综述：太阳能驱动的海水淡化技术用于可持续淡水生产：现代改进措施与技术经济分析综述

《Inorganic Chemistry Communications》：Solar-driven desalination for sustainable freshwater production: A review of modern enhancements and techno-economic insights

　　曼祖尔·埃拉希 M. 苏达加尔|高拉夫·巴拉德瓦吉|比纳亚克·帕塔纳亚克|V. 桑迪普|V. 莫汉纳维尔|S. 拉梅什|N.A. 阿布·奥斯曼|阿拉加尔·卡蒂克|马尼卡姆·拉维昌德兰中国浙江省丽水市丽水大学工程学院，邮编323000

摘要：淡水资源的短缺使得全球对可持续海水淡化技术的需求不断增加，尤其是在偏远和干旱地区。直接太阳能海水淡化系统通过利用太阳辐射进行蒸发-冷凝过程，提供了一种节能且成本效益高的解决方案。本文全面评估了被动式和主动式太阳能蒸馏器的最新进展，包括双斜面、单斜面、半球形、管状、吸液芯型以及多池设计。文中还详细分析了涉及反射器、聚光器、外部冷凝器、储热材料、吸液芯结构以及创新吸收器几何形状的设计改进。此外，还重点探讨了相变材料的添加、纳米增强型相变材料、纳米流体以及能够提升热导率、有效能效率及夜间工作效率的混合吸收方法。文章还涵盖了基于机器学习的性能预测、技术经济评估以及环境影响分析。研究表明，通过结合几何优化、基于纳米颗粒的热管理以及混合式太阳能集热器，根据不同配置，淡水产量可提高50–600%。文中还指出了当前研究中的不足之处以及未来发展的方向，为新一代太阳能海水淡化系统的研发提供参考。

引言：在阳光充足的地区，太阳能海水淡化一直是解决淡水短缺问题的有效手段，这也推动了相关技术的不断发展与性能评估。有研究者[1]研究了一种结合线性菲涅耳集热器和储热装置的太阳能多级闪蒸海水淡化系统，该系统在90℃条件下仍能保持稳定性能，且能够以经济可行的方式为分散区域提供淡水。另有研究者[2]利用机器学习模型预测伊朗地区太阳能蒸馏器的性能，发现线性回归法是最适合捕捉受太阳辐射强度影响的特定地点参数的方法。还有研究建立了仿真框架，用于优化集成微燃气轮机和MED装置的太阳能热电联产系统中的能源和水资源产出，结果表明在夏季，当太阳能占比达到33%时，系统产出会有所提升[3]。通过机器学习进行优化后，系统性能得到进一步提升，研究表明混合ANN-ICA和EANN模型能够准确预测太阳能海水淡化系统的淡水产量，并显著降低水的总溶解固体含量[4]。除此之外，还有研究者通过对单斜面太阳能蒸馏器进行CFD分析，验证了其简单的设计、2升/平方米/天的产出率，以及38°倾角下的最佳性能[5]。这些研究共同体现了技术在进步、计算优化正在取得成效，同时太阳能驱动的海水淡化技术也越来越具有实用性。

作为解决偏远干旱地区日益严重的淡水短缺问题的可持续方案，太阳能海水淡化具有诸多优势。有研究者强调了混合式太阳能海水淡化系统在结构和功能上的优点，指出其运行安静、具有经济可行性，还能通过利用废热提升效率[6]。借助技术进步，将热电模块引入太阳能蒸馏器中，可通过高效冷却显著提升冷凝效果，从而使淡水产量提高多达35%，为水资源匮乏的地区提供了可行的替代方案[7]。后续对材料组成的改进表明，在池式太阳能蒸馏器中加入镀铜海绵块，可显著提升蒸发和热量传递效率，使蒸馏水产出量从1.3千克/天增加到2.35千克/天，效率可达60%[8]。在热管理方面，通过研究相变材料的添加以及水池水深对性能的影响，发现月桂酸和石蜡-氧化铜复合材料能够在保持最佳温度条件的同时提升蒸馏水产量，其中淡水浓度在20毫米深度处达到最高值[9]。除了系统设计之外，要实现成功应用，还需要选择合适的地点，为此有研究者开发了GIS-MCE评估模型，该模型整合了环境、人口统计和气候参数，用于确定土耳其沿海地区适合建设太阳能海水淡化系统的地点[10]。最优选址是基于太阳辐射条件以及人口发展趋势来确定的，这凸显了在推进太阳能海水淡化应用时进行空间规划的重要性。还有研究对带有热泵的太阳能蒸馏器进行了建模，并运用五种机器学习回归模型来预测其产量、有效能以及热效率。更大的训练数据集提升了所有模型的预测精度，其中“额外树”回归模型的表现最为出色，其在所有预测参数上的均方误差最低[11]。纳米流体能够显著提升太阳能蒸馏器中的热导率和吸收能力，从而提高蒸发效率和淡水产量。碳量子点可使产量提高57.9%，而Al?O?、TiO?、CuO和MWCNT纳米流体则能使产量提高4–12%。此外，这种技术还能降低主动式太阳能蒸馏器中的泵送功率[12]。有一种混合系统通过抛物面槽式集热器和地下管道，将太阳能蒸发与地下冷凝相结合。实验室测试表明，根据蒸汽温度和流速的不同，该系统的生产速率可高达740毫升/小时，其产量为90升/平方米/天，优于传统的蒸馏器以及HDH装置[13]。将池式蒸馏器与冷凝室以及平板集热器相结合，可显著提升水温及蒸馏水产量。仅采用集热器就能使产量提高110%，而同时采用这两种改进措施，则可使产量提高176%。该装置能够从盐度较高的原水中制备出高品质的蒸馏水[14]。一种结合了复合抛物面聚光器的太阳能蒸馏器，其年度有效能效率比基于ETC的系统高36.51%，每日有效能效率则高30.81%。其淡水产量可提高16.81%，同时在利率较低的情况下，成本也会略有上升。提高浓缩比还能进一步降低生产成本[15]。这项研究评估了在新德里气候条件下，使用Al?O?纳米流体以及N-identical PVTCPC集热器的双斜面海水淡化装置的年度能耗、环境经济性能以及经济性能。15年间，水的价格在每千克1.25卢比到1.79卢比之间波动，不过随着系统使用年限的增加，二氧化碳减排量和碳信用额也会相应增加。所研究的系统相比之前的装置，其在能耗、产量以及生产效率方面均有7–9%的提升[16]。有一种反向辐射吸收式太阳能集热器，它采用了5–10纳米级的银纳米流体，并与主动式太阳能蒸馏器结合使用，用以解决生产效率低的问题。增加银的质量负荷（0.4毫克/升）可提升最佳温度并提高热效率。RI-DASC技术无需管道，相较于被动式蒸馏器，能大幅提升淡水产量[17]。有研究者利用来自不同类型太阳能蒸馏器的历史数据，构建了监督式机器学习模型，用于预测双斜面系统的生产效率。水池/玻璃温度与蒸馏水产量之间存在良好的关联，这使得预测更为精准。SEGPR（R2=1）和FGSVM等模型降低了均方根误差，表明它们能够为类似的海水淡化系统提供可靠的性能预测[18]。这篇综述研究了通过串联真空管集热器来增强太阳能蒸馏器性能，从而优化蒸发和淡水产量。系统的生产效率取决于热传递速率、太阳辐射强度、倾斜角度以及经过纳米粒子改良的工作流体。该研究总结了关于自由循环和强制循环模式下操作温度、产量变化以及有效能/能量效率等方面的关键信息[19]。数值模拟研究了加入了相变材料以及改进了吸收器几何结构的被动式和主动式单斜面蒸馏器。矩形波纹状吸收器可使被动式蒸馏器的产量提高多达109%，而PTC耦合的主动式装置则可使产量提高549–611%。矩形吸收器适用于住宅用途，而集成PTC技术的装置则更适合大规模的淡水生产需求[20]。有研究使用单池式太阳能蒸馏器对尼日利亚地区的河水、地下水、降水以及污染严重的水进行净化处理。所有检测样本的蒸馏水质量，无论是从总溶解固体还是电导率指标来看，都符合世界卫生组织规定的饮用水标准。这些研究结果表明，这是一种经济且适合在偏远地区使用的海水淡化技术，有助于减少水源性疾病的发生[21]。有研究在托查尔海拔3964米和德黑兰海拔1171米两个不同高度地点进行了实验，评估了主动式和被动式太阳能蒸馏器的有效能、热量传递、环境以及经济方面的性能。较高的海拔有助于提升有效能效率以及蒸发性能，而从经济角度来看，由于德黑兰地区的年度运行天数更长，因此水费相对更低。主动式系统的二氧化碳减排效果更好，但热量传递系数会因海拔和系统配置的不同而出现较大差异[22]。

尽管直接太阳能海水淡化系统在设计和材料方面取得了诸多进步，但由于测试条件不一致，以及气候、运行方式和几何结构等方面的差异，现有研究难以进行有意义的比较。大多数复杂的改进措施，如纳米流体、吸液芯结构以及混合式集热器辅助设计，目前都仅通过短期测试进行评估，因此人们对它们的长期稳定性、污垢积累、性能衰退或维护需求了解有限。虽然机器学习方法在性能预测方面具有潜力，但目前还缺乏在不同地区以及不同季节条件下的验证。此外，技术经济评估和环境评估的结果也往往不一致，这给客观评估成本效益带来了困难。因此，迫切需要建立标准的评估方法，开展更长时间的实地研究，并设计出可扩展的混合式系统，以便为下一代高效太阳能海水淡化系统的研发提供依据。

本综述通过系统地整合以往研究中通常被单独考虑的多个维度，为太阳能驱动的海水淡化技术提供了全面而综合的分析视角。与以往主要关注系统设计或材料改进等单一方面的综述不同，本研究同时评估了设计改进、纳米材料的应用、相变材料的使用、混合式系统配置以及基于机器学习的性能预测技术。除了对热性能和生产效率进行分析外，该综述还纳入了有效能、环境以及技术经济方面的评估，从而更全面地了解系统的整体效率。此外，该研究还对不同运行条件和气候环境下被动式、主动式以及混合式太阳能海水淡化系统进行了对比分析，以确定最优的系统配置。研究还指出了当前存在的若干关键研究缺口，包括缺乏长期实验验证、可扩展性分析不足，以及缺乏标准的测试方法。对各类已被研究的太阳能海水淡化技术进行比较后发现，其性能会因系统配置、运行条件以及改进策略的不同而存在显著差异。具体能耗、淡水产量、热效率、有效能效率以及每升水的成本被确定为用于比较的关键性能指标。那些整合了相变材料、纳米流体、太阳能集热器以及混合式储热装置的系统，通常比传统的太阳能蒸馏器具有更高的生产效率和热性能。不过，由于这些研究结果往往是在不同的气候条件、太阳辐射强度、水池水深以及原水盐度下获得的，因此很难直接进行比较。此外，尽管有一些研究显示淡水产量有了显著提升，但却很少有人关注系统的长期运行稳定性、材料降解情况、污垢形成规律以及维护需求。在许多研究中，也未能充分探讨这些系统在试点或商业规模上的可扩展性以及实际应用前景。由于在系统使用寿命、资本投资、维护成本以及当地能源价格等方面的假设不同，各项经济评估的结果也存在很大差异。因此，未来的研究应采用标准的测试流程以及全面的技术经济评估方法，这样才能实现更可靠的比较，从而推动先进太阳能海水淡化系统的大规模应用。这些综合性的分析观点使得本综述有别于以往的研究成果，也为下一代太阳能海水淡化技术的发展提供了具有前瞻性的框架。虽然纳米流体、相变材料、吸液芯结构以及混合式系统等改进技术可以通过提升热传递效率和储热能力来改善太阳能海水淡化系统的性能，但它们的实际效果往往会受到稳定性问题、运行复杂性、成本以及可扩展性等因素的限制。此外，不同的气候条件以及不同的实验方法也会导致研究结果出现矛盾，这就更加凸显了建立标准化测试流程以及进行长期性能评估的必要性。在多个领域已经开展了多项研究；然而，仍有机会通过创新性的头脑风暴来开发出适合家庭使用的、紧凑、低成本且高效的太阳能光伏系统，以满足核心家庭的需求。以下建议可能有助于未来对太阳能蒸馏装置的研究、改进和优化。•安装大面积的吸热面对于实际应用至关重要。太阳能海水淡化技术在各种现实应用中展现出巨大的应用潜力。这些系统特别适用于那些难以获得集中式水处理和电力基础设施的偏远和农村地区，能够提供离网解决方案，并以较低成本生产饮用水。此外，在灾难救援和紧急情况下，太阳能蒸馏装置也能有效发挥作用，确保人们能够立即获得清洁的水源。结论•太阳能海水淡化系统为淡水生产提供了解决方案，其生产效率根据系统配置和改进措施的不同，可从50%提高至600%。•通过设计上的改进，如添加反射器、翅片和外部冷凝器，可因提高蒸发率和热传递效率而使淡水产量增加约20–120%。•引入纳米材料（如Al?O?、TiO?、CuO、CNTs）可根据具体情况使系统的热导率及生产效率提高4–57.9%。CRediT作者贡献声明Manzoore Elahi M. Soudagar：撰写——初稿，研究工作。Gaurav Bharadwaj：撰写——初稿，概念设计。Binayak Pattanayak：撰写——初稿，数据整理。V. Sandeep：撰写——审阅与编辑，正式分析。V. Mohanavel：撰写——审阅与编辑，监督工作。S. Ramesh：撰写——审阅与编辑，监督工作。N.A. Abu Osman：撰写——审阅与编辑，监督工作。Alagar Karthick：可视化处理，验证工作。Manickam Ravichandran：撰写——审阅与利益冲突声明。作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。Manickam Ravichandran（通讯作者）目前是印度泰米尔纳德邦特里奇市K.拉马克里希南工程学院（独立学院）机械工程系的教授。他曾在印度蒂鲁奇拉帕利市的巴拉蒂达桑大学获得机械工程学士学位，后在印度泰米尔纳德邦坦焦尔的SASTRA大学获得先进制造专业硕士学位，最终在安娜大学机械工程系获得博士学位。