综述：改善太阳能蒸馏器中相变材料特性的广泛分析

《Journal of Energy Storage》：An extensive analysis of ways to improve the characteristics of phase change materials in solar distillers

本综述系统评述了纳米粒子掺杂、翅片集成、金属泡沫支架及混合构型等相变材料（PCM）改性策略在太阳能蒸馏器中的应用。文章指出，纳米添加剂（如Ag、CuO、Al2O3、GO）可提升PCM导热系数达130–170%，混合技术更使产水量提升超170%，为高效、可持续太阳能海水淡化技术发展提供了前瞻视角。

　　

摘要

将相变材料（PCM）集成到太阳能蒸馏器中，已成为提升其热性能和淡水生产力的重要策略。然而，传统PCM固有的低导热性限制了其传热效率，这推动了对其增强技术的广泛研究。本综述批判性地评估了PCM改性策略的最新进展，特别是纳米粒子掺杂、翅片集成、金属泡沫支架及混合构型在太阳能海水淡化中的应用。与以往综述不同，本文系统比较了增强机制，包括纳米PCM中的热渗流、通过翅片几何形状重新分配热通量，以及多技术系统中的协同效应。通过分析超过50项近期研究，发现添加纳米粒子（如Ag、CuO、Al₂O₃、GO）可将PCM导热系数提高高达130–170%，而与基线系统相比，带翅片和金属泡沫嵌入式设计能将馏出物产量提高40–85%。此外，结合纳米粒子和翅片的混合方法已证明，相对于传统太阳能蒸馏器，生产力增益超过170–180%。综述指出了关键的研究空白，包括缺乏长期稳定性数据、标准化测试协议以及可扩展部署的技术经济评估。同时强调了当前研究中数值模拟（如CFD）和优化框架的利用不足。通过综合实验、分析和经济发现，本文为推进可持续太阳能海水淡化技术提供了关于设计优化、材料选择和未来研究方向的前瞻性视角。

引言

利用阳光驱动蒸馏过程的设备，如蒸馏器，提供了一种生态友好的解决方案，可显著减少二氧化碳排放。然而，传统蒸馏器通常效率欠佳，特别是在阳光不稳定或天气多变的地区。PCM因其高储热能力和几乎恒定的相变温度而成为理想的热量储存材料。纳米粒子、新兴翅片和纳米新兴翅片已被用于增强PCM的热性能。

由于太阳能的间歇性，太阳能蒸馏器需要高效的能量存储机制以确保在能源系统中可靠运行。与显热存储方法相比，PCM在较宽的温度范围内具有更高的存储容量，因此作为热能存储材料受到广泛关注，并且是热化学存储方法的一种实用替代方案。将PCM集成到太阳能蒸馏器中是一种提高效率的增强方法，因为它无化学添加且环境友好。通过将太阳能蒸馏器的运行时间延长至夜间，PCM可以提高产量和效率。目前已有许多通过纳米材料等技术来改善蒸馏器中PCM特性的研究。纳米增强PCM（NE-PCM）有助于实现更高效的热存储。

尽管利用PCM增强太阳能蒸馏器热性能方面取得了显著进展，但在实现一致、可扩展且经济可行的淡水生产方面仍存在关键挑战。虽然大量研究探索了集成纳米粒子、翅片和多孔支架以提高PCM的导热性和能量存储能力，但不同增强策略之间缺乏系统比较、机理理解和标准化评估标准。

纳米粒子增强PCM

Kumar等人研究了石蜡与氮化硅（Si₃N₄）纳米粒子的热特性。他们的研究结果表明，掺入2%的Si₃N₄可使石蜡的传热性能提高33.9%。Kabeel等人探索了使用1% CuO纳米材料对石蜡的影响。结果显示，CuO纳米粒子的加入使PCM的热特性提高了22.22%，并将熔化时间减少了42.85%。Yang等人检验了使用纳米材料的效果。

金属泡沫、纳米金属泡沫对PCM性能的影响

综述揭示了几种用于提高PCM性能的方法。虽然这些方法尚未在太阳能蒸馏器应用中得到广泛探索，但它们已用于其他太阳能系统，如空气加热器、太阳能热水器和太阳能电池。这些技术中包括使用金属泡沫及其与纳米粒子的结合。本节旨在强调金属泡沫方法的重要性，因为它既经济有效又直接。

SWOT分析

利用可再生能源（包括太阳能和风能）为减轻不利环境影响和减少全球碳排放提供了一条可行途径。为了批判性评估太阳能扩展的前景，采用了SWOT（优势、劣势、机会、威胁）分析。该框架提供了一种结构化方法来评估影响太阳能采纳和扩展的内部优势与劣势，以及外部机会与威胁。

优势

阿拉伯地区拥有固有的优势，为太阳能采纳提供了显著优势。该地区主要以沙漠气候为主，具有大范围的晴朗天空条件，显示出极高的太阳能热发电和光伏发电潜力。这种能力的基础是全球最高的年太阳辐射率之一，使太阳能成为一种高度可行的能源。另一个战略优势是……

劣势

阿拉伯地区太阳能相关的劣势涉及当前限制其可靠性和可行性的因素。一个主要限制是该地区太阳能领域的技术进步仍处于初级阶段，这是许多中东国家共同面临的挑战。这反映在相对较低的投资和研发资金水平上。例如，虽然中国占全球太阳能投资的45%，但中东地区的总贡献却很低。

机会

阿拉伯地区太阳能的机会包括可以用于提升其效用和为利益相关者创造价值的外部因素。这些途径代表了提高当前采纳水平、效率和整体有效性的潜在路径。一个重要的机会在于能源出口；正如文献所示，许多太阳能生产国制定了向邻国供应的计划。因此，阿拉伯地区可以利用其高发电量……

挑战

阿拉伯地区太阳能部署的威胁包括现有和未来可能限制其利用和扩展的情况，可能影响整个行业。一个重大挑战源于技术创新的快速步伐。太阳能发电和存储技术的持续进步，虽然提供了更高的每单位效率和生产力，但同时威胁到现有技术的经济可行性和竞争力。

结论与未来建议

本综述系统分析并综合了太阳能蒸馏器中相变材料（PCM）增强技术的最新进展，重点关注纳米粒子掺杂、翅片集成、金属泡沫支架和混合构型。这些技术的集成已被证明能显著提高太阳能海水淡化系统的热性能、淡水生产力和运行连续性，通过解决PCM低导热性这一关键瓶颈问题。纳米添加剂和翅片几何形状在优化热传递方面显示出巨大潜力，而混合系统则表现出协同效应。未来的研究应致力于解决长期稳定性、标准化协议和技术经济可行性问题，以促进这些增强型PCM系统的大规模部署。数值建模和优化框架的进一步整合对于设计下一代高效太阳能蒸馏器至关重要。