相变材料与超声波雾化器协同增效的太阳能蒸馏系统性能及可持续性研究

本研究针对太阳能蒸馏系统(SS)产水量低的核心问题，创新性地结合相变材料(PCM)储热与超声波雾化技术，通过10-E全维度分析揭示：4.5kg PCM与雾化器组合(MPSS-F-P-4.5)使淡水产量提升88%，CO2减排91.75%，为偏远地区提供了一种成本仅0.98年回收期的可持续淡水解决方案。

　　

随着全球人口激增和气候变化加剧，淡水短缺已成为威胁人类发展的重大挑战。传统海水淡化技术如反渗透虽有效但能耗高、依赖化石燃料，而太阳能蒸馏(SS)虽环保却受限于昼夜产量不均——白天蒸发慢、夜间完全停产。更棘手的是，当前改进方案往往顾此失彼：添加相变材料(PCM)能利用潜热提高夜间产量，却会吸收日间热量导致白昼减产；超声波雾化虽能加速蒸发，但单独使用无法实现能源的时空调配。如何突破这种"跷跷板效应"，成为清洁水生产领域的关键瓶颈。

印度Anusandhan国家研究基金会(ANRF)资助的研究团队在《Desalination》发表突破性成果，首次通过"PCM定量调控+超声波雾化"的协同策略破解了这一难题。研究人员设计了三组改性金字塔型太阳能蒸馏装置(MPSS)，分别装载1.5kg、3kg、4.5kg有机相变材料OM55，并创新性地将废铝罐作为低成本PCM容器。通过对比传统装置(CPSS)发现：单纯增加PCM可使产量提升61.2%，但配合雾化器后，4.5kg组合(MPSS-F-P-4.5)实现88%的惊人增幅，相当于每日多产2.4L/m²淡水。

技术方法上，研究采用多维度验证体系：(1)热力学分析通过温度传感器网络监测PCM相变过程；(2)10-E评估框架涵盖能效(40.4%)、?效(3.15%)等10项指标；(3)生命周期评估计算CO₂减排量；(4)热传递模型量化蒸发系数32.3%的提升幅度。

【实验结果】
• 温度分析：4.5kg PCM使夜间水温保持48.7°C，较CPSS延长运行6.2小时
• 产量对比：雾化器使MPSS-P-4.5的昼间蒸发速率提升214%，补偿PCM吸热损失
• 热传递机制：MPSS-F-P-4.5蒸发传热系数达58.9W/m²K，验证"雾化-相变"协同效应
• 经济环境效益：能源回收期0.98年，每吨水碳足迹仅2.1kg CO₂，较传统方法降低91.75%

这项研究的意义远超技术本身：其一，首次建立PCM用量(1.5-4.5kg)与性能的定量关系，填补了领域知识空白；其二，开创性地将工业废料(铝罐)转化为PCM载体，使系统成本降低22.1%；其三，提出的"10-E评估矩阵"为可再生能源设备提供全新分析范式。正如论文结论强调，该方案在印度沿海村庄的示范工程中已实现人均3.2L/天的供水能力，为联合国可持续发展目标(SDG6)的落实提供了可复制的技术模板。未来通过优化PCM导热系数和雾化器能耗，产量仍有30%以上的提升空间。