具有织物覆盖的垂直吸热器的新型 M-W 形太阳能蒸馏器 -嵌入式垂直吸热器用于增强太阳能淡化性能

《Process Safety and Environmental Protection》：Novel M-W-Shaped Solar Still with Vertical Absorbers Covered by Fabric -Embedded Vertical Absorbers for Enhanced Solar Desalination Performance

　　

•带有垂直吸收器和黄麻纤维芯的改良 M 型纤维芯太阳能蒸馏器已进行现场测试。
•日产量从 3050 增加到 6650 mL/m2·天（提升了 118%）。
•带有黄麻布的垂直吸收器提供了独立的 35% 性能增益。
•制水成本从 0.025 美元/升降至 0.0115 美元/升（降低了 54%）。
•日热效率从 32.1% 提升至 64.5%（改善了 101%）。

引言
日益加剧的全球淡水短缺危机代表了 21 世纪最紧迫的社会、经济和工程挑战之一。干旱、半干旱和沿海地区由于人口扩张、快速工业化、气候驱动的干旱以及现有地下水储备污染的组合影响，特别容易遭受严重的水资源压力（Elimelech and Phillip, 2011）。在许多偏远、农村或离网社区，建设大型集中式海水淡化厂——例如多级闪蒸或反渗透设施——由于令人望而却步的资本投资成本、缺乏电网基础设施，以及缺乏操作和维护高压或高温机械的专业技术人员，完全不可行（United Nations World Water Assessment Programme et al. 2017）。因此，对于去中心化、小规模且稳健的水净化系统有着迫切且日益增长的需求，这些系统能够可靠地利用当地可用的可再生能源，直接从微咸或高盐度水源生产清洁饮用水（Alghafis et al., 2026a; G.N. Tiwari, Sahota 2017）。

太阳能蒸馏器代表了应对这一去中心化水净化挑战的极其优雅且可持续的解决方案。它们通过直接复制自然水文循环——包括太阳能驱动的热吸收、盐水蒸发以及随后在透明盖板上的凝结——运行，这些被动装置完全通过太阳辐射工作，无需外部电力或化石燃料（AlSaleem et al., 2022）。其结构简单易建、初期制造成本低、便于当地操作员维护以及最小的环境足迹，使它们非常适合在农村部署（Alghafis et al., 2026b）。然而，尽管具有这些固有优势，常规单斜式太阳能蒸馏器（CSS）的广泛工业和商业采用仍受到其根本有限的热力学性能的严重限制（Alghafis et al., 2026c, Najlaoui et al., 2025）。标准 CSS 设计通常表现出较低的日蒸馏产量（通常低于 3-4 L/m2·天）和适中的热效率，这主要是由于深水深导致的高热惯性（Arunkumar et al., 2026, Bait, 2026）、不透明侧壁产生的显著内部阴影，以及池水和凝结玻璃盖板之间温度梯度不足（Essa, 2026）造成的。

为了解决这些性能瓶颈，广泛的国际研究专注于开发不改变系统低成本性质的被动性能增强策略。最近详尽的综述结论性地表明，修改内部吸收器配置、优化纤维芯布局、最大化内部对流热质传递以及扩大功能性凝结面积，是提高太阳能蒸馏器生产力最有效的被动途径之一（Elsheikh et al., 2025, Kadhim et al., 2025）。在这些干预措施中，多孔纤维芯材料的集成引起了重大的学术兴趣。纤维芯通过毛细作用自然吸入水分，将液体分布为在吸收介质上高度均匀的超薄薄膜。这种薄膜分布显著减少了在任何给定时刻存在于活性加热表面的水总量，从而克服了深水盆太阳能蒸馏器相关的高热惯性（El-Sebaii et al., 2009）。此外，它提高了有效的蒸发表面积并加速了相变动力学，允许在日出后不久开始快速蒸发（Essa et al., 2024a, Essa and Omara, 2024b, Younes et al., 2022）。

许多研究人员通过实验验证了各种纤维芯布置和材料选择的好处。例如，Perumal 和 Velmurugan 进行的标志性实验工作（Perumal and Vellaipandian, 2016）报告称，用高孔隙率纤维芯材料衬里单斜式太阳能蒸馏器的内部池表面可显著提高日产量。具体而言，他们的黄麻布布置使淡水生产力比传统基准提高了 31.37%，而将这些纤维芯层与诸如黑色鹅卵石之类的显热存储材料结合使用则产生了更大的性能增益。同样，Sakthivel 等人（Sakthivel et al., 2010）记录道，使用黄麻布作为再生式太阳能蒸馏器的附件，由于其优异的润湿性能和在持续阳光照射下的耐久性，显著提高了蒸发速率。平行的研究探索了悬挂式吸收器、黑色化吸收介质、显热或潜热存储矩阵以及改良的多角度池内结构的部署（Abdallah et al., 2009, Kalidasa Murugavel and Srithar, 2011），确认系统的几何和表面级工程干预可以通过增加内部操作温度和传质系数来大幅提高产量。

本研究追求的研究方向直接建立在既定的几何和毛细增强概念之上，通过一种新颖的、结构优化的改良 M-W 形太阳能蒸馏器配置。在这种设计中，透明玻璃盖板遵循独特的、多角度的 W 形轮廓，而内部布局创造了多个同步的蒸发和凝结表面。这种专门的多面几何形状从根本上消除了深水侧壁的内部阴影，在整个昼夜周期中更有效地将盐水膜暴露于直射和漫射太阳辐射下，并相对于标准常规单斜式太阳能蒸馏器大幅扩大了可用的凝结面积。为了充分利用这种几何优势，通过在 M-W 形池的核心区域内引入高表面积垂直吸收板进行了先进的结构修改，所有垂直表面都包裹在高毛细黄麻纤维芯织物中。这种组合产生了本工作中评估的最终改良 M-W 太阳能蒸馏器（MMWSS）。所提议配置的原始性主要在于其在单一、连贯单元内协同集成了三个独立的被动增强机制：（i）多表面、高暴露的池和盖板几何形状，（ii）跨升高垂直吸收器面的纤维芯辅助薄膜蒸发，以及（iii）大幅扩大的凝结表面积。基于技术草案中记录的现场测量，这种新设计成功超越了传统的单斜式基准蒸馏器和早期原型 MWSS 配置（该配置在无垂直吸收器的情况下运行），确认垂直吸收器支持的纤维芯布置提供了独立的、独特的生产力提升。因此，本手稿的主要目的是全面详细说明结构设计概念，概述严格的户外实验程序，报告系统的瞬态热和体积生产力行为，通过生命周期模型计算日热效率和制水成本，并利用经验证的文献比较彻底评估驱动这种增强性能的潜在物理机制。据作者所知，这种多表面 M-W 池/盖板几何形状与纤维芯覆盖垂直吸收器的协同集成，通过解耦的三配置实验设计进行评估，此前未在同行评审文献中报告。

章节片段
系统配置与几何设计
正在调查的核心实验概念是一种改良的 M-W 型太阳能蒸馏器（根据修改阶段一致表示为 MWSS 或 MMWSS）。基本建筑蓝图由 M 形内部池剖面结合多面 W 型透明玻璃盖板布局组成，如图 1 中的详细示意图和 CAD 表示所示。这种高度专门的几何形状旨在创造一个扩大的独特互联阵列...

瞬态热行为与温度分布
太阳辐射的逐时变化以及相应关键组件的瞬态温度——包括 MWSS 和常规 CSS 系统的池吸收板、内部水质量、玻璃盖板（采光面）和环境空气——如图 2 图形所示。实验测量表明，两个太阳能淡化单元的内部温度密切模仿全球太阳辐射的正弦趋势，在整个过程中稳步上升...

结论
本研究成功详细描述了一种先进改良 M 型纤维芯太阳能蒸馏器（MWSS/MMWSS）的设计、制造和户外性能测试，该蒸馏器结合了包裹毛细黄麻织物纤维芯的高表面积垂直吸收器。基于在相同户外条件下与基准常规单斜式太阳能蒸馏器（CSS）进行的严格比较分析，得出以下主要结论：
•改良的几何布局成功优化了太阳能捕获...

资金支持声明
研究人员感谢卡西姆大学研究生与科学研究处（www.qu.edu.sa）的资金支持（QU-APC-2026）。

资金来源
本工作由卡西姆大学研究生与科学研究处 [资助编号 QU-APC-2026] 支持。资助方在研究设计、数据收集、分析或解释、报告编写或提交文章发表的决定中均未发挥作用。

未引用参考文献
(Anika et al., 2024, Elgendi et al., 2023, Essa et al., 2022, Javad Raji Asadabadi and Sheikholeslami, 2022)

CRediT 作者贡献声明
Fadl A. Essa: 写作 – 审查与编辑，可视化，验证，方法论，调查，形式分析，概念化。Fuhaid Alshammari: 写作 – 审查与编辑，监督，项目管理，调查，形式分析，数据整理。Abdullah Alghafis: 写作 – 初稿，监督，调查，资金获取，形式分析，概念化。Abdullah Alrashidi: 写作 – 初稿，可视化，调查，形式分析，数据...

致谢
研究人员感谢卡西姆大学研究生与科学研究处（www.qu.edu.sa）的资金支持（QU-APC-2026）。

利益冲突声明
下列姓名的作者证明，他们与任何组织或实体均无隶属关系或参与任何财务利益（如酬金；教育补助；参与演讲者局；会员资格、就业、咨询、股票所有权或其他股权利益；以及阿卜杜拉·阿尔拉希迪|阿卜杜拉·阿尔加菲斯|富海德·阿尔沙马里|法德尔·A·埃萨