管式太阳能蒸馏海水淡化系统的被动与主动强化技术：性能提升、可持续性、热经济评估与未来展望综合评述

《Next Energy》：Passive and active augmentation techniques for tubular solar still desalination systems: A comprehensive review on performance enhancement, sustainability, thermo-economic assessment, and future perspectives

　　

本工作对管式太阳能蒸馏（TSS）系统在提高淡水生产率及应对全球水资源短缺问题方面的最新进展进行了全面综述。TSS系统是一种前景广阔的太阳能淡化方法，凭借其倒置吸收体与周向几何结构能够捕获多方向太阳辐照，并提供比单坡蒸馏器更大的冷凝面积。然而，其广泛利用受到若干限制因素的制约，如蒸发与冷凝速率低、周向热损失大、夜间产量低及热效率低。为应对这些挑战，过去十年间已开发出多种被动与主动强化技术。因此，本综述文章对TSS与多种构型结合的应用进行了广泛分析，例如使用储能材料（ESM）、灯芯材料、相变材料（PCM）及纳米颗粒作为增强太阳辐射吸收的手段。此外，本研究还分析了将多种主动系统与TSS模型结合的应用，如太阳能热水器（SWH）、抛物面聚光太阳跟踪（PCST）系统、圆柱形抛物面聚光器（CPC）、光伏（PV）面板等，以提高盆内盐水的加热能力。这些主动与被动方法共同通过太阳能吸收、蓄热、热回收增强了热性能、蒸发、冷凝及淡水生产率，并克服了与TSS系统相关的夜间产量受限和热效率低的问题。与此同时，对多项研究的多效影响分析还探讨了吸收体盆、玻璃盖及玻璃盖材料的改性影响。在所综述的研究中，淡水生产率提高了427%，热效率达到88.8%；采用菲涅耳反射器结合多效蒸发技术的TSS系统展示了21.37 kg的淡水产量。本综述进一步评估了与先进TSS构型相关的几何改性、热经济性能、可持续性方面及长期运行挑战。最后，指出了关键研究空白与未来方向，强调混合构型、环境可持续材料、基于人工智能的优化及标准化性能评估，以促进先进TSS技术的实际应用与商业化。

1\. 引言
论文指出淡水短缺已成为影响全球数百万人的严峻问题，人口增长、城市化、工业发展、全球变暖及地下水过度开采等因素不断加剧水资源危机。传统膜法、反渗透、多级闪蒸等淡化技术依赖化石能源运行，增加全球污染。太阳能蒸馏利用太阳能驱动蒸发过程，其中管式太阳能蒸馏器（TSS）因其倒置吸收体可多向捕获太阳辐射、冷凝面积大于单坡蒸馏器而受到关注。本文区别于以往综述，重点聚焦储能材料（ESM）、灯芯材料、翅片、相变材料（PCM）、主动系统、多效系统及几何改性研究，建立了从传热机理到性能再到经济适用性的综合评估框架，并指出混合系统、可持续材料、人工智能优化及标准化评估是未来方向。

2\. 太阳能蒸馏器类型
介绍了单坡、双坡、金字塔形、半球形、圆锥形、管式、楔形等多种太阳能蒸馏器。TSS由透明管状盖（丙烯酸或玻璃）、矩形吸收体盆及凝水收集槽组成；太阳辐射透过管盖加热盐水，黑色盆体增强吸热，水蒸气因温度梯度上升至管内壁冷凝成淡水并汇入收集槽。TSS相比单坡蒸馏器的结构优势在于：圆柱形结构可从各方向吸收太阳辐射、无需向日倾斜调整、冷凝面积更大、重量更轻且便于维护。

3\. 采用蓄热材料的TSS最新进展
常规TSS受太阳辐射间歇性限制，日落后盆水迅速冷却。ESM通过在峰值辐照时储存余热并在低辐照时释放来克服此问题，分为显热和潜热（PCM）两类。综述涵盖多种ESM研究：蛤壳、荔枝种子、开心果壳（1.5 mm与5 mm粒径）、绿杏仁壳、西瓜籽、钢丝网、砂石、黑花岗岩、碳化蛋壳粉、铜-铝-砂复合材料等。碳基改性材料整体表现最优：碳化开心果壳产水4.1 kg/m²、热效率60.48%；碳黑纳米颗粒+碳纳米颗粒与PCM及灯芯组合的混合体系产水5.92 kg/m²。农业废弃物ESM的CPL低至0.01461 $/L，经济性显著，但产水量低于混合复合储热材料。研究表明，协同利用光热转换、潜热储存和毛细效应的混合系统可获得更高产水量，但直接对比受限源于气候、辐照、水深等条件差异，且多数研究缺乏长期运行验证。

3.1 采用PCM的TSS
PCM以潜热形式储存太阳能，实现夜间持续蒸发产水。蜂蜡PCM产水8.06 L/m²、热效率54.04%；PCM+空心翅片组合热效率达84.9%；PCM铜管产水9.05 L/m²（提升110.1%）；石墨烯氧化物纳米增强PCM产水5.65 kg/m²；蜂蜡-石墨烯纳米增强PCM结合抛物槽集热器（PTC）产水2.61 L/m