Desalination|新型浸入式锥形太阳能蒸发器与太阳能聚光器结合的能量、用能和经济分析

研究背景

淡水对人类至关重要，但可利用的淡水仅占总水资源的1%。到2040年，33个国家将面临严重淡水短缺。海水淡化是缓解危机的方法，但传统方法能耗高、污染重。太阳能海水淡化是一种环保方式，通过聚光和冷凝过程提高淡水产量。

传统的海水淡化能耗高且环境影响大，而太阳能作为一种可再生能源，具有巨大潜力和广泛分布，适合用于海水淡化。太阳能海水淡化过程包括集热环节、蒸发环节和冷凝环节。为提高装置能量利用效率，研究者们对太阳能聚光集热技术进行了改进，如Zheng等学者利用聚光器驱动太阳能海水淡化系统以实现热量梯级利用，Chen等学者结合真空管和复合抛物面聚光器提高预热和蒸发效率，Ahmed等学者设计的管式抛物面聚光器将淡水产量提升为5.2 L/m2/d，Nazari等学者开发的聚光太阳能蒸馏器性能得到了提升，降低了制水成本，约为0.0056 $/L/m2，并发现添加纳米颗粒Fe3O4@Ag可提高效率。尽管增加聚光器能提升淡水生产率，但可能导致太阳能海水淡化设备复杂化。

此外，提高冷凝效率，从而提升淡水产量是太阳能海水淡化技术的关键。Kabeel等学者发现强制对流冷却能显著提升管式蒸馏器的产量和热效率。Arunkumar等学者通过风冷和水冷测试，证实了冷却方法对提高淡化装置产量的有效性。Yan等学者采用真空操作和浸没冷却，实现了较高的装置产水量。Aghakhani等学者理论模型预测水冷可提高产量，而Li等学者实验证明减小扩散距离能提升产水量。尽管额外的冷却组件如双层玻璃管和浸入式冷却罐能提高冷凝能力，但它们增加了系统复杂性。因此，探索简单有效的冷却方法是未来的发展方向。而且，浸没式太阳能蒸馏器结合了高效蒸发和毛细管自润湿特性，为海水淡化提供了新思路。

本研究设计了一种新型浸没式锥形太阳能海水淡化装置，由漏斗形聚光器和锥形蒸馏器组成，放置于盐水区域水面收集太阳能并驱动盐水分离，同时利用盐水冷却增强冷凝效率。研究内容包括装置结构和工作原理介绍，理论分析传热传质特性并建立数学模型，实验测试淡水产率和工作温度，以及经济性评估。

相关成果以“Energy, exergy and economic analysis of a novel immersion tapered solar still for combination with solar concentrator”为题发表在国际知名期刊《Desalination》(JCR一区，中科院一区，IF：8.4)上。

研究成果

浸没式锥形太阳能海水淡化装置利用光漏斗捕获并聚焦太阳能至锥形蒸馏器加热水体内，通过水体边界壁面的吸收材料和水体内的光吸收颗粒，将入射太阳辐射能转化为热能，驱动海水液膜蒸发。其中，海水通过管道进入锥形太阳能蒸馏器的吸水材料，形成海水降膜，液膜吸收水体中的热能而实现蒸发，产生的水蒸气在冷凝面凝结成淡水，释放的潜热消散至环境。装置底部隔水板分离淡水和浓海水，在重力作用下分别流进淡水室和浓海水室。浸入盐湖中的蒸馏器通过盐水冷却实现了被动式冷凝强化，提高装置淡水产量。本文通过理论计算和实验测试研究了锥形蒸馏器的产水量，探究水冷增强机理，该装置具有水蒸气扩散距离短、散热损失少，以及自重力进水等特点。

Fig 1:浸没式锥形太阳能海水淡化装置示意图

Fig 2: 浸没式锥形太阳能海水淡化装置的结构细节。

1. 给水管;2、穿孔橡胶分水管;3、蒸馏室;4. 加热水体;5、挡水板;6. 淡水收集管;7、蒸发面;8. 吸水材料;9、冷凝面;10. 浓盐水排水管;11. 淡水室;12. 浓缩盐水室。

实验内容

Fig 3: 海水淡化过程中的能量流示意图。(a) 海水淡化过程不同组成部分的控制体积; (b) 加热水; (c) 内锥; (d) 海水液膜; (e) 淡水膜和外锥体。

Fig 4: 锥形太阳能蒸馏器中的传热和传质过程。

Fig 5: 计算过程的流程图。

Fig 6：实验装置的示意图和照片。

数据分析

Fig 7：单效和两效装置淡水产量计算值和测试值。

Fig 8：稳定状态下锥形太阳能蒸发器中的能量流分布。

Fig 9：锥形太阳能蒸发器的能效比。

Fig 10：锥形太阳能蒸发器的能效。

Fig 11：淡水产量和温度的双重效应测试值。

Fig 12：当加热功率为 170 W 时，两效装置稳态下的能量流分布情况。

Fig 13：两种冷却模式下加热温度对淡水产量的影响。

Fig 14：自然空气冷却和浸入式水冷却下蒸馏器的温差和温度梯度。

文章总结

本研究设计并测试了一种将太阳能聚光器和锥形蒸发器集成的新型浸没式锥形太阳能海水淡化装置，理论和实验研究表明，理论模型计算值与实验测试值变化趋势一致，当加热功率为170 W时，装置稳态产水速率为37.63 g/15 min；增加输入功率和运行温度可提高装置产水速率，但会降低性能系数(GOR)；两效装置在170 W时性能系数提升，产水速率为0.26 kg/h；通过水冷可以显著提高装置的冷凝速率，当运行温度为75 ℃时，装置产水速率可达0.732 kg/h；年运行320天的装置制水成本为0.023 $/L，投资回收期为3.42 年。未来将继续开展探索实际天气条件下的装置日产水量和能量利用效率相关研究。

DOI:10.1016/j.desal.2025.118560

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