǎn)水技術(shù)利用多級結(jié)構(gòu)，充分回收利用了水蒸氣冷凝釋放的熱能，使其產(chǎn)水速率大大提升。在保證11%產(chǎn)電效率的前提下，以海水作為水源，在三級組件中產(chǎn)水速率高達1.64 kg/m2h，這對于光伏產(chǎn)業(yè)以及海水淡化具有重要意義。
展望
這項研究實現(xiàn)了在同一個裝置中通過太陽能同時產(chǎn)水產(chǎn)電，大大提高了太陽能的利用率，具有很高的商業(yè)應(yīng)用前景。例如在沙特阿拉伯沿海地區(qū)，淡水資源匱乏而陽光充足，因此在該地區(qū)發(fā)展光伏產(chǎn)水技術(shù)具有廣大前景。
光伏發(fā)電的展望：產(chǎn)電與產(chǎn)水同時進行（圖片來源：https://www.bbc.co.uk/news/science-environment-48910569）
此外，已有報道表明太陽能電池發(fā)電廠的建立有利于太陽能電板下面植物生長，這是由于清洗太陽能電池面板的純凈水灌溉造成的。據(jù)此，研究團隊將致力于利用光伏產(chǎn)水裝置在靠近海水、咸水湖的半干旱地區(qū)打造光伏-咸水凈化-農(nóng)業(yè)生態(tài)。
當(dāng)前光伏-農(nóng)業(yè)生態(tài)（圖片來源：http://www.sohu.com/a/306897707_739670）
