[論文レビュー] High efficient solar evaporation by airing multifunctional textile

Guilong Peng, Shichen Deng+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2018

Solar-Powered Water Purification Methods被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、多機能テキスタイルワックスを用いた換気蒸発装置（AES）を導入し、高効率な太陽光蒸発を実現した。1 kW/m²の太陽放射条件下で87%のエネルギー効率を達成し、従来の浮上型蒸発装置（FES）と比較して20%高い蒸発速度を示した。性能向上の背景には、蒸発面積の増加に加え、低コストで柔軟性があり、携帯性に優れた構造がある。このシステムは、太陽光脱塩、急速乾燥テキスタイル、断熱材への応用に適している。

ABSTRACT

Solar evaporation is important for many applications such as desalination, power generation and industrial drying. Recently, some studies on evaporation reported obtaining high energy efficiency and evaporation rate, which are based on floating evaporation setup (FES) with nanomaterials. Here, we proposed a new cheap and simple setup, named as airing evaporation setup (AES). It shows that the energy efficiency of AES reaches up to 87 % under 1 kW/m2 of solar irradiation, which is 14% higher than that of FES. Meanwhile, the total evaporation rate of AES is about 20% higher than that of FES. The theoretical analysis reveals that the main reason for a better performance of AES is the increasing evaporation area. More interesting, AES could be used for designing portable systems due to its simplicity and flexibility. Furthermore, we show that AES and the corresponding wick material can be used in solar desalination, textile quick-drying and warm-keeping.

研究の動機と目的

• 実用的応用を想定した低コストで単純かつ効率的な太陽光蒸発システムの開発。
• 効率性とスケーラビリティの点で制限を受ける浮上型蒸発装置（FES）の課題を克服すること。
• 多機能テキスタイルワックスが蒸発性能を向上させる可能性を探ること。
• 実世界への展開に適した、ポータブルで柔軟な太陽光蒸発システムの実現。
• 本システムが太陽光脱塩、衣類乾燥、断熱材への応用に適していることを実証すること。

提案手法

• 著者らは、貯水タンクから水を引き上げ、薄い露出層に供給することで蒸発を促進する多機能テキスタイルワックスを用いた換気蒸発装置（AES）を設計した。
• テキスタイルワックスは毛細管作用を強化するように設計されており、均一な水の分布と蒸発に適した最大の表面積を確保する。
• 浮上構造を用いず、浮力ではなく重力と毛細管輸送に依存する。
• 理論的分析を通じて、AESとFESの蒸発面積および熱伝達効率を比較した。
• 1 kW/m²の太陽放射条件下でエネルギー効率と蒸発速度を測定する実験を実施した。
• 耐久性、水の輸送能力、断熱性能について、複数の応用分野におけるワックス素材の評価を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単純で低コストな蒸発装置は、従来の浮上型蒸発装置よりも効率性と蒸発速度で優位に立てるか？
• RQ2 増加した蒸発面積が太陽光蒸発性能を向上させる要因として果たす役割は何か？
• RQ3 多機能テキスタイルワックスは、毛細管による水の輸送と熱管理にどのように寄与するか？
• RQ4 AESは、脱塩や衣類乾燥といったポータブルで多機能な応用にどの程度適合できるか？
• RQ5 浮上構造を用いないテキスタイルベースの太陽光蒸発システムで達成可能な最大エネルギー効率は何か？

主な発見

• AESは1 kW/m²の太陽放射条件下で87%のエネルギー効率を達成し、FESよりも14ポイント高い。
• 同一の太陽放射条件下で、AESの総蒸発速度はFESよりも約20%高い。
• 理論的分析により、蒸発面積の増加がAESの性能向上の主因であることが確認された。
• 多機能テキスタイルワックスにより、効率的な毛細管輸送が実現され、浮上構造が不要な状態で安定した水供給が維持された。
• 軽量で柔軟性があり、低コストな設計ゆえに、ポータブル応用の実現可能性が示された。
• AESおよびそのワックス素材は、太陽光脱塩、急速衣類乾燥、断熱材への応用に成功し、多機能性が裏付けられた。