综述：半球形太阳能蒸馏器盆地几何形状创新以提高生产率的探索性综述

本综述系统探讨了半球形太阳能蒸馏器（HSS）通过盆地几何创新提升淡水产出效率的最新进展。研究聚焦波纹、凸面、翅片及非常规几何设计，结合相变材料（PCM）、纳米流体与吸液芯（wick）等被动增强技术，显著优化热分布与蒸发效率，部分配置实现生产率提升超183%（如凸面几何+PCM）。几何改造协同热储能技术，为缺水地区提供了低成本、可持续的海水淡化解决方案。

　　

引言

获取清洁饮用水是21世纪全球面临的紧迫挑战之一。随着人口增长、工业化、城市化及气候变化影响，许多干旱和偏远地区面临严重淡水短缺。世界卫生组织估计，全球超过20亿人依赖被粪便污染的饮用水源，而气候导致的干旱和地下水枯竭进一步加剧了淡水危机。太阳能蒸馏器（SSs）因其环境友好、运营成本低且能在偏远或离网地区提供饮用水而成为有前景的解决方案。与反渗透或多效蒸馏等高能耗技术不同，SSs利用太阳能蒸发和冷凝咸水或微咸水，以最小基础设施生产清洁水。然而，SSs面临生产率低的挑战，主要由于太阳能有限、热损失和夜间不活动。在各种几何配置中，半球形太阳能蒸馏器（HSSs）因其增强的太阳能捕获能力和美学及功能设计优势而受到广泛关注。HSSs具有弯曲的圆顶状结构，允许全天多方向太阳能吸收，确保更高效的太阳能收集，尤其在太阳角度较低的早晨和傍晚。此外，这些蒸馏器通常具有更紧凑的占地面积和更好的冷凝表面积，因其内穹顶的曲率。因此，在相同太阳辐射条件下，它们通常比扁平对应物表现出更高的每日单位面积水产量。然而，此类系统的设计复杂性也带来了工程挑战。它们的建造可能更复杂和昂贵，特别是如果材料不易获得或制造过程未本地化。此外，弯曲表面可能带来清洁和维护困难，而内部温度分布可能比扁平设计变化更显著。通过穹顶和底座的热损失也会降低整体效率。因此，虽然HSSs的潜力有希望，但实现其全部性能需要集成补充技术，包括改变盆地几何形状以提高生产率。

半球形太阳能蒸馏器背景

HSSs代表了一类创新且高效的太阳能淡化系统，其独特设计旨在最大化全天从所有角度捕获太阳能。与传统的单坡或双坡SSs不同，HSSs具有圆顶状透明盖——通常由玻璃或聚碳酸酯构造——允许全方位太阳辐射进入。这种几何结构通过减少反射损失和优化入射角提供热力学优势，从而在更长的时间内实现更高的能量输入。吸收盆地——通常涂有黑色材料以最大化光吸收——位于穹顶下方，并持有待淡化的咸水。当太阳辐射穿透透明盖并被盆地吸收时，水被加热，导致蒸发。然后，蒸汽在较冷的穹顶内表面凝结，形成水滴，由于重力作用，这些水滴被收集到周向通道中。HSSs的弯曲形状不仅增强了冷凝表面对流热损失，还促进了凝结水的更高效收集。与其他SS设计相比，HSSs通常表现出更高的热效率和每日水产量，归因于其增强的太阳跟踪能力、减少的热损失和改进的冷凝机制。

半球形太阳能蒸馏器优越性

在追求高效和可持续太阳能淡化的过程中，已经开发和测试了广泛的SS几何形状。其中，HSS因其多方向太阳能捕获、增强的热分布和改进的冷凝行为的能力而受到越来越多的关注。传统的SS设计（单坡）由于其简单性、成本效益和易于建造而仍然广泛使用。然而，它们的几何限制通常导致较低的热效率和生产率，因为它们依赖于固定的方向，并且可能遭受显著的热损失。相比之下，HSSs的圆顶状设计允许从日出到日落更一致地捕获太阳能，最大限度地减少对太阳跟踪器的需求。此外，弯曲的冷凝表面促进更均匀的薄膜凝结，减少水滴形成并改善排水，从而减少冷凝物再蒸发并提高净水产量。研究一致表明，在相同操作条件下，HSSs可以 outperform 单坡和双坡SSs，生产率提高高达30-50%。这种性能优势，加上其美学吸引力和紧凑性，使HSSs成为小规模、分散式淡水生产的有希望候选者，特别是在太阳能丰富但水资源短缺的地区。

半球形太阳能蒸馏器吸收盆地的开发

吸收盆地在HSSs的性能中起着关键作用，因为其几何形状直接影响热吸收、蒸发速率和整体淡水产量。盆地设计的创新旨在优化热梯度、增强水表面相互作用并改善太阳能分布，从而解决低生产率和热损失的固有挑战。本节探讨了为HSSs量身定制的最新盆地几何进展，重点关注特定修改——如波纹、凸面、翅片和非常规形状——如何提高热性能和蒸馏物产出。

波纹盆地利用增加的表面积和湍流促进来增强蒸发。通过创建一系列脊和谷，这些设计最大化水-金属接触，减少热边界层厚度，并改善热从盆地到水的传递。当与反向太阳能收集器和吸液芯材料结合时，波纹配置实现了超过90%的生产率改进和超过75%的热效率。凸面几何形状，如阶梯凸面和半球形衬垫，通过聚焦太阳辐射和减少水体积来优化热分布，从而更快加热和更高蒸发速率。当与相变材料（PCM）和吸液芯结合时，这些设计实现了高达183%的收益。翅片盆地通过增加热传递表面积和创造对流电流来增强性能。优化间距、方向和材料（ notably 铜）的翅片可以显著提高生产率和热效率，某些配置提升达74%。其他几何形状，包括凹面和阶梯漏斗盆地，以最小添加的复杂性进一步改善热分布和水输出。

研究分析

对 reviewed 研究的比较评估揭示了几个突出的配置，提供了最高的绝对淡水生产率。最 productive 的系统是 Alqsair 等人（2024）的风扇增强改进型HSS，通过集成半球形盆地、黄麻吸液芯、后反射器、风扇辅助冷凝和纳米增强PCM，实现了11.15 L/m2/天。紧随其后的是 Ben Bacha 等人（2024），其优化的HSS具有35 cm半球形盆地、黑色毡吸液芯和石蜡PCM，产量为10.8 L/m2/天。其他高性能系统包括 Abdullah 等人（2023）的改进型HSS，具有半球形盆地、铜吸液芯和石墨纳米流体，达到9.1 L/m2/天，以及 Omara 等人（2022）的波纹盆地HSS与外部反射器，记录8.6 L/m2/天。这些发现强调了盆地几何形状、吸液芯应用、PCM集成和纳米流体的协同作用，以最大化HSS生产率。值得注意的是，最高产系统通常结合多种增强技术，表明未来创新应探索混合方法，而不是孤立地追求单一修改。

结论

本综述检查了HSSs盆地几何形状的创新，强调了它们对热性能、蒸发速率和淡水生产率的影响。研究结果表明：

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  波纹盆地显著增强蒸发表面积，优化 pitch 和集成反向太阳能收集器，提供超过90%的生产率增益。
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  凸面几何形状（阶梯和半球形衬垫）改善太阳能吸收，并且当与吸液芯和相变材料（PCM）结合时，实现高达183%的生产率提高。
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  翅片盆地，特别是那些优化间距和方向（如垂直或倾斜）的，增强热传递和蒸发，某些配置提升生产率74%。
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  非常规几何形状，如凹面和阶梯漏斗盆地，改善热分布和水输出，添加的复杂性最小。
  这些发现突出几何优化——特别是当与被动或热储能增强结合时——可以显著增加蒸馏物产量和经济可行性。此类改进使HSSs成为缺水环境中分散式淡水生产的有效和可扩展解决方案。

挑战和关键问题

尽管通过HSSs中的几何修改实现了 substantial 性能改进，但几个挑战和关键问题仍然存在，可能阻碍广泛采用和可扩展性。

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  制造复杂性和成本：虽然几何创新如波纹、凸面盆地或集成翅片增强生产率，但它们通常需要 specialized 模具、精确制造。这些增加初始资本成本，并且可能在资源有限的环境中不可行，没有本地制造能力。
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  材料可用性和耐久性：高性能配置通常依赖铜、铝或专用涂层等材料，这些可能昂贵或在某些地区不易获得。此外，波纹或翅片等特征可能更容易腐蚀或积垢，影响长期耐久性和维护需求。
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  热失衡和停滞区：在弯曲盆地中，不当的几何修改可能导致不均匀热分布，创建某些区域过热而其他区域保持相对冷。这些失衡可能减少整体效率并需要仔细设计优化。
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  可扩展性和集成：大多数研究检查小规模实验室或试点设置。将几何增强扩展到更大、实际规模的单元带来额外挑战，如结构完整性、冷凝物收集和系统集成与外部组件。

未来工作

为了推进几何增强HSSs的实际应用，应追求几个研究方向：

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  未来研究应探索同时优化盆地几何形状、材料选择和增强技术，如PCMs、纳米流体和吸液芯结构。使用数值建模和机器学习的多目标设计策略可能有助于平衡热效率、耐久性和成本效益。
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  大多数现有研究关注短期实验测试。长期研究——检查耐久性、积垢抵抗力和真实环境条件下的性能——对于评估商业可行性和可靠性至关重要。
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  经济分析和生命周期评估应进行，以比较几何增强HSSs与传统淡化技术。此类分析应考虑制造成本、维护需求、预期寿命和整体水生产成本。
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  研究应探索几何增强与主动组件（如太阳能跟踪器、风扇或泵）的集成，以进一步最大化生产率，同时保持系统简单性和成本效益。
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  开发标准化测试协议和性能指标将有助于在不同研究之间进行更一致的比较，并促进更广泛地采用有前景的设计。