不同储热材料对被动式太阳能蒸馏器性能提升的对比研究及其经济性分析

为解决偏远地区饮用水短缺问题，研究人员开展被动式太阳能蒸馏器(SS)结合不同储热材料(TESMs)的性能评估研究。通过对比传统SS、添加黑石和硅砂的SS，发现黑石配置使产水量提升131.25%，成本降至1.62卢比/升。该研究为可再生能源净水技术提供优化方案。

　　

在全球水资源危机背景下，太阳能蒸馏技术因其零能耗、环境友好等优势，成为解决偏远地区饮用水问题的关键方案。然而传统被动式太阳能蒸馏器(SS)存在产水效率低、夜间性能骤降等瓶颈。如何通过材料优化突破热效率限制，同时兼顾经济可行性，成为该领域亟待解决的核心问题。

针对这一挑战，来自Sushila Devi Bansal College的研究团队在《Desalination and Water Treatment》发表创新性研究，系统评估黑石与硅砂两种储热材料(TESMs)对SS性能的影响。研究通过构建三组对照实验（传统SS、硅砂SS、黑石SS），采用热力学参数监测、经济模型分析等方法，首次揭示了黑石材料在热传导与经济效益上的双重优势。

关键技术方法包括：1) 搭建0.5m²单斜面SS实验平台，设置23°倾角；2) 使用K型热电偶监测水温、蒸汽温度等关键参数；3) 通过Grashof数(Gr)和Prandtl数(Pr)计算对流换热系数(CHT)；4) 建立资本回收因子(CRF)模型进行成本分析。

实验设置描述
研究采用木质框架单斜面SS，配置4cm恒定水深。黑石经哑光黑漆处理以增强吸热，硅砂则通过1cm均匀铺层优化热存储。两组TESMs的热物理性质对比显示，黑石导热系数(1.5W/mK)显著高于硅砂(0.48W/mK)。

热分析
通过对流换热系数(h_c,w-gi)和蒸发换热系数(h_e,w-gi)的时序监测发现，黑石SS在13:00时分别达到峰值2.34W/m²°C和43.59W/m²°C，较传统SS提升65.96%和77.27%。硅砂SS因热响应延迟，峰值温度滞后至14:00出现。

经济性分析
生命周期成本模型显示，黑石SS虽初始成本较高(9,380卢比)，但凭借2590mL/日的产水量，将淡水成本压降至1.62卢比/升，投资回收期仅1.12年（售价20卢比/升时）。硅砂SS因较低的产水量(2095mL)，成本优势相对减弱。

社会应用价值
产出水总溶解固体(TDS)从534ppm降至15ppm，符合WHO饮用水标准。研究特别指出，黑石SS在制药和电子工业的超纯水制备中具有特殊价值，其单位产能成本较市售蒸馏水降低80%以上。

该研究通过多维度验证，确立了黑石作为SS优化材料的综合优势：热力学方面，其高导热性实现131.25%的产水提升；经济性方面，较传统SS缩短投资回报期58%。团队建议后续研究可探索24小时连续运行模式，并尝试将纳米流体技术与储热材料联用，进一步突破产能极限。这些发现为太阳能净水技术的规模化应用提供了重要理论支撑和实践路径。