Fresnel透镜聚光与热电制冷（TEC）冷却协同强化金字塔型太阳能蒸馏器蒸发-冷凝性能及产水-能耗权衡实验研究

《Sustainability》：Supply Chain Vertical Shareholding and Corporate ESG Performance: Evidence from China

　　

本研究通过实验考察了金字塔型太阳能蒸馏器（pyramid-type solar still）在四种运行配置下的性能：参考系统（reference system）、热电制冷（thermoelectric cooling, TEC）辅助系统、Fresnel透镜辅助系统（Fresnel lens-assisted system）以及将Fresnel聚光（Fresnel concentration）与TEC冷却（TEC cooling）相结合的混合配置（hybrid configuration）。研究评估了强化蒸发和冷凝机制对太阳能蒸馏器热行为（thermal behaviour）和淡水生产率（freshwater productivity）的影响。参考系统日产蒸馏水3.19 L/m²day。TEC辅助配置将日产水量提高至3.78 L/m²day，对应提升18.3%；Fresnel透镜辅助配置达到4.81 L/m²day，较参考系统提升50.4%。Fresnel+TEC混合配置实现最高淡水生产率5.19 L/m²day，对应提升62.6%。实验结果表明，Fresnel聚光通过提高盆地水温有效增强蒸发，而TEC冷却通过降低玻璃表面温度促进冷凝。能量分析进一步表明，仅Fresnel配置提供最高整体能量效率，约为41.7%，而混合配置虽最大化淡水产量，但TEC运行需要额外电能。总体而言，结果表明光学聚光（optical concentration）和TEC可有效改善太阳能蒸馏过程的不同阶段，二者联合应用在所研究配置中提供最高淡水产量。从可持续性（sustainability）角度看，研究结果证明了太阳能驱动海水淡化（solar-driven desalination）支持分散式淡水生产（decentralised freshwater production）的潜力，同时也强调了在主动冷却配置中最小化辅助电能消耗的重要性。

论文主体围绕金字塔型太阳能蒸馏器（pyramid-type solar still，利用太阳能在金字塔形玻璃盖内蒸发-冷凝制取淡水的装置）性能强化展开。研究背景方面，全球清洁饮用水获取已成为关键问题，人口增长、工业化和气候变化加剧了压力；世界卫生组织（WHO）2023年数据表明约22亿人缺乏常规安全饮用水。干旱和半干旱地区尤其需要可持续、低成本且高能效的水处理技术。太阳能蒸馏器因结构简单、能耗低、环境友好且运行成本低而受到关注，但传统被动式系统产水率有限，因此需要在不显著增加辅助能耗的前提下提高产水。金字塔型蒸馏器因冷凝面积较大、对称结构可在全天多角度接收太阳光以及四方向冷凝等优势，成为受关注设计。Al-Madhhachi and Smaisim曾对金字塔型蒸馏器进行实验和数值研究，最高日产水2.2 L/m²，并发现金字塔型较高效。已有强化方法包括几何设计、光学聚光、储热、冷却和混合能源集成；其中Fresnel透镜（Fresnel lens，聚合物基光学聚光元件）可增强蒸发，但若冷凝表面效率不足，蒸汽冷凝会限制系统收益；热电制冷（thermoelectric cooling, TEC，基于Peltier效应的固态热泵）可冷却玻璃表面促进冷凝，但需要辅助电能。研究人员因此在同一金字塔型被动太阳能蒸馏器平台上，直接比较Fresnel聚光、TEC冷却及其联合配置，评估产水、能量效率和可持续性权衡。

研究人员开展了四种配置实验：参考、TEC冷却、Fresnel透镜、Fresnel+TEC混合。实验在土耳其Rize户外夏季进行，测量09:00至17:00，选用晴朗天气，记录水温、内部空气温度、玻璃外表面温度、环境温度、太阳辐射和蒸馏水产量。结论为：参考系统日产3.19 L/m²day，TEC辅助为3.78 L/m²day，提升18.3%；Fresnel辅助为4.81 L/m²day，提升50.4%；混合配置最高为5.19 L/m²day，提升62.6%。Fresnel-only整体能量效率最高，约41.7%；混合配置产水最高但需TEC电耗。意义在于证明光学聚光和TEC可分别改善蒸发和冷凝，联合应用获得最高淡水产量，同时揭示产水最大化与辅助电能消耗之间的可持续性权衡。

关键技术方法方面，研究人员构建底座600 mm×600 mm、深200 mm铁盆，内表面黑色哑光涂层并隔热，顶部由四块等边三角形玻璃组成金字塔盖，底边500 mm、高300 mm。四种配置包括：参考；4个TEC1-12706模块，每个12 V、约50 W，热面风扇散热、冷面贴玻璃；聚合物基Fresnel透镜，焦距约300 mm，面积300 mm×500 mm，约每30 min手动对日；混合配置。实验地点为Rize, Türkiye（约41.0374° N, 40.4932° E），夏季晴朗日09:00—17:00。采用K型热电偶、CMP6 pyranometer和FieldLogger数据记录仪，蒸馏水体积法测量；进行能量和比电能消耗（specific electrical energy consumption, SEC）分析，并用Kline–McClintock方法传播不确定度。

研究结果方面，参考配置中，盆水温度在午间达到最高，内部空气温度相应升高，但未加修改时日产蒸馏水约1150 mL，作为基线。TEC模块辅助配置中，TEC使玻璃表面温度显著低于参考，冷凝过程加速，日产蒸馏水1360 mL，比参考增加约18%。Fresnel透镜辅助配置中，透镜将阳光聚焦到盆地，使水加热更快，午间盆水温和内部空气温度显著高于参考，蒸发增强，日产蒸馏水1730 mL，约提升50%。Fresnel透镜与TEC模块混合配置中，蒸发和冷凝同时改善，Fresnel提高盆水温，TEC降低玻璃表面温度，日产蒸馏水最高达1870 mL，约提升63%，为所有配置中最高。不同配置日产水量比较显示，TEC-only提升18.3%，Fresnel-only提升50.4%，混合提升62.6%；TEC-only与Fresnel-only加和预期为68.7%，实测混合低于该预期约6.1个百分点，因此结果被描述为亚加和而非协同。能量性能方面，平均太阳辐照度分别约为934、935、939和954 W/m²，日入射太阳能约2.69、2.69、2.70和2.75 kWh/day；代表性平均盆水温约56.4、56.2、65.0和69.4 °C；有用热能输出约0.756、0.894、1.127和1.213 kWh/day；整体能量效率约28.1%、20.8%、41.7%和27.9%。Fresnel-only整体能量效率最高，从参考的28.1%增至41.7%；TEC-only虽增水但含电输入后效率降至20.8%；混合产水最高但含TEC电耗后整体效率约27.9%。SEC方面，TEC-only辅助电输入约1.60 kWh/day，产水1.36 L/day，SEC约1176 kWh/m³；混合配置同样约1.60 kWh/day，产水1.87 L/day，SEC约856 kWh/m³，降低约27.3%。讨论部分总结：这些结果与已有研究范围一致，Fresnel透镜通常带来30—80%产水提升，TEC模块通常带来10—25%提升，混合配置约63%的提升在文献范围内。Jradi et al.报告光伏驱动TEC除湿通道的太阳能蒸馏器电强度为387—586 kWh/m³；Najib et al.报告电和热能比消耗范围分别为61.8—398.8 kWh/m³和150.9—674.5 kWh/m³；Xu et al.展示无电驱动冷却的多级太阳能蒸馏器；Shoeibi et al.利用TEC冷面冷却玻璃盖水流并回收热面热量，产水为传统系统2.32倍、效率76.4%；Bruno et al.分析液化天然气再气化冷能回收系统，淡水产量149.9 kg/s、功率7.02 MW、能质回收效率8.32%。研究人员强调，热面热回收、辅助电耗、系统尺度和能量输入定义会影响比较，不能直接排名数值效率；TEC辅助系统可考虑集成光伏（photovoltaic, PV）降低电网依赖，但需匹配冷却需求和转换损失。

结论翻译：本研究中，研究人员在四种条件下测试了金字塔型太阳能蒸馏器的性能：参考、TEC冷却、Fresnel透镜以及Fresnel+TEC混合。主要结果可概括如下。参考情况下，系统每天生产1150 mL蒸馏水，用作比较基线。采用TEC冷却时，玻璃盖温度降低，冷凝改善，日产水量增至1360 mL，比参考高约18%。采用Fresnel透镜时，盆中水温升高，蒸发加快，日产水量达到1730 mL，比参考高约50%。混合情况下（Fresnel+TEC），蒸发和冷凝均增强，系统最高产量为1870 mL，比参考高约63%。Fresnel+TEC混合配置实现最高淡水生产率，生产1.87 L/day，比参考系统高约63%。然而，TEC模块需要约1.60 kWh/day电能。因此，尽管混合配置最大化了淡水产量，但不能无条件视为最节能配置。仅Fresnel系统生产1.73 L/day且不需要TEC电力，因此在考虑辅助电能消耗时是有吸引力的替代方案。从可持续性角度看，这些发现表明，最大化淡水产量应与辅助能源需求一并考虑。特别是，仅Fresnel配置提供了无额外电力消耗的太阳能驱动淡水生产有利路径，而TEC辅助系统的可持续性可通过集成光伏等可再生电力进一步改善。总体而言，该研究有助于为缺水地区开发分散式和资源高效型太阳能海水淡化技术。