一种优化型太阳能蒸馏器的数值评估：该蒸馏器结合了相变材料（PCM）、纳米颗粒和金属泡沫，并采用了基于反射器的光学增强技术

《Renewable Energy》：Numerical Assessment of an Optimized Solar Still Integrating PCM, Nanoparticles, and Metal Foam with Reflector-Based Optical Enhancement

单斜面太阳能蒸馏器通过集成相变材料、纳米颗粒、金属泡沫及优化外置反射器角度，显著提升水生产率。数值模拟显示，最佳反射器倾角组合（62.74°和71.25°）使太阳能集热效率提高54.85%，PCM层液态分数分别因纳米颗粒和反射器优化增加16.09%和19.52%。熔化时间从常规6220秒缩短至5250秒，产水量达0.095 kg/m2，较传统系统提升近7倍。

　　

M. Sheikholeslami|S.A.H. Hussein

伊朗伊斯兰共和国巴博尔诺希尔瓦尼技术大学机械工程系，巴博尔

摘要

本研究对一种新型单坡太阳能蒸馏器进行了详细的计算分析，该蒸馏器通过集成多种性能提升技术得到了改进，包括相变材料（PCM）、氧化铜（CuO）纳米颗粒、铜金属泡沫以及外部设置的光学反射器。设计了六种不同的系统配置，并使用ANSYS FLUENT软件通过物种混合方法进行了模拟。PCM的热物理特性和反射器引起的热流的空间分布是通过用户定义函数（UDFs）实现的。反射器系统的光学分析使用了SolTrace软件，反射器角度也经过了优化。优化结果表明，为了在集水池表面实现最大的太阳能集中，左侧和右侧反射器的最佳倾斜角度分别为62.74°和71.25°。该数值框架通过两个不同的实验数据集进行了验证。研究结果表明，使用反射器和纳米颗粒分别使PCM的液态分数提高了19.52%和16.09%。添加树形散热片、金属泡沫和纳米颗粒显著加速了PCM的熔化过程，将完全熔化时间缩短至6220秒，而在使用反射器的情况下进一步缩短至5250秒。淡水产量对光学改进最为敏感；与基线配置相比，集成反射器的系统使产量提高了54.85%，在PCM + 反射器的设置中达到了0.095 kg/m2——几乎是未使用反射器的纳米颗粒–金属泡沫情况的七倍。

引言

水资源短缺仍然是一个全球性的严峻挑战，而太阳能蒸馏器（SS）提供了一种环保的海水淡化解决方案，但其实际应用常常受到低产量和弱热储存能力的限制。为了克服这些限制，引入了相变材料（PCMs）来储存多余的热量，从而延长运行时间至日光照射之外。同时，外部反射器已被证明可以通过集中辐射到吸收器表面来增强太阳能输入，因此反射器角度的优化成为系统性能的关键因素。在PCM中使用纳米颗粒和多孔金属泡沫可以增强导热模式。因此，优化反射器、先进PCM配方和热传递增强技术的综合使用对于开发能够满足不断增长的淡水需求的可持续SS至关重要[1]、[2]。

Sonker等人[1]使用COMSOL进行了研究，评估了三种配置：结合PCM的SS（SSPCM）、简单的太阳能蒸馏器（SSS）以及结合纳米颗粒的SS（SSNPCM）。对于SSNPCM系统，实验测量的热传递系数分别为33.57（蒸发）、2.7（传导）和3.85 W/(m2·K)（辐射），与模拟值32.05、2.2和3.6 W/m2·K非常接近。Aftiss等人[2]进行了数值研究，比较了传统SS、带有固定PCM层的SS（SSP）以及带有动态PCM层的SS（SSPM）。SSPM配置的表现最佳，实现了最高的淡水产量6.04 kg/(m2·day)。此外，其能量和熵效率分别为62.11%和5.31%。Bhattacharyya等人[3]使用ANSYS FLUENT进行了数值研究，评估了五种不同PCM的熔化特性，以改进太阳能蒸馏器的性能。其中，Fe?O?增强型PCM表现出最佳效果，在5000秒内实现了完全熔化。Shanmugaraja和Vivekanandan[4]开发了一个增强了石蜡的SS的3D模型，并通过MATLAB模拟验证了他们的发现。AbdelMeguid[5]开发了一个适应季节变化的SS模型，该模型针对极端昼夜气候进行了优化。他们的优化系统在冬季使用C18石蜡时产量提高了35%，在夏季使用C52–54石蜡时产量提高了3.64 kg/m2·day。Dubey和Arora[6]研究了一种结合PCM和真空管集热器的混合SS，在有石蜡的情况下夏季产量达到了5.016 kg/m2。

Kabeel等人[7]研究了装有石蜡砖的圆锥形太阳能蒸馏器。这种PCM增强型系统实现了每天6.15 L/m2的最大产量，比传统系统的3.95 L/m2提高了55.7%。Ben Khedher等人[8]通过结合集热器和金属泡沫，使太阳能蒸馏器的效率达到了74.11%，使两天的淡水产量从0.89 kg/m2提高到了0.93 kg/m2。Hulwan等人[9]通过加入菲涅尔透镜和内部冷凝器提升了单坡SS的性能，从而显著提高了热效率和蒸馏水量。Munimathan等人[10]表明，在太阳能蒸馏器中添加铜（Cu）和碳化硅（SiC）纳米颗粒显著提高了热性能，热效率提高了约68.29%，淡水产量提高了60.37%。Ibrahim等人[11]设计了一种四倾斜单池太阳能蒸馏器（SBSS），并通过数值模拟和实验测试验证了其性能，结果显示累积产量仅偏差11%。他们优化的配置具有10毫米的水深和部分底部绝缘，12小时运行时间内每0.6平方米面积的产量为3升。Kazaz和Abu-Nada[12]设计了一种先进的太阳能淡化系统，其中ZnO@Cu增强了蒸发速率，由于其出色的光-物质相互作用能力，蒸发速率提高了331.43%。Attia等人[13]表明，在太阳能蒸馏器中加入新型散热片可使产量提高多达61.46%。Kamesh等人[14]对比研究了结合PCM和混凝土块（CB）的太阳能蒸馏器，发现混凝土块使每日淡水产量提高了43.1%，超过了PCM单独使用的28%的改进效果。McLuret等人[15]研究了集成物联网的阶梯式集水池SS的优化，热效率达到了78.05%。Mohtasim等人[16]研究了结合太阳能板和PCM的SS，实现了每天4.109 L/m2的最大产量。Awad等人[17]研究了在户外条件下运行的改进型SS，发现使用低成本热添加剂后每升成本从0.81美元降至0.051美元。Choubani[18]研究了结合金字塔形SS和盐梯度太阳能池的系统，热效率提高了19%，产量提高了30%。Dhaoui[19]研究了圆柱形散热片对双坡SS效率的影响，发现散热片的集成使水温提高了近14%，能量效率提高了71%。Alhadri[20]研究了结合石蜡和外部集中器的阶梯式SS，证明该设计使热效率提高了约2.47倍，同时将每升成本降至0.007美元。Patel[21]研究了结合各种PCM容器的SS，证明改进后的设计使每升成本降至0.0152美元。

以往关于单坡太阳能蒸馏器的文章主要关注单独的增强技术——如反射器、相变材料、纳米颗粒或多孔介质——而没有充分考虑它们的综合效果。因此，光学和热性能改进之间的潜在协同作用尚未得到充分探索。此外，早期研究中的反射器角度通常是经验选择的，缺乏系统的光学优化。同样，尽管NEPCMs和金属泡沫已经分别进行了研究，但它们在集水池底部的集成使用尚未得到彻底研究。本研究通过结合光学优化的侧反射器、嵌入铜泡沫的高导热NEPCM以及树形散热片来增强向盐水的热传递，从而解决了这些问题。通过耦合的光学和CFD模拟，本文展示了这些互补策略如何共同增强热储存能力，并实现日光照射之外的持续淡水生产。

部分摘录

改进型太阳能蒸馏器：问题表述与建模

基础配置包括PCM层、金属泡沫和CuO纳米颗粒、树形铜散热片以及侧反射器，以增加太阳能输入（见图1和图2）。PCM放置在集水池下方，与盐水隔离，避免了泡沫结构内的污染和盐分沉积。在集水池内部，装有树形散热片的铜板促进了浅水层中的高效热分布，从而促进了持续的蒸发过程。

结果与讨论

本研究通过数值设计和分析了一种改进型SS，以增强淡水产量。研究了三种主要的增强策略：侧装太阳能反射器、NEPCM和多孔金属泡沫。首先使用SolTrace进行光学模拟来模拟太阳反射，然后通过基于Python的优化过程确定最大化集水池热流的反射器角度。随后将得到的非均匀热流应用于ANSYS FLUENT软件中。共设计了六种配置

结论

当前的研究通过数值方法研究了一种改进型太阳能蒸馏器，旨在克服传统设计的低产量限制。所提出的系统集成了多种增强策略，包括光学优化的侧反射器、嵌入集水池底部的NEPCM层以及在盐水区安装的树形散热片，以改善热分布。使用SolTrace进行的光学模拟结合了高斯过程

CRediT作者贡献声明

S.A.H. Hussein：撰写——原始草稿、可视化、验证、概念化。M. Sheikholeslami：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、验证、监督、软件、方法论、研究、概念化

未引用的参考文献

[22], [23]。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。