用于增强太阳能蒸馏器的翅片：几何形状、材料、构型及先进技术的系统综述与未来方向

《Process Safety and Environmental Protection》：Fins for solar still enhancement: Systematic review of geometries, materials, configurations, and advanced techniques with future directions

　　

**摘要**

淡水短缺和传统脱盐技术的高能源需求催生了对被动式、低成本太阳能技术的迫切需求。然而，传统太阳能蒸馏器受限于集热盆到水之间的弱传热和较低的蒸发速率。本系统综述评估了翅片作为被动式传热增强元件的效果，并考察了翅片的几何形状、尺寸、排列方式、材料、储热能力以及混合配置如何影响淡水产量、能量与?性能、成本及环境效益。通过结构化的文献检索和比较性主题综合，本研究将证据按翅片几何形状、材料、相变材料（PCM）集成、混合配置以及人工智能辅助优化进行了分类。

代表性实验结果表明了显著但取决于具体配置的改进效果。竖直轻型钢销钉翅片使日产量提高了13.2%，夏季产量达4.37 kg/m2·d，冬季为2.56 kg/m2·d。在水深为1 cm时，截锥形和抛物线形翅片的最高能效分别为58.57%和52.80%。一种结合铜翅片、透明阶梯壁和反射器的阶梯式蒸馏器，与传统单盆蒸馏器相比产量提高了129%，日效率达63%。在锥形蒸馏器中，填充PCM的中空铜翅片产量达7.50 L/m2·d，比传统系统提高了54.64%，夜间产量比未填充的中空翅片提高了550%。涂覆CuO纳米颗粒的翅片-芯体系统将产量和?效率分别提高了106.55%和310.04%，同时将产水成本和投资回收期分别降低了77.78%和76.11%。一种结合中空翅片、PCM和真空管集热器的金字塔构型，日产量提高了49.20%，热效率提高了19.20%，?效率提高了约49%，产水成本为0.0094美元/L。

综合证据表明，单纯增加翅片尺寸或数量并不一定能改善性能，因为过高的高度、过密的排列和遮阴可能会削弱自然循环。当前研究聚焦于建立以翅片为核心的集成框架，将设计、材料、储热、混合配置、经济与环境性能以及人工智能联系起来。实现可靠比较和实际推广需要标准化报告和以多目标优化为基础的评估。

**引言**

近几十年来，由于人口增长、工业化进程以及气候变化和全球变暖的不利影响，全球对淡水的需求大幅增加。尽管地球水资源中约97%为咸水，但可直接供人类使用的不到1%，导致全球许多地区面临严重的淡水短缺问题（Abdulateef等，2019；Awasthi等，2018；Handawy等，2026；M. Handawy等，2026）。

传统脱盐技术，包括反渗透和热法脱盐系统，通常伴随着高昂的资本成本、大量的能源消耗以及对化石燃料的依赖，引发了经济和环保方面的担忧（Al-Karaghouli和Kazmerski，2013；Vushe，2021）。因此，越来越多的关注被转向了利用可再生能源驱动的可持续、节能脱盐技术。太阳能蒸馏因其结构简单、运行成本低、维护需求有限和环境友好等特点，成为一种有前景的选择（Gude，2016；Yaser等，2025a）。该过程依赖于太阳能加热盐水后蒸发和冷凝以生产淡水。然而，传统太阳能蒸馏器受限于较低的热效率和淡水产量（Harby等，2026i；Yaser等，2025b）。因此，人们研究了不同的被动和主动技术来改善其热能和蒸发性能。

在被动增强方法中，翅片因其能够改善太阳能蒸馏器集热盆内的传热而备受关注（Abdullah等，2026a；Attia等，2025a；Attia等，2025b；Hadi Attia等，2025b）。因此，大量研究工作致力于通过各种被动和主动增强技术改善太阳能蒸馏系统的热能和蒸发性能。

其他研究技术还包括纳米流体、相变材料（PCM）、芯体材料、反射器和表面扰动方法（Abdullah等，2026b；Hadi Attia等，2025b；Ridha等，2024）。翅片的集成增加了吸热盆与盐水之间的有效传热面积，并促进了导热和对流换热（Khalaf等，2025；Qasem等，2024）。这一机制改善了吸热器与水之间的热相互作用，促进了更均匀的温度分布，并加速了蒸发。翅片增强的效果在很大程度上取决于其几何和材料特性。矩形、三角形、销钉形和倾斜翅片已在不同的太阳能蒸馏器配置下进行了研究（Pathak等，2026；Singh和Samsher，2024）。翅片间距、高度、厚度、方向和排列方式等参数可能会显著影响传热和热行为（Ramezanimouziraji等，2026）。翅片材料也很重要，因为其热性能决定了吸热器向盐水传热的速率。铝和铜因其高导热性和耐久性而被广泛采用（Ibrahim和Shaheen，2026；Sathyamurthy等，2026），而涂层和复合材料也被研究用于改善表面吸收率、耐腐蚀性和运行稳定性（Hameed Majeed等，2026；Selvaraju等，2026）。

翅片辅助的太阳能蒸馏器也已与其他增强技术相结合。将翅片与纳米流体或PCM结合的混合配置可以改善储热能力、热稳定性和淡水产量（Abdullah等，2026）。计算流体力学（CFD）也被应用于考察翅片增强型太阳能蒸馏器内的流体流动、传热和温度分布，并评估几何和运行参数的影响（Deore等，2025；Yang等，2025）。从热力学角度来看，翅片可以降低热阻并改善从吸热器表面到盐水的能量传递，从而支持更高的水温和在变化太阳辐射条件下持续的蒸发（Chen等，2026；Srivastava和Sahoo，2026）。

尽管有了这些进展，翅片增强型太阳能蒸馏器的性能和长期适用性仍受结垢、盐垢沉积、腐蚀和材料退化等问题影响，这些问题可能会降低传热效果并增加维护需求（Attia等，2025c；El Hadi Attia等，2025）。先前的综述研究已经确立了翅片在改善太阳能蒸馏器性能方面的重要性，但其研究范围通常仅涵盖翅片增强的特定方面。例如，Mevada等（Mevada等，2020）主要集中于翅片配置参数对太阳能蒸馏器性能的影响，而Akkala和Kaviti（Akkala和Kaviti，2023）则回顾了不同翅片设计的影响。翅片辅助太阳能蒸馏技术的迅速发展随后引入了额外的研究维度，涉及先进翅片材料、中空和PCM填充配置、纳米增强表面、混合增强技术、能量和?性能、经济和环境评估、基于CFD的分析以及人工智能辅助优化。这些发展需要集成评估，而非孤立地考虑翅片几何形状本身。

因此，本综述的目的是系统评估翅片几何形状和尺寸参数、材料选择、运行条件、混合储热与传热技术以及先进计算方法对太阳能蒸馏器性能的相互影响。本综述的独特贡献在于将这些方面整合在一个比较框架内，并结合文献计量分析和人工智能辅助翅片优化的最新发展，以阐明影响翅片增强型太阳能脱盐的主要设计交互作用和局限性。

近期的研究表明，太阳能蒸馏器研究已从单个被动改进逐步发展到更加集成的热管理、可再生能源和数据驱动增强策略。Hammoodi等（A. Hammoodi等，2023）专门考察了金字塔形太阳能蒸馏器的最新进展，重点强调了设计改进、储热材料、芯体、纳米材料和其他提高产量的方法。Hammoodi等（Hammoodi等，2023）的一项相关实验研究评估了金字塔形太阳能蒸馏器中不同芯体材料和反射器的效果，展示了在实际运行条件下蒸发表面改性的重要性。Singh和Samsher（2021a）专注于集成真空管集热器的太阳能脱盐装置，确定了热虹吸辅助配置具有自持能力并适用于偏远地区，因为它们无需外部电源即可运行。随后，他们研究了一种与环形真空管集热器和抛物面太阳能接收器耦合的双斜面太阳能蒸馏器，报告了改进的热虹吸循环、淡水产量、经济性能和环境效益。在另一项实验研究中，Singh（2025）评估了一种配备定向和尖脊反射器的真空管辅助太阳能脱盐与水加热系统。该系统每天产出约12.4 kg淡水，水温最高约99.6°C，热虹吸流量近55 kg/h，同时取得了良好的CO?减排和环境收益指标。最近，Kumar等（2026）批判性地回顾了芯体配置太阳能蒸馏器的优化策略，报告了在被动运行条件下产量提高了15–60%，当芯体系统与集热器、聚光器或储热材料集成时产量提高了超过300%。总体而言，这些研究证实，将优化的蒸发表面与集热器、储热材料、反射器以及经济环境评估相结合，可以显著改善太阳能脱盐性能。然而，它们并未提供对翅片几何形状、尺寸、材料、储热配置、混合增强方法、可持续性指标和人工智能辅助优化的专门集成评估。

Shanmugan等（Shanmugan等，2024）通过回顾光伏集成单斜面太阳能蒸馏器的研究与同时生产淡水与电能的应用，拓宽了能量视角。最近，Al-Betar等（Al-Betar等，2025）将环保型蒸汽生成改进与机器学习预测太阳能蒸馏器性能相结合，展示了数据驱动方法在系统评估与优化中日益增长的作用。这些研究在特定的蒸馏器几何形状、增强机制、可再生能源集成或预测建模方面提供了重要进展；然而，它们并未提供统一的以翅片为核心的评估框架，将翅片几何形状与尺寸参数同材料选择、混合储热与增强方法、热力学行为、经济与环境性能、数值分析以及新兴的人工智能辅助优化联系起来。

表1中的比较表明，现有文献通常沿不同方向发展。先前的综述主要集中于太阳能蒸馏器几何形状、翅片设计参数或可再生能源集成，而实验研究通常针对特定配置下的单个增强技术进行评估。最近的工作引入了机器学习方法来预测太阳能蒸馏器的性能，但这些方法大多针对单个系统改进进行了考察。因此，将翅片几何形状和尺寸参数与翅片材料、储热行为、混合增强机制、热力学性能、经济与环境考量、基于CFD的分析以及新兴的人工智能辅助优化连接起来的综合评估仍然发展不足。本综述通过在一个统一的比较框架中组织这些相互关联的因素来填补这一空白。这种方法使得单个翅片设计的效果和局限性可以与它们的材料、运行、储热、可持续性和计算特性一起被解读，而非作为孤立的增强机制。

本综述的范围集中在翅片作为被动或混合增强元件在太阳能蒸馏系统中的应用。它涵盖了翅片几何形状、高度、厚度或直径、倾斜角、间距、数量、排列方式和材料选择的影响，以及它们与相变材料、芯体结构、纳米材料（Bellila等，2021）、反射器、冷凝器和其他互补增强技术的相互作用。评估还考虑了能量与?性能、经济与环境指标、基于CFD的调查以及新兴的与翅片设计和优化相关的AI辅助方法。仅在提供必要的比较背景或直接与翅片辅助系统集成时，才讨论传统太阳能蒸馏器配置和非翅片增强技术。因此，本综述专注于控制翅片增强型太阳能脱盐的热、几何、材料和系统级因素，而非对所有太阳能蒸馏技术进行全面回顾。

图1显示了通过VOS Viewer软件获得的Scopus数据库中2015至2025年关于翅片增强型太阳能蒸馏器主题的文献计量网络。观察发现，翅片增强型太阳能蒸馏器的研究存在高度的国际合作，印度是实验与设计研究中贡献最多的国家，而埃及和土耳其等国家在翅片增强型太阳能蒸馏器的国际合作方面具有重要地位。作者合作网络显示了参与研究翅片结构、混合增强机制和提高系统热效率的重要研究团队。此外，重要关键词包括"翅片""太阳能蒸馏器""传热""热效率""产量"等，以及其他如翅片结构/材料、纳米流体、PCM集成和基于CFD的优化等关键词。

本综述的创新之处在于建立了一个集成的以翅片为核心的框架，连接了几何设计参数、材料选择、储热集成、混合增强技术、热力学性能、经济与环境考量、基于CFD的评估以及新兴的人工智能辅助优化。与以往主要涉及单个翅片参数、特定翅片设计或特定太阳能蒸馏器配置的综述不同，本工作综合考察了这些因素以阐明它们之间的相互作用和实际设计意义。所得的综合分析为根据预期的热能目标和淡水生产目标选择合适的翅片几何形状、尺寸、材料、排列方式和互补增强技术提供了比较基础。

因此，本次综述主要面向太阳能脱盐与传热强化领域的研究人员、热系统设计师、机械与能源工程师，以及从事被动式或混合式太阳能蒸馏系统开发与评估的专业人士。通过关联实验证据、热力学评估、数值分析与近期优化方法，本综述为设计并评估更节能的翅片强化太阳能脱盐系统提供了结构化的技术基础。

本综述采用结构化方法论，对翅片强化太阳能蒸馏器的现有文献进行识别、评估与综合。通过组合与太阳能蒸馏器、翅片、翅片几何形状、翅片材料、热储存、相变材料、混合强化技术及性能优化等相关关键词检索相关研究。在去除重复及无关记录后，依据综述范围筛选标题和摘要，随后根据技术相关性、性能数据可获得性及来源可追溯性对潜在相关文献全文进行评估。符合条件的实验研究、数值模拟研究、综述及优化研究被保留，其数据按太阳能蒸馏器类型、运行与气候条件、翅片几何形状与材料、淡水产量、能量与?效率、经济性能及环境指标进行分类。提取的研究成果被进行对比分析，以识别性能趋势、设计交互作用、研究局限及未来方向。所采用的综述方法论主要阶段见图2。

章节片段

工作原理与特征
太阳能蒸馏系统的工作原理基于蒸发与冷凝，即盐水在太阳能作用下被加热，通过相变转化为淡水。传统太阳能蒸馏器主要由盐水池、透明玻璃盖、冷凝水收集槽、热绝缘层及进/出水口组成，如图3所示。太阳辐射透过玻璃盖，加热池体及盐水，从而提升水温。

太阳能蒸馏器基础
翅片辅助太阳能蒸馏系统的热经济评估是衡量性能提升与经济考量之间关系的重要因素。尽管翅片可提高太阳能蒸馏器的热效率与淡水产出能力，但有必要了解这些收益能否弥补所涉及的成本。因此，热经济评估在其分析中综合考虑热性能参数与经济因素（Dhivagar等，2026年）。

翅片几何形状对太阳能蒸馏器性能的影响
翅片的几何形状在决定太阳能蒸馏器的传热传质增强方面起重要作用。将翅片与吸热池整合是一种被动的强化传热技术，有助于增加吸热面与盐水之间的热量传递。翅片的设计与形状直接影响翅片材料内部的热传导、翅片与池水之间的热对流，并最终影响蒸发区的温度分布。

翅片材料性能对太阳能蒸馏器性能的影响
太阳能蒸馏器中翅片材料的选择在决定热性能与淡水产量方面起着关键作用。导热系数高的材料能增强吸热池与盐水之间的传热，促进快速加热水温，加强蒸发，并改善蒸馏器内部的热分布。然而，翅片材料的有效性不仅受其导热系数影响，还受耐腐蚀性等因素的影响。

具有增强材料的混合翅片
翅片与相变材料（PCM）的结合是近年来取得显著进展的新思路之一，有助于提高太阳能蒸馏器的效率，同时克服其两大主要问题：淡水生产效率低和热保持能力差。翅片的作用是增加吸热面与池水之间的传热面积，从而提高热量传递速率。另一方面，相变材料作为热能储存介质。

人工智能在翅片优化中的应用
翅片构型的日益复杂化以及混合太阳能蒸馏系统的发展，使得采用先进的优化技术成为必要。传统实验与数值方法虽然有效，但往往耗时且难以探索多参数设计空间。在此背景下，人工智能（AI）已成为优化翅片几何形状、分布及其与其他材料整合的强大工具，能够显著改善热性能。

结论
本系统综述批判性地评估了利用翅片增强太阳能蒸馏器性能的应用，考虑了翅片几何形状、尺寸、间距、倾角、材料性能、热储存整合、混合强化技术、热力学性能、经济与环境指标，以及新兴的AI辅助优化方法。与以往分别研究个别翅片参数或强化技术的综述不同，本综述提供了集成的视角。

研究范围、概述与局限
本综述批判性地评估了翅片辅助太阳能蒸馏器，考虑了翅片几何形状、尺寸、间距、排列、材料、热储存整合、混合强化技术及数值或AI辅助优化方法。现有证据表明，翅片可以改善吸热面与盐水之间的传热，从而提高蒸发率与淡水产量。然而，改善程度取决于翅片设计与材料之间的相互作用。

对未来研究的建议
所综述的文献确定了若干需要解决的研究需求，以推动翅片强化太阳能蒸馏器从实验室规模的性能改善迈向可靠且可扩展的脱盐系统。
- 翅片构型的标准化评估：未来的对比实验应在相同的池体尺寸、水深、气候条件和性能指标下，评估不同的翅片几何形状、高度、厚度、间距、倾角及数量。

符号说明

符号 | 定义 | 单位
--- | --- | ---
Ab | 吸热面/池体面积 | m2
Ag | 玻璃盖面积 | m2
Asb | 在相应能量平衡中使用的池体/传热表面积 | m2
C | 太阳能蒸馏器初始资本成本 | $
Cp | 比热容 | J kg?1 K?1
?x | ?流率 | W
?xdest | ?破坏速率 | W
?xev | 有效蒸发?流率 | W
?xins | 通过绝缘层的?损失率 | W
?xloss | 总?损失率 | W
?xsun | 太阳能?输入速率 | W
Eemb | 太阳能蒸馏器组件的隐含能耗 | kWh
Eout | 有效能量输出 | kWh
hb | 池体传热系数 | W m?2 K?1

CRediT作者贡献声明
Mohamed Koraiem M. Handawy：写作——审阅与编辑、方法论、概念化。Moataz M. Abdel-Aziz：写作——初稿撰写、数据管理、概念化。M.A. Elazab：写作——审阅与编辑、可视化、监督、软件。K. Harby：写作——初稿撰写、监督、方法论。Mohamed Benghanem：写作——审阅与编辑、方法论、调查、形式分析。Moustafa M. Aboelmaaref：写作——审阅与编辑、可视化、调查、形式分析。

伦理批准
作者声明所提交的稿件为原创。他们确认本综述研究在道德上合规，且研究最终形式已获所有作者一致同意。

同意参与
作者同意参与本研究。

利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢
作者感谢沙特阿拉伯麦地那伊斯兰大学科学研究办公室对本研究工作的资助。

本文系沙特阿拉伯研发创新局（RDIA）资助的科研项目，项目编号为12979-iau-2023-TAU-R-3-1-EI-。

作者：Mohamed Koraiem M. Handawy | Moataz M. Abdel-Aziz | M.A. Elazab | K. Harby | Mohamed Benghanem | Moustafa M. Aboelmaaref