金字塔型太阳能蒸馏器耦合菲涅尔透镜与热电冷却的产水性能与能效协同研究

《Sustainability》：Climate Transition-Risk Salience and the Financial Relevance of Reported Green Supply Chain Management Practices: Evidence from Chinese Listed Firms

　　

摘要专业翻译 本研究通过实验探究了金字塔型太阳能蒸馏器在四种运行配置下的性能表现：参考系统、热电冷却（TEC）辅助系统、菲涅尔透镜辅助系统，以及菲涅尔聚光与TEC冷却相结合的混合配置。研究评估了增强蒸发与冷凝机制对太阳能蒸馏器热行为和淡水生产率的影响。参考系统日产蒸馏水3.19 L/m2·day。TEC辅助配置将日产量提升至3.78 L/m2·day，较参考系统提高18.3%；菲涅尔透镜辅助配置达到4.81 L/m2·day，较参考系统提升50.4%。菲涅尔+TEC混合配置实现了最高的淡水生产率，为5.19 L/m2·day，较参考系统提升62.6%。实验结果表明，菲涅尔聚光通过提高盆内水温有效增强蒸发，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，仅菲涅尔配置提供了最高的整体能量效率，约为41.7%，而混合配置虽最大化淡水产量，但TEC运行需要额外的电能。总体而言，研究结果表明光学聚光和TEC能够分别有效改善太阳能蒸馏过程的不同阶段，其组合应用在所研究的各配置中实现了最高的淡水产量。从可持续性角度来看，研究结果展示了太阳能驱动海水淡化支持分布式淡水生产的潜力，同时也强调了在主动冷却配置中尽量减少辅助电力消耗的重要性。

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一、研究背景与问题

清洁饮用水获取已成为当今全球最严峻的挑战之一。据世界卫生组织（WHO）2023年数据，全球约22亿人缺乏常规安全饮用水获取途径。干旱和半干旱地区社区尤其需要可持续、低成本、节能的水处理技术。太阳能蒸馏器因其结构简单、能耗低和环境友好而成为有吸引力的解决方案，其利用自然界充足且丰富的太阳能资源蒸发水溶液，运行成本为零。然而，传统太阳能蒸馏器的产水效率普遍偏低，如何在不大幅增加辅助能源需求的前提下提高其生产率，直接关系到可持续水生产目标的实现。

在众多太阳能蒸馏器设计中，金字塔型结构因其较传统单斜面设计的更大冷凝面积、对称结构在一天中可收集更多阳光以及美观的结构而具有显著优势。文献研究表明，金字塔型设计相比传统系统可显著提高蒸馏水产量。然而，该系统的蒸发和冷凝两个关键环节仍存在效率瓶颈：一方面，蒸发速率受限于盆内水温和太阳辐射强度；另一方面，冷凝效率受限于玻璃表面温度。已有研究分别探索了菲涅尔透镜聚光增强蒸发和热电冷却（TEC）促进冷凝的技术路线，但鲜有研究在同一平台上对这两种技术进行直接比较和组合验证。本研究正是在这一背景下展开，旨在通过系统实验评估光学聚光和表面冷却技术单独及联合应用对金字塔型太阳能蒸馏器性能的影响。

二、研究内容与核心发现

研究人员在土耳其里泽（Rize，约41.0374° N，40.4932° E）夏季晴朗天气条件下，对金字塔型被动式太阳能蒸馏系统进行了四种配置的实验测试：参考系统（无任何改造）、TEC辅助系统、菲涅尔透镜辅助系统以及菲涅尔+TEC混合系统。实验于每日09:00至17:00进行，测量参数包括盆内水温、室内气温、玻璃外表面温度、环境温度、太阳辐射强度及蒸馏水产量。

实验结果表明：参考系统日产蒸馏水1150 mL；TEC冷却配置通过降低玻璃表面温度加速冷凝，日产水量提升至1360 mL，较参考系统提高约18%；菲涅尔透镜配置通过聚焦太阳辐射至盆底，显著提高盆内水温和蒸发速率，日产水量达到1730 mL，较参考系统提升约50%；混合配置同时增强蒸发和冷凝两个环节，实现最高日产水量1870 mL，较参考系统提升约63%。值得注意的是，研究人员对协同效应进行了量化检验：TEC单独和菲涅尔单独分别提升18.3%和50.4%，加性预期为68.7%，而实测混合提升为62.6%，低于加性预期约6.1个百分点，表明混合配置的响应为亚加性而非协同增强。

能量分析方面，各配置日均太阳辐照度约为934–954 W/m²，对应日入射太阳能约2.69–2.75 kWh/day。基于代表性平均盆水温度（参考56.4 °C、TEC 56.2 °C、菲涅尔65.0 °C、混合69.4 °C）和对应汽化潜热，各配置有用热能输出约为0.756、0.894、1.127和1.213 kWh/day。整体能量效率分别为：参考配置约28.1%，TEC配置约20.8%，菲涅尔配置约41.7%，混合配置约27.9%。菲涅尔配置实现了最高整体能量效率，较参考配置相对提升约48.3%。TEC相关配置需额外消耗约1.60 kWh/day电网电力，导致其整体能效下降。TEC配置和混合配置的比电耗（SEC）分别为1176和856 kWh/m³，混合配置较TEC单独配置降低约27.3%。

三、关键技术与方法

本研究采用的核心技术方法包括：（1）金字塔型太阳能蒸馏系统构建，采用1 mm厚铁板制成600 mm × 600 mm × 200 mm盆体，内表面涂覆黑色哑光漆以增强太阳辐射吸收，底部采用挤塑聚苯乙烯保温、侧面采用玻璃棉保温，顶部由四块等边三角形玻璃板构成金字塔结构；（2）热电冷却（TEC）模块应用，采用四块TEC1-12706型珀尔帖模块，每块工作电压12 V、平均功耗约50 W，冷面通过导热硅脂贴合于玻璃外表面，热面配小型冷却风扇散热；（3）菲涅尔透镜聚光系统，采用聚合物基菲涅尔透镜（焦距约300 mm，面积300 mm × 500 mm），实验中约每30分钟手动调整朝向太阳；（4）数据采集与分析方法，采用K型热电偶测量温度、CMP6型日射强度计（Kipp & Zonen，荷兰代尔夫特）测量太阳辐射、FieldLogger数据记录仪（NOVUS Automation，巴西卡诺阿斯）以1分钟间隔实时记录数据，蒸馏水采用实验室级量筒以±1%体积精度测量；（5）能量分析框架，分别计算有用热能输出、日入射太阳能、TEC日电耗、太阳能热效率及包含辅助电力的整体一阶能量效率，并采用Kline–McClintock一阶传播方法进行不确定度分析。

四、研究结果

参考配置温度特性。 全天盆水温度在正午前后达到最高值，室内气温相应升高。由于未实施任何性能增强改造，系统日蒸馏水产量有限，约为1150 mL，作为其他配置的比较基准。

TEC辅助配置冷凝增强。 由于TEC模块的作用，玻璃表面温度显著低于参考情况，冷凝过程加速，水蒸气得到更有效冷凝。该改进机制使日蒸馏水产量达到1360 mL，较参考情况增加约18%。

菲涅尔透镜配置蒸发增强。 菲涅尔透镜将阳光直接聚焦至盆底，使水加热更迅速，正午时段盆水温度和室内气温显著高于参考情况。蒸发速率提高使日蒸馏水产量达到1730 mL，较基准提升约50%。

混合配置综合性能。 菲涅尔透镜提高盆水温度的同时，TEC模块通过降低玻璃表面温度加速冷凝，蒸发和冷凝过程同时得到改善。系统日蒸馏水产量达到最高值1870 mL，较参考情况增加约63%，为所有测试配置中最高。

配置间比较与协同效应评估。 四种配置的日蒸馏水产量对比明确显示，单独改善蒸发或冷凝机制均能带来一定收益，但两种方法同时应用产生协同效应，实现最高性能。然而，定量分析表明混合增强（62.6%）略低于TEC和菲涅尔单独增益的加性预期（68.7%），响应为亚加性。研究结果与文献中菲涅尔透镜通常带来30–80%生产率提升、TEC模块提供10–25%增强的报告范围一致。

能量性能分析。 菲涅尔透镜辅助配置表现出最高的整体能量效率（约41.7%），较参考配置（约28.1%）相对提升约48.3%。TEC辅助配置虽将淡水产量从1.15提升至1.36 L/day，但计入额外电力输入后整体能效降至约20.8%。混合配置虽产出最高淡水1.87 L/day，但因TEC额外电力需求，整体能效约为27.9%。混合配置将比电耗从1176降至856 kWh/m³，降低约27.3%，反映出单位电力产水量的提升。

五、讨论与结论

讨论部分指出，TEC辅助配置需要约1.60 kWh/day的电网辅助电力，引入运行能源负担和相关间接排放，其可持续性取决于电力结构。集成适当规模的光伏系统可减少对电网电力的依赖，但需匹配光伏输出与冷却需求并评估转换损耗及储能需求。研究还将比电耗结果与文献报道进行了比较：Jradi等人报道的优化太阳能蒸馏器系统（光伏驱动TEC除湿通道）电耗强度为387–586 kWh/m³，低于本研究结果，但冷凝布置、运行电流优化、环境湿度和系统规模等差异限制直接比较；Najib等人报道的太阳能驱动多效膜蒸馏系统比电耗和比热耗范围分别为61.8–398.8 kWh/m³和150.9–674.5 kWh/m³。研究还对比了Shoeibi等人利用热电模块冷面冷却玻璃盖板流水并回收热面热量加热盆水的系统（产水量为传统蒸馏器的2.32倍，效率76.4%），强调了热面热量回收的方法学重要性。

研究结论可归纳如下：参考系统日产蒸馏水1150 mL作为比较基准；TEC冷却使玻璃盖板温度降低、冷凝改善，日产量增至1360 mL，较参考提高约18%；菲涅尔透镜使盆水温度升高、蒸发加快，日产量达1730 mL，较参考提高约50%；混合配置（菲涅尔+TEC）同时增强蒸发和冷凝，实现最高产量1870 mL，较参考提高约63%。混合配置虽最大化淡水产量，但TEC模块需约1.60 kWh/day电能，因此不能无条件视为最节能配置。菲涅尔单独配置在不需TEC电力的情况下产出1.73 L/day，在考虑辅助电力消耗时代表更具吸引力的替代方案。从可持续性角度看，最大化淡水产量应与辅助能源需求统筹考虑，菲涅尔单独配置为无额外电力消耗的太阳能驱动淡水生产提供了有利路径，而TEC辅助系统的可持续性可通过整合光伏等可再生能源电力进一步改善。