[논문 리뷰] High efficient solar evaporation by airing multifunctional textile

Guilong Peng, Shichen Deng외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 06.

Solar-Powered Water Purification Methods인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 1kW/m² 태양 복사 조건에서 기존의 부유형 증발 장치(FES)보다 20% 높은 증발 속도를 기록하고 에너지 효율성을 87%까지 끌어올리는 고효율 태양 증발을 위한 다기능 섬유 와이어를 사용한 통기성 증발 장치(AES)를 소개한다. 향상된 성능은 증발 면적의 증가와 함께 저비용, 유연성 있고 이동성이 뛰어난 설계 덕분이며, 이는 태양수증발, 빠른 건조 섬유 및 열단열 응용 분야에 적합하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실용적 응용을 위한 저비용, 단순하고 효율적인 태양 증발 시스템을 개발하기 위해.
• 효율성과 확장성 측면에서 기존 부유형 증발 장치(FES)의 한계를 극복하기 위해.
• 다기능 섬유 와이어가 증발 성능 향상에 기여할 잠재력을 탐색하기 위해.
• 실세계 적용을 위한 이동성 있고 유연한 태양 증발 시스템을 가능하게 하기 위해.
• 이 시스템이 태양수증발, 섬유 건조 및 열단열 분야에서의 적용 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 수조에서 물을 끌어올려 얇고 노출된 증발 층으로 보내는 다기능 섬유 와이어를 사용하는 통기성 증발 장치(AES)를 설계했다.
• 섬유 와이어는 모세관 작용을 향상시켜 균일한 물 분포와 증발에 최적화된 표면적을 확보하도록 설계되었다.
• 시스템은 부유 구조물 없이 중력과 모세관 운반을 통해 작동하며, 부력에 의존하지 않는다.
• AES와 FES 간의 증발 면적과 열전달 효율성을 비교하기 위해 이론적 분석을 수행했다.
• 에너지 효율성과 증발 속도를 측정하기 위해 1kW/m² 태양 복사 조건에서 시스템을 시험했다.
• 다양한 응용 분야에서 내구성, 물 운반 능력 및 열단열 성능을 평가하기 위해 와이어 재질을 검토했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간단하고 저비용의 증발 장치가 기존 부유형 증발 장치보다 효율성과 증발 속도 측면에서 뛰어나게 성능을 발휘할 수 있는가?
• RQ2 증가된 증발 면적이 태양 증발 성능 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 다기능 섬유 와이어가 모세관 수송과 열 관리에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 AES가 태양수증발, 섬유 건조 등 이동성 및 다기능 응용 분야에 얼마나 잘 적응할 수 있는가?
• RQ5 부유하지 않은 섬유 기반 태양 증발 시스템에서 도달할 수 있는 최대 에너지 효율은 얼마인가?

주요 결과

• AES는 1kW/m² 태양 복사 조건에서 에너지 효율이 87%에 도달했으며, 이는 FES보다 14个百分点 높은 수준이다.
• 동일한 태양 조건에서 AES의 총 증발 속도는 FES보다 약 20% 높았다.
• 이론적 분석을 통해 증가된 증발 면적이 AES 성능 향상의 주요 원인임을 확인했다.
• 다기능 섬유 와이어는 효과적인 모세관 운반을 가능하게 하고 부유 구조물 없이도 안정적인 물 공급을 유지했다.
• 경량, 유연성 있고 저비용 설계 덕분에 이동용 응용 분야에서의 실현 가능성이 입증되었다.
• AES와 그 와이어 재질은 태양수증발, 빠른 섬유 건조 및 열단열 분야에 성공적으로 적용되어 다기능성을 확인했다.