单盆式太阳能蒸馏系统产量提升的实验研究、优化及物联网监测

为解决淡水短缺问题，研究人员通过实验验证、Taguchi参数分析、五种元启发式算法(PSO、GA、GWO、ACO、DE)优化及IoT监测，开发了高效单盆太阳能蒸馏系统。最优配置（带鳍片的分室盆地、黑色花岗岩储热、黑色棉织物芯材、15 mm水深）使产量达5040 ml/m2/天，较传统系统提升93.87%，热效率达41.2%。该研究为缺水地区提供了智能化的可持续淡水解决方案。

　　

全球淡水危机日益严峻，超过20亿人面临饮用水短缺，而传统海水淡化技术能耗高、成本昂贵。太阳能蒸馏技术虽环保廉价，但单盆式系统普遍存在效率低（仅2-4 L/m²/天）、缺乏智能监控等问题。如何通过设计优化和实时调控提升产量，成为解决偏远地区供水难题的关键。

印度St. Mother Theresa工程学院的S. JOE PATRICK GNANARAJ团队在《Desalination and Water Treatment》发表研究，首次将实验验证、多算法优化与物联网(IoT)监测深度融合。研究通过Taguchi L9正交阵列筛选关键参数（盆地几何形状、芯材、储热介质、水深），结合PSO等五种元启发式算法全局优化，并开发了基于ESP32的实时监测系统。

关键技术方法

1. 1.

   实验设计：构建100×100 cm单盆蒸馏器，测试6种盆地结构（如带鳍片的分室盆地）、7种储热材料（如抛光黑色花岗岩）、5种芯材（如黑色棉织物）及5种水深（5-45 mm）。

2. 2.

   Taguchi优化：采用L9正交阵列减少实验次数，确定参数敏感性。

3. 3.

   算法优化：PSO、GA等算法以产量(ml/m²/天)为目标函数，迭代50次。

4. 4.

   IoT系统：部署DS18B20温度传感器、超声波体积传感器等，通过Blynk云平台实现移动端监测。

研究结果

3.1 设计参数对产量的影响

• •

  盆地结构：带鳍片的分室盆地产量最高（3040 ml/m²/天），较平底盆地提升55.1%，因鳍片增强热边界层扰动。

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  储热材料：抛光黑色花岗岩热吸收率最佳，产量达3740 ml/m²/天，夜间持续释热。

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  芯材：黑色棉织物毛细作用最强，产量2880 ml/m²/天。

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  水深：15 mm平衡加热速度与热惯性，日产量2520 ml。

3.8 算法性能对比

PSO收敛最快（22次迭代），标准差最低（15.4），均推荐相同最优配置：分室盆地+黑色花岗岩+黑色棉织物+15 mm水深。

3.11 IoT监测验证

实时数据表明，太阳辐照度750 W/m²时产量达5040 ml/m²/天，热效率41.2%（计算式：η=(m×h_fg/Q_solar)×100）。

结论与意义

该研究通过多学科交叉策略，将单盆太阳能蒸馏系统产量提升至5040±148 ml/m²/天（误差2.93%），较传统设计提升93.87%。创新点在于：

1. 1.

   优化协同效应：分室结构与鳍片设计扩大蒸发面积，黑色花岗岩储热延长作业时间。

2. 2.

   算法可靠性：五种算法均验证相同最优解，PSO计算效率最优。

3. 3.

   IoT赋能：移动应用“Solar Hydrator”实现参数远程监控，为智能控制铺路。

研究为缺水地区提供了可扩展的解决方案，未来可通过机器学习预测天气变量，进一步推动技术落地。