配备涂覆纳米氧化铜的回收金枪鱼罐头及砂玫瑰显热存储的圆锥形太阳能蒸馏器的技术 - 环境 - 经济及有效往返热能存储效率评估

《Journal of Energy Storage》：Techno-enviro-economic and effective round-trip thermal energy storage efficiency assessment of conical solar distiller with nano-CuO-coated recycled tuna cans and sand rose sensible storage

　　

摘要
当前的研究工作旨在探索通过使用涂有氧化铜纳米流体的回收金枪鱼罐和沙漠砂玫瑰对设计进行简单修改，来提升锥形太阳能蒸馏器的性能。本研究首次评估了太阳能蒸馏器配置中系统级的有效往返热能储存效率。在本工作中，空心回收金枪鱼罐外部涂覆氧化铜纳米流体作为黑色涂层，放置在池底作为分布式吸收器，砂玫瑰作为显热储存。实验中测试了三种设计：标准锥形太阳能蒸馏器（SCSS）、涂有纳米流体的金枪鱼罐改进型太阳能蒸馏器（MCSS-TC&NF）以及涂有纳米流体的金枪鱼罐和砂玫瑰改进型太阳能蒸馏器（MCSS-TC&NF + SR）。结果表明，系统修改后性能显著提升且保持一致。发现日累计淡水产量从 SCSS 的 4.70 L/m2/天增加到 MCSS-TC&NF 的 6.00 L/m2/天，并进一步增加到 MCSS-TC&NF + SR 的最高 7.10 L/m2/天。MCSS-TC&NF + SR 设计表现更好是由于太阳辐射吸收增加、内部传热增加，以及在太阳辐照度降低期间砂玫瑰的持续放热。砂玫瑰作为热惯性介质，允许蒸发在低储存回收率的情况下持续到深夜。整个 MCSS-TC&NF + SR 系统的有效往返热能储存效率获得为 4.14%。该设计的能量效率为 53.94%，?效率为 2.85%，可持续指数为 1.03，?经济参数为 6.57 kWh/USD。淡水生产成本降至 0.0051 美元/升，投资回收期为 1 个月 18 天，二氧化碳减排量为 24.32 吨。

引言
随着全球水资源供应因人口增长、工业化和污染而日益稀缺 [1]，海水淡化变得愈发重要。反渗透、多级闪蒸和多效蒸馏都是传统的海水淡化方法，表现良好；然而消耗大量能量，其比能耗远高于热力学要求 [2]。太阳能淡化已被认为是一种可行、可持续的解决方案，特别是通过使用太阳能蒸馏器（SS），利用太阳能热能通过蒸发 - 冷凝循环将淡水与盐水分离，零排放运行 [3]。太阳能蒸馏器仅产生矿物质废料，因此不会像传统大型海水淡化厂排放浓盐水那样污染海洋 [4]。

太阳能蒸馏器易于使用且对环境友好，但由于太阳辐射固有且强度不足以在同一单元中引起蒸发和冷凝，它们无法发挥特别好的功能 [5]。影响产量的因素有很多，包括池水温度、吸收器的材料和特性、水池深度、玻璃罩温度和冷凝表面尺寸 [6]。因此，投入了大量工作通过改变系统形状、选择合适材料及其组来提高蒸发和冷凝速率 [7], [8]。已经制造了更先进的系统以提高系统的产量和效率。这些系统包括双楔形、金字塔形、半球形、倾斜式、阶梯式和锥形太阳能蒸馏器。它们都具有更大的太阳孔径面积和冷凝表面积 [9], [10]。这些改进系统的创新是使用热储能和表面变化的更先进技术的基础。

研究人员进行的近期研究揭示了基于几何优化和系统增强的锥形太阳能蒸馏器性能提升方面的显著进展。阿卜杜拉和阿尔达拉布塞 [11] 研究了一种带有连续盐水供料的改进型锥形太阳能蒸馏器，发现通过降低供料速率可以显著提高性能，热效率从 80 mL/s 时的 42.04% 上升到 40 mL/s 时的 63.4%，并在加入镜面阵列后进一步达到最高 69.15%。在比较各种显热储存材料的详细实验研究中，Khelifi 等人 [12] 发现，在锥形太阳能蒸馏器中加入不锈钢球使最大淡水生产率达到 9.45 L/m2·天，能量效率为 54.06%，?效率为 3.93%，并进一步将投资回收期缩短至约 18 天，从而确立了低成本储存材料的技术经济可行性。Kabeel 等人 [13] 总结的设计方向研究进一步突出了锥形盖角优化在 30°时的潜力，累计产量约为 5.95 L/m2，热效率为 49.8%，投资回收期缩短至 22 天。Al-Nagdy 等人 [14] 在埃及苏伊士通过实验证实了几何比例的重要性，其中比例为 3 且池水深为 1 cm 的锥形蒸馏器实现了日产量 5.17 L/m2，热效率为 43.12%，蒸馏水成本仅为 0.015 美元/升。Abdelgaied 和 Attia 等人 [15] 表明，在锥形蒸馏器设计中添加石墨针翅可使淡水产量增加 52–91%，热效率增加 33–63%，与常规锥形设计相比。这表明传热增强也可能是有益的。Nikhade 等人 [16] 进行了一些研究以确定光学和冷凝增强如何协同工作。他们发现，在镜面辅助条件下且锥体温度接近 77 °C 时，最大馏出率为 2.89 kg/h。Gad 等人 [17] 开展了首项证明锥形几何形状优越性的工作。他们发现它生产了 3.38 L/m2/天，高于常规单斜式蒸馏器生产的 1.93 L/m2，并且具有更高的总传热系数（66 对 32 W/m2.°C）。这些研究共同表明，锥形形状是一种非常有效且经济实惠的利用太阳能淡化少量水的方法。锥形太阳能蒸馏器的性能在很大程度上受其形状优化、添加热储能和改善传热的影响。

热储能材料是用于增强太阳能蒸馏器性能的最有效技术之一，因为它们可以在阳光充足时储存多余的热能，然后在日落后重新利用，从而增加太阳能蒸馏器的工作时间及其产量。Modi 等人 [18] 分析了一种以黑色花岗岩为显热储能材料的方形金字塔太阳能蒸馏器，并结合强制蒸发和冷凝方法，发现单独使用热储能每天使产量增加 13.96%，而结合强制蒸发和储存系统使产量提高 61.48%，效率提高 61.53%，这是由于更好的热量保持和蒸发。Attia 等人 [19] 对一种以 El-Oued 砂粒为显热储能材料的半球形太阳能蒸馏器进行了实验分析，发现最佳浓度为 3%，这使得总产量从 4.78 增加到 7.27 L/m2·天，每日能量效率从 39.2% 提高到 59.1%，这是由于太阳能吸收率增加和热发射延迟。Beggas 等人 [20] 对一种使用废铝作为显热储能材料的半球形太阳能蒸馏器进行了分析，利用其导电性使产量增加 6.15 kg/m2/天，能量效率从 35.36% 提高到 52.18%，显示产量增加了 48.19%。Tei 等人 [21] 对一种使用砂作为显热储能材料的倾斜太阳能蒸馏器进行了分析，表明砂在傍晚具有更高的池温，从而使馏出液产量增加到 2.3 kg/天，能量效率从 30.4% 提高到 40.1%，显示产量增加了 35%。Kabeel 等人 [22] 对一种使用磷酸盐颗粒的半球形太阳能蒸馏器进行了分析，显示最大产量为 6.0 L/m2/天，能量效率为 60%，显示与常规系统相比产量增加了 57.9%。

近期研究的关键关注领域之一是双楔形太阳能蒸馏器（TWSS）的概念，它结合了几何增强与显热储存以及复杂的性能分析。Rajendran 等人 [23] 将制造砂、河砂和红砂与毛细芯材料结合在双坡/双楔形系统中，发现棉芯 + 制造砂的组合最佳，性能为 4.76 L/m2·天，能量效率为 41.8%，?效率为 2.95%，淡水成本为 0.013 美元/升，因为显热储存增加了蒸发时间和池温。Jeevadason 等人 [24] 通过结合棉芯和制造砂进一步增强了 TWSS 性能，实现了 5.84 L/m2·天，能量效率为 67.1%，?效率为 5.29%，与常规蒸馏器相比能量效率提高了 240.9%，这是由于热量保持时间延长和蒸发 - 冷凝协同作用改善。在随后的研究中，Jeevadason 等人 [25] 将蜂蜡生物相变材料（bio-PCM）引入 TWSS，报告了最佳产量为 4.431 L/m2·天，能量效率为 38.98%，?效率为 2.86%，最低淡水成本为 0.0184 美元/升，其中潜热储存使蒸发在非日照时间继续进行，并将能量回收期缩短至三个月。Aruldoss 等人 [26] 调查了一种带有混凝土池和铝衬里的双楔形太阳能蒸馏器，报告了产量为 5.18 L/m2·天，热效率为 52.45%，水成本为 0.016 美元/升，归因于热量损失减少、池热惯性改善和热导率增强。为了补充实验工作，Aruldoss 等人 (2025) [27] 在能量 -? - 经济 - 环境（5E）分析框架内评估了 TWSS 的性能，发现产量和能量效率增加了 17.7–27.9%，与常规太阳能蒸馏器相比，每升成本降低了 33%。

在锥形太阳能蒸馏器设计中，Attia 等人使用各种显热储能方法进行了系统的实验工作，如沙漠晶体砂玫瑰、天然砂床、石墨棒和石墨针翅。集成沙漠晶体砂玫瑰使产量提高至 9.29 L/m2·天，能量效率提高 94.45%，水成本降低 48.61% [28]，而使用天然砂床的研究确定了金砂是最有效的介质，实现 7.38 L/m2·天，能量效率为 59.59%，产量价格降低 60.43% [29]。通过石墨棒和石墨针翅实现了进一步增强，它们作为扩展的传热表面和显热储库，导致能量效率提高 46.23–90.46%，热效率提高 33.46–64.1%，并伴随着产量成本和回收期的实质性降低 [30], [31]。Alahmadi 等人 [32] 通过结合沙漠晶体砂玫瑰、石蜡 PCM 和钢鸡蛋托的混合热储能系统提升了锥形太阳能蒸馏器性能，实现了最大产量 14.7 L/m2·天，热效率提高 239.21%，淡水生产成本降低 65.63%，因为协同显热 - 潜热储存有效地将蒸发延长至太阳能辐射峰值小时之后。虽然热储能材料有效稳定了池温并将蒸发延长至太阳能峰值小时之后，但近期研究日益表明，通过纳米涂层策略可以进一步实现性能增强，直接改善表面太阳能吸收，减少热损失，并增强蒸发 - 冷凝传热传质，而不改变太阳能蒸馏器几何形状。

Shanmugan 等人 [33] 调查了一种使用纳米颗粒辅助吸收材料结合 PCM 改造的单池太阳能蒸馏器，报告每日淡水产量增加到 4.92 L/m2·天，而常规蒸馏器为 3.61 L/m2·天，同时能量效率为 45.6%，归因于太阳能吸收率改善和由于吸收层内纳米颗粒分散而减少的池表面热损失。Kabeel 等人 [34] 实验研究了吸收板涂覆黑色纳米颗粒的单斜式太阳能蒸馏器，报告每日产量为 5.08 L/m2·天，而未涂覆蒸馏器为 3.98 L/m2·天，能量效率从 32.6% 增加到 41.8%，这是由于纳米涂层表面引起的太阳能吸收增强和反射损失减少。

Shanmugan 等人 [35] 将 TiO2 纳米层应用于单斜单盆太阳能蒸馏器的吸收器，报告淡水产率为 4.85 L/m2·天，能量效率为 44.3%，而传统蒸馏器分别为 3.72 L/m2·天和 34.1%，这是由于 TiO2 的高吸收率和光催化特性提高了盆内水温并增强了蒸发速率。Manoj Kumar 等人 [36] 考察了一种传统单斜太阳能蒸馏器，其吸收器涂覆了含有 0.5% SiO2 纳米颗粒的纳米掺杂黑漆，报告在 15 mm 水深和 25 mm 水深下，日蒸馏产率分别比纯黑漆提高了 8.78% 和 7.83%，在不改变系统几何结构的情况下，纳米掺杂涂层增加了表面粗糙度和太阳光吸收率，同时减少了辐射热损失。Zanganeh 等人 [37] 研究了太阳能蒸馏器冷凝玻璃表面的纳米涂层，报告日产率为 4.35 L/m2·天，而未涂覆冷凝器为 3.52 L/m2·天，这归因于减少了液滴附着并促进了滴状冷凝，从而降低了冷凝界面的热阻。Thakur 等人 [38] 使用由生物废物合成的活性炭纳米颗粒开发了一种纳米结构太阳能吸收器，报告淡水产率为 5.62 L/m2·天，能量效率为 48.7%，而传统吸收器分别为 4.01 L/m2·天和 36.2%，这是由于纳米碳层的高孔隙率和大比表面积增强了太阳能吸收和蒸发强度。Rajendran 等人 [39] 调查了一种集成了石墨烯纳米涂层吸收器和纳米复合 PCM 的双楔形太阳能蒸馏器，报告日产率为 6.21 L/m2·天，能量效率为 58.4%，?效率为 4.91%，水生产成本为 0.012 美元/升，其中石墨烯涂层加强了吸收器处的太阳能转换，而纳米复合 PCM 在无日照时段维持蒸发。与本当前研究相关的各种文献结果已总结并在表 1 中呈现。

锥形太阳能蒸馏器（CSS）的性能通过几何优化和热能储存得到了改善，并成为多项研究的主题。关于盖板角度和纵横比调节 [13], [14]、不锈钢球 [12]、石墨棒和针翅 [15], [30], [31] 以及天然显热储存介质如沙漠水晶沙玫瑰和金砂床 [28], [29] 的研究表明，提高盆温并将蒸发期延长至最大日照之后，可以将淡水生产成本降低 30–65%。同时，另一条研究路线集中在吸收器级的纳米增强上，使用纳米颗粒掺杂涂层、TiO2 和石墨烯纳米层以及纳米复合相变材料（PCM），主要用于单斜、半球形和金字塔/双楔形太阳能蒸馏器几何结构 [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39]，显著提高了太阳光吸收率和蒸发 - 冷凝耦合，导致产率增加 20–60%。少数研究还将显热和潜热储存介质结合在单一混合堆栈中，例如沙漠沙玫瑰与石蜡 PCM 和钢制蛋托 [32]，实现了高达 14.7 L/m2·天的 CSS 产率。最近关于 CSS 的工作开始将主动增强技术（如旋转平台、超声波雾发生和悬挂灯芯 [44]）分层在几何修改之上，响应面方法越来越多地用于捕捉运行参数之间的交互效应 [43], [45]。

尽管取得了这些进展，纳米增强和天然储存增强策略在很大程度上是独立发展的，特别是在锥形几何结构背景下。到目前为止，纳米涂层研究局限于平板、金字塔和管状盆几何结构 [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39]。另一方面，CSS 的改进是通过几何修改、离散球、翅片或盆内的散装显热和潜热介质实现的 [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32]。然而，文献中尚未有研究报告将涂覆有纳米颗粒分散漆的局部金属插入件作为分布式吸收器与锥形蒸馏器内的廉价天然显热储存介质结合。因此，当在此几何结构中结合纳米级热吸收和被动散装热储存时，两者之间的协同性、加和性或冗余程度仍有待确定。第二个限制是所审查文献中性能报告的范围。?效率报告不一致且经常被完全省略 [13], [17], [20], [21], [22], [28], [29], [30], [31], [36], [37], [38]。在报告时，很少扩展到?经济学术语。审查的锥形太阳能蒸馏器研究中，没有一个提供有效的往返热储存效率、可持续性指数或净 CO2 减排量；这些指标似乎在包括混合增湿 - 除湿 - 金字塔系统 [41] 和真空管集成半球形蒸馏器 [42], [45] 在内的其他蒸馏器配置中零星报告，但从未整合到锥形蒸馏器的单一评估框架中。另一个差距涉及使用廉价、再利用材料作为吸收器。废物和可回收材料已被证明在双斜和半球形蒸馏器中作为显热储存介质有效，包括废铝和其他回收金属 [20], [46]。然而，这种节省成本的方法尚未扩展到锥形太阳能蒸馏器吸收器设计，其中的增强依赖于专门制造的翅片或球，而不是涂覆有纳米颗粒分散漆的廉价再利用金属插入件。

当前研究通过将在锥形太阳能蒸馏器中涂覆有纳米颗粒分散漆的金枪鱼罐头（便宜、可回收且分布在广阔表面上）纳入其中，以改善局部热吸收和蒸发，从而解决这些相互关联的问题，并首次将纳米吸收器概念引入锥形形状，同时验证了其他蒸馏器几何结构 [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39]。纳米增强吸收器进一步与从阿尔及利亚环境收集的沙漠沙玫瑰结合，作为天然显热能量储存介质，测试在早期半球形和锥形蒸馏器研究中确立为有效的相同显热储存原理 [12], [19], [20], [22], [28], [29]，但与纳米增强吸收器协同结合而不是孤立存在。整体集成系统的性能通过广泛的框架进行评估，包括集成技术经济分析、?经济分析、有效往返热储存效率、可持续性指数和净 CO2 减排。据作者所知，这些性能指标尚未在文献中集体报告用于任何锥形太阳能蒸馏器配置。因此，这是首次量化在锥形太阳能蒸馏器中耦合纳米级热吸收和被动天然热储存的热力学、经济和环境效益的研究。

本研究的主要目标是开发并评估一种使用纳米工程吸收器插入件和天然热能储存的锥形太阳能蒸馏器集成性能增强策略。具体目标是，
•实验研究集成纳米流体涂层金枪鱼罐头的锥形太阳能蒸馏器的产率、能量效率和?效率。
•评估纳米流体涂层金枪鱼罐头与阿尔及利亚沙漠沙玫瑰作为显热能量储存介质结合所实现的协同性能增强。
•进行全面的技术经济、?经济、有效往返热储存效率、可持续性和环境分析，包括每升成本、投资回收期、可持续性指数和净 CO2 减排。

本研究展示了一些新颖之处，它是在锥形太阳能蒸馏器中结合纳米工程吸收器放大和内在显热能量储存，以缓解传统的热力学、经济和环境限制。与密切相关锥形太阳能蒸馏器研究 [12], [28], [29], [30], [31], [32] 相比，本工作的主要特点总结在表 2 中。本工作的新颖之处如下：
•首次在锥形太阳能蒸馏器中应用基于 CuO 纳米流体涂层回收金枪鱼罐头的分布式吸收器增强元件，在不改变蒸馏器几何结构的情况下局部增强太阳能吸收和盆传热。
•纳米增强热吸收与天然可用的沙漠沙玫瑰作为显热能量储存资产结合表现出协同增强，通过储存能量供无日照时段使用，实现了持续蒸发。
•利用两种低成本、本地可用的材料（回收金枪鱼罐头和沙漠沙玫瑰）以最小的附加材料成本提高淡水生产率。
•引入了有效的往返热储存效率，并通过评估充电和放电效率进行计算，以促进对热储存性能的更全面理解。
•性能评估是本研究的范围，重点关注能量和?效率、?经济分析（成本/升）、投资回收期、可持续性指数和净 CO2 减排，作为与大多数基于自然对流的锥形太阳能蒸馏器相关研究相比的全面评估。

基于已确定的研究空白和提出的集成增强策略，接下来的章节概述了材料选择、纳米流体制备和实验方法以及性能评估运行条件和结果。

章节摘要
实验设置
实验设置包括三个相同的锥形太阳能蒸馏器。每个锥形蒸馏器由一个圆形木质盆（直径 0.36 米，高 0.04 米）组成，由透明锥形塑料盖（直径 0.40 米，厚 3 毫米，倾角 30°）包围，所有接缝使用黑色硅胶密封，以最小化热损失并最大化太阳能吸收。锥形盖内表面形成的冷凝液通过收集通道收集到一个

性能评估方程
本工作中锥形蒸馏器的性能通过热力学评估、热能储存评估、经济学、环境和?经济学评估进行评估，基于文献中各种类似研究工作所使用的方程 [4], [24]。新鲜水生产率、能量和?性能、可持续性指数、有效往返热能储存性能、经济学的估计控制方程...

结果与讨论
图 3 描绘了 2025 年 8 月 22 日的环境温度和太阳辐照模式，这发生在阿尔及利亚的盛夏高峰期。应该注意的是，在阿尔及利亚，8 月下旬是极其炎热的夏日、低湿度以及晴朗、炎热和干燥条件的时期，特别是在半干旱地区。来自阳光照射的辐照量从上午 7.00 时的 402 W/m2 稳步增加，由于高海拔，在中午 12.00 时达到 1005 W/m2 的峰值。

讨论
太阳能蒸馏脱盐系统本质上依赖于太阳辐照，这是热能的主要来源。太阳辐射和环境温度随时间的变化决定了系统的瞬态热行为。随着太阳辐射向中午增加，盆接收的热能增加，盆水温随之增加。环境温度通常遵循太阳辐射的趋势，但其最大值...

结论
当前研究实验性地考察了利用纳米流体涂层金枪鱼罐头作为吸收器增强插入件的锥形太阳能蒸馏器的性能改善，并在随后的配置中，它们与来自阿尔及利亚的沙漠沙玫瑰集成用于显热能量储存。性能通过在阿尔及利亚炎热夏季气候下进行的广泛热、?、经济、可持续性和环境评估进行评估。
•整体累积淡水...

CRediT 作者贡献声明
Mohammed El Hadi Attia：写作 - 初稿，可视化，资源，调查，数据整理，概念化。Wesley Jeevadason Aruldoss：写作 - 初稿，可视化，验证，调查，形式分析，数据整理，概念化。Vijayakumar Rajendran：写作 - 审查与编辑，可视化，验证，监督，形式分析。T. Yuvaraj：写作 - 审查与编辑，可视化，验证，监督，资源。

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本论文中报告的工作。
Mohammed El Hadi Attia|Wesley Jeevadason Aruldoss|Vijayakumar Rajendran|T. Yuvaraj
物理系，精确科学学院，El Oued 大学，39000，El Oued，阿尔及利亚