《Desalination》：Performance enhancement of a solar desalination system using thermal energy storage and Fresnel lens concentration
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本研究设计了一种集成隐热能存储（TES）和光学聚光（Fresnel透镜）的单斜面太阳能蒸馏器，在马来西亚热带条件下验证其性能。通过优化33cm Fresnel透镜与铝废料增强的相变材料（PCM），系统在30,000ppm盐度下实现日产水3.30kg/m2，热效率35.34%，成本仅0.004美元/(kg·m2)，并有效脱盐至WHO标准以下。研究揭示了光学聚焦与TES协同对提高产水率（达传统系统2.8倍）及经济性的关键作用。
Jia Hui Tan | Rubina Bahar | Hieng Kiat Jun | Foon Siang Low | Chai Yan Ng
马来西亚森美兰州加央市双溪龙镇，敦姑阿都拉曼大学李康坚工程与科学学院机械与材料工程系，邮编43000
摘要
太阳能海水淡化是一种可行的分散式淡水生产方式；然而，传统的太阳能蒸馏器受到低蒸馏产率和对瞬时太阳辐射依赖性强的限制。因此，提高蒸发强度和保持热能可用性对于提升淡化性能至关重要。本研究通过实验探讨了一种结合潜热储能（TES）和光学聚光的被动单坡面太阳能蒸馏器，在热带条件下提高淡水产量。使用不同聚光比的菲涅尔透镜作为低成本聚光器，同时采用添加了Al?O?、Cu纳米颗粒和废铝等导电剂的石蜡基相变材料（PCM）来改善热储能性能。通过室内和室外实验系统评估了菲涅尔透镜尺寸和PCM增强效果对水池温度、蒸发速率及蒸馏产率的影响。优化后的配置（包含33厘米菲涅尔透镜和经过废铝增强的PCM）在进水盐度为30,000 ppm的情况下，实现了每天3.30公斤/m2的淡水产量、2.34克/千焦/平方米的生产效率以及35.34%的热效率。当进水盐度在10,000至30,000 ppm之间变化时，淡水产量呈现随盐度增加而减少的趋势。生产出的水中总溶解固体含量远低于世界卫生组织规定的500 ppm的饮用水标准，证明了有效的盐分去除效果。经济分析表明，其淡水生产成本极低，仅为0.004美元/公斤·平方米，优于许多先前报道的太阳能蒸馏器配置。研究结果证实，将TES与光学聚光结合是提高被动太阳能淡化系统的生产效率、水质和经济可行性的有效方法。
引言
可再生能源技术是应对气候变化和实现碳中和目标的关键。然而，太阳能和风能等可再生资源的间歇性给能源系统的可靠性和大规模应用带来了重大挑战。
太阳能驱动的海水淡化技术在能源与水资源的交叉领域具有关键作用。人口快速增长、气候变化以及淡水资源的日益稀缺加剧了对可持续海水淡化解决方案的需求，尤其是在干旱和偏远地区。传统海水淡化技术能耗高且严重依赖化石燃料。当太阳能热淡化与热能储能（TES）结合时，尽管太阳辐射具有间歇性，仍能实现连续的淡水生产，TES常被称为“热电池”。[1] TES通过储存多余的热能以实现能源供应与需求的时间解耦。TES技术主要分为显热储能、利用相变材料（PCM）的潜热储能和热化学储能[2]。其中，基于PCM的潜热储能因其高能量密度和近乎等温的操作特性而受到越来越多的关注[3]，特别适合与太阳能热系统集成。根据Maghrabie等人的研究[4]，PCM主要分为有机型、无机型和共晶型三种。每种类型的PCM都有其优缺点；例如，有机PCM无毒且化学性质稳定，但导热性通常较低。
近年来，关于TES辅助的太阳能淡化系统的研究日益增多[5][6]。Al-harahsheh等人的研究[7]中，一种太阳能淡化系统使用非有机PCM在白天产水量约为4.3升/平方米，而在日落时产水量降至1.72升/平方米。尽管有机PCM（如石蜡）的总体导热性低于无机盐基PCM[8]，但由于其优异的耐腐蚀性和材料兼容性，它们在太阳能淡化应用中仍具有吸引力[9]。此外，石蜡还具有高潜热容量，能在相对较小的体积内储存大量热量，这对需要长期温度调节的过程特别有利，因为它允许高效地储存和释放能量，且温度波动小。石蜡化学性质稳定、无毒且成本低廉，适用于多种实际应用[10]。为克服低导热性问题，研究人员开发了高导电性纳米颗粒增强复合材料等先进PCM[11][12]。虽然这些先进纳米材料具有优异的热学和光学性能，但其经济可行性和大规模应用仍面临挑战，尤其是在资源有限的偏远地区。从实际和可持续性的角度来看，使用这类高价值纳米材料可能会限制太阳能淡化系统的可扩展性和实际部署。尽管取得了这些进展，但系统级集成问题仍未能得到充分解决。最近的研究表明，石蜡与低成本废铝结合使用可显著提高生产效率，其产水量是传统蒸馏器的2.8倍，性能可与使用更昂贵的Al?O?纳米颗粒的系统相媲美[15]，但该研究仅限于室内实验。
除了储存热能外，利用阳光在像马来西亚这样的热带国家进行集中也是利用分散太阳辐射的一种可行方法。在阳光充足的干旱地区，人们还取得了在抛物面槽和菲涅尔透镜等光学聚光技术方面的进展[16][17][18]。
菲涅尔透镜在热带地区的太阳能淡化应用尚未得到广泛研究，目前相关研究较少[19][20][21][22]。据作者所知，尽管菲涅尔透镜已用于之前的太阳能热应用中，但其聚光比尚未在太阳能蒸馏器设计中作为独立参数进行探讨。现有文献主要集中在组件层面的改进，如提高PCM内的热传递效率或优化聚光器几何形状。然而，很少有研究系统地考察在实际运行条件下光学聚光、热储能和淡化子系统之间的耦合行为。太阳热供应、TES充放电动态与淡化负荷之间的不匹配常常被忽视，限制了这些系统的实际可扩展性。
此外，尽管菲涅尔透镜具有低成本、轻质结构和高聚光比等优点，但其在太阳能淡化应用中与潜热储能的结合尚未得到系统研究。与热稳定性、纳米颗粒分散性和经济可行性相关的问题往往被孤立讨论，而非在一个统一的框架内解决。这种碎片化阻碍了实验室成果向可支持高可再生能源渗透率的实际系统的转化。
因此，需要一个全面的基础设施来综合热能储能辅助的太阳能淡化系统的最新进展，特别关注经济高效的潜热储能和光学聚光策略。本文旨在从整体角度分析材料、系统配置和集成挑战，以填补现有研究空白。
在本研究中，首先对与太阳能淡化相关的热能储能技术进行了分类和比较。随后重点研究了基于菲涅尔透镜的光学聚光效果，通过改变焦距和孔径面积来调整聚光比（CR）。接着评估了包括纳米颗粒增强复合材料在内的先进相变材料的热性能、稳定性和可扩展性。测试了不同盐度的进水，以观察太阳能蒸馏器的性能。通过比较低成本、易获得的材料与常用纳米颗粒，本研究旨在展示一种适用于热带地区实际部署的经济可持续且高效的太阳能淡化系统路径。最后，提出了实际尺寸原型和经济效益的研究方向，以指导基于TES的太阳能淡化系统的发展，以实现可再生能源的高渗透率。
材料与方法
本节主要关注实验开发，因为本研究以实验为主。同时，也会讨论一些确定性能指标（如生产效率和效率）的必要方程。
结果
本研究的结果来自在马来西亚森美兰州双溪龙研究地点（北纬3.039615°，东经101.793983°）进行的室内和室外实验。室内实验在太阳能模拟器下进行，持续时间为三小时，以比较不同导电颗粒增强PCM和菲涅尔透镜的组合。室外实验在自然太阳光照条件下进行，持续时间为九小时（09:00–18:00）。
结论
本研究系统地研究了通过结合菲涅尔透镜和基于相变材料（PCM）的热能储能（TES）来提升单坡面太阳能蒸馏器的性能，研究了不同盐度条件下的效果。研究包括室内筛选实验以确定最佳PCM，随后进行菲涅尔透镜选择、PCM比较、盐度影响以及最终原型验证的参数研究。以下是本研究的主要发现：
关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在撰写本文期间，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来辅助语言编辑、句子重构以及提高文本的清晰度和可读性。使用该工具/服务后，作者对内容进行了审查和必要的修改，并对发表文章的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了马来西亚高等教育部（MoHE）通过基础研究基金计划（FRGS/1/2021/TK0/UTAR/02/13）的资助。作者衷心感谢高等教育部提供的设备、研究材料和人力资源支持。同时，也感谢敦姑阿都拉曼大学李康坚工程与科学学院提供的实验室设施。
