曲久辉院士团队评估太阳能光热水蒸发技术推动解决全球安全饮用水问题的潜力
太阳能水蒸发（SWE）技术利用太阳能光热效应促进水蒸发，能够净化不同水源（污水、海水、苦咸水等）的水以供应安全饮用水（SMDW），被认为适用于偏远地区。然而，在SWE净水装置中，由于蒸发与冷凝不匹配，产生的蒸汽和收集的水之间存在差距，且目前仍缺乏对与SWE供水潜力的技术和经济评估。
近日，清华大学水质与水生态研究中心曲久辉院士团队研究了不同优化策略对于SWE净水装置供水效能的影响，开发了一种物理驱动的机器学习模型（PGML），揭示了冷凝对于运行效能的关键作用，明确了装置设计的技术原则和方向，并从技术和经济性角度评估了无需电力输入的SWE技术用于满足缺乏安全饮用水（SMDW）人群需求的潜力。
本研究发现，冷凝强化的SWE装置（工作面积1m2）可以提供足够的饮用水（每人2.5L/d），并覆盖95.8%的缺乏SMDW人口。到2030年，SWE可以帮助实现SMDW的普及，年度成本为104亿美元，节省当前投资额的66.7%，助力实现SDG-6.1目标。
图1. SWE装置中太阳能到水的户外评估。（a）太阳能制蒸汽过程和相应的能源效率。（b）场景1-5设备示意图。（c）太阳能利用效率统计分布情况。（d）环境参数与SMDW产量之间的冗余分析。
为了完整评估太阳能到产水的过程（图1a），本研究设置了五种场景（图1b）。场景1是没有太阳能蒸发材料的参考系统；场景2包含了SWE材料；场景3进一步利用光伏供电将蒸汽泵入冷凝管强制冷凝；场景4使用功能涂层玻璃来强化冷凝，无需外部能量输入；场景5集成了光伏强制冷凝和功能涂层玻璃。结果表明（图1c，d），温度对SMDW产量具有正向影响（图1d），光照强度对SMDW产率的影响最显著。通过优化冷凝，与场景1和2相比，3–5与光照强度表现出更强的正相关关系，场景4的正相关性最强，SMDW产量也最高。因此，高温和蒸汽过饱和是产水的必要条件；但相比蒸发，冷凝是SWE装置产水的瓶颈，如何低耗地改善冷凝决定SMDW的产生效率。
图2. 太阳能水蒸发（SWE）系统的模拟。（a）SWE装置的内部空气温度、蒸汽浓度、太阳能蒸发器表面温度（插图）和蒸发率（插图）。（b）蒸发优化（Eva. opt）和蒸发-冷凝优化情况（Eva.-cond. opt）下的顶空蒸汽浓度和太阳能蒸发器表面蒸发率。（c）Eva. opt.的SMDW产量与实测值对比。（d）Eva. opt.的SMDW产量预测和实测值。（e）Eva. opt.的累积SMDW产量与预测值的相关性。（c）Eva.-cond. opt.的SMDW产量与实测值对比。（d）Eva.-cond. opt.的SMDW产量预测和实测值。（e）Eva.-cond. opt.的累积SMDW产量与预测值的相关性。
本研究进一步基于连续100天的户外测试数据集，建立了有限元物理模型（图2a），揭示了SWE装置灰箱中的能量和物质相互作用关系，并建立了气候参数与SMDW产量的关系。本研究以场景2作为蒸发优化模型（Eva. opt），将场景4作为蒸发-冷凝优化模型（Eva.-cond. opt.）。如图2a所示，高温加速蒸发，使蒸汽浓度升高，并在蒸汽-玻璃界面处形成过饱和状态。然而，这种过饱和反向又抑制了可持续的蒸发，可见冷凝是提高SMDW产量的瓶颈（图2b）。此外，该模型能够灵敏地模拟和预测SMDW产量，与实验结果吻合良好（图2c-g）。基于该有限元物理模型，选取了30个覆盖各大洲缺乏SMDW人口的城市，应用气象数据预测了相应的SMDW产量，并将全球气象纪录应用于随机森林（RF）模型，展现出很好的稳定性，具有预测全球SMDW产量的潜力。
图3. SWE供给SMDW的产量和缺乏SMDW的人口分布。（a）SWE日平均SMDW产量的上限（太阳能对蒸汽的效率为100%，不含潜热回收）。（b）Eva. opt.场景下预测日均SMDW产量。（c）Eva.-cond. opt.场景下预测日均SMDW产量。
SWE在全球提供SMDW服务方面表现出巨大的潜力，特别是在热带地区（图3a，不考虑潜热回收）。对于缺乏SMDW服务的人口聚居地区，SMDW产量的季节性变化明显，SWE在夏天可以普遍为当地人提供近10-12 L m-2 day-1的SMDW。相比之下，由于太阳辐射和温度的同步降低，冬季产量随纬度变化显著，仅为~2 L m-2 day-1（高纬度）和超过4 L m-2 day-1（热带和亚热带）。通过同时优化装置的集热蒸发和冷凝产水，SMDW产量的3/4位数上升至4.27 L m-2 day-1，超过非冷凝优化装置的2倍（图3b, c）。
图4. SWE提高全球SMDW覆盖率。（a）Eva.-cond. Opt.的日均SMDW产量与不同收入水平国家缺乏SMDW人口的匹配图。（b）Eva.-opt.和Eva.-cond. opt.产生的SMDW对需水人群的覆盖。（c）不同投资趋势与全球SMDW覆盖率的关系（所有条形代表SMDW覆盖率，虚线代表投资）。
研究结果表明，同时优化集热蒸发和冷凝（Eva.-cond. opt.），可以使得SWE的资源禀赋与地区需求更好匹配，从而更适合欠发达地区（图4a）。1 m2的工作面积可以为这些缺乏SMDW服务的关键区域提供超过2.5 L m-2 day-1的SMDW。这是Eva. opt.无法实现的（覆盖率仅为2.8%，图4b）。如将Eva.-cond. opt.工作面积增加至2 m2，其性能甚至可以超过工作面积为1 m2的SWE上限。根据世界银行估算，实现SMDW全覆盖理论平均每年需要803亿美元。然而，实际当前投资仅为理论的1/3，这导致SMDW覆盖率提升严重滞后，预计到2030年的覆盖率为81%。根据世界银行的方法，研究核算了Eva.-cond. opt.和Eva. opt.推广SMDW普及的平均年成本（资本、维护和运营成本）为260亿美元和104亿美元（图4c）。得益于涂层玻璃的经济设计，Eva.-cond. opt.无需外部能源输入和辅助设施，其成本仅占当前投资趋势对应成本的33.3%（294亿美元），而Eva. opt.几乎没有经济优势。
本研究基于实际环境下的数据，构建了PGML模型，可以同时实现对SWE装置运行过程的解析和运行效能的预测。研究进一步提供了SWE推动SDG-6.1实现的技术和经济性分析，为该技术的发展提供了重要参考和指引。
