金属丝筒状线圈优化半球形太阳能蒸馏器性能的实验研究：基于4E分析的综合评估

《Journal of Cleaner Production》：Experimental optimization of metallic wire cylinder-coils for enhancing the performance of hemispherical solar stills: A 4E analysis

本文首次实验优化金属丝筒状线圈（MWCCs）集成于半球形太阳能蒸馏器（HSSs），通过4E（能源、?、经济、环境）分析框架，证实MWCCs作为多孔储热介质可显著提升淡水产量（最高达5.69 L/m2/天，较传统HSS提高49%）和热效率（峰值80%），并具备低成本（0.043美元/升）和环保（10年减排3.13吨CO2）优势，为缺水地区 scalable 太阳能淡化提供创新方案。

　　

Highlight

金属丝筒状线圈（MWCCs）的集成显著提升了半球形太阳能蒸馏器（HSSs）的性能。HSS-MWCC6配置实现了最高的淡水产量，达到5.69 L/m²/天，相比传统HSS（THSS）的3.82 L/m²/天，提升了49%。HSS-MWCC2和HSS-MWCC4也分别提升了25%和38%的产水量。HSS-MWCC6的峰值热效率和?效率分别达到了80%和12%。经济分析显示，水成本为0.043美元/升，投资回收期为27天。环境评估预测，在10年的使用寿命内，可减少3.13吨的CO₂排放，并获得94.04美元的碳信用收入。

Results and discussions

不同HSS配置中盆地水的热性能表现显示，随着金属丝筒状线圈（MWCCs）数量的增加，性能明显增强。HSS-MWCC6实现了最高的盆地温度67°C，而THSS仅为55°C。天气特征对生产率有显著影响：阿尔及利亚瓦德市的高环境温度（28–43°C）和低相对湿度（20–35%）促进了快速蒸发，而风速（0.5–2.5 m/s）则优化了冷凝。MWCCs通过其高导热性（15–20 W/m·K）和多孔结构（60–65%孔隙率）增强了热传导、对流和毛细作用，从而提高了蒸发速率。HSS-MWCC6的每小时产水量达到峰值0.73 L/m²/h，而THSS为0.59 L/m²/h。与传统HSS相比，所有MWCC配置的累积日产量均显著提高，其中HSS-MWCC6的产量为5.69 L/m²，提高了49%。热效率分析表明，HSS-MWCC6的峰值效率为80%，而THSS为40%。?效率也显示出类似的趋势，HSS-MWCC6达到12%，表明能量利用的质量更高。经济评估显示，HSS-MWCC6的淡水成本为0.043美元/升，投资回收期为27天，证明了其成本效益。环境分析估计，在10年的生命周期内，可减少3.13吨CO₂排放，并产生94.04美元的碳信用收入，凸显了其环境效益。

Conclusions

本研究通过全面的4E（能源、?、经济、环境）框架评估了金属丝筒状线圈（MWCCs）集成对半球形太阳能蒸馏器（HSSs）的性能提升。在阿尔及利亚瓦德市2025年6月相同的天气条件下，对四种配置——THSS、HSS-MWCC2、HSS-MWCC4和HSS-MWCC6——进行了实验测试。结果经过校准测量和统计分析（ANOVA, p < 0.05）验证，表明MWCCs的加入显著提高了淡水产量、热效率和?效率。HSS-MWCC6配置实现了最高的生产率5.69 L/m²/天，比THSS提高了49%。热效率和?效率的峰值分别达到80%和12%。经济分析显示，水成本为0.043美元/升，投资回收期为27天，而环境评估预测在10年的使用寿命内可减少3.13吨CO₂排放，并获得94.04美元的碳信用收入。这些发现证实了MWCCs作为一种开创性、成本效益高且环保的创新，可用于推进太阳能淡化技术，为缺水地区提供了可扩展的部署潜力。