带相变材料与光伏驱动热电模块用于海水淡化及制冷的混合式太阳能蒸馏器实验性能与可持续性研究

《Case Studies in Thermal Engineering》：Experimental performance and sustainability of a hybrid solar still with PCM and PV-Powered thermoelectric modules for desalination and cooling

　　

研究人员在伊拉克巴士拉(Basrah)气候条件下，对一种用于淡水生产与局域制冷的单坡面混合式太阳能蒸馏器进行了实验评估。该系统由盆地底部相变材料(PCM)与光伏供电热电模块(TEM)组合构成，其中热电模块热端用于加热盆地，冷端连接至绝热冷却罐以储存生成的蒸馏水。研究对比了三种系统：常规太阳能蒸馏器(CSS)、带相变材料太阳能蒸馏器(SSP)与混合系统(SSPT)。混合系统将冬季淡水日产率提升至常规系统的152%；日产水率由CSS的1.25 kg/m2/天增至SSP的1.315 kg/m2/天，再增至SSPT的3.15 kg/m2/天，较CSS总计提升152%。TEM日间耗电2.88 kWh/天。混合系统实际能效为24.54%，表明其最大贡献在于产水量、运行能力与制冷功能的同步提升。冷却室将储存蒸馏水降至16.2 °C，提供5.29 W制冷功率。水质测试显示进水总溶解固体(TDS)由5200 mg/L降至蒸馏水150 mg/L（去除率97.12%）。结果表明该系统可用于干旱炎热地区的分布式海水淡化与补充制冷。

研究背景方面，淡水资源短缺在干旱与半干旱地区持续存在，传统反渗透与多效蒸馏虽水质优但能耗高、系统复杂、维护频繁，难以适用于偏远分布式场景。盆式太阳能蒸馏器利用太阳能、维护低，但被动式装置受限于产水效率低与对太阳辐照的依赖。现有改进多孤立采用吸收增强材料、纳米添加剂、几何优化、冷凝面涂层或单一PCM储热，较少有实验同时集成“顶部太阳加热+底部TEM热端加热+PCM储热+TEM冷端局域制冷储水”四类机制。研究人员针对该空白，在巴士拉(30.5°N, 47.8°E)于2025年8月与12月搭建三台同面积(0.5 m²)单坡面蒸馏器：常规CSS、加3.5 kg石蜡PCM于盆地下的SSP、以及在SSP基础上于PCM托盘下贴附4块TEC1-12715热电模块并由615 Wp光伏阵列+混合逆变器+25 V/200 Ah LiFePO₄电池供电的SSPT；TEM热端加热PCM/盆地，冷端接绝热不锈钢冷却室(500 mm×300 mm×150 mm)暂存蒸馏水并实现局域制冷。论文发表于《Case Studies in Thermal Engineering》。

关键技术方法上，研究人员采用同屋顶同步暴露控制气象边界，盆水深恒为2 cm，SSPT的TEM于07:00–17:00以24 V/12 A（288 W）运行，日耗电2.88 kWh；温度由ET3916-32记录仪与K型热电偶获取，辐照与环境量由CURCONSA FT0300气象站采集，产水以量筒按小时计量，水质测TDS、电导(EC)、pH、硬度、氯，电气量由FLUKE 375钳形表测定。

研究结果部分，引言指出被动蒸馏器温差小致产水低，PCM可延役但既往研究忽略主动热电冷热联用，故本研究协调四机制。实验装置小节说明CSS为黑漆镀锌钢板盆地+3 mm玻璃30°倾覆+聚苯乙烯与聚氨酯保温；SSP在盆地下加550 mm×350 mm×40 mm铝盒装石蜡；SSPT再加TEM双面利用。测量与仪器小节确定同步气象与逐时温产水数据采集。摘要级结果显示：冬季SSPT产水3.15 kg/m²/天，较CSS(1.25)增152%，较SSP(1.315)亦显著提升；TEM日耗2.88 kWh，混合能效24.54%；冷却室水温16.2 °C、制冷功率5.29 W；进水TDS 5200 mg/L降至出水150 mg/L（去97.12%）。讨论中研究人员指出，底部TEM热端补热与PCM蓄热协同放大蒸发温差，冷端同时供蒸馏水冷储与局域降温，是产水与制冷双功能来源；能效数值看似低于部分纯PCM研究，但因计入了电输入与冷量收益，系统级增量产水与可运行性价值更高。结论部分翻译为：所提混合单坡面太阳能蒸馏器通过PCM与PV-TEM集成，在炎热干旱区实现淡水增产、非昼夜延伸运行与局域制冷；冬季产水提升152%，出水TDS去除97.12%，冷却室提供16.2 °C蒸馏水和5.29 W冷量；该系统适合分布式脱盐与补充制冷场景，后续可研电池夜间供TEM以进一步延役。