集成石蜡相变材料（PCM）与外部玻璃盖冷却的热增强太阳能蒸馏器的实验研究与理论验证

《Desalination and Water Treatment》：Experimental investigation and theoretical validation of a thermally enhanced solar still integrating paraffin wax PCM and external glass-cover cooling

　　

相变材料（phase change material, PCM）浓度对太阳能蒸馏器性能的影响，尽管对优化热能储存和淡水生产至关重要，但受到的关注仍然有限。本研究在沙特阿拉伯塔布克市的气候条件下，对一座集成石蜡（paraffin wax, PW）与外部玻璃盖冷却的0.25 m2传统单坡太阳能蒸馏器进行了实验和理论研究。实验在恒定的0.50 cm盆水深下进行，采用的PW负载量为盆水质量的25%、50%和100 wt%。研究人员针对传统蒸馏器以及50 wt% PW组合配置研究了玻璃盖冷却效果。此外，还开发了一个瞬态热-质传递模型，用于预测温度与逐时淡水生产率。结果表明，在仅含PCM的配置中，50 wt% PW实现了最高产水率（3.60 L·m^-2·day^-1），而100 wt% PW因热惯性增大而降低了性能。玻璃盖冷却使产水率从2.49 L·m^-2·day^-1提升至3.41 L·m^-2·day^-1，热效率从46.01%提升至54.24%。将50 wt% PW与玻璃盖冷却相结合，实现了5.10 L·m^-2·day^-1的最高产水率，较传统蒸馏器提高约106%。研究人员开展了实验重复性分析、玻璃温度空间不确定度评估和统计模型评价，以检验测量可靠性与模型性能。这些分析表明实验一致性良好，模型也合理捕捉了整体温度与产水率的变化趋势。总体而言，研究结果凸显了优化PCM负载量并将PW与玻璃盖冷却相结合对提升太阳能蒸馏器性能的重要性。

【研究背景】
淡水资源短缺已成为全球性挑战，开发高效脱盐技术至关重要。反渗透（RO）虽为规模化脱盐主流技术，但存在膜污染、能耗高和浓盐水排放等环境与运行问题。太阳能蒸馏器因结构简单、可持续且成本低廉而受到广泛关注，其工作原理类似于自然水文循环。然而，传统太阳能蒸馏器产水率较低，通常仅为2.5–5 L/m2/day，主要受限于蓄热能力不足、蒸发-冷凝速率弱以及向环境的热损失较大。相变材料（PCM）能够通过潜热储存与释放延长产水时间，但已有研究大多采用单一固定PCM浓度，缺乏对不同PCM负载量的系统优化；此外，PCM与外部玻璃盖冷却的协同效应也鲜有报道。为此，研究人员在沙特阿拉伯塔布克市的气候条件下，对集成石蜡（PW）相变材料与外部玻璃盖冷却的0.25 m2传统单坡太阳能蒸馏器开展了系统的实验与理论研究。
【研究概述】
研究人员以恒定盆水深0.50 cm、盆水质量1.25 kg为基准，考察了PW负载量（25 wt%、50 wt%、100 wt%）对热性能与产水率的影响，并研究了玻璃盖冷却单独使用及与50 wt% PW组合时的效果。结果表明：50 wt% PW在纯PCM配置中产水率最高（3.60 L·m^-2·day^-1），100 wt% PW因热惯性过大而性能下降；玻璃盖冷却使产水率由2.49 L·m^-2·day^-1提升至3.41 L·m^-2·day^-1，热效率由46.01%提升至54.24%；二者组合获得最高产水率5.10 L·m^-2·day^-1，较传统蒸馏器提升约106%。研究还建立了瞬态热质传递模型，合理预测了温度与产水率变化趋势。该论文发表于《Desalination and Water Treatment》。
【关键技术方法】
研究采用的主要方法包括：(1) 实验装置构建：由2 mm厚铝板制成有效面积0.25 m2的吸热盆，配以4 mm厚倾斜退火玻璃盖作为冷凝表面，底部设挤塑聚苯乙烯（XPS）与中密度纤维板（MDF）双层保温；(2) PCM集成：将石蜡（熔点44–46 °C，潜热190 kJ·kg^-1）封装于金属罐内，以三种负载量置于盆内与水直接接触；(3) 玻璃盖外部冷却：采用R-385隔膜泵与三个喷嘴以约100 mL·min^-1总流量间歇喷洒冷却水；(4) 数据采集：DS18B20数字温度传感器配合Arduino Mega 2560微控制器与SD卡记录仪，实验地点为沙特阿拉伯塔布克市户外环境；(5) 瞬态集总参数模型：包含盆、水、玻璃盖及PCM四个节点，采用四阶Runge-Kutta法数值求解能量与质量平衡方程。
【研究结果】
3.1 相变材料对盆水温度和水-玻璃温差的影响：实验表明PCM对白天加热过程影响有限，但日落后PW凝固释放潜热，使盆水降温速率明显减缓。50 wt% PW配置升温更快且盆水温度更高，而100 wt% PW因热惯性过大延迟了水温响应，说明过量PCM会削弱热效率。
3.2 冷却对累计淡水产量（无PW）的影响：8小时实验显示，玻璃盖冷却使累计产水量由约620 mL增至850 mL（提升36–38%），主要归因于外部冷却降低了玻璃盖温度，显著增大了盆水-玻璃温差，从而强化了蒸汽冷凝与凝结水收集。
3.3 石蜡质量浓度对淡水产量（无冷却）的影响：在相近太阳辐照条件下，50 wt% PW累计产水量最高（约900 mL），25 wt%与100 wt% PW分别约为620 mL与334 mL。这说明50 wt%为最优负载量，过量PCM虽然增加了蓄热量，但延迟了白天盆水加热，夜间释放的热量不足以弥补白天蒸发量的损失。
3.4 热效率评估与文献对比：热效率计算范围为11.44%–57.35%。50 wt% PW与玻璃盖冷却组合配置产水率达5.10 L·m^-2·day^-1，较传统蒸馏器提升106.3%，与文献中多数PCM辅助蒸馏器相比具有竞争力。讨论指出，热效率并非评价PW辅助系统的唯一指标，因为部分能量以潜热形式储存并在日落后释放，延长了产水时间。
3.5 基于瞬态能量和质量平衡模型的实验数据验证：模型预测与实验数据总体吻合。盆水温度的均方根误差（RMSE）为7.42–11.35 °C，玻璃盖温度在组合配置中决定系数R2为0.85，逐时产水率R2为0.52–0.82，表明模型能够合理捕捉整体热行为与产水趋势。
3.6 产水过程累积水盐度：所有配置的蒸馏液总溶解固体（TDS）随运行时间降至9–36 ppm范围内，组合配置8小时产水1.095 L且最终TDS为29 ppm，证明系统在提升产水率的同时保持了良好的脱盐性能。
【讨论与结论】
讨论部分指出，过高的PCM负载量虽然增加了总蓄热量，但延迟了盆水加热并降低白天蒸发速率，夜间潜热释放的补偿作用有限；玻璃盖冷却通过增大水-玻璃温差直接强化冷凝，而PCM的主要贡献在于维持夜间水温、延长蒸发过程。实验重复性分析、空间温度不确定度评估与模型统计检验共同验证了测量数据的可靠性与模型预测能力。研究结论翻译如下：本研究对集成石蜡（PW）相变材料与外部玻璃盖冷却的传统单坡太阳能蒸馏器进行了实验与理论研究，主要发现为：50 wt% PW实现了潜热储存与盆水加热之间的最优平衡，在仅含PCM的配置中获得最高产水率（3.60 L·m^-2·day^-1）；将PW负载量增至100 wt%增大了热惯性，延迟了盆水加热，导致产水率（1.33 L·m^-2·day^-1）与热效率（11.44%）显著下降；玻璃盖冷却通过增大水-玻璃温差强化冷凝，使产水率较传统蒸馏器提高约37%；将50 wt% PW与玻璃盖冷却相结合获得了最高产水率（5.10 L·m^-2·day^-1）；在可比气象条件下开展的实验有效分离了PW负载量及玻璃盖冷却的影响与天气变量；重复性、不确定性和模型验证分析支持了实验方法的可靠性，模型也合理再现了整体温度与产水率的变化趋势。