《Desalination》：Thermoelectric cooling–assisted water harvesting and desalination: A critical review of technologies and performance limitations
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本文综述了热电冷却（TEC）在便携式、去中心化水生产中的应用，包括大气水收集和海水淡化。TEC技术具有固体无运动部件、模块化设计、与可再生能源兼容等优势，但受限于低热效率和高能耗。研究重点转向系统集成、热管理优化和智能控制策略，以提高能源利用率和系统可扩展性。未来需加强材料创新和跨领域整合。
阿里·M·阿舒尔（Ali M. Ashour）| 赛义夫·阿里·卡迪姆（Saif Ali Kadhim）| 阿马尔·S·阿卜杜勒-扎赫拉（Amar S. Abdul-Zahra）| 萨塔尔·阿尔贾拜尔（Sattar Aljabair）| 奥萨马·B·艾哈迈德（Osama B. Ahmed）| 哈姆扎·M·贾法尔（Hamzah M. Jaffar）| 艾哈迈德·莫辛·阿尔萨亚（Ahmed Mohsin Alsayah）| 法尔汉·拉夫塔·拉希德（Farhan Lafta Rashid）| 阿卜杜拉·布阿比迪（Abdallah Bouabidi）
伊拉克巴格达技术大学机械工程学院
摘要
随着全球水资源短缺问题的日益严重，人们对分散式、节能的淡水生产技术的兴趣日益增加。基于热电冷却（TEC）的水资源收集和海水淡化系统因其固态运行方式、紧凑的体积以及精确的温度控制能力而受到越来越多的关注。本文综述了基于TEC的水资源生产技术的最新进展，包括大气水生成、加湿-除湿系统、太阳能蒸馏器、膜蒸馏以及混合水-能源配置。通过采用结构化的综述方法，并结合参考文献计量分析，本文识别了研究趋势、技术成熟度以及主要应用领域。文献显示，近年来基于TEC的大气水生成和混合系统取得了快速的发展，这得益于系统集成和性能优化的进步。尽管在水资源生产效率方面有所提高，但基于TEC的系统仍受到热力学效率较低、比能耗较高以及热侧散热限制的影响。因此，最近的研究工作主要集中在混合架构、先进的热管理策略和数据驱动的优化技术上，以克服这些限制。总体而言，基于TEC的水资源系统不太可能取代传统的大规模海水淡化技术；然而，它们在便携式、分散式和离网应用中具有广阔的潜力，特别是在集成水-能源系统中。
引言
全球淡水资源的短缺已成为一个紧迫问题，这一问题因人口增长、气候变化以及对传统水资源需求的增加而变得更加严重。传统的供水方式（如集中式海水淡化和远距离输水）能耗高、成本高昂，并且受到地理条件的限制[1][2][3][4]。这些限制使得人们更加关注在用水点附近进行分散式和小规模淡水生产的技术，尤其是在干旱、偏远和离网地区。
大气水生成（AWG）和紧凑型海水淡化系统是两种有前景的分散式解决方案。AWG从空气中生成水蒸气，而海水淡化则将咸水或微咸水转化为淡水[5][6][7][8]。然而，每种技术都有其自身的缺点。大多数基于蒸汽压缩制冷（VCR）的AWG技术存在高电力需求、在低相对湿度下效率低以及需要机械装置等问题，这些因素增加了维护成本[10][11][12]。同样，主流的海水淡化技术（如反渗透和热驱动海水淡化）通常设计用于大规模的连续运行，因此不适合小型或便携式设备[13][14][15][16][17]。
在这方面，热电冷却（TEC）最近被提出作为一种有前景的独立或辅助冷却技术，适用于水资源收集和海水淡化应用。基于珀尔帖效应（Peltier effect）的热电模块提供无运动部件和无制冷剂的固态冷却[18][19]。因此，TEC系统具有低占地面积、模块化设计以及低噪音运行特性，维护需求极小。这些优点使得TEC技术特别适用于离网应用，并且可以与可再生能源（如光伏（PV）系统集成，在这些系统中系统简单性和运行可靠性至关重要[20][21][22]。
基于TEC的设备具有较高的操作可控性，可以通过调节输入电压或电流来指定冷却功率。这一特性使得可以根据环境温度和相对湿度来收集水分，从而使亲水/疏水材料适用于大气水收集系统[23]。基于TEC的冷却技术已应用于最受研究的领域——海水淡化，多项研究讨论了其在提高性能方面的应用，特别是在加湿-除湿（HDH）配置中，利用TEC模块提高热冷凝效率，实现便携式的小规模离网淡水生产[24]。
尽管这些系统具有许多优势，但在AWG和海水淡化系统中使用热电冷却仍受到一些技术挑战的限制。典型的商用热电模块性能系数（COP）较低，尤其是在较大温差下，导致其比能耗高于优化的蒸汽压缩系统。性能还受到其他因素的影响，例如散热需求、模块接口的热阻以及系统的可扩展性。因此，文献中报道的大多数基于TEC的水资源生成系统仍局限于实验室或试点规模示范，性能指标存在显著差异，这主要是由于系统配置和运行条件的不同[25][26][27][28]。
与传统的VCR系统相比，TEC虽然热力学效率较低，但具有更高的简单性、模块化程度以及与直流电源（如光伏）的兼容性。虽然基于吸附的大气水收集系统和被动辐射冷却方法可以在较低的能耗下运行，但它们往往受到再生周期、气候依赖性、可控性受限或动态响应缓慢等问题的影响。相比之下，TEC通过电压调节实现精确的温度控制，系统集成紧凑，且无需运动部件或制冷剂，因此可以作为一种分散式、便携式和离网淡水生产应用的补充方案。
近年来，关于在AWG和海水淡化技术中使用TEC的实验和数值研究不断增加。这些分析涵盖了多种系统类型，包括直接空气冷凝单元、散热片辅助的TEC冷凝器、混合TEC-干燥剂系统以及TEC辅助的HDH海水淡化过程。然而，该领域的文献仍然分散，AWG和海水淡化研究之间的联系不足，缺乏用于比较和性能评估的一致模型。
本文提供了关于基于TEC的大气水生成和海水淡化的全面而批判性的综述，涵盖了最新进展、基本限制、主要挑战以及未来研究方向。以往的大气水生成和海水淡化文献综述通常分别讨论这两个方面，而本文则从耦合热电冷却的角度进行了综合分析，重点关注系统配置、性能改进方法以及能源和可持续性问题。此外，本文还讨论了未来的研究方向，旨在实现更高的能源效率以及可扩展、可持续的基于热电的淡水生产技术，重点在于先进的热电材料优化设计、混合系统集成和智能控制策略。
综述方法
本综述采用了一种结构化、透明的方法，遵循PRISMA（系统评价和元分析的优先报告项目）指南，以确保研究的可重复性和减少选择偏差。筛选过程包括四个步骤：识别、筛选、资格评估和纳入。
初步的论文集合来自对最主要的科学数据库和出版平台（包括Scopus、Web of Science等）的系统性搜索。
热电冷却原理及模块工作原理
热电冷却是一种固态热泵技术，通过可逆的热电效应实现电能与温度差之间的直接转换。在热电模块（TEM）中，外部直流电驱动冷端的吸热和热端的散热过程。塞贝克效应（Seebeck effect）是指当存在温度差时产生的电压。
基于TEC的大气水生成工作原理
基于热电冷却的AWG利用冷表面上水蒸气的吸附作用直接从周围空气中提取淡水。由于大气中水分的全球分布，AWG是一种分布式且适应性强的淡水生产方法，不依赖于地表水或地下水来源，从而降低了传统供水系统中的污染风险[54][55]。
热电冷却在海水淡化过程中的作用
热电冷却已成为海水淡化应用中一种有趣且具有潜力的补充技术，尤其是在分散式的小型到中型可再生能源驱动系统中。它作为一种物理补充手段，而不是替代现有的海水淡化技术，主要用于增强关键的传热和传质过程（如冷凝），这对于高效释放潜热至关重要。
挑战、机遇与未来研究方向
基于热电冷却的水资源收集和海水淡化系统因其固态运行方式、紧凑的体积和出色的可控性而成为分散式、小规模淡水生产中最有前景的技术之一。然而，它们的应用尚未广泛普及，主要是由于技术和成本方面的限制。与此同时，材料创新、系统集成和数据驱动的智能技术为改变热电冷却系统的实际应用提供了新的机会。
结论
本综述评估了基于热电冷却的水资源收集和海水淡化技术，包括大气水分收集、加湿-除湿系统、太阳能蒸馏器、膜蒸馏以及集成水-能源方案。采用PRISMA方法并进行参考文献计量分析，以确保文献的透明度、一致性和全面性。
主要结论如下：
- 热电冷却技术在分散式、小规模淡水生产中具有广泛应用潜力。
- 尽管存在一些技术挑战，但热电冷却技术的优势使其在离网应用中具有独特价值。
- 未来的研究方向应集中在先进的热电材料优化设计、混合系统集成和智能控制策略上，以实现更高的能源效率和可持续性。
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
