Fresnel透镜与热电冷却器（TEC）耦合增强金字塔型太阳能蒸馏器淡水产量与整体能量效率的实验研究

《Sustainability》：Performance Enhancement of a Pyramid-Type Solar Still Using a Fresnel Lens and Thermoelectric Coolers: An Experimental Study

　　

本研究通过实验研究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、热电冷却（TEC，thermoelectric cooling）辅助系统、Fresnel透镜（Fresnel lens）辅助系统，以及将Fresnel聚光与TEC冷却相结合的混合配置。该研究评估了强化蒸发与冷凝机制对太阳能蒸馏器热行为和淡水生产率（freshwater productivity）的影响。参考系统产生3.19 L/m²day的蒸馏水。TEC辅助配置将日产水量提高至3.78 L/m²day，对应18.3%的改善；而Fresnel透镜辅助配置达到4.81 L/m²day，相较于参考系统提高50.4%。Fresnel + TEC混合配置实现最高淡水生产率5.19 L/m²day，对应62.6%的改善。实验结果突出表明，Fresnel聚光通过提高盆水温度有效增强蒸发，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配置提供最高的整体能量效率（overall energy efficiency），约为41.7%，而混合配置最大化淡水产量但需要额外的电能用于TEC运行。总体而言，结果表明光学聚光与TEC可有效改善太阳能蒸馏过程的不同阶段，其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，研究结果证明了太阳能驱动脱盐（solar-driven desalination）支持分散式淡水生产（decentralised freshwater production）的潜力，同时强调了在主动冷却配置中最小化辅助电能消耗（auxiliary electricity consumption）的重要性。

研究背景与问题：全球清洁饮用水获取因人口增长、工业化和气候变化成为关键问题。世界卫生组织（WHO）2023年数据表明约22亿人缺乏定期安全饮用水，干旱和半干旱地区尤其需要可持续、低成本、能效高的水处理技术。太阳能蒸馏器（solar still，利用太阳辐射蒸发盐水并冷凝收集淡水的装置）结构简单、能耗低、环境友好，利用太阳能蒸发水并以零运行成本获得淡水。提高产水率而不显著增加辅助能耗具有重要意义。太阳能蒸馏器分为主动和被动；被动系统中蒸发和冷凝自然发生。效率受辐射强度、空气湿度、环境温度、风速、系统几何和材料影响，改进方法包括几何设计、光学聚光器（optical concentrator）、储热系统、冷却机制和混合能源集成。金字塔型太阳能蒸馏器（pyramid-type solar still）因冷凝面积大于经典单坡设计、对称结构可全天多角度接收太阳光、四方向冷凝表面而受到关注。Al-Madhhachi and Smaisim 对金字塔型太阳能蒸馏器进行实验和数值研究，最高日产2.2 L/m²，并比较三角形、金字塔和五边形，发现金字塔型更有效。近年来，Fresnel透镜（Fresnel lens，通过光学聚焦提高太阳辐射强度的透镜）用于增加光强，相变材料（PCM）支持夜间生产，光伏（photovoltaic，PV）或TEG模块提供电力和热效率。Cristaudo et al. 研究空气抛物槽集热器场与双岩床储热；Pourmoghadam and Kasaeian 建模抛物槽驱动多联产系统。Fresnel透镜通常聚合物基、低成本、轻量，可聚焦太阳光加速蒸发。Mu et al. 在单坡单室系统中集成Fresnel透镜，日效率提高约84.7%；Sathyamurthy and El-Agouz 在玻璃覆盖上放置Fresnel透镜，淡水产量比常规系统高26.64%；Ho et al. 采用双坡和单室原型，Fresnel透镜系统日效率从28%提高到37%。这些结果表明Fresnel透镜有效增强蒸发，但若冷凝表面不够有效，蒸汽冷凝前对系统效率影响有限。热电冷却（TEC，thermoelectric cooling，基于Peltier效应的固态热泵）可提供紧凑、可控冷却。热电性能用无量纲优值ZT表征，器件冷却性能用性能系数（COP）表示。Shoeibi et al. 将TEC集成双坡太阳能蒸馏器，冷面冷却玻璃上水流，热面加热水箱，产水为传统被动系统的2.32倍；Shatar et al. 研究TEC太阳能蒸馏器覆盖材料，在4 A电流下玻璃覆盖系统淡水产量提高76%。因此，本研究在金字塔型被动太阳能蒸馏器上同时比较光学聚焦和表面冷却，并在同一平台直接比较参考、TEC、Fresnel、Fresnel+TEC四种配置，提供低成本和便携式太阳能蒸馏性能改进及可持续性权衡的见解。

研究开展与结论意义：研究人员在Rize, Türkiye夏季户外晴天09:00—17:00进行实验，固定初始水质量和盆面积，测量产水、温度、太阳辐射，并进行能量效率和比电能消耗分析。结论为参考系统日产1150 mL，TEC辅助1360 mL，增约18%；Fresnel辅助1730 mL，增约50%；混合1870 mL，增约63%。Fresnel提高盆水温度增强蒸发，TEC降低玻璃表面温度促进冷凝。Fresnel-only整体能量效率最高约41.7%，混合最大化淡水生产但需额外电。意义在于证明光学聚光和TEC改善不同阶段，联合产水最高，但可持续性需权衡辅助电耗，支持分散式淡水生产。

关键技术方法：实验采用1 mm厚铁板盆（600 mm×600 mm，深200 mm），内涂黑色哑光漆，底部挤塑聚苯乙烯、侧面玻璃棉隔热；顶部为四个等边三角形玻璃板构成的金字塔（底长500 mm，高300 mm），硅胶密封，斜槽收集蒸馏水。测量用K型热电偶、日射强度计（CMP6）和数据记录仪（FieldLogger）。样本来源为Rize, Türkiye夏季户外晴天09:00—17:00。四种配置为参考、TEC1-12706模块（12 V，平均50 W，热面风扇）、Fresnel透镜（聚合物，焦距约300 mm，面积300 mm×500 mm，手动约每30 min调整）和Fresnel+TEC混合。参考重复3次，其余各2次。分析包括Y=V/A、性能改进、Q_u=m_dh_fg、E_solar、E_TEC、η_en和SEC，并进行Kline–McClintock不确定度传播。

研究结果：
参考配置：通过测量温度变化和日蒸馏产量，盆水温度中午最高，内部空气温度相应增加；无强化修改时日产约1150 mL，作为基线。
TEC辅助配置：通过TEC模块冷却玻璃表面，玻璃表面温度显著低于参考，冷凝加速，日产1360 mL，较参考增约18%。
Fresnel透镜辅助配置：通过Fresnel透镜聚焦阳光到盆，水加热更快，中午盆水温和内部空气温度显著高于参考，蒸发率改善，日产1730 mL，增约50%。
Fresnel + TEC混合配置：通过同时使用Fresnel和TEC，蒸发和冷凝同时改善；Fresnel提高盆水温，TEC降低玻璃表面温度加速冷凝，最高日产1870 mL，增约63%。
不同配置比较：比较日蒸馏产量，TEC 1360 mL增约18%，Fresnel 1730 mL增约50%，混合1870 mL增约63%。文中先表述改善任一机制均有收益且联合应用产生协同效应；后续定量评估显示TEC-only 18.3%与Fresnel-only 50.4%的加和预期为68.7%，混合测量为62.6%，低约6.1个百分点，因此为次可加而非协同。与文献中Fresnel通常增30–80%、TEC增10–25%的范围相符。
能量性能与比电能消耗：平均太阳辐照度约934、935、939、954 W/m²，日入射太阳能约2.69、2.69、2.70、2.75 kWh/day；平均盆水温约56.4、56.2、65.0、69.4 °C；有用热能输出约0.756、0.894、1.127、1.213 kWh/day。整体能量效率约28.1%、20.8%、41.7%、27.9%，Fresnel-only最高，较参考相对提高约48.3%；TEC和混合因电耗整体效率降低。SEC方面，TEC-assisted约1176 kWh/m³，混合约856 kWh/m³，混合比TEC-only降低约27.3%；两者辅助电约1.60 kWh/day，产水从1.36增至1.87 L/day。与Jradi et al. 的387–586 kWh/m³、Najib et al. 的电/热耗范围61.8–398.8和150.9–674.5 kWh/m³比较，差异受系统规模、条件和热回收限制；Xu et al. 展示无电驱动冷却的多级界面热局域和潜热回收。混合降低电SEC但电需求仍高。Al-Kayiem et al. 综述混合太阳能蒸馏器；Shoeibi et al. 通过冷面冷却玻璃上水流和热面加热盆水，产水2.32倍、效率76.4%，强调热面热回收重要性；Bruno et al. 的LNG冷能回收系统规模不同。

讨论部分总结：结果与文献范围一致，Fresnel透镜通常提高产水30–80%，TEC通常提高10–25%，混合约63%落在范围内。Fresnel-only无需TEC电且整体能量效率最高；TEC辅助配置需约1.60 kWh/day电网电，产生间接排放，集成光伏可降低依赖但需匹配冷却需求和储能。SEC比较受规模、操作条件和热回收影响，混合配置降低电SEC约27%，但电需求仍高于部分文献。Shoeibi et al. 的热面热回收表明方法学重要性。总体上，混合配置最大化淡水产量，但能效和可持续性需与辅助电耗权衡。

研究结论翻译：本研究测试金字塔型太阳能蒸馏器在参考、TEC冷却、Fresnel透镜、Fresnel+TEC混合四种条件下的性能。参考日产1150 mL，作为基线；TEC冷却降低玻璃覆盖温度，改善冷凝，日产1360 mL，约高18%；Fresnel透镜提高盆水温，加快蒸发，日产1730 mL，约高50%；混合同时增强蒸发和冷凝，最高日产1870 mL，约高63%。混合配置最高淡水生产率1.87 L/day，约高63%，但TEC模块需约1.60 kWh/day电能。因此，混合配置最大化淡水生产但不能无条件视为最节能；Fresnel-only产1.73 L/day且无需TEC电，在考虑辅助电能时是有吸引力替代。从可持续性看，最大化淡水生产应与辅助能源需求一并考虑；Fresnel-only提供无额外电耗的太阳能驱动淡水生产有利途径，TEC辅助系统可持续性可通过整合光伏等可再生电力改善。总体，该研究有助于开发面向缺水地区的分散式和资源高效太阳能脱盐技术。