采用枣椰纤维针翅吸液的被动式太阳能蒸馏器的实验评估：10-E分析框架

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Experimental evaluation of a passive solar still enhanced with date palm fiber pin-finned wicks: a 10-E analytical framework

　　摘要
全球淡水资源的稀缺以及传统海水淡化所需的高能耗，使得被动式太阳能蒸馏器受到了越来越多的关注。这类蒸馏器无需外部能量即可运行，但日产量较低。在本研究中，通过在单斜面被动式太阳能蒸馏器中添加枣椰纤维（DPF）制成的针翅吸液芯，对其性能进行了改进。共测试了四个装置：一个作为基准的传统太阳能蒸馏器（CSS），以及三个分别配备2厘米、4厘米和6厘米高翅片的蒸馏器（FSS2、FSS4、FSS6），每个装置均在1厘米、2厘米和3厘米深的盐水中进行测试。评估性能时采用了包含热力学、经济和环境指标的10-E分析框架，以权衡不同的设计选项。在九种翅片配置中，6厘米高翅片的FSS6在1厘米水深下的日产量最高，达到4.6升/平方米，比CSS高出47%，其热效率为42.7%，熵效率为4.09%。与CSS相比，FSS6的每升成本降低了32%（115天内收回投资），熵经济性和能量经济性分别提高了84.9%和47.1%，10年碳信用价值增加了50%（从127.40美元升至191.00美元），熵环境经济性指标提升了176.6%。相比之下，2厘米高翅片的FSS2在1厘米水深下获得了最佳的资源可持续性平衡，其可持续性指数（1.041）在所有配置中最高。这些结果表明，DPF针翅吸液芯为干旱地区和离网社区提供了一种低成本、环保的解决方案，可以有效提高太阳能蒸馏器的生产效率。

引言
化石燃料的枯竭和寻找安全饮用水的问题，可以说是当今全球社会面临的最紧迫的人道主义挑战[1]。从结构上看，地球上以水为主。然而，只有不到0.5%的水是淡水且可获取；其余的水要么咸度过高，要么处于冰冻状态，要么埋藏得太深而无法获取[2]。这种短缺不再是未来的威胁，而已经成为当前的现实危机[3]。目前，有超过22亿人难以获得干净的饮用水[4]，近40亿人每年至少有一个月面临严重的水资源短缺[5]，这与联合国（UN）关于本十年末供水量将减少40%的警告相吻合[6]。
随着气候变化改变了降水模式并在极端干旱地区引发严重干旱，情况变得更加严峻[7]。再加上人口快速增长和工业对水资源的需求，传统资源管理手段已无法有效应对这些水资源安全挑战[8]。因此，海水淡化过程已从一项高科技替代方案转变为保障全球水资源安全的关键手段。截至2023年，全球有超过21,000个海水淡化设施，日淡化能力超过1亿立方米[9]。反渗透和热蒸馏等主要技术虽然有效，但极其依赖化石燃料，每立方米水消耗3-10千瓦时的能量[10]，从而产生了环境和财务上的挑战。对于农村和离网社区而言，建立大型工业设施所需的高能耗意味着他们缺乏相应的基础设施和资金[8]。因此，他们需要一种独立且可持续的替代方案，特别是对于偏远和岛屿社区而言。太阳能蒸馏器利用太阳能无需电力、复杂设备或专业技术即可净化水，提供了一种简单自然的净水方法。
被动式太阳能蒸馏器的工作原理非常高效。太阳辐射透过透明玻璃盖被深色集水池吸收，加热其中的海水。这种热能促使水分蒸发，从而将水与盐分、重金属和病原体分离。产生的纯净蒸汽上升并在较冷的玻璃下方凝结，最终通过重力流入收集槽[11]。
与传统的高能耗海水淡化技术相比，被动式太阳能蒸馏器具有明显的运营优势：整个过程无需电力或化石燃料，完全依靠太阳辐射[12]。这种系统结构简单，使用成本低廉且当地易获取的材料[13]，实现无化学处理的净化过程，且不产生温室气体排放[14]。文献还证实，其蒸馏出的水始终符合世界卫生组织（WHO）的饮用水标准，无需额外处理[15]。对于偏远农村社区、孤立岛屿或基础设施缺失的灾后救援区域而言，这种分散式技术为确保淡水安全提供了关键保障[16]。
中东和北非（MENA）地区对太阳能驱动的海水淡化技术有着迫切的需求[17][18]。该地区一些国家的淡水储量已降至全球公认的稀缺阈值以下[19]，迫使这些国家投资大规模的海水淡化项目[20]。例如，沙特阿拉伯超过70%的市政饮用水直接来自海水淡化设施[21]。幸运的是，该地区拥有丰富的太阳能资源[22]，水平辐照度范围为5.5至7.5千瓦时/平方米/天[23]。虽然这些国家拥有世界级的海水淡化基础设施，但大多数设施都是大型沿海装置，导致内陆小型社区面临高昂的成本和有限的淡水供应[24]。将太阳能蒸馏技术适应当地气候并使用本地材料，可以为这些社区提供一种可持续的方法，以可靠且经济的方式获取生活所需的水源。
然而，太阳能蒸馏器存在实际局限性：传统装置的日产量仅为每平方米1至4升，勉强足以维持一个人的需求[24][25]。尽管如此，其价值毋庸置疑[26]。它们为远离市政供水网络的孤立人口提供了简单易得的生存保障；在 geopolitical 冲突或严重气候干旱等紧急情况下，这些蒸馏器更是重要的安全网[27]。
为克服这一生产效率瓶颈，研究人员数十年来一直在努力克服太阳能蒸馏器的热力学限制，将进步分为两大类：主动系统和被动系统。
主动策略通过提供外部动力（如机械鼓风机、辅助泵或喷雾器）来加速蒸发过程[28][29]。例如，Kandeal等人[30]证明，在管状太阳能蒸馏器中结合主动式热空气注入、V形波纹集水池和CuO纳米添加剂，可以显著提升性能，产量提高79.88%，熵效率提高242.45%。类似地，其他混合配置将太阳能蒸馏器与冷却系统结合，以实现气候控制和淡水供应，例如利用太阳能蒸馏器再生用于办公室空调系统的液体干燥剂[31]，或将屋顶安装的太阳能蒸馏器与吸收式冷却循环结合，实现干旱温室的全年农业[32]。
被动方法则消除了主动配置对能源的需求，依靠独立于电网的几何设计优化自然太阳能到蒸汽的转换效率[33]。先进的几何设计改进可以有效消除冷凝液滴的干扰，提高淡水产量[34]。常见的被动干预措施包括增加表面积以最大化热传递面积[35]、部署外部冷凝器以加速相变过程[36]，或分散纳米颗粒以增强太阳能吸收[37][38][39]。此外，引入相变材料（PCMs）可以实现热能存储，在太阳辐射高峰期吸收热量，并在夜间释放，从而在日落后继续生产蒸馏水[40][41]。Sharshir等人[42]研究了采用纳米增强型羊脂PCM和石墨纳米粒子的半球形太阳能蒸馏器（HSS）的性能提升。这种改进使日产量提高了95.2%，热效率达到了61.7%，熵效率提高了5.8%，淡水生产成本降低了33.90%。Abdelaziz等人[43]使用纳米增强型PCM改进了管状太阳能蒸馏器（TSS）的性能，产量提高了88.84%，热效率提高了82.16%，熵效率提高了221.8%，同时成本降低了22.47%。
使用丰富的本地生物衍生材料是一种极其可行且经济有效的方法来提升太阳能蒸馏器的性能。多孔吸液芯材料的引入从根本上改变了蒸发的界面物理过程。由于吸液芯的热容量远低于深水集水池，其在早晨阳光照射下的表面温度上升迅速，避免了加热延迟。此外，它还起到底部隔热层的作用，防止热量从集水池底部泄露[44]。毛细作用是这一过程的主要驱动力。这种流体现象利用微观孔隙网络中的分子间力将水提升，克服重力作用。具有亲水性和狭窄孔径分布的材料能够快速吸水和分配液体。这种持续的湿润作用维持了一个扩展的薄层蒸发边界，使得水分蒸发效率远高于传统的大型水集水池[45]。
大量文献研究了各种吸液介质，以提升蒸馏效率，重点探讨特定纤维-基体属性如何优化流体传输。黑色棉花、聚氨酯海绵和椰壳纤维垫在这些研究中仍很常见。黑色棉花因具有细小、高度亲水的毛细结构而高效[46][47][48][49][50]。编织黄麻也显示出巨大潜力；研究报道，在多坡面配置中使用时，其产量可提高超过250%[51]。Abdelaziz等人[52]研究了活性炭管在海水淡化中的应用，日产量达到5850毫升/平方米，成本降低了38.82%，能量效率提高了94.14%，熵效率提高了164.29%，年度二氧化碳排放减少了31.11吨。
为了进一步突破性能极限，当前的研究致力于同时优化热传递率和表面积。高导电性的铝和铜翅片能快速传递热量，但缺乏液体滞留能力。研究人员通过用多孔织物覆盖金属表面，成功结合了快速加热和持续表面湿润[53]。将这些吸液元件垂直延伸出自水池底部，可以扩大有效蒸发范围，可能使日累计产量提高30%至70%[54]。然而，精确优化这些垂直尺寸和材料孔隙率至关重要，因为过高的高度会限制供水能力，导致上层区域盐分积累和太阳能到水的效率降低[55]。针对这些限制，界面蒸发方面的最新进展强调了水凝胶海绵在局部化热传递和最大化流体传输方面的巨大潜力。例如，将水凝胶制成半球形结构，可以优化蒸发面积增加与内部供水阻力之间的平衡，使蒸发通量超过4.2千克/平方米·小时[56]。此外，通过分离光传输和冷凝过程以实现单向热传递，集成水凝胶的多级潜热回收系统可使淡水产量高达4.5千克/平方米·小时[57]。
越来越多的研究倾向于使用天然植物纤维，以使分散式蒸馏技术更符合农村和低收入地区的经济社会现实。这些天然木质纤维素基体具有丰富的极性官能团，能够通过毛细作用吸收和传输水分，无需合成化学处理[58]。候选的生物材料包括香蕉假茎、大麻、丝瓜络和稻草。这些农业副产品非常适合，因为它们可以在当地收获和补充，无需依赖昂贵的工业供应链。此外，它们的生物降解性与太阳能淡化的生态要求相符合[59]。
然而，使用原始植物生物质也带来了一些实际挑战。长期浸泡在高盐度盐水中可能导致纤维膨胀、物理分层或结构分解。某些材料还可能渗出挥发性有机化合物，暂时影响蒸馏水的品质；此外，生物质的天然异质性使得性能指标难以标准化。尽管存在这些限制，转向基于生物材料的解决方案为分散式净水提供了实用且经济有效的方案[60]。Alaian等人[61]评估了一种创新的针翅吸液芯架构，旨在最大化有效蒸发面积。通过在集水池底部安装294个垂直吸液柱，该系统能够持续向上抽取液体，暴露更大的水面以捕获太阳热量。在埃及晴朗天气条件下，这种配置表现出色，清洁水产量提高了23%，日累计热效率约为55%。多云天气时性能略有下降（11.5%），但仍验证了垂直吸液阵列作为提升产量的可行策略。本研究突破了传统的扁平、水平基线，开启了针对不同微气候条件下盆地水体深度与鳍片几何形状优化的关键研究方向。枣椰树（Phoenix dactylifera）是中东和北非地区（MENA）太阳能蒸馏器中极具前景的天然吸液材料。该地区每年产生的枣椰树废弃物量约为260-280万吨，占全球枣椰树废弃物总量的近22.5%。在沙特阿拉伯——全球第二大枣椰生产国，该国种植了约3300万棵枣椰树，为可持续循环工程提供了独特的基础。每年的季节性修剪会产生大量木质纤维素纤维，这种纤维位于叶片与树干连接处，具有坚韧的网状结构。目前，这些生物质大多被当作农业废弃物处理，通常被焚烧、丢弃或用于低价值的应用，如简单绳索的制造。因此，它们实际上是一种极其丰富的、尚未得到充分利用的资源。将这种农业废弃物升级为功能性太阳能蒸馏器吸液材料，既实现了循环资源管理的优化，又通过可再生能源生产了清洁用水。枣椰树是将当地生物质转化为满足干旱地区关键环境和人类需求的理想模型。从工程实践的角度来看，枣椰纤维具有多种适合太阳能蒸馏的结构特性：其内部形态由复杂的微通道和多孔空隙构成，形成了一个内置的流体输送系统，依靠高毛细压力运行；表面富含羟基团，使材料始终保持亲水性和湿润状态。与传统编织面料相比，这种原材料的主要优点在于其粗糙、开放的孔隙结构——精细编织的商用纺织品常因局部盐分结晶而失效或堵塞，而枣椰纤维即使在轻微压缩下也能保持良好的透气性，确保了长期的操作可靠性。此外，枣椰纤维还简化了制造流程。由于枣椰纤维天然呈深棕色，具有宽频段的太阳光吸收能力，因此无需对合成基材进行化学预处理或人工染色。经过进化优化，这种耐极端干旱环境的木质纤维素材料在面对强烈的紫外线辐射和高频率的湿润-干燥循环时仍能保持卓越的结构稳定性。

为了更好地理解销状鳍片吸液材料的作用，有必要研究其他正在开发的高科技被动蒸馏技术。一些研究人员通过利用真空技术提升了三效管式蒸馏器的效率，使其日产量接近10升/平方米；另一些则从自然界中获取灵感，设计了模拟植物根部吸水方式的浮动蒸馏器。例如，Mohsenzadeh等人设计了一种自清洁的半球形浮动蒸馏器，通过多层纤维素基底实现毛细水循环和热量集中。通过将低真空操作与浸入式冷凝盘管结合使用，该系统在偏远地区的成本降低了46%。Sharshir等人通过添加纯蘑菇或碳黑（CB）涂层的蘑菇改进了管式太阳能蒸馏器（TSS），在25、50和75克/平方米的不同涂层浓度下进行了对比实验。结果显示，蘑菇通过太阳光吸收、毛细作用和热量集中提高了蒸馏效率，而碳黑涂层则进一步增强了吸收能力和热传导性。最佳配置是在50克/平方米碳黑涂层下的改进型TSS，其能源效率提升了55.38%，熵效率提升了129.95%，成本降低了33.85%。天然纤维（如棕榈叶）被视为可持续、可生物降解且环保的可再生资源。Alshqirate等人研究了在干旱气候下使用1.3公斤松散棕榈纤维材料的四棱锥形太阳能蒸馏器，发现这些纤维通过毛细作用增加了表面积和热储存能力，日产量提高了44.5%（达到5160.8克/平方米），热效率从31%提升至44.9%，从而使生产成本从0.118美元/升降至0.081美元/升。

虽然之前的研究使用了松散纤维，但本研究首次将枣椰纤维应用于销状鳍片吸液材料的结构设计中。据作者所知，尚未有研究探讨完全生物来源纤维在此几何形状下的应用，也未优化鳍片高度与水体深度之间的关系，尤其是在阿拉伯半岛的气候条件下。现有文献缺乏从热力学、经济性和环境角度对生物基销状鳍片系统的全面评估。为了填补这些空白，需要超越传统的太阳能蒸馏器评估方式。以往的研究往往仅分析热效率或经济效益，导致评价片面。例如，一个系统可能因日产量高而看似有前景，但实际上在长期经济效益或环境可持续性方面存在不足。本研究并未引入新的数学方程来衡量评估指标，而是将这些成熟的指标整合到一个统一的10-E决策框架中，首次应用于升级后的农业废弃物。通过将这些指标纳入闭环权衡矩阵，可以全面了解高产量配置如何与兼顾整体可持续性的适度设置相平衡。本研究通过三个方面的贡献推动了技术进步：
- 作为中东和北非地区丰富且低成本 的农业副产品的原始枣椰纤维被应用于功能性销状鳍片吸液材料；
- 在真实极端干旱条件下，系统地测试了三种不同鳍片高度（2厘米、4厘米和6厘米）与三种不同盐水深度（1厘米、2厘米和3厘米）的组合效果；
- 10-E框架作为一个综合评估工具，整合了热动力学、经济效益、碳抵消动态和资源可持续性。

论文结构如下：
第2节描述了实验装置和材料；
第3节讨论了研究方法；
第4节分析了实验结果；
第5节探讨了枣椰纤维吸液材料在工业规模应用中的可扩展性和局限性；
第6节总结了主要结论。

### 实验装置
太阳能蒸馏器本身结构简单，但其效果很大程度上取决于水流条件。增加可供太阳辐射蒸发的表面积是提高蒸馏产量的有效方法，这也是本研究的目的。研究通过直接在蒸馏器槽内添加固体销状枣椰纤维元件来实现这一目标。

### 热传递分析
太阳能蒸馏器内的热传递过程包括对流、蒸发和盐水电介质与内玻璃表面的辐射作用[80]。本节定义了量化各作用机制的相关公式：
$$\mathcal{H}_{\text{convection}} = 0.884 \left[ \left( \frac{T_w - T_gI \right) + \left( \frac{P_w - P_gI \right) \left( T_w + 273.15 \right) \right]^{-\frac{3}{2}}$$

### 结果与讨论
本节评估了添加生物基枣椰纤维鳍片的太阳能蒸馏器的热性能和蒸馏效率。分析重点包括温度分布的变化、不同水深的影响，以及用于量化鳍片吸热器配置在能量、熵、环境和经济效益方面的综合10-E框架。

### 可扩展性
大规模太阳能海水淡化已有实践先例——1872年在智利建造的4700平方米设施日产量达22.7立方米[140]。然而，被动式太阳能蒸馏器的日产量通常 hanya 在2-5升/平方米之间[141]，这一基本热力学限制使得传统的集中式工业系统难以与反渗透等现代机械分离技术竞争[142]。

### 结论
本研究通过整合枣椰纤维销状鳍片，优化了被动海水淡化系统中的太阳能到蒸汽的转换效率。应用10-E分析框架后，发现6厘米鳍片高度和1厘米盐水深度的组合方案实现了最高的热传递效率。这种几何结构加速了毛细泵送作用，形成了局部热桥。

### 作者贡献
Abdullah Alrashidi：负责监督、资源管理和数据整理；
Ahmed A. Altohamy：负责资源管理、方法论和数据整理；
Ismail M.M. Elsemary：负责方法论、数据分析、初稿撰写和监督；
M.A. Abdelrahman：负责初稿撰写、可视化、方法论和调查设计；
Mostafa R. Rashed：负责审稿和编辑、可视化和方法论研究、概念化设计。

### 利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

### 致谢
作者感谢沙特阿拉伯阿拉尔北部边界大学科研处通过项目编号“NBU-FPEJ-2026-2500-01”对这项研究的资助。