该项目为国际上首次利用等离激元增强效应实现高效太阳能海水淡化。该研究发现，三维铝颗粒等离激元黑体材料具有宽太阳光谱超高光吸收效率，大大提高海水淡化过程中光热转换效率；铝纳米颗粒的局域等离激元光学共振效应使得漂浮在水面的紧密排列的铝颗粒附近区域产生极高的局部温度和电磁场增强效应，有利于快速有效的淡水蒸汽产生，多孔结构提供了有效的蒸汽逃离通道；材料制备采用低成本金属铝为唯一原材料，采用简单可规模化生产的自组装制备方法，且材料的淡化性能表现出良好的稳定性和耐用性。

成果简介：本装置主要采用了激淋式横管降膜蒸发、多效闪蒸、多效回热、强化冷凝、强化对流等多项先进的强化传热传质措施，并有效地减少了装置中海水的热容量，使装置升温更迅速，运行五分钟即有淡水产出。装置中海水的蒸发与蒸汽的冷凝潜热得到了多次重复利用，使系统产水率得到成倍的提高，是传统盘式太阳能蒸馏器产水率的五倍，平均每平方米太阳能集热器日产水量12公斤以上，达到国际先进水平。所生产的淡水水质完全达到国家饮用水标准（＜500ppm）。该装置可以视用户情况专门设计，而且规模越大效率越高。 项目来源

碳气凝胶因在同类气凝胶材料中具有良好的导电性（5～40s/cm），以及高比表面积 而使其成为一种新型的理想电极材料．目前国外的研究集中在将碳气凝胶应用于超级电 容器（双电层电容器）电极、气体扩散电极，燃料电化学电池的电极、可充电电池电极 等，同济大学在这方面的研究工作也已开展了近十年，取得了一定的成果。 研究的目标是用碳气凝胶作电极，试制海水淡化原理型装置，进行各项参数的优化 研究。本材料是典型的环保与能源材料，所以有利于保护环境与资源综合利用。研究成 果应用于海水淡化、新能源器件等领域。

气凝胶（Aerogel）是一种具有超高孔隙率的三维纳米多孔材料，是目前世界上质量最轻、保温隔热性能最好、孔隙率最高、比表面积最高的固体材料。其密度极低，在3~500 mg/cm3之间可调，孔隙率高达80 %~99.8 %，比表面积可达1000 m2/g，常温下的热导率低至0.015 W/m·K，典型的孔径尺寸在1~100 nm之间。独特的纳米多孔结构使气凝胶具有许多特殊的物理性能，例如低热导率、低折射率、低声阻抗、低介电常数、强吸附性、高催化活性等等。这些优异的物理性能使气凝胶在航空航天、保温隔热、高效吸附、隔音、催化和储能等领域具有广阔的应用前景。 气凝胶比表面积高、孔隙率高、孔洞又与外界相通，性能稳定，因此它是很好的吸附材料，可以用来吸附有害气体和过滤有机物，有利于保护环境。碳气凝胶结合了碳材料本身的导电特性与气凝胶材料多孔的结构特性，可以应用在海水淡化等领域。 目前技术采用高比表面积的多孔碳气凝胶制成电极，制成海水淡化原理型装置。通过正反接电压实现装置的连续脱盐，提高装置的脱盐效率。

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近日，能源领域期刊Energy & Environmental Science（IF=33.250）发表了有关超高效太阳能海水淡化研究成果Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still，该论文由上海交大制冷与低温工程研究所ITEWA创新团队的徐震原副教授和王如竹教授与麻省理工学院Lenan Zhang博士和Evelyn N. Wang教授等合作完成，上海交通大学为第一完成单位。全被动式的太阳能海水淡化是解决海水淡化技术适应性的完美方案，且适用于缺乏基建和偏远地区，然而其效率一直偏低（约35%）。近年来，太阳能界面蒸发为高效便携式海水淡化提供了新的思路，成为了能源科学、材料科学和热科学的交叉领域研究热点，但在其效率仍然十分有限（约100%）。本研究提出的“界面局部加热型多级太阳能蒸馏架构”结合了太阳能界面局部加热和蒸汽焓回收，突破了前述研究的局限，显著提升了被动式太阳能海水淡化的效率。 在该论文中研究团队指出系统性的能量传递优化，而非高性能材料，是达到超高效太阳能海水淡化的关键。通过采用商用和低成本材料搭建的实验装置，研究团队在一个太阳辐照条件下创纪录地实现了385%的效率和5.78 L m-2 h-1的海水淡化产水率。除此之外，该装置可以通过毛细作用进行被动补水，同时通过盐分在夜间的反向扩散实现被动排盐，保证长效稳定的被动式工作。该研究所达到效率比2018年12月发表于Nature Sustainability和2019年7月发表于Nature Communications的被动式太阳能海水淡化效率记录分别高出约2.8倍和2倍，成为该领域的效率新记录。该工作为解决偏远或离网地区淡水短缺问题提供了实际解决方案，也为界面太阳能蒸发走向实用化和高效化提供了全新思路和理论框架。 该研究工作获得了国家自然科学基金面上项目（51976123）和创新研究群体项目（51521004）的资助。王如竹教授领衔的ITEWA创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展，近两年来已经在Joule上发表论文3篇，在Advanced Materials，Angewandte Chemie, iScience以及Energy Storage Materials上发表论文各1篇。论文链接：Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar stillMIT News：Simple, solar-powered water desalination

成果与项目的背景及主要用途： 近年来海水淡化技术的快速发展及其成本的大幅降低，使越来越多的国家和 地区开始考虑利用淡化水作为第二水源，以缓解日益严峻的淡水危机。目前可用 于工业规模的海水淡化方法反渗透技术的发展速度最快，成本的降幅也最大。其 原因主要在于膜性能的不断提高和高效能量回收装置的广泛使用。 能量回收装置作为反渗透海水淡化系统的必备设备之一，对大幅降低淡化系 统的运行能耗，进而降低产水成本至关重要。正位移式能量回收装置近年来备受 市场青睐，其产品市场占有率也呈逐年快速增长的发展趋势，淡化系统本体吨水 电耗也由 80 年代的 8.0 kWh 降低到约 2.0kWh。 技术原理与工艺流程简介： 按照工作原理的不同，能量回收装置可分为水力透平式（或离心式）和正位 移式两种类型。水力透平式运行时通常需要经过“压力能-轴功-压力能”两步转化 过程，能量回收效率相对较低，为 50-75%。而正位移式则利用浓盐水直接增压 进料海水的方式回收压力能，效率高达 90%-96%。此外，正位移式能量回收装 置使用过程中还具有根据运行需要灵活调节淡化系统的产水回收率的特点。“阀 控余压能量回收装置”采用正位移式工作原理，集成式水压缸和阀组相结合来实 现反渗透海水淡化系统排放浓盐水余压能的回收利用。能量回收装置采用 PLC 控制，易于与上位系统相耦合，控制精度和可调性都很好。 技术水平及专利与获奖情况： 该项目经国家海洋局鉴定验收（国海鉴字[2004]003 号），认为该成果达到 国际先进水平。该技术已于 2004 年 7 月 7 日获准国家发明专利（授权公告号 CN 1156334C）。 应用前景分析及效益预测： 能量回收装置由于具有较高的能量回收效率，已经逐渐成为海水淡化行业中 研究和开发的热点，其产品市场占有率也呈逐年快速增长的发展趋势，近年来国 内海水淡化工程大多采用美国 ERI 公司的 PX 能量回收装置。我国在 SWRO 能 量回收技术方面的研发起步较晚，发展比较迟缓，装置形式较单一，大都局限于 双液压缸功交换式，整体水平同国际先进技术还有很大的差距，但工业化发展及 应用前景较好。随着我国淡水资源的日益缺乏，反渗透海水淡化工程必将大力发 展，因而研究开发具有自主知识产权的能量回收装置具有深远的意义。 阀控余压能量回收装置具有与国外同类产品相当的性能指标，其生产成本可 比国外产品降低 1/3~1/2，是反渗透海水（或苦咸水）淡化系统必备的关键设备 之一，市场前景广阔，经济效益巨大。 应用领域： 该装置可广泛应用于反渗透海水（或苦咸水）淡化系统和工业反渗透系统等 水处理领域和有关化工工业（如合成氨工业）中需要回收液体压力能的场合。 合作方式及条件： 以技术合作的方式开发新型反渗透海水淡化能量回收装置系列产品。 34 海洋岛礁供水系统

1 成果简介本系统采用了一种多翅片降膜蒸发方式，通过高效降膜蒸发、膜态冷凝等强化传热传质技术，有效提高了单位体积装置淡水产率。其产淡水效率比目前市场上其他蒸发式产品更高， 70℃时单位体积产淡水率即可达到 135kg/(m3·h)，温度更高时产淡水率将进一步提高。在产淡水量相同的情况下，本系统的结构更紧凑、反应更迅速。系统样机见图 1。 本系统采用多种创新性设计，降低了系统能耗，更加节能环保。本系统可利用的热源形式和温度范围更广，热源温度在 50℃左右时系统即可产出淡水，可利用蒸汽、热水、太阳能、地热水和废热气等热源，应用前景广阔。 本系统采用一体化设计，使结构更为紧凑，外界环境一定震动时仍能正常工作，方便搬运、携带，可靠性好。图 1 多翅片降膜蒸发紧凑式海水淡化系统样机 图 2 多翅片降膜蒸发紧凑式海水淡化系统淡水产量随热源温度变化曲线2 应用说明此系统可充分利用低品位热能，如地热、工业废热、交通工具废气余热等低温热源（ 50~100℃），适用范围较广。大规模的海水淡化设备可以与大型火电厂、化工厂等相结合。小规模的海水淡化设备可以利用太阳能加热设备等，淡化后的水可直接饮用。3 效益分析此系统设计上的创新与优化使得投资成本大为降低。运营成本非常低，每天仅需 2 度电。目前市场上常见的反渗透膜式海水淡化设备的单位产淡水量所需成本是此系统的 10~30 倍，预计此系统一年半即可收回成本。

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研究和开发大型全功率风电变流器成为全功率机组中的关键核心问题，针对大型风电全功率并联型变流器的大功率、大电流特点，围绕保证系统可靠性、提高系统稳定性、降低系统维护成本，本项目开展了大型风电变流器拓扑结构的研究，提出了一种电抗器并联、直流母线电容直连和变流器并联的拓扑结构来设计大型全功率风电变流器的电气结构，攻克了风电变流器积木化扩容技术。 针对大型风电变流器模块化并联结构，变流器控制复杂，控制实时性强的特点，开发出基于FPGA的微秒级多模块控制平台，突破变流器模块化制造技术瓶颈。建立了DSP控制器+RTLab半实物虚拟仿真平台，采用DSP控制器与RTLab半实物虚拟仿真平台对接可以对电力电子变换器系统进行半实物虚拟仿真，是目前国内外电力电子研究的先进手段。 以上成果发表在国内外重要期刊上，如IEEE transactions on Power Electronics , IET on Power Electronics ,电机工程学报等杂志，基于以上成果本课题组申请授权了多个发明专利和软件著作权，在上述全功率风力变流器技术研究的基础上，本课题组自主开发4MVA/3MW全功率模块化风电变流器, 已完成现场全功率测试，是目前国内最大的自主研发的全功率风电变流器。