利用回收的CuO纳米涂层金枪鱼罐头和燧石来提升改良型管锥形太阳能蒸馏器的热性能

《International Journal of Heat and Fluid Flow》：Enhancing the thermal performance of a modified tubular conical solar distiller using recycled CuO nano-coated tuna cans and flint stones

　　

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  使用纳米涂层罐子和燧石后，生产力提高了54.26%。
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  改进后的蒸馏器的能源效率提高了56.21%。
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  与传统系统相比，能量效率提高了130%。
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  水成本降低，投资回收期在1.5个月内实现。

引言

淡水短缺正成为一个全球性的严重问题。太阳能淡化是一种绿色且可持续的淡水生产技术，尤其是在电力和传统能源资源匮乏的干旱和偏远地区。在不同的淡化方法中，太阳能蒸馏器（SS）因设计简单、成本低以及能够有效利用太阳能而得到广泛应用（Rajendran等人，2025年）。然而，传统的太阳能蒸馏器由于热吸收效率低和大量热能损失，其生产力与效率较低。因此，许多研究人员正在通过设计改进来提高太阳能蒸馏器的效率，使用能够帮助提高热吸收和储存的材料（Selvaraju等人，2025年）。最近的研究表明，使用纳米流体、多孔材料和热储存材料可以提高水温、热储存能力和总淡水产量（Vijayakumar和Karthick，2025年）。

研究人员制作并测试了一种单斜面 basin SS，并在其中加入了浮石。分别使用5公斤和10公斤的浮石进行测试，结果显示该系统的夜间生产力分别提高了1.32%和3.62%（Bilal等人，2019年）。另一种单斜面双斜面 SS 使用了Kanchey弹珠作为能量储存介质进行了生产力测试（Saravanan等人，2020年），这种 sensible storage 系统的性能比传统系统提高了16.32%。使用粗砂砾作为储存材料的单斜面 SS 的生产力达到了3.81公斤/平方米，比传统 SS 高出23.3%（Dhivagar等人，2021年）。还有一项研究使用沙子、空气和石蜡测试了被动式太阳能蒸馏器的性能（Asbik等人，2021年），结果显示使用沙子和石蜡时的热效率分别为152.8%和223.09%。另一项研究针对多相变材料（PCM）和三种固体填充物的多阶段 SS 进行了生产力测试（Mokhtar等人，2025年）。使用石英岩的多阶段 SS 最终实现了34.31%的最大效率。一种带有双吸收器排列的金字塔形 SS 使用红砖块将水产量提高了43.47%（Chemkhi等人，2025年）。一种带有棉芯材料和M-Sand的双楔形 SS 的水产量为5.84升，同时能量效率为67.1%， nutzen effizienz 为5.29%（Jeevadason等人，2025年）。另一种单斜面 SS 使用不同高度（4厘米、6厘米和8厘米）的红色空心砖块进行了测试（Mankai等人，2025年），这些高度为3厘米、6厘米和9厘米的砖块分别使水产量提高了29.1%、33.84%和28.87%。还有研究将不同质量的棕榈核（1公斤、3公斤和5公斤）与双斜面 SS 结合使用进行了性能测试（Sibagariang等人，2024年），结果显示使用3厘米高的棕榈核时，水产量为2688毫升/平方米。使用黑沙的 SS 产生了4645毫升的水，效率分别为45.26%和3.72%（Bacha等人，2024年）。还有一种管状 SS 使用了金属网、铁片和黄麻布作为 sensible storage 材料（Sambare等人，2023年），研究表明使用金属网的效率高于铁片和黄麻布。一项关于带有Kanchey弹珠的单斜面双 basin SS 的全面综述显示，该系统的日产水量为4.094升/平方米（Khatod等人，2022年）。

一项混合系统结合了光伏技术和太阳能蒸馏器（SS），并使用了纳米流体（NF）和纳米PCM进行研究（Pugalenthi等人，2025年）。这种组合方式使生产力提高了115.4%。在另一项研究中使用了基于氧化铝和氧化硅的混合NF（Rabbi和Sahin，2020年），结果显示这种混合NF使日产量达到了4.99公斤/平方米，效率为37.76%。研究了单相NF和混合NF对SS性能的影响，结果表明Cu₂O NF使生产力比传统SS提高了285.1%（Gunay等人，2024年）。还全面研究了混合NF在SS中的效果，结果显示夏季使用时水产量提高了27.2%（Hussein等人，2024年）。一种带有CuO NF和PCM的半球形SS使生产力提高了80.20%（Abdelgaied等人，2022年）。将碳量子点NF与SS结合使用，结果表明这种新型NF使生产力提高了57.9%（Chen等人，2023年）。研究了带有TiO₂/菠萝皮NF的单斜面和双斜面SS，结果显示使用生物活性NF使生产力提高了7.35公斤/平方米/天（Kumar等人，2023年）。一项带有热电冷却模块和Cu₂O NF的单斜面SS研究显示，生产力提高了81%，效率提高了80.6%（Nazari等人，2018年）。一种带有ZnO NF和海绵芯材料的双斜面阶梯SS使水产量和效率分别提高了111.55%和96.55%（Eltawil等人，2026年）。将抛物面槽集热器与双斜面SS结合使用，并使用了multiwall carnon纳米管进行测试，结果显示这种方式产生了2937.6克/平方米/天的水产量（Tu?an等人，2025年）。一项关于NF对SS性能影响的全面综述表明，Cu₂O NF使生产力比传统SS提高了279.6%（Suresh等人，2024年）。

尽管许多研究人员通过各种实验证明了单独使用 sensible heat storage 或纳米流体可以提高传统SS的效率，但很少有研究将这些方法以可持续和经济的方式结合起来进行探讨，特别是在管状圆锥形SS的情况下。储存材料如石头和金属可以在辐射强烈的时候吸收部分太阳能，并在非高峰时段释放储存的能量，这有助于保持水箱内的水温和延长蒸发过程。同样，CuO纳米粒子以其高的太阳能吸收性和导热性而闻名。

当前研究的独特之处不仅在于使用这两种方法来提高太阳能蒸馏效率，还在于通过可持续设计将它们功能性地结合在一起。这是因为使用了从金枪鱼罐头中回收的空罐作为延长的热传递表面，并在其上覆盖CuO纳米粒子以增强太阳能吸收能力。由于圆柱体的结构是空心的，因此增加了可用于热传递的总表面积，从而促进了水在罐子内的循环。此外，薄金属表面由于热阻低而促进了快速吸热。另外，添加了燧石以在阳光充足的时段储存吸收的热量，并在辐射减弱时逐渐释放。

据作者所知，之前从未有人研究过在圆锥形管状太阳能蒸馏器中同时使用涂有CuO纳米粒子的回收金属吸收器和燧石。本研究使用低成本的回收材料来提高太阳能辐射吸收、热传递和热能储存，从而一次性提高淡水产量。

章节片段

实验装置

构建了一个圆锥形蒸馏装置用于进行这项实验。该装置由一个圆形木盆组成，外部覆盖了一层直径为0.40米、厚度为3毫米、倾斜角度为30度的透明圆锥形板材。SS的外表面涂有一层厚厚的黑色硅胶，以减少热量损失并增强吸热效果。木盆本身呈圆形，直径为0.36米，高度为0.04米。

结果与讨论

图5展示了实验当天太阳辐射和环境温度的变化情况。可以看出，太阳辐射在早晨缓慢增加，在07:00时达到395瓦/平方米，这意味着条件已经具备进行太阳能加热。随着白天时间的推移，由于太阳高度的增加，太阳辐射强度逐渐增强，在12:00（正午）时达到峰值1004瓦/平方米。之后，太阳辐射强度逐渐减弱。

结论

本研究的目的是实验性地调查使用CuO纳米涂层和燧石的回收材料制成的圆锥形SS的性能，并将其与传统管状圆锥形SS的结果进行比较。考虑了三种情况：传统太阳能蒸馏器（TCSS）、涂有纳米涂层的金枪鱼罐子的太阳能蒸馏器（CSS-TC）以及同时使用纳米涂层金枪鱼罐子和燧石的太阳能蒸馏器（CSS-TC&FS）。结果表明，这些改进在热效率、经济性和环境方面都有所提升。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。

Mohammed El Hadi Attia|Vijayakumar Rajendran|Wesley Jeevadason Aruldoss|T. Yuvaraj|Vinoth Kumar Selvaraj