基于凝胶球增强型太阳能蒸馏器的淡水产量提升机制及经济性研究

研究人员针对传统单斜面太阳能蒸馏器(CSSSS)产水量低、效率不足的问题，创新性地采用超吸水性聚合物(SAP)材料制成的凝胶球进行系统改良(MSSSS)。实验结果表明，改良系统蒸馏水产量提升36.14%，内部效率提高31.6%，单位制水成本降低22.69%。该研究为太阳能海水淡化技术提供了经济高效的改良方案。

　　

随着全球水资源危机日益严峻，太阳能海水淡化技术因其环保、低成本等优势备受关注。然而传统单斜面太阳能蒸馏器(CSSSS)存在产水量低、热效率不高等瓶颈问题。如何在不显著增加成本的前提下提升系统性能，成为该领域亟待解决的关键科学问题。

位于印度中央邦古纳的Jaypee工程技术大学的研究团队创新性地将凝胶球（水珠）应用于太阳能蒸馏系统改良。这些由超吸水性聚合物(SAP)制成的小球具有吸水膨胀特性，能在太阳能蒸馏过程中发挥热局域化和增大蒸发面积的双重作用。相关研究成果发表在《Desalination and Water Treatment》期刊。

研究人员采用对比实验方法，在相同环境条件下平行运行传统CSSSS和凝胶球改良系统(MSSSS)。通过精确测量温度、太阳辐射强度等参数，使用k型热电偶(-50°C至500°C量程)和太阳能辐射计(TM-207)等仪器，系统评估了两种系统的性能差异。特别关注了水温、冷凝面温度等关键热力学参数，以及每小时蒸馏水产量的动态变化。

在温度特性方面，改良系统(MSSSS)表现出显著优势。实验初期水温即高出传统系统20%，在正午辐射峰值时段仍保持14.3%的领先优势。这种温差优势主要源于凝胶球的热局域化效应，其热导率估计为0.1-0.3 W/m·K，能有效减缓热损失。同时，MSSSS内部冷凝面温度(T_ci)始终比CSSSS高8.3%，这有利于提升冷凝效率。

产水性能对比结果更为突出。MSSSS在实验启动阶段就展现出75%的产量优势，在正午12时达到惊人的415%峰值差异。全天累计产水量分别为2795 ml(MSSSS)和2053 ml(CSSSS)，改良系统产量提升36.14%。这种提升可归因于凝胶球带来的两大效益：一是增大蒸发面积，二是通过热局域化维持较高的工作温度。

经济性分析显示，虽然改良系统初始投资略高（总成本5965? vs 5715?），但由于产量提升，单位制水成本从1.26?/L降至0.974?/L，降幅达22.69%。这种成本优势使该技术更具推广应用价值。

该研究通过系统的实验验证，确立了凝胶球在太阳能蒸馏领域的应用价值。相比传统添加相变材料(PCM)或碳基材料等方法，凝胶球方案具有成本低、易获取、可重复使用等独特优势。研究同时指出，未来可通过使用黑色凝胶球、结合纳米材料等方式进一步提升系统性能。这些发现为开发高效、经济的太阳能海水淡化技术提供了新思路，对解决全球水资源短缺问题具有重要意义。