背景介绍：水和电是我们日常生活中非常重要的两个基本资源。如何能通过高效地、低成本的方式获得清洁的水资源一直是人们关注的问题。最近，Zhu课题组设计了一个单结串联太阳能电池-水发电机系统，利用太阳能辐射的全光谱协同发电、获得清洁水[1]。
这套串联太阳能电池-水发电机系统含有两个组件：顶部是高效的光伏设备、底部是低能耗的净水器，这两部分形成一套小巧的串联系统。底部净水器可以作为蒸发冷却设备来增强顶部光伏设备的转换效率，而顶部光伏设备产生的热能由底部净水器重新利用从而产生更多的清洁水。这套串联装置不仅是一种便携式净水系统，而且也为大规模发电、供水提供了一种理论模型。
实验部分：
Keithley 2400数字万用表、Newport型号94043A太阳光模拟器(本次使用下表中红字部分)、Newport型号91150V石英窗口参比电池等。
图1 串联太阳能电池-水发电机系统结构简图(左)，在不同照明强度下，同时发电和生成洁净水的工作性能(中)，海水样品中四种主要离子Na+、Mg2+、Ca2+和B3+的浓度(来自于渤海、中国，黑线表示世界卫生组织饮用水离子浓度标准。ICP检测不出洁净水中的B3+离子)(右)。
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Newport Sol3A 级太阳光模拟器参数 |
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型号 |
94023A |
94043A |
94063A |
94083A |
94123A |
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灯类型 |
氙灯 |
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灯功率(W) |
450 |
450 |
1000 |
1600 |
1600 |
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光束尺寸(in.) |
2×2 |
4×4 |
6×6 |
8×8 |
12×12 |
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工作距离(in.) |
12.0±0.5 |
6.0±0.5 |
7.0±0.5 |
15.0±0.5 |
12.0±0.5 |
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光束发散角(半角) |
<±4 ° |
<±4 ° |
<±3 ° |
<±2 ° |
<±0.5 ° |
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典型输出功率(mW/cm2) |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
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光束均匀性 |
≤2% |
≤2% |
≤2% |
≤2% |
≤2% |
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时间不稳定性 |
≤0.5%STI≤≤2.0% LTI |
≤0.5%STI≤2.0% LTI |
≤0.5%STI≤2.0% LTI |
≤0.5%STI≤2.0% LTI |
≤0.5%STI≤2.0% LTI |
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均匀性 |
≤2 % |
≤2 % |
≤2 % |
≤2 % |
≤2 % |
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线性调整率 |
0.01% |
0.01% |
0.01% |
0.01% |
0.01% |
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电源要求 |
95-264 VAC/15A/47-63 Hz |
95-264 VAC/15A/47-63 Hz |
95-264 VAC/15A/47-63 Hz |
95-264 VAC/15A/47-63 Hz |
95-264 VAC/15A/47-63 Hz |
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结果：经过测试发现：证明了串联太阳能电池-水发电机系统的可行性。在自然光条件下，这套串联的太阳能电池-水发电系统发电能相对提高7.9%，经计算能产生0.80 kg m-2 h-1的清洁水。
参考文献：
[1] Jia Zhu. (2020). Synergistic Tandem Solar Electricity-Water Generators. Joule, 347-358.
[2] Mcilvaine, R. (2014). A new approach for evaluating energy choices. Electr. J. 27, 72-79.
[3] U.S. Department of Energy. (2017). Bandwidth study on energy use and potential energy savings opportunities in U.S. seawater desalination systems (U.S. Department of Energy).