通过相变材料辅助的多向翅片增强，最大化半球形太阳能蒸馏器的得水量、能效和环境效益

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Maximizing water yield energy efficiency and environmental benefits in hemispherical solar stills through PCM assisted multi directional fin enhancements

　　

• 结合纵向翅片和螺旋翅片的混合相变材料（PCM）设计可提升产水能力。
• 混合设计方案使日产量从 4.17 升至 7.68 L/m2。
• 相比常规半球形太阳能蒸馏器（CHSS），能量和?效率提升高达 164%。
• 产水增益率（GOR）从 0.107 提升至 2.126。
• 二氧化碳减排量和碳信用额度显著提升。

引言

淡水短缺已成为 21 世纪最紧迫的全球性挑战之一 [1]。人口快速增长、工业化、城市化以及气候变化加剧了对饮用水的需求，给河流、湖泊和地下水含水层等传统水资源带来了巨大压力 [2], [3]。在许多地区，尤其是干旱和半干旱地区，天然淡水补给不足以满足生活、农业和工业需求。因此，迫切需要探索替代性且可持续的水资源，以确保长期用水安全和支撑经济社会发展 [4]。

海水淡化作为解决淡水短缺的可行方案，可将来自海洋和咸水水源的盐水转化为饮用水 [5]。目前已开发出多种海水淡化技术，包括多效蒸馏（MED）和多级闪蒸（MSF）等热力法，以及反渗透（RO）和电渗析（ED）等膜法技术 [6]。这些技术在能耗、资本及运营成本以及环境影响方面各不相同。选择合适的淡化方法取决于当地水质、能源可获得性及经济考量，凸显了技术优化对实现高效且可持续淡水生产的重要性 [7]。

太阳能蒸馏是一种简单且环保的淡化技术，利用可再生能源太阳能生产清洁水，具有广阔的应用前景 [8]。太阳能蒸馏器的工作原理是利用太阳辐射蒸发盐水，再将水蒸气冷凝以获取蒸馏水 [9]。研究者已对多种类型的太阳能蒸馏器进行了探索，包括常规盆式、半球形和芯式结构等设计。尽管其结构简单且运行成本较低，但常规太阳能蒸馏器由于传热效率有限，导致产水率较低 [10]。通过集成热储存材料、优化吸热器设计以及引入导热翅片来提升性能，已成为当前的研究热点，旨在最大限度提高产水量，使太阳能蒸馏成为缺水地区分布式制水的更可行方案 [11]。

为了克服常规太阳能蒸馏器固有的低淡水产水率问题，研究人员广泛探索了各种性能改进方法，涵盖几何结构优化、先进材料以及热管理技术。几何结构优化方面，采用多斜面、金字塔形、阶梯形或倾斜吸热器等配置，可增加有效蒸发面积并提高太阳辐射捕获能力，改善热量分布，产水量相比单斜面设计有所提升 [12], [13]。传热增强方法包括使用内外翅片、多孔芯式介质以及改善吸热表面，可显著增强盆水与太阳辐射表面之间的导热和对流换热，使蒸发速率和产水量在部分研究中提升超过 60% [14]。引入热储能材料，尤其是相变材料（PCM），代表了另一项重要进展；相变材料在太阳辐射高峰期吸收潜热，并在辐射强度下降时释放，有效延长了产水时间并提高了日蒸馏产水量 [15], [16]。将相变材料与增强型几何结构或翅片阵列相结合的混合设计，通过同时增加热保留和提高传热效率，展现出协同性能提升 [15]。近年来，研究还集中于利用纳米材料和纳米流体来增强吸热器及相变材料内的太阳吸收和热导率，从而大幅提升热捕获和存储效率 [16]。其他辅助技术，如外部反射镜、光伏-光热（PVT）耦合以及垂直芯式或线圈集成，可进一步提升热性能、减少热损失并提高蒸馏速率 [17]。总之，几何重新设计、热能与材料创新以及混合策略的综合作用，代表了当前研究的前沿方向，旨在使太阳能蒸馏器在全球缺水地区的分布式淡化应用中更具可行性和效率。

在太阳能蒸馏器内集成翅片已被广泛研究，作为一种有效的传热增强技术，通过增加热交换表面积并加速吸热器与盆水之间的导热，从而提高淡水产水率。早期实验研究已证实，增加翅片可显著提高蒸发速率和蒸馏产水量，效果优于传统平板式吸热器太阳能蒸馏器 [18]。优化翅片几何结构——包括翅片数量、高度、间距和截面形状——已被证明能带来可衡量的性能提升，产水量增益范围为 12% 至 50% 以上，具体取决于设计和运行条件 [3], [19]。Naphon 和 Wongwises 的研究表明，圆柱形和矩形翅片结构的几何优化在相同太阳辐射条件下，使平均日产量相比基准系统提升 14%–24% [20]。涉及金字塔形太阳能蒸馏器的研究表明，采用空心圆柱多孔翅片和倾斜矩形多孔翅片的设计，相比无翅片的同类配置，产水量分别提升约 31.3% 和 55.9% [21]。其他研究指出，翅片与多孔芯式介质结合可进一步提升热接触和产水量增益 [22]。全面的文献综述证实，在各种盆型结构和气候条件下，增加翅片始终能改善能量效率和?效率，通常与潜热存储和纳米材料结合以取得更高性能 [13], [17]。实验研究还表明，带翅片设计可在运行期间减少盆体热损失，同时保持较高的水温，这与日产水量提升直接相关 [23]。总之，这些研究提供了强有力的定量证据，表明翅片的应用——在优化材料、形状和间距的条件下——是提高太阳能蒸馏系统热性能和饮用水产量的可靠且有效的方法。

近年来，大量工作致力于寻找更好的利用太阳能蒸馏器生产淡水的方法。一种广为人知的途径是利用相变材料（PCM）。能够在固液等相态间发生转变的材料被称为相变材料。在太阳能蒸馏器中添加相变元件后，可在白天吸收更多热量，并在日落后释放，从而实现太阳落山后的连续产水。Abdelgaied 等人利用翅片和相变材料增强热存储和传递，证明管式太阳能蒸馏器可显著提高产水量 [24]。Abdullah 等人的类似研究表明，与常规设计相比，将相变材料与预热进料水结合使用，可提高日产水量 [25]。Alatawi 等人最近的一项研究探讨了芯式翅片与相变材料结合使用的潜力，其结果表明盆式太阳能蒸馏器的产水量可大幅提升 [26], [27]。在太阳能蒸馏器中添加翅片也已成为研究热点。翅片可增加热量流动的表面积，从而加快蒸发速率。研究表明，无论是方形还是圆形的空心翅片，均可提高管式太阳能蒸馏器的淡水产量 [26]。大量关于最佳比例和材料的研究表明，采用高导热材料（如铝和铜）制成的翅片表现更佳 [28]。

将相变材料（PCM）与带翅片的太阳能蒸馏器设计相结合，已成为一种非常有效的混合策略，旨在提升热性能和淡水产水率，利用了增强传热和热能储存的互补优势。相变材料充当潜热储库，在高太阳辐射时段吸收多余热能，并在辐照度下降时释放，从而维持盆体温度并延长蒸发时间 [15], [16]。与内部翅片结合使用时，翅片可增加有效传热表面积并加速盆内导热，这些混合系统相比常规蒸馏器和单一增强型蒸馏器，日蒸馏产水量有显著提升 [13]。例如，将带翅片吸热器与相变材料储存结合的研究显示，相比无翅片或无相变材料的对照蒸馏器，淡水产水率提升 47%–98%，凸显了这种组合的协同效应 [29]。另一项研究记录，当将圆柱形翅片嵌入相变材料增强型盆体时，日淡水产量相比仅使用相变材料的配置提升 61.5% [30]。

相变材料内部导热增强的效果在很大程度上取决于导热结构的几何形状和空间布置。Zou 等人表明，改变铜泡沫翅片的厚度可通过增强储存介质中的热传导来改变封装相变材料的热响应 [31]。Li 等人进一步证明，局部分布的铜泡沫结构可改善相变材料的充放电过程，同时保留自然对流通道，强调了平衡导热增强与液相循环的必要性 [32]。最近，Zou 等人对比了离散型和连续型多孔铜泡沫结构，证明结构连续性决定了熔化和凝固过程中导热与自然对流的相对贡献 [33]。这些发现支持使用几何分布的铜结构来克服相变材料低热导率的问题，并为在本研究中探索纵向翅片和延伸螺旋翅片作为互补传热路径奠定了基础。

尽管对太阳能蒸馏器的研究已十分广泛，但常规设计仍面临持续存在的局限性，包括热效率低、热损失大和产水率有限。以往引入相变材料的研究虽然改善了潜热储存，但常存在热分布不均匀和传热延迟的问题，降低了系统在太阳辐射高峰期时的效率。同样，基于翅片的增强措施虽已被探索用于增强导热，但大多数研究仅关注单一翅片配置，未考虑多维热量扩散或翅片几何形状组合的协同效应。因此，在同时优化传热均匀性和潜热利用方面存在明显缺口，限制了日产水量和年产水量、系统能效以及包括二氧化碳减排在内的环境效益方面的显著改进潜力。

提出两种新方法来提高相变材料的热导率：一种是在相变材料中采用直线纵向铜翅片，另一种是在相变材料中嵌入延伸螺旋基座铜翅片并向上延伸至盐水盆中。最后，将两种方法结合，同时使用直线纵向铜翅片和延伸螺旋基座铜翅片嵌入相变材料中，以实现最大日产量。

本研究引入了一种新型混合太阳能蒸馏器设计，将相变材料与纵向翅片和螺旋翅片相结合，旨在增强多方向传热和高效利用潜热。通过系统性地结合这些增强措施，本研究旨在实现更高的盆体温度、均匀的热分布以及更长的蒸发周期。主要目标在于量化日产量和年产水量、能量效率、?效率以及?产生因子相比常规太阳能蒸馏器和单一增强型太阳能蒸馏器的提升幅度。此外，本研究还评估了二氧化碳减排和碳信用生成方面的环境影响，为性能和可持续性提供全面评估。这种综合方法解决了文献中识别出的局限性，为缺水地区优化太阳能蒸馏器技术提供了清晰路径。

简要而言，本研究评估了一种采用 RT-47 相变材料和两种铜翅片配置（纵向翅片、延伸螺旋基座翅片及其组合配置）的半球形太阳能蒸馏器。翅片的目的是降低相变材料的热阻并改善储存层与盆水之间的传热。对五种测试配置在淡水产水率、能量效率、?效率、?产生因子（EPF）和环保指标方面进行了比较。

章节摘要

相变材料

相变材料（1500 克，见图 1）被战略性地集成在吸热器下方，如图所示，以改善热能储存和释放。石蜡因其高潜热容量而闻名，在太阳辐射高峰期吸收热量并逐渐释放，从而促进水分蒸发并提高蒸馏效率。其热性能详见表 1。

选择 RT-47 型相变材料，依据其 41–48 °C 的相变温度。

系统能量效率

系统能量效率表示太阳能蒸馏器将传入太阳辐射转化为用于水分蒸发的有效热能的能力。

该定义涉及在一定时间段内，由生成的蒸馏液所关联的潜热与集热盆面积所接收的总太阳能之比。该指标反映了太阳能吸收、内部传热过程以及向环境热耗散的综合影响。

实验评估与讨论

由于五种配置并非同时运行，实验评估分两个独立的测试案例进行。在第一案例中，同时测试了CHSS（传统半球形太阳能蒸馏器）、HSS + PCM（相变材料）和HSS + PCM_Lf（纵向翅片）；第二案例则包括CHSS、HSS + PCM_EHbf（延伸螺旋基翅片）和HSS + PCM_Lf&EHbf（混合翅片）。因此，传统半球形太阳能蒸馏器（CHSS）在两个案例中均运行，作为共同的实验参照。在每个案例中，各系统同时暴露在相同的[条件下]。

结论

本研究探讨了利用相变材料（PCM）结合纵向翅片和延伸螺旋铜翅片来增强半球形太阳能蒸馏器的性能，以克服相变材料固有的导热系数限制。实验评估涉及五种配置：传统半球形太阳能蒸馏器（CHSS）、仅含相变材料的蒸馏器（HSS + PCM）、带纵向翅片的相变材料（HSS + PCM_Lf）、带延伸螺旋基翅片的相变材料（HSS + PCM_EHbf），以及结合两者的混合设计。

符号说明

?fw 淡水产量 (L/s)
?CO? 年度CO?减排量
Asc 表面积 (m2)
?x,dest 破坏性? (W)
?x,evap,solar still 太阳能蒸馏器? (W)
?x,evap 蒸发式太阳能蒸馏器? (W)
?x,in 入口? (W)
?x,out 出口? (W)
Tamb 环境温度 (°C)
Tavg 平均温度 (°C)
Tg 玻璃温度 (°C)
Tw 水温 (°C)
Ts 表面温度 (°C)
I 太阳辐照度 (W/m2)
Lex,ann 年度?损失 (W)
Tsun 太阳温度 (°C)
W?r,solar still 太阳能蒸馏器做功 (W)
ηEx ?效率

CRediT作者贡献声明

Gamal M. Ismail：撰写–审稿与编辑、软件、方法学、调查研究、经费获取、形式化分析。
K. Harby：撰写–审稿与编辑、监督指导、项目管理、调查研究、经费获取、概念设计。
M.A. Elazab：撰写–原始草稿、软件、方法学、调查研究、经费获取、概念设计。

参与同意

作者同意参与本项研究。

伦理审批

作者声明所提交的手稿为原创作品。他们确认本次审阅已按照学术道德规范进行，且研究的最终成果已获得所有作者的一致同意。

利益冲突声明

作者声明，不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢沙特麦地那伊斯兰大学科学研究院对本研究工作的资助。

Gamal M. Ismail | K. Harby | M.A. Elazab