采用相变材料(PCM)内置新型螺旋基底铜翅片及波纹反射镜增强半球形太阳能蒸馏器储热性能与产水效率：综合评价

《Journal of Energy Storage》：Enhancing thermal storage and performance of hemispherical solar stills using new proposed spiral base copper fins within phase change material and corrugated reflectors: Comprehensive evaluation

　　

尽管太阳能蒸馏器（solar still）是结构简单且成本较低的淡水制取装置，但其大规模应用受限于产水率低和热效率不足。为解决上述问题，本研究提出一种基于螺旋基底铜翅片（spiral base copper fins, SPF）集成的新颖低成本改进方案，旨在评估该翅片在强化相变材料（phase change material, PCM）传热、提升海水日产水量及降低环境影响方面的可行性。研究人员设计制作了9根由直径2 mm、长200 mm铜丝弯制而成的螺旋基底铜翅片，单根翅片外径40 mm、螺旋段长度35 mm；螺旋基底置于PCM托盘内，直立铜段向上伸入水 basin2 cm充当换热翅片，从而增大 basin与水接触面积并提高对流换热系数，同时作为热通路将 basin 热量高效传导至PCM中通常因热阻而熔化滞后的区域。研究对比三种改进的半球形太阳能蒸馏器构型：传统半球形蒸馏器（THSD, Traditional Hemispherical Solar Distiller）、加装PCM托盘的蒸馏器（MHS + PCM）、加装螺旋基底铜翅片与PCM的蒸馏器（MHS&SPF + PCM）、以及在此基础上增设波纹反射镜（corrugated reflectors）的蒸馏器（MHS&SPF + PCM&R）。实验结果表明，相较于THSD（4242 mL·m?2·day?1），MHS + PCM、MHS&SPF + PCM和MHS&SPF + PCM&R的日产水量分别提升28.24%（5440 mL·m?2·day?1）、64.78%（6990 mL·m>?2·day?1）和96.37%（8330 mL·m?2·day?1）；MHS&SPF + PCM较MHS + PCM产水率提高28.49%。此外，MHS&SPF + PCM和MHS&SPF + PCM&R的热效率较THSD分别提升64.00%和94.92%。单位产水成本与投资回收期较THSD降低31.44–51.23%和31.43–56.30%。最后，所提构型使全生命周期CO2排放较THSD分别减少131.74%和89.37%。

论文解读：《Enhancing thermal storage and performance of hemispherical solar stills using new proposed spiral base copper fins within phase change material and corrugated reflectors: Comprehensive evaluation》，发表于 Journal of Energy Storage

一、研究背景与意义

传统太阳能蒸馏器（Solar Still，亦称海水淡化太阳能蒸馏装置）虽具结构简单、运维成本低等优势，但普遍存在日产水量低、热效率不足的问题，严重制约其规模化推广。相变材料（Phase Change Material, PCM）可通过潜热储热延缓 basin 水温下降以延长产水时间，但PCM本身导热系数低，靠近 basin 板处的PCM熔化滞后，无法充分发挥储热效能。为此，研究人员首次提出在PCM托盘内嵌入螺旋基底铜翅片（Spiral Base Copper Fins, SPF），利用铜的高导热性建立 basin–PCM 间高效热通路，并将翅片直立段伸入待蒸发海水以增强 basin–水对流换热，同时耦合波纹反射镜（Corrugated Reflectors, R）提高太阳辐射接收量，系统评估该复合改进方案对半球形太阳能蒸馏器热性能、产水率及经济环境效益的影响。

二、主要关键技术方法

研究人员于沙特阿拉伯阿尔麦地那（Al Madinah）夏季（文中标注实验时间为2025年7月）同期并联测试四台相同投影面积的半球形太阳能蒸馏器：传统对照（THSD, Traditional Hemispherical Solar Distiller, HCSS in text）、加装PCM托盘（MHS + PCM）、PCM托盘＋9根螺旋基底铜翅片（MHS&SPF + PCM）、前述基础上加底部周向波纹反射镜（MHS&SPF + PCM&R）。SPF由φ2 mm×200 mm铜丝弯制，螺旋外径40 mm、轴向长35 mm埋入PCM，直段露出PCM上表面伸入水中20 mm。实验连续三日每日07:00–21:00同步采集太阳辐照度G_s、basin水温T_b、PCM温度、各时段凝水质量?_d。日热效率 η_t,d按 ∑(?_d·L_e) / ∑(G_s·A_b·3600) 计算，其中汽化潜热 L_e= 2501901 ? 2407.06·T_b+ 1.192217·T_b²? 0.015863·T_b³（J/kg）。?平衡按 ∑?x_i? ∑?x_o= ∑?x_d分析。经济效益采用资金回收因子（Capital Recovery factor, CR）、年固定成本（Yearly Fixed Cost, YFC）、总年支出（Total Yearly Expense, TYE）及单位产水成本（Cost of Water, COW）、投资回收期（Payback Period）与碳信贷收益（Carbon Credit Gained, CCG）核算生命周期CO₂减排量。

三、研究结果

Experimental setup（实验装置）

研究人员加工四套几何尺寸一致的半球形玻璃盖–黑色 basin 蒸馏单元，分别按上述分组加装PCM（石蜡类，置于 basin 下方铝托盘）、SPF（9根均匀分布于PCM托盘并插入水中）及周向波纹铝反射镜。所有单元在同一场地背风无遮挡处并行运行，确保气象条件一致，经预实验验证重现性后正式采集数据。

Energy and exergy determination（能量与?分析）

基于日累计太阳辐照、basin面积A_b、逐时产水质量?_d及对应T_b下L_e，研究人员计算出各构型日瞬时及累积热效率 η_t,d；结合入射太阳?流与出口产水/排液?估算系统?效率与?损分布，发现SPF显著减小PCM内部温差梯度和?损，使PCM在午间更多吸储 latent heat、傍晚缓慢释放加热 basin 水体。

Results and discussions（结果与讨论）

① 产水性能：THSD日产水4242 mL·m^?2·day^?1；MHS + PCM为5440 mL·m^?2·day^?1（↑28.24%）；MHS&SPF + PCM为6990 mL·m^?2·day^?1（较THSD ↑64.78%，较MHS + PCM ↑28.49%）；MHS&SPF + PCM&R达8330 mL·m^?2·day^?1（较THSD ↑96.37%）。表明SPF强化PCM熔化/凝固循环及 basin–水对流，反射镜进一步增加有效G_s。

② 热效率：MHS&SPF + PCM和MHS&SPF + PCM&R较THSD热效率分别提升64.00%和94.92%。

③ 经济与环境：改性构型单位产水成本降低31.44–51.23%，静态投资回收期缩短31.43–56.30%；生命周期CO₂排放较THSD分别减少131.74%（MHS&SPF + PCM&R）和89.37%（MHS&SPF + PCM），归因于高产水量摊薄 embodied energy 与运行能耗相关的碳排放，并可获碳信贷CCG。

四、讨论与结论翻译（Conclusion 部分浓缩与结论要点）

鉴于全球多地面临水资源短缺，传统太阳能蒸馏器产水率低、效率低限制其应用。本研究首次将新型螺旋基底铜翅片引入半球形太阳能蒸馏器的PCM夹层与产水 basin 间，形成低成本强化换热路径。实验证实：(1) PCM单独使用可小幅提升产水；(2) 加入SPF可显著促进PCM吸热/释热循环、增大 basin–水对流面积，使日产水量较传统构型提高64.78%，较仅用PCM再提高28.49%；(3) 叠加波纹反射镜可使日产水量接近翻倍（+96.37%），热效率提升近95%；(4) SPF + PCM 方案降低产水成本与回收期达三至五成，全生命周期CO₂减排最高超130%。该改良构型兼具技术与经济可行性，为小型离网海水淡化提供有效参考。