综述：用于可持续水处理的抛物面太阳能集热器：应用、进展及未来方向的综述

《Current Opinion in Environmental Science & Health》：Parabolic Solar Collectors for Sustainable Water Treatment: A Review of Applications, Advancements and Future Directions

本文综述了抛物面太阳能集热器（PSCs）在太阳能驱动净水中的应用进展，包括高效选择性涂层、光伏-热电集成、纳米流体传热及AI自动化等创新技术，显著提升了效率、规模化和可靠性。对比分析显示PSCs在脱盐、病原体灭活和重金属去除方面表现优异，但高初始成本、材料耐久性和气候适应性仍是挑战。未来研究将聚焦低成本材料、智能优化及混合储能系统开发。

　　

Paramjeet Singh Paliyal | Surajit Mondal

电气集群，高级工程学院，UPES，印度德拉敦

摘要

随着全球对清洁和可持续水处理解决方案需求的增加，针对太阳能驱动的水处理的抛物面太阳能集热器（PSCs）的研究也加速了。PSCs利用集中的太阳能产生高温，从而促进关键的水处理过程，如海水淡化、病原体灭活和重金属去除。本文综述了PSC技术的最新进展，包括高效选择性涂层、光伏-热能（PVT）集成、基于纳米流体的热传递、人工智能驱动的自动化以及模块化系统设计，这些技术显著提高了效率、可扩展性和可靠性。文章还对比分析了各种基于PSC的水处理策略，强调了它们的优势、局限性和性能指标。此外，相关矩阵展示了PSCs中的关键技术创新之间的相互依赖性及其对能源效率和可持续性的影响。尽管PSC技术在分散式和工业水处理方面显示出巨大潜力，但仍存在初始成本高、材料耐久性和运营优化等挑战。未来的研究将重点关注成本效益高的材料、先进自动化技术和混合能源存储系统，以进一步提高PSCs在全球水处理应用中的效果和普及度。

引言

获得清洁安全的饮用水仍然是全球性挑战，特别是在偏远和干旱地区，传统的水处理方法在经济上不可行或技术上不可实现。气候变化、人口增长和工业化进一步加剧了水资源短缺的问题，因此需要探索可持续且成本效益高的水处理技术。太阳能作为一种丰富且可再生的能源，为解决这一问题提供了有吸引力的方案[1]。在各种基于太阳能的水处理技术中，抛物面太阳能集热器（PSCs）因其能够高效集中和利用太阳能热能而受到广泛关注。PSCs通过将阳光聚焦到接收器上来工作，从而实现高温，进而驱动基于热能的水处理过程，包括海水淡化、病原体灭活、重金属还原和废水处理[2]。

PSCs能够提供连续且可持续的高温能源，且不依赖化石燃料，这使它们特别适合分散式和离网应用。此外，将PSCs与纳米材料涂层、光伏-热能混合系统和人工智能驱动的跟踪机制等现代创新相结合，显著提高了其效率和可行性[3]。尽管应用前景广阔，但仍存在一些挑战阻碍了PSCs的广泛采用。需要解决初始成本高、维护要求以及在不同气候条件下的运行效率等问题，才能使PSCs成为更实用的解决方案。此外，旨在促进太阳能热能技术的政策和财政激励措施在农村和城市环境中都起着关键作用[4]。相关出版物的数量逐年显著增加，从2015年的300篇增加到2024年的1,500篇。这一快速增长反映了人们对太阳能热能技术用于可持续水处理的兴趣日益浓厚[5]。数据显示，研究重点在于优化PSC技术、集成先进材料、提高效率，并扩展其在海水淡化、病原体灭活和工业废水处理中的应用[6]。尽管取得了显著进展，但仍存在一些研究空白和不一致之处。许多研究仅在受控实验室条件下报告效率值，而没有考虑太阳辐射强度、环境温度或材料长期退化的影响。虽然基于纳米流体和人工智能集成的PSC系统显示出潜力，但其运行可靠性、现场验证和经济可行性仍有待探索。此外，缺乏评估能源效率和净化性能的标准化指标也阻碍了比较分析。这些局限性表明，未来的研究需要关注实际应用、热存储优化以及基于PSC的水处理系统的统一评估框架。

图1使用VOS查看器生成，展示了与太阳能、抛物面太阳能集热器和水处理技术相关的研究中的关键词共现网络。较大的节点表示关键词出现频率较高，节点之间的接近度和连接反映了研究之间的联系和跨学科趋势。太阳能这一核心主题与抛物槽式集热器、热传递、相变材料、水处理和海水淡化等相关领域相连接，突显了太阳能热应用的关键进展。

虽然抛物面太阳能集热器（PSCs）具有较高的太阳能量集中比和较高的运行温度（高达400°C），但将其性能与其他太阳能热集热器设计进行对比仍然很重要。平板集热器（FPCs）成本低且机械强度高，但通常在较低温度（低于100°C）下运行，限制了其在高级净化或蒸馏中的应用。复合抛物面集热器（CPCs）通过捕获漫射辐射并适应更宽的入射角度来改进FPCs的性能，但仍无法达到PSCs所能实现的高温梯度。线性菲涅尔系统则使用分段镜片进行太阳能量集中，但占地面积较大，光学效率低于PSCs。PSCs凭借其精确的聚焦能力和与热存储系统的兼容性，特别适用于膜蒸馏、高级氧化和太阳能驱动的病原体灭活等应用。然而，它们需要精确的太阳跟踪和较高的资本投入，在考虑分散式或离网应用时必须权衡这些因素。

部分摘录

抛物面太阳能集热器在水处理中的应用

抛物面太阳能集热器（PSCs）在水处理应用中显示出巨大潜力，因为它们能够产生用于各种净化过程的高温热能[7]。最近的研究探讨了PSCs在水处理中的多种作用，特别是在海水淡化、病原体灭活、重金属去除和工业废水处理方面[8]。以下部分将讨论PSCs在水净化中的主要应用。

抛物面太阳能集热器技术的进步

近年来，抛物面太阳能集热器（PSCs）取得了显著进步，提高了效率、适应性和与现代能源系统的集成能力。高效涂层和材料的创新提高了太阳能吸收率，同时减少了热损失，确保了更多的热量保留。光伏-热能（PVT）系统和热存储解决方案（如相变材料（PCMs）的发展使得能源利用更加连续

结论与未来展望

抛物面太阳能集热器（PSC）技术的持续进步使其成为太阳能热应用中高效且可持续的解决方案。高效涂层、光伏-热能（PVT）集成、先进自动化和纳米流体热传递等关键创新显著提高了太阳能吸收、热存储和运行可靠性。相关性分析揭示了这些参数之间的强烈相互依赖性

资金来源

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织提供的任何特定资助。

利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。