摘要
淡水短缺仍是21世纪最紧迫的人道主义和环境挑战之一，这促使人们迫切需要采用分散式、低能耗的净化技术。在被动式太阳能海水淡化系统中，太阳能蒸馏器一直备受研究关注；然而，其较低的蒸馏效率长期以来限制了其实际应用。垂直导流管集成技术——包括传统的垂直导流管太阳能蒸馏器以及更先进的垂直波纹导流管太阳能蒸馏器——作为一种创新的设计策略，能够同时增大蒸发表面积，利用毛细作用输送进水，并将预加热的盐水引入主蒸馏器，形成协同的热效应。本综述对10项实验研究进行了深入分析，这些研究涵盖了8种不同的蒸馏器结构：传统型、螺旋型、金字塔型、阶梯型、托盘型、半球形、球形、管状和凹面型，每种结构都配备了垂直导流管子系统，同时还评估了银纳米粒子增强相变材料、波纹吸热器、内部反射器、加长鳍片以及磁场应用等辅助改进措施的效果。研究结果十分显著：采用垂直波纹导流管集成技术的蒸馏器性能始终优于传统类型，其中经过全面优化的凹面型垂直波纹导流管-银纳米粒子相变材料系统，其每日最大产水量可达13,650毫升/平方米/天，比传统系统高出326%，而且其热效率高达76.4%，是所有研究中最高的。即便是最简单的垂直导流管集成混合系统，即金字塔型蒸馏器与垂直导流管及纳米复合相变材料结合使用，也能使产水量提升84%，同时将每升水的生产成本从0.019美元降至0.0142美元，这充分体现了基于垂直导流管的技术在不同蒸馏器结构中的应用潜力。在整个数据集中，淡水生产成本在0.0048美元到0.012美元/升之间，这一水平与许多其他分散式净化技术相当；此外，每套系统每年可减少多达29.3吨的二氧化碳排放，显示出显著的环境效益。性能分析表明，仅垂直导流管子系统就能带来107%至117%的产水量提升，这一效果超过了几何结构和材料改进所带来的提升幅度，从而证明了它在混合系统性能提升中的关键作用。尽管取得了这些进展，但本综述仍指出了四个亟待解决的科研缺口：几乎所有研究都仅限于单日、实验室规模的实验；缺乏关于导流管长期耐用性及盐污问题的数据，目前的维护周期仅为半年一次；对实际工业或农业废水处理应用的调研不足；此外，与光伏、风能或吸附式能源子系统的跨学科整合也较为有限。为弥补这些不足，未来的研究方向应包括借助机器学习进行多变量优化、通过计算流体动力学优化导流管结构、开发新一代变形织物吸热器，以及在干旱地区开展试点项目，目标是在每平方米每天产水8至10升的前提下，使初始投资低于50美元/平方米。通过整合定量性能数据、经济指标以及具有前瞻性的研究规划，本综述为致力于开发可扩展、可持续太阳能海水淡化技术的工程师和科学家提供了重要的参考依据。
数据可用性声明
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