穆罕默德·E·扎耶德 | 穆罕默德·加齐 | 莎菲库尔·雷赫曼 | 科特布·M·科特布 | 卡希夫·伊尔沙德
沙特阿拉伯达兰国王法赫德石油与矿业大学可持续能源系统研究所，邮编31261
**摘要**
基于太阳能的海水淡化被认为是解决全球水资源短缺问题最重要的技术之一。本研究旨在开发一种紧凑型设计的太阳能蒸馏穹顶（SDD），该穹顶结合了螺旋管吸收器、预热热管和相变材料储热床。通过建立稳态共轭数值CFD模型，并与现场实验数据进行验证，以模拟所提出系统的流体流动和传热行为。设计了改进型SDD（MSDD），该SDD配备了螺旋管吸收器、预热热管和PCM储热床，以及参考型太阳能蒸馏穹顶（RSDD）。模拟过程中，太阳辐射强度范围为200至1000 W/m²，集热器流速在10至30 ml/s之间，以确定最佳运行条件。随后，在沙特阿拉伯达兰的严酷夏季气候条件下，对通过CFD模拟设计的最佳配置的太阳能穹顶（RSDD和MSDD）的技术可行性、性能和运行情况进行了全面模拟、比较和评估。最后，还对新型太阳能蒸馏穹顶设计进行了全面的热传递分析，并进行了6E评估（包括能源、有效能、经济、能源经济、环境经济和环境经济效益）。结果显示，MSDD的日淡水产量为10.72 kg/d/m²，而RSDD为6.56 kg/d/m²，相比RSDD提高了63.41%。此外，MSDD和RSDD的日能源效率分别为74.36%和50.11%，MSDD的效率提升幅度为48.40%。日有效能效率分别为8.30%和3.85%，分别提高了115.62%。环境经济分析表明，MSDD的生命周期成本（LCOW）和二氧化碳减排量分别为0.0117美元/千克和139.22吨二氧化碳。总之，这种创新的太阳能蒸馏穹顶设计为在恶劣气候条件下实现分散式和可持续的淡水生产提供了有前景的方案。
**1. 引言**
当前世界正面临能源危机和清洁饮用水获取的重大挑战，这些问题主要由人口增长和气候变化驱动[1,2]。对于发展中国家而言，全球水资源短缺是一个关键问题，其原因包括人口增长、灌溉农业的扩张以及用水模式的变化[3,4]。研究人员和利益相关者正在积极寻求节能概念和技术来应对淡水短缺问题[5]。全球正朝着可持续和可再生能源的方向发展，以提高能源和淡水安全[6]。在水资源短缺地区，太阳能尤为重要，因为它可以集成到太阳能淡化系统中以提供淡水[7]。淡化是一种重要的工艺，用于从海水或微咸水中提取清洁饮用水；随着对淡水需求的增加，人们对这项技术的兴趣也在不断增长[8]。淡化技术主要分为两类：基于热能的系统（通过相变分离淡水）和基于膜的系统（通过选择性渗透分离淡水）[9,10]。在热蒸馏技术中，太阳能蒸馏器具有设计简单、成本较低、制造容易、环境影响小以及适用于偏远地区等优点[11]。然而，这些方法的显著局限性在于淡水产量较低，限制了其在商业应用中的技术可行性[11]。太阳能蒸馏器的蒸馏产量很大程度上取决于气候条件、运行条件和设计参数，如图1所示。
**1.1. 文献综述**
近几十年来，科学界对提高太阳能蒸馏器蒸馏产量的探索和创新兴趣日益浓厚。已经研究了多种内部和外部改进措施，例如采用滑轨带[12]、覆盖冷却[13]、在盐水中掺入纳米材料[14]、插入铜翅片[14]、使用显热/潜热储热材料[15]、热电冷却器[16]、纳米选择性涂层[17]、将太阳能集热器作为预热源[18]、热管组合[9,19]以及使用进料喷嘴[20]。Hasan[21]全面回顾了各种太阳能蒸馏器配置，包括传统型和混合型模型。该研究强调了太阳能蒸馏器技术的持续发展，并指出需要进一步研究以实现经济高效的大规模淡水生产。增加太阳能蒸馏器集热器的表面积可以通过让更多水暴露在阳光下从而提高蒸发速率[Velmurugan和Gnanaraj[22]]。Aftiss等人[23]通过引入外部反射器和装有黑色花岗岩碎石的波纹集热器（翅片包裹在黑色棉布中），将双坡面太阳能蒸馏器的日产量从1.88 kg/m²提高到5.13 kg/m²。Aftiss等人[23]在三种配置下评估了单坡面太阳能蒸馏器：传统型（CD）、带有固定相变材料层（F-PCM-D）和带有移动相变材料层（M-PCM-D）的系统。他们的热性能、经济性和环境评估显示，移动相变材料层的系统性能最佳，日产量分别为5.28 kg/m²、4.90 kg/m²和6.04 kg/m²。
对双坡面太阳能蒸馏器的计算和实验研究表明，添加圆形空心翅片可使吸收板的热吸收增加23.78%，平均日效率提高17.93%，相比传统设计提高了51.74%[24]。Abdullah等人[25]测试并建模了一种改进型托盘太阳能蒸馏器，该蒸馏器配备了侧装铜托盘和内外镜面，与标准单坡面单元相比，蒸馏产量提高了95.30%。Abed等人[26]通过数值模拟研究了三种配置的锥形蒸馏器，发现添加翅片可显著提高生产效率，其中方形翅片使产量提高了约49.19%；最佳方案是在翅片下结合了圆翅片和Paraffin蜡及Al₂O₃纳米颗粒[26]。Shalaby等人[27]报告称，使用带芯吸材料和PCM的波纹集热器使日淡水产量提高了12%，而Lakherau和Kateshia[28]使用棕榈酸使蒸馏产量提高了24%，热效率提高了36%。Kazem和Chaichaan[29]发现，Al₂O₃增强的Paraffin蜡使纯Paraffin的日产量提高了10.30%，而Al₂O₃/Paraffin纳米复合材料的日产量提高了60.40%。Sabzpooshani和Khanmohammadi[30]通过将CuO、TiO₂和石墨烯氧化物纳米粉末分散到PCM中，提高了堰式级联太阳能淡化系统的产水量。CuO/PCM复合材料在测试材料中表现出最高的每小时产水量，约为9.28 kg/m²。预热方法常用于提高太阳能蒸馏器的热性能和淡水产量[Dharmalingam和Jebakumar[31]]。例如，使用铜线圈预热集热器 basin水可将产量提高66%[32]。在多级蒸汽系统中，通常使用太阳能集热器来提高 basin温度，盐水温度可达到75.5°C，同时还应用了电加热和机械振动等辅助技术来进一步增强蒸发和蒸馏产量[Bouchekima和Cherraye[34]]。Eswaran等人[35]提出了一种改进型蒸馏器，使用真空管增加太阳能热捕获，与传统设计相比效率提高了30–40%。
数值模拟，特别是计算流体动力学（CFD），是研究太阳能蒸馏器中复杂热质传递过程的强大工具。通过改变设计参数和运行参数（如储能介质和吸收器表面配置），CFD有助于更准确地建模系统，并在考虑能源使用和淡化成本的同时最大化水产量[Hameed等人[36]]。Hameed等人[36]表明，使用不同几何形状的不锈钢吸收器基底可以提高蒸发率和整体生产效率，其中尺寸效应比形状效应更为显著[36]。Junior等人[37]发现，模拟结果与实验结果非常吻合，特别是在较高内部水体积（较浅深度）和较强太阳辐射条件下效率更高[37]。Sonawane等人[38]发现，黑色碳粉涂层可使每小时产量、蒸发能量和传热系数分别提高10.52%、13.68%和5.37%；Kumar等人[39]使用ANSYS捕捉了单坡面蒸馏器中的温度、质量流量和蒸汽分数动态[39]。Hajar等人[40]使用COMSOL报告称，带有翅片集热器和纳米流体（微咸水或Cu₂O）的日产量提高了约20%，带有翅片衬里和基础流体的日产量提高了12.6%[40]。
**1.2. 本研究的贡献和创新**
现有文献表明，已经提出了许多实验改进措施来提高传统单坡面太阳能蒸馏器的性能。广泛报道的有效措施包括使用纳米流体增强蒸发、集成热能存储（如显热介质、纯相变材料（PCMs）和纳米复合PCM）来稳定温度并提高淡水产量。然而，单 basin设计仍存在局限性，包括生产效率低、效率不高以及适应环境变化的能力有限，这突显了需要更强大的蒸馏概念。尽管热管太阳能集热器可以显著提高传热效果，但将其与扩大蒸发/冷凝面积的太阳能蒸馏器配置相结合的研究仍相对较少。文献中缺乏同时整合高效冷凝表面和改进的预热螺旋线圈吸收器 basin以及低成本热存储材料的研究，同时也缺乏能够可靠地将运行变量与系统设计和性能提升结果联系起来的先进3D数值模拟框架。在这种情况下，通过将太阳能蒸馏穹顶（SDD）与预热热管结合，可以提供提高蒸馏产量的实际途径。与单坡面蒸馏器相比，SDD提供了更大的冷凝面积和更强的与周围环境的换热能力，从而降低表面温度并促进更有效的冷凝。基于这一研究空白，本研究提出了一种紧凑且系统设计的SDD，包含五项针对性改进措施以提高整体蒸馏产量。这些改进包括：螺旋铜吸收器 basin、使用热管太阳能集热器的盐水预热循环、蒸馏蒸汽抽取风扇、光伏驱动的泵以及相变材料储热床。圆形螺旋管吸收器方案相比传统的圆形平面 basin提供了更大的蒸发表面和更高的太阳辐射暴露度。因此，本研究的独特贡献可以概括如下：
1. 开发了一种新型太阳能蒸馏穹顶（SDD），该穹顶结合了螺旋管吸收器、预热热管、封闭循环、蒸馏蒸汽抽取风扇和相变材料储热床，这是首次尝试这种设计方法。
2. 建立了稳态共轭数值CFD模型，并与现场实验数据进行验证，以模拟改进型太阳能蒸馏穹顶的流体流动和传热行为。该模型研究了所采用改进措施的影响，以确定最大化淡水生产的最佳设计和运行条件。
3. 设计并分析了两种太阳能蒸馏穹顶（SDD），包括带有螺旋线圈管 basin和预热热管的封闭循环及PCM储热层的SDD（MSDD），以及参考型太阳能蒸馏穹顶（RSDD）。
4. 通过模拟太阳辐射强度范围为200至1000 W/m²和集热器流速在10至30 ml/s之间的条件，确定了最佳运行条件。
5. 在沙特阿拉伯达兰的相同实际气候条件下，对通过CFD模拟设计的最佳配置的太阳能穹顶（RSDD和MSDD）的技术可行性、性能和运行情况进行了全面模拟、比较和评估。
6. 进行了能源、有效能、经济、能源环境、能源经济和环境经济（6-E）分析，以评估和比较不同改进措施对SDD的内部质量和传热系数、日淡水产量、能源和有效能效率以及淡水成本的影响。
**2. 研究方法****PCM特性**
石蜡因其有效的潜热储存能力、化学稳定性、在熔化和固化过程中的稳定热性能以及成本效益而被广泛认为是合适的相变材料（PCM）。选择A3级石蜡作为基础PCM，是因为它具有较高的熔化潜热（230 kJ/kg）和40°C的熔点，这与太阳能蒸馏穹顶的操作温度范围相匹配，从而能够在太阳辐射高峰期有效吸收热量，并在日落后控制热量释放。此外，该材料化学性质稳定、无毒，并且适合反复进行热循环使用。这些特性使得石蜡成为所提出的SDD中可持续和安全生产淡水的可靠选择。表1概述了所选纯石蜡的关键热物理参数。
**2. 系统描述与设计开发**
所提出的设计探索了一种集成的可再生和清洁的太阳能蒸馏系统，用于生产淡水。该设计旨在开发一种紧凑且系统工程化的新型太阳能蒸馏器配置，通过五种高效改进措施来提高蒸馏产量。这些改进包括螺旋铜吸热器 basin、穹顶覆盖层、使用热管太阳能集热器（ETC）在螺旋线圈 basin内进行盐水预热循环、光伏模块以及相变材料储存层。与传统的圆形平面 basin相比，圆形螺旋管吸热器 basin方案提供了更大的蒸发面积和更强的太阳辐射暴露能力。该系统以太阳能为主要能源，利用热管太阳能集热器和太阳能蒸馏穹顶。为了评估创新太阳能蒸馏穹顶（SDD）的性能提升，将其与传统的太阳能蒸馏穹顶进行了比较。因此，设计了两种太阳能蒸馏穹顶并进行模拟：一种是带有螺旋线圈管 basin和热管预热闭合循环及PCM储存层的SDD（MSDD），另一种是参考太阳能蒸馏穹顶（RSDD）。这两种太阳能蒸馏穹顶的直径均为1.0米，设计时考虑了入射太阳光直接穿过透明穹顶覆盖层，并有效用于蒸发海水，蒸汽在穹顶内壳和内表面凝结。图2清晰地展示了两种提出的太阳能蒸馏穹顶的二维示意图。MSDD的圆形螺旋铜吸热器的创新三维设计如图3所示。螺旋吸热器的铜表面涂有黑色油漆，以优化热量吸收，从而提高太阳辐射捕获效率。进料海水的流速通过调节阀精确控制，以确保海水稳定可靠地流入蒸馏器。此外，凝结在穹顶内表面的额外蒸馏蒸汽被收集到侧边收集槽中，并流入蒸馏产物罐中。为了进一步提高淡水产量，热管太阳能集热器产生的热水用于预热从海水罐中泵出的海水，热量传递给嵌入 basin中的螺旋换热器，以促进太阳能蒸馏穹顶内的海水蒸发。此外，在螺旋线圈换热器下方嵌入了一种先进的纳米复合相变材料——石蜡，以延长蒸馏器的夜间蒸馏产量。另外，一个90瓦的单晶光伏模块连接到ETC上，为抽真空管道集热器的闭合水循环提供电力，用于预热螺旋吸热器 basin内的盐水，并在白天提供约1.06千瓦的电力供其他用途。本研究模拟的海水盐度为2.45%，密度为1022.5千克/立方米，比热为4049焦耳/千克·摄氏度。表2展示了两种研究的太阳能蒸馏穹顶的技术规格和几何细节。此外，还展示了创新太阳能蒸馏穹顶的最终产品设计和三维定制设计。
**3. CFD研究方法**
计算流体动力学（CFD）是一种强大的数值技术，通过计算算法求解控制方程来模拟流体流动现象。在用CFD建模太阳能蒸馏系统时，采用纳维-斯托克斯守恒方程来准确解析根据系统几何形状的流动动力学。分析中使用的稳态三维纳维-斯托克斯方程如下：
(1) ∂u/∂x + ∂v/∂y + ∂w/∂z = 0
(2) ρ(u∂u/∂x + v∂u/∂y + w∂u/∂z) = −∂p/∂x + μ[∂²u/∂x² + ∂²u/∂y² + ∂²u/∂z²] + ρgi
(3) ρ(u∂v/∂x + v∂v/∂y + w∂v/∂z) = −∂p/∂y + μ[∂²v/∂x² + ∂²v/∂y² + ∂²v/∂z²] + ρgsinα
(4) ρ(u∂w/∂x + v∂w/∂y + w∂w/∂z) = −∂p/∂z + μ[∂²w/∂x² + ∂²w/∂y² + ∂²w/∂z²] + ρgcosα
(5) ρ(u∂T/∂x + v∂T/∂y + w∂T/∂z) = α[∂²T/∂x² + ∂²T/∂y² + ∂²T/∂z²]
雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程被用来考虑湍流效应。在商业CFD软件中可用的各种湍流模型中，选择了k-epsilon模型，因为它能更准确地预测湍流行为[41]。
(6) ∂∂x(ρku) = ∂∂y[(μ + μtσk)∂k/∂y] + Gk − ρε
(7) ∂∂x(ρεu) = ∂∂y[(μ + μtσε)∂ε/∂y] + C1εεk(Gk + C3εGb) − C2ερε²k
CFD工作流程包括：
1. 定义所提出的创新太阳能蒸馏穹顶配置。
2. 生成独特的网格结构。
3. 在特定操作点模拟稳态流动动力学。
4. 为几何形状分配流体属性和边界条件。
**2.4. 建模域和几何形状**
太阳能蒸馏穹顶的工作原理是在 basin内蒸发水，并将产生的蒸汽在穹顶覆盖层的内表面凝结，随后收集为淡水。使用SOLIDWORKS 2025软件，根据表2中列出的两种研究的太阳能蒸馏穹顶的技术规格和几何细节，有效设计了两种具有不同几何形状的3D测试模型。第一个模型是一个基本的平面太阳能蒸馏穹顶（RSDD），通过X-Y平面的标准拉伸创建。第二个模型采用了类似的过程，但增加了螺旋线圈管 basin和热管集热器的预热循环及PCM储存层（MSDD）。两种设计都采用了隔热 basin，底部代表蒸汽入口，顶部表面模拟透明穹顶覆盖层。图3显示了两种太阳能蒸馏穹顶的域几何形状。
**2.5. 集成数值模型**
本研究使用结构化理论模型评估了两种太阳能蒸馏穹顶系统的性能。首先在变化的太阳辐射和环境温度下计算了每小时温度（流体/组分温度）和系统效率，然后估算了盐水的热物理性质（密度、热导率、粘度和比热）。这些性质用于确定关键温度（盐水（Tw）、盆地底部（Tb）、玻璃覆盖层（Tg）和PCM（Tpcm），并量化相关的热传递机制。以每小时环境温度（Ta）和太阳辐射（I）为输入，计算了每小时蒸馏产量并汇总得到日产量（mev）；还评估了每小时能量和熵效率，并将其平均值化为日值。计算是迭代进行的，每小时的输出用于改进解决方案的一致性，该框架适用于纯水和混合纳米流体。穹顶中的热传递分为外部损失（通过玻璃覆盖层、盆地板和侧壁）和内部交换（对流、辐射和蒸发）。
**2.5.1. 热传递模型**
蒸馏器中的热传递包括内部和外部贡献。外部热传递涉及传导、对流和向环境的辐射损失，而内部热传递来自辐射、对流和内部表面之间的蒸发交换。采用的相关性假设如下：
a) 考虑了温度依赖的热传递系数。
b) 假设太阳能蒸馏单元没有蒸汽泄漏。
c) 假设水深内的热分层不存在。
d) 假设太阳能蒸馏单元没有蒸汽泄漏。
e) 假设太阳能蒸馏器中的水位保持恒定。
f) 假设穹顶内的湿度比空间分布均匀。
g) 假设热管中的热水温度是入口和出口水温的平均值。
h) 在两种研究的太阳能穹顶的模拟中，考虑了盐度为350000 ppm的盐水。
**2.5.2. 透明玻璃覆盖层的热传递**
可以通过能量平衡方法评估玻璃覆盖层在太阳能蒸馏器中的热性能。该公式建立了玻璃吸收的太阳辐射、从盆地水传递的热量以及散发到环境的热量之间的关系。考虑到玻璃外壳内的能量储存，控制平衡使用基于赫兹-克努森方程的集总界面公式表示：
(8) αgAgλ(t) + ht,w − gAw(Tw − Tg) = mg(Cp)gdTgdt + ht,g − aAg(Tg − Ta)
(9) ht,w − g = hc,w − g + he,w − g + hr,w − g
(10) hc,w − g = 0.884((Tw − Tg) + Tw(Pw − Pg)²/68900 − Pw)
(11) Pw = e(25.317 − 5144Tw), Pg = e(25.317 − 5144Tg)
(12) he,w − g = 0.016237(Pw − Pg)hc,w − gTw − Tg
(13) hr,w − g = σεeff(Tw − Tg)⁴/εeff = [1εw + 1εg − 1] − 1
(14) ht,g − a = 2.8 + 3V
**2.5.3. 盆地盐水和热管太阳能集热器之间的热传递**
热管太阳能集热器有助于高效收集和传递太阳能到水中。热管中的热水和蒸馏器盆地中的盐水的能量平衡在方程(15–23)中描述[45]。在这个框架中，盆地水的温度受集热器和盆地衬里的热量、与玻璃覆盖层的能量交换以及由于蒸发而产生的潜热去除的共同影响。与纯粹的经验蒸发公式不同，当前模型通过赫兹-克努森方法将蒸发质量通量与界面蒸汽传输联系起来，其中蒸发由水表面和相邻湿空气层之间的蒸汽压差驱动。
**2.5.4. 吸热器（盆地底部）板的热传递**
盆地板吸收器的热传递在方程(17)中表示，其中hb是从盆地板和边缘到环境的总热传递系数[46]：
(24) αbτgτwAbλ(t) = mb(Cp)bdTbdt + hc,b − wAb(Tb − Tw) + hb(Ab − Asides)(Tb − Ta)
(25) hb = [LiKi + 1]ht,b − a − 1,ht,b − a = 5.7 + 3.8V
完成HT分析后，理论框架的下一步涉及根据方程(26)–(28)更新盆地水、吸热板和玻璃覆盖层的温度。因此，太阳能蒸馏器中的淡水蒸馏速率（kg/m²·h）可以通过方程(22)表示，其中Lv表示水的潜热（J/kg）[47]：
(26) Tw,new = f(t)a[1 − e(−t.a)] + [Tw.e(−t.a)]
(27) Tg,new = (agλ(t) + Tw.ht,w − g + Ta.ht,go − a)ht,w − g + ht,go − a
(28) Tb,new = (abλ(t) + Tw.ht,b − w + Ta.ht,b − a)hc,b − w + ht,b − a
(29) me *= 3600Abhe,w − g(Tw − Tg)Lv
(30) Lv = 3.1625*10⁶[1 − (Tw * 7.616*10⁻⁴)], 对于Tw > 70°C
(31) Lv = 2.4935*10⁶[1 − (Tw * 9.4779*10⁻⁴) + (Tw² * 1.3132*10⁻⁷) − (Tw³ * 4.7974*10⁻³)], 对于Tw < 70°C
**2.5.5. 螺旋腔内的自然对流**
本工作分析了螺旋波纹盆地腔内的自然对流。如图2和图3所示，太阳辐射加热倾斜和波纹的盆地表面，而侧边界假设为绝热。能量和有效性能指标是根据不同的波纹数和振幅计算得出的。描述流动和热传递的控制方程如下所示[48]；图4(31)∂u∂x+∂v∂y=0(32)∂u∂t+u∂u∂x+v∂u∂y=−1ρ∂P∂y+μρ(∂2u∂x2+∂2u∂y2)(33)∂v∂t+u∂v∂x+v∂v∂y=−1ρ∂P∂y+μρ(∂2v∂x2+∂2v∂y2)+gβ(T−T0)(34)∂T∂t+∂T∂x+∂T∂y=kρCp(∂2T∂x2+∂2T∂y2)下载：下载高分辨率图片（347KB）下载：下载全尺寸图片图4. 提出的创新太阳能蒸馏穹顶的几何域。无量纲参数，包括特征长度（Lref）、热扩散率和膨胀系数，定义如方程(35) [49]所示。(35)X=xLref,Y=yLref,U=uLrefα,V=vLrefα,P=pL2refρα2,θ=T−T0ΔT,ΔT=Th−Tc,τ=αtL2ref其中α、β和θ分别代表热扩散率、膨胀系数和无量纲温度。同时，ρ、η和k分别代表密度、运动粘度和热导率。此外，g、p和T分别代表重力加速度、压力和有量纲温度。U和V代表X和Y方向上的速度分量。因此，边界条件分别为：U = 0, V = 0, ∂θ/∂X = 0在侧壁上；U = 0, V = 0, θ = 1在盆地底部；U = 0, V = 0, θ = 0在倾斜的盖子上。努塞尔特数和瑞利数分别通过方程(36)和(37)计算。(36)Nu=−∫0Lrefhxkdx(37)GrPr=gβw(Tb−Tw)Lref3αη2.5.6. 基于能量/有效分析的热效率模拟的SDD的每小时淡水产量可以按照[50]所述进行评估；(31a)m˙=he,w−g(Tw−Tg)×3600Lev能量效率是热系统的关键性能指标。它定义为太阳能蒸馏器产生的有价值水产量与照射到蒸馏表面的太阳能之间的比率，以百分比表示[50]；(32a)ηn=∑hl·mw∑As·I(t)·3600这里，输出蒸汽的蒸发潜热hl是根据海水盆地温度来表征的(33a)hl=[2501.897−2.407Tw+1.192*10−3Tw2−1.596*10−5Tw3]*103有效分析是一个重要的性能指标，可以更清楚地评估太阳能蒸馏器的实际效果。它反映了系统不可逆性和在蒸馏器内蒸汽生成和转换过程中的能量损失。太阳能蒸馏器的总体有效效率定义为与蒸馏液蒸发率相关的输出有效能与太阳能辐射提供的总可用输入有效能之间的比率。这些术语在下面定义[51]；(34a)Exin=As·I(t)[1−43(TaTs)+13(TaTs)4](35a)Exout=mw·Hl3600[1−TaTw](36a)ηex,d=∑Exout∑Exin2.6. 网格生成为了分析两种提出的太阳能穹顶的热传递机制，采用了ANSYS Fluent中的稳态共轭热传递方法。为了确保高精度并避免每个太阳能蒸馏器内部的网格变形，在穹顶周围径向生成了一层高质量网格单元。这一层在穹顶覆盖层和其他域部分之间提供了平滑的过渡，确保了温度、速度和浓度梯度较大的区域的数值稳定性和解决方案的准确性。ANSYS 2022 R1创建了细密且非结构化的网格。数值模拟使用有限体积法进行。动量和能量方程采用二阶迎风格式离散化，压力-速度耦合采用了SIMPLE算法。此外，还进行了网格独立性调查，以确保数值结果的可靠性。图中显示了提出的创新太阳能蒸馏穹顶配置的模拟中使用的网格分布。图5中的分析结果表明，参考网格（最细网格）与选定的网格配置之间的差异保持在2%以内。下载：下载高分辨率图片（1MB）下载：下载全尺寸图片图5. 两种研究的创新太阳能蒸馏穹顶的详细网格。2.7. 边界条件CFD模型被构建为一个稳态系统，通过使用静态网格方法在选定的时间间隔模拟多个操作点来考虑每日太阳变化。每个间隔代表环境条件（太阳通量和环境温度）的一个快照，这些条件通过UDFs实现，以确保每个特定情况的边界条件精确。在模拟设置中，每个穹顶的吸收器盆地表面均匀施加的太阳辐照度在200到1000 W/m²之间变化。研究假设在系统激活之前的某个时间点，传统太阳能蒸馏系统的盆地内初始盐水温度为40°C，如图6所示。相反，MSDD显示出随着太阳强度的增加，进料温度稳定上升，介于45°C到95°C之间。一个闭环配置中的热管预热回路实现了这一性能。为了简化热相互作用，太阳能蒸馏器的外壁和内壁被建模为绝热的，不进行热交换。在自然对流条件下进行的CFD分析在24小时内完成。这种效率主要归功于使用了先进的多面体网格，与非结构化网格相比，它提供了更低的计算成本和更快的收敛速度。两种研究的创新太阳能蒸馏穹顶的边界条件在表3中突出显示。下载：下载高分辨率图片（135KB）下载：下载全尺寸图片图6. 两种太阳能蒸馏穹顶的盐水入口温度边界条件。表3. 两种研究的创新太阳能蒸馏穹顶的边界条件。表面边界条件值单位入口盐水入口温度40°C对于RSDDoCETC流体流速45-90°C对于MSDD30ml出口压力101.3kPa吸收器盆地热通量200, 400, 600, 800, 和 1000W/m2底部和侧壁绝热壁--2.8. 解决方法本研究采用了ANSYS Fluent和集成热传递模型来模拟两种研究的创新太阳能蒸馏穹顶的性能。假设稳态条件，控制方程使用有限体积方法求解。二阶迎风格式处理了对流项，而COUPLED算法确保了适当的压力-速度耦合。连续性、动量和能量的残差分别设置为10⁻³、10⁻⁵和10⁻⁸，以确保解决方案的准确性。模拟工作流程如图7所示。下载：下载高分辨率图片（517KB）下载：下载全尺寸图片图7. 开发的CFD建模流程图。2.9. 模型验证通过将开发的模型与Sampathkumar等人[52]报告的文献中的实验结果进行比较来验证模型。实验研究中报告的操作和气象参数被应用于当前的理论框架中。如图8所示，将太阳能穹顶的每小时淡水产量的模型预测与相应的实验数据进行了比较，考虑了相同的操作几何方案。验证确认模型在可接受的误差范围内，因为比较显示了令人满意的一致性，每小时淡水产量的平均误差偏差为7.71%（<10%）。这种一致性水平证实了所提出的模型在指定操作条件下准确模拟太阳能蒸馏器性能的可靠性。为了进一步评估模型的准确性，使用两个统计指标来评估太阳能穹顶的预测淡水产量：决定系数（R²）和均方误差（MSE）[53]。这些指标与实验数据得出的相应值进行了比较。在验证研究中，较高的R²和较低的MSE表示更强的预测准确性。这些统计量的数学公式在方程(36)和(37)中给出，其中ns表示数据点数，d表示测量值，y对应于预测值。术语dmin、dmax和d̄分别表示测量数据的最小值、最大值和平均值，而ȳ指的是预测数据集的平均值[53]。研究结果表明，所提出的太阳能穹顶的理论模型有效地预测了淡水产量。对于整个数据集，模型产生的MSE为1.8523，R²值为0.9838，预测结果的标准差计算为0.4507。这些结果证实了该模型提供了令人满意的预测准确性，为广泛的原型制作和实验测试提供了成本效益高的替代方案。(37a)R2=[∑i=1ns(di−d‾)(yi−y‾)]2[∑i=1ns(di−d‾)2][∑i=1ns(yi−y‾)2](38)MSE=1ns∑i=1ns(di−yi)2下载：下载高分辨率图片（324KB）下载：下载全尺寸图片图8. 当前模型与实验模型之间的每小时淡水产量验证。3. 结果和讨论所提出的设计探索了一种集成的可再生和清洁的太阳能蒸馏系统，旨在优化淡水生产。计算流体动力学（CFD）模拟结合使用质量和能量平衡方程的理论建模，采用四阶龙格-库塔（RK4）方法求解，用于研究它们对热传递系数、努塞尔特数、蒸馏产品产量、日能量效率和太阳能海水淡化穹顶配置（即SDD与带有螺旋盘管-管式盆地和热管预热闭环循环及PCM存储层（MSDD）的SDD以及参考太阳能蒸馏穹顶（RSDD）的净有效性能的影响。3.1. 创新太阳能蒸馏穹顶的性能分析为了全面可视化两种太阳能海水淡化穹顶（RSDD和MSDD）的热行为。图9展示了在不同太阳通量水平（从200到1000 W/m²）下，等温穹顶覆盖表面温度分布。可以看出，RSDD通过穹顶表面表现出更规则和更低温度波动，显示出持续的热分层和有限的热保留。随着太阳强度的增加，穹顶表面温度相对上升；然而，靠近盆地的温度仍然较低，垂直热传递不明显。相反，MSDD在所有太阳通量强度下都显示出显著更高的穹顶表面温度，特别是在盆地和穹顶中部区域。这是由于螺旋盘管-管式盆地、热管预热和PCM层在太阳能蒸馏穹顶中的参与，显著改善了入射热、存储和综合热管理能力。如图9所示，MSDD中的温度梯度更为明显且空间分布更广，表明从预热的盐水中有效地传递了热量。较温暖的穹顶表面对于加速冷凝速率至关重要，因为它增强了蒸馏蒸汽与穹顶覆盖层之间的温差，从而提高了蒸馏产率。图10展示了两种太阳能蒸馏穹顶（MSDD和RSDD）的蒸馏蒸汽温度等温线图。很明显，MSDD在所有研究的太阳辐照水平下都显示出更均匀和更高的蒸汽温度。MSDD中的这种温度均匀性在穹顶的上部和中部区域尤为明显，导致更高的蒸发率，从而产生更多的淡水产品。相比之下，RSDD在低到中等通量水平下显示出局部温度梯度较大的区域。MSDD的优越性能归因于螺旋盘管-管式盆地、热管预热和PCM存储的结合。螺旋盘管-管式盆地提供了更大的蒸发面积和有效的热传递到盆地，而预热的真空管确保了预热流体进入盆地，维持了一致且额外的热输入。此外，PCM层设计用于在高太阳强度期间存储热能，并在太阳增益降低时释放热能，从而提高了蒸馏器的夜间蒸馏产量。通过在一天中的特定时间间隔模拟各种操作状态来评估PCM集成系统的热行为，以了解其对整体生产力的影响。下载：下载高分辨率图片（1MB）下载：下载全尺寸图片图9. 两种研究的创新太阳能蒸馏穹顶内不同区域的等温温度等值线图，对应于入射的太阳辐射。图11显示了太阳辐射对提出的改进型和传统型太阳能蒸馏穹顶的吸收器盆地、盐水和穹顶覆盖层温度的影响。在模拟过程中，ETC的盐水层厚度和工作流体流速分别恒定为20 mm和30 ml/s。显然，螺旋盘管-管式盆地、热管预热和PCM存储与蒸馏穹顶的结合显著改善了MSDD的吸收器盆地、盐水和穹顶覆盖层的温度，与RSDD在200到1000 W/m²的太阳辐照度水平相比。这种温度差异的改善本质上是由于MSDD的螺旋盘管盆地设计具有更大的蒸发表面积，与RSDD的平坦盆地相比。这涉及MSDD更大的热能输入，从而产生了可比的温度增量，提高了蒸馏产量。此外，使用热管收集器在螺旋盘管盆地中的封闭预热回路使得盐水温度在螺旋盘管盆地上的升高速度更快，导致蒸发速率更快且更有效。此外，PCM（石蜡）层的集成可以在白天储存多余的太阳能热量，并在夜间固化时释放出来。这使得PCM能够在太阳辐射不可用时作为盐水的额外热源。如图11(b)所示，在太阳通量为1000、800、600、400和200 W/m²的情况下，MSDD的热盐水温度分别为94、84、73.50、62.5和54°C，而RSDD的热盐水温度分别为85、78、69、59和52°C。因此，在20毫米恒定盐水深度下，具有预热太阳能集热器和PCM储存功能的创新设计的螺旋蒸馏穹顶的热盐水温度分别提高了10.60%、7.70%、6.50%、5.93%和3.84%。下载：下载高分辨率图像（490KB）下载：下载全尺寸图像图11. 太阳辐射对以下参数的影响：(a) 吸收池温度，(b) 盐水温度，(c) 穹顶盖温度，针对两种研究的创新太阳能蒸馏穹顶。图12清楚地显示了太阳强度对两种研究的创新太阳能蒸馏穹顶每小时淡水产量的影响。模拟结果显示，在太阳通量为1000、800、600、400和200 W/m²的情况下，MSDD的每小时淡水产量分别为1.275、1.118、0.9477、0.6200和0.275 kg/m².h，而RSDD的每小时淡水产量分别为0.8410、0.750、0.5710、0.360和0.155 kg/m².h。这些发现充分证明了螺旋盘管池、热管预热和PCM储存与太阳能蒸馏穹顶结合的显著潜力，在20毫米恒定盐水深度下，相对于RSDD，每小时淡水产量分别提高了51.6%和49.0%。下载：下载高分辨率图像（161KB）下载：下载全尺寸图像图12. 太阳辐射对两种研究的创新太阳能蒸馏穹顶每小时淡水产量的影响。3.2. 案例研究说明达兰位于沙特阿拉伯东部，坐标为北纬26°17′19.1″，东经50°6′50.26″，沿阿拉伯湾西岸分布。由于缺乏淡水来源，该沿海地区严重依赖海水淡化技术。它利用海水来满足饮用水需求，通常由化石燃料提供能量。由于其高太阳辐射和干旱的气候，这里为有效使用太阳能蒸馏穹顶提供了理想的条件，如图13所示。全年充足的阳光提高了淡水产量，使得太阳能淡化成为该地区解决水资源短缺问题的可持续方案。在沙特阿拉伯达兰市，模拟并评估了太阳能蒸馏穹顶在夏季极端炎热天气下的性能，此时全年都有丰富的太阳能。太阳强度和环境温度显著影响太阳能蒸馏穹顶的效率和蒸馏产量。太阳通量的增加导致了更高的淡水产量。图14展示了在沙特阿拉伯达兰一个典型夏季的日子里，模拟测试期间全球辐射强度和环境温度的每小时变化。总太阳强度在中午达到峰值，然后逐渐下降直到第二天早上。6月1日下午1点，记录到的最高太阳辐射为1102 W/m²，而最高环境温度为45°C。下载：下载高分辨率图像（757KB）下载：下载全尺寸图像图13. 沙特阿拉伯达兰的全球和直接太阳辐射分布。下载：下载高分辨率图像（197KB）下载：下载全尺寸图像图14. 两种研究的太阳能蒸馏穹顶在模拟过程中的瞬时辐射强度和环境温度变化。通过CFD模拟，彻底模拟、比较和评估了由CFD设计的最佳配置（RSDD和MSDD）的技术可行性、性能和操作，在沙特阿拉伯达兰相同实际气候条件下，从早上8:00到晚上7:00，基于能量、熵、经济和环境分析。两个蒸馏穹顶内的盐水深度设置为20毫米。图15展示了螺旋盘管吸收池与热管预热闭合循环和PCM储存层结合对太阳能蒸馏穹顶每小时淡水产量的影响。如前所述，与RSDD相比，MSDD组件的温度升高导致淡水产量增加。将铜螺旋盘管池与热管预热管结合用于MSDD有助于加快水的蒸发速率，从而由于更大的蒸发表面积而增加蒸馏产物。此外，PCM（石蜡）层的集成可以在白天储存多余的太阳能热量，并在夜间固化时释放出来。这使得PCM能够在太阳辐射不可用时作为盐水的额外热源。结果显示，在中午之前，每小时蒸馏产量呈线性增长；然而，从下午4:00开始直到日落时间，产量开始下降。结果表明，在20毫米相同盐水深度下，MSDD的每小时蒸馏产量最高，分别为0.85 kg/m²/h和1.281 kg/m²/h。这些发现表明，MSDD的每小时蒸馏淡水产量比RSDD提高了50.71%。下载：下载高分辨率图像（195KB）下载：下载全尺寸图像图15. 两种研究的创新太阳能蒸馏穹顶一天内每小时淡水蒸馏量的波动。图16展示了两种研究的创新太阳能蒸馏穹顶每天收集的总蒸馏产量。如图所示，带有螺旋盘管吸收池、热管预热闭合循环和PCM储存层的改良型太阳能蒸馏穹顶（MSDD）显著实现了最高的日淡水产量，优于参考太阳能蒸馏穹顶，这是由于前面讨论的原因导致的性能差异。MSDD的日产量估计为10.72 kg/day/m²，而RSDD的日产量为6.56 kg/day/m²。这些结果表明，使用三重螺旋盘管吸收池与热管预热和PCM储存层的MSDD，日淡水产量比RSDD提高了63.41%。下载：下载高分辨率图像（188KB）下载：下载全尺寸图像图16. 两种研究的创新太阳能蒸馏穹顶的瞬时日总淡水产量的变化。进行了能量、熵、经济、熵经济、熵环境和环境经济（6-E）分析，以评估和比较两种研究的创新太阳能蒸馏穹顶的日淡水产量、日能量效率和净熵效率以及淡水成本。图17比较了RSDD和MSDD的累计淡水产量、日能量效率和净熵效率。图18强调了MSDD在累计淡水产量、日能量效率和净熵效率方面的提升率。结论是，在20毫米恒定水深下，MSDD提高了63.41%（10.72 kg/day/m²）。此外，MSDD的日能量效率和熵效率分别为74.36%和8.30%，而RSDD的日能量效率和熵效率分别为50.11%和3.85%。最终结果显示，使用新型设计的螺旋盘管吸收池和双预热太阳能热管及PCM储存系统的太阳能蒸馏穹顶在净能量效率和熵效率方面分别提高了48.40%和115.6%。总之，螺旋盘管吸收池与热管预热闭合循环和PCM储存系统的组合可以被视为提高设计太阳能蒸馏穹顶淡水产量和熵能量性能的强大选项。下载：下载高分辨率图像（481KB）下载：下载全尺寸图像图17. MSDD和RSDD之间的累计淡水产量、日能量效率和净熵效率的比较分析。下载：下载高分辨率图像（212KB）下载：下载全尺寸图像图18. MSDD实现的累计淡水产量、日能量效率和净熵效率的提升百分比。4. 可持续性评估和6-E分析4.1. 经济分析进行了经济评估，以确定本研究中考察的两种太阳能蒸馏穹顶配置（MSDD和RSDD系统）的平准化成本（LCOW），使用参考文献[54]中概述的成本分析方法；CAPEX和OPEX都被视为影响淡水生产成本估算的关键成本参数，如表5所总结。资本回收因子（CRF）根据[54]中的公式定义：(39)CRF=K(1+K)t(1+K)t−1其中，t是蒸馏穹顶的寿命（10年），K是年化折现率（12%）。年化固定成本（YFC）表示为[7]：(40)YFC=CTIC·CRF年化残值成本（ASC）表示为[7]：(41)ASC=0.20CTIC·[K(K+1)t−1维护和运营成本（MOC）表示为[7]：(42)MOC=0.15T根据这一成本估算方法，穹顶蒸馏器的总年成本（TYC）计算为[55]：(43)TYC=YFC+MOC−ASC根据这种成本估算方法，LCOW表示为每年总成本、每日水产量mw,d和每年运营天数Nd的函数[55]：(44)LCOW=TYCmw,d*Nd图19将单位面积的等效年成本分解为三个关键支出：年度资本运营和维护成本以及残值成本。与RSDD相比，MSDD的资本负担（30.7美元/平方米年）和运营维护成本（9.2美元/平方米年）显著更高。总体而言，改良系统的总等效年成本（37.9美元/平方米年）高于参考系统（20.4美元/平方米年），从经济角度来看，除非实现显著的生产率提升，否则改良配置的水成本趋于上升。下载：下载高分辨率图像（143KB）下载：下载全尺寸图像图19. 两种研究的创新太阳能蒸馏穹顶的成本分解。基于一组统一的假设进行了经济和环境分析，以确保计算水（LCOW）和环境指标的一致性。采用的假设包括经济寿命、年折现率、残值、运营和维护成本比率、年度运营天数和汇率。LCOW是根据每个系统的年化淡水产量计算的。本研究采用的主要假设总结在表4中。表4. 经济研究中采用的主要假设。参数假设年折现率12%残值总初始资本成本的20%维护和运营成本比率15%年度运营天数300天/年蒸馏穹顶寿命（年）10汇率1美元=3.75沙特里亚尔表5中显示，RSDD配置每天产生大约6.55千克蒸馏水，LCOW为0.0123美元/千克，而MSDD系统实现了显著更高的产量，为10.72千克/天，LCOW为0.0117美元/千克。这些结果清楚地表明，结合螺旋盘管吸收池与热管预热、闭合循环操作和PCM热储存显著提高了蒸馏性能和经济效率，相对于RSDD，水生产成本估计降低了3.42%。表5. MSDD和RSDD的结果的经济分析。成本参数RSDDMSDD制造成本（沙特里亚尔）150150亚克力穹顶盖（沙特里亚尔）5050镀锌钢平池（沙特里亚尔）100100螺旋盘管池（沙特里亚尔）-150ETC，三个热管（沙特里亚尔）-150玻璃纤维绝缘（沙特里亚尔）5050总投资成本（沙特里亚尔）350650年折现率（%）1212蒸馏穹顶寿命（年）1010资本回收指数0.176980.17698年化固定成本（沙特里亚尔）61.9444115.0397维护/运营成本（沙特里亚尔）18.583334.5120年化残值成本（沙特里亚尔）3.98887.4079总年成本（沙特里亚尔）76.3589142.144每天蒸馏水量（千克/平方米）6.5600010.7200年化淡水产量（千克/平方米）19683216LCOW（沙特里亚尔/千克）0.04540.0438LCOW（美元/千克）0.01230.01171美元=3.75沙特里亚尔。4.2. 经济敏感性分析经济敏感性分析对于评估关键参数（如资本成本、运营费用、经济寿命和折现率）的变化如何影响LCOW和折现回收期至关重要。图20强调了LCOW对折现率在8-16%范围内的敏感性；由于年度资本负担的膨胀，数值几乎与折现率成线性增加。尽管改进配置的年成本较高，但由于其更高的生产效率，它在整个价格范围内仍保持优势：当折扣率为8%时，价值约为0.0105美元/升（参考配置）对比0.0097美元/升（标准配置）；当折扣率为12%时，分别为0.0122美元/升对比0.0113美元/升；当折扣率为16%时，分别为0.0139美元/升对比0.0129美元/升。两种配置之间的差距相对稳定，范围在0.8–1.1×10⁻³美元/升之间，且斜率相似（每降低一个百分点的折扣率，成本大约减少0.0004–0.00043美元/升）。下载：下载高分辨率图片（204KB）下载：下载全尺寸图片图20. 折扣率对太阳能蒸馏圆顶生命周期成本（LCOW）的影响。图21显示了系统寿命对太阳能蒸馏圆顶生命周期成本的影响。研究表明，将经济寿命从5年延长到15年可以逐渐降低水成本，但收益递减：在RSDD中，成本从0.0166美元/升降至0.0109美元/升（减少了35%）；在MSDD中，成本从0.0154美元/升降至0.0100美元/升。在5到10年之间的改进最为显著，然后在10到15年之间放缓，这与资本回收因子（CRF）的行为一致，CRF在较短寿命时下降较快，而在较长寿命时下降较慢；同时，随着寿命的延长，替换基金因子（SFF）的下降也相应减少了年度报废余额，限制了部分收益。MSDD配置在所有寿命期间都保持其成本优势，差距从5年时的大约1.3×10⁻³美元/升缩小到15年时的0.8×10⁻³美元/升，表明延长寿命对资本支出较高的系统更有利。下载：下载高分辨率图片（235KB）下载：下载全尺寸图片图21. 经济寿命对太阳能蒸馏圆顶生命周期成本（LCOW）的影响。图21还显示，随着折扣率的提高，折现回收时间也会增加，尤其是在较高折扣率范围内增加得更快，这是因为未来现金流的现值减少了。与RSDD相比，MSDD配置在整个范围内都保持明显优势：在8%的折扣率下，回收期约为3.6年对比4.2年；在12%的折扣率下，约为4.3年对比5.4年；在16%的折扣率下，约为6.1年对比8.0年。基准值对折扣率的敏感度更高，因为回收时间在整个范围内增加了大约3.8年（90%），而平均值仅为2.5年（69%），这反映了基准值的年净流量相对较低（由于生产效率较低和达到相同产出的面积/成本较高），因此受到更严格的融资条件的影响更大。上图还表明，高资本支出/现金流（CAPEX/CF）水平可能导致在较高折扣率下无法实现回收，强调了降低资本支出或提高产量/售价以维持可接受回收时间的重要性。图22显示了与折扣率和运行天数相关的生命周期成本（LCOW）的三维图表。两个曲线都随着运行天数的增加而减少，随着折扣率的增加而增加，反映了年度资本负担与年度生产扩张之间的增加。在研究范围内，改进配置始终优于参考配置，且没有重叠，表明了坚实的生产成本优势。两个变量之间存在协同关系：在较高折扣率下，运行天数的增加效果更明显，因为较高的年成本使得任何年度生产的增加都能更有效地降低单位成本。值得注意的是，结合低成本融资（5–10%）并将利用天数增加到350–365天，平均成本可降低到大约1美分/升，而参考配置在大部分范围内仍高出大约0.001–0.002美元/升。因此，提高准备度和减少中断的政策，以及有利的融资条款，是实现成本降低目标的两个最有效的手段。图22. 折扣率对太阳能蒸馏圆顶折现回收时间的影响。图23和图24显示了生命周期成本（LCOW）随每年运行天数和折扣率的变化。图10显示了经济寿命和折扣率相互作用形成的标准水成本的三维表面。两个曲线都随着寿命的延长而减少，随着折扣率的提高而增加，在较短寿命和高折扣率下斜率更陡。这种行为是由于资本回收因子（CRF）从短寿命到中等寿命迅速下降，而在较长寿命时改进速度放缓。较高的折扣率增加了年度负担并减少了延迟收益的现值。随着寿命的延长，替换基金因子（SFF）的下降部分减少了延长的收益，但并未改变整体下降趋势。两个曲线之间没有交点；MSDD配置在整个组中保持稳定的成本优势，在融资条件更困难的情况下，这种优势更加明显，因为更高的稳健性/寿命成为减轻融资对生命周期成本影响的关键因素。总之，将寿命延长到15–20年并将折扣率降低到5–10%，可以使成本接近最低水平，改进配置仍然优于RSDD。4.3. 能量经济分析通过检查系统在太阳能淡化过程中的嵌入能量、净能量和总能量输出之间的相关性来评估能量回收时间（EPBT）。其计算方法如下[56]：(44a)EPBTEn=Ein(Een)out(45)EPBTEx=Ein(Eex)out其中，Ein代表圆顶蒸馏器中的嵌入能量，而(Een)out和(Eex)out分别代表年化净能量和总能量输出。这些值是通过将实验中的平均每日能量乘以年度运行天数来确定的，而嵌入能量表示制造和组装蒸馏组件的总能量。表6展示了两种蒸馏器的获得能量以及能量和能量经济性EBPT值。嵌入能量分析表明，MSDD的EBPT高于RSDD，主要是由于MSDD系统中使用了螺旋线圈吸收器盆地与预热闭合循环的热管以及PCM存储系统。表6. MSDD和RSDD的EPBT结果。圆顶类型嵌入能量（千瓦时）年化净能量（千瓦时/年）年化能量输出（千瓦时/年）EBPTene（年）EBPTexe（年）RSDD 217.43 250.76 28.33 0.89 7.96 MSDD 384.82 307.09 36.21 11.94.4. 环境分析环境评估估计了太阳能圆顶在其整个运行寿命期间的二氧化碳减排潜力。制造这两种圆顶型蒸馏器会释放大量污染物，基线排放量约为每千瓦时0.96千克二氧化碳，当考虑传输和设备效率低下时，这一数字可能上升至每千瓦时2.0千克二氧化碳。然后根据系统的寿命能量产生和总体碳足迹来评估年度排放量[57]：(46)ACDE=2Einn此外，通过将其年能量输出翻倍来估计蒸馏器的年化二氧化碳减排量。因此，通过将年能量产出乘以运行寿命来获得系统寿命内的总二氧化碳减排量。然后使用以下关系计算每吨二氧化碳的减排量[57]：(47)YCO2=[2n(Een)out−Ein]1000表7展示了RSDD和MSDD不同部分的嵌入能量。结果表明，由于使用了螺旋线圈加热管与真空管预热闭合循环和PCM存储系统，MSDD的嵌入能量等于或高于RSDD。表7. RSDD和MSDD不同部分的嵌入能量。圆顶配置组件能量密度（MJ/kg）嵌入能量（千瓦时）RSDD钢制支撑外箱65.70 54.0圆形平面铜盆108 155.3透明亚克力圆顶盖387.50带PVC管的进料罐80 4.50铁螺栓和螺母25 1.70总嵌入能量（千瓦时）-223MSDD钢制支撑外箱65.70 54.0螺旋管吸收器盆地热管太阳能集热器117 97 190 135石蜡存储床77 61.5透明亚克力圆顶盖387.50带PVC管的进料罐80 4.50铁螺栓和螺母25 1.70总嵌入能量（千瓦时）454.2表8展示了RSDD和MSDD系统的环境分析结果。研究发现，由于设计修改引入了额外的嵌入能量，MSDD的二氧化碳排放量高于RSDD。然而，在其运行寿命内，MSDD的二氧化碳减排量比RSDD高出27.62%，这归因于其显著更高的年能量输出，抵消了嵌入能量的增加。表8. RSDD和MSDD的环境分析结果。空单元RSDD MSDD嵌入能量（千瓦时）223.0 454.2年化能量产量（千瓦时/年）291.7 407.5年化能量产出（千瓦时/年）34.1 143.51二氧化碳当量强度（千克二氧化碳/千瓦时）0.32 00.320二氧化碳减排量（吨）108.9 8139.225. 与以往太阳能蒸馏器设计的比较表8将所提出的改进型太阳能蒸馏圆顶（MSDD）的性能与文献中报道的直接太阳能淡化技术进行了比较。比较显示，当前系统由于螺旋线圈吸收器盆地、热管预热和PCM热存储的协同集成，实现了相对较高的淡水生产力。这种性能提升可以归因于通过螺旋线圈吸收器盆地增加蒸发面积、通过热管预热提高盆地水温以及通过PCM层延长热存储的综合效果。尽管当前比较表明MSDD的整体性能很强，但应注意的是，文献中的报告值是在不同的气候和运行条件下获得的。因此，这种比较主要作为一个基准指标，而不是一个完全统一的对比。表9将所提出的MSDD与之前报道的太阳能淡化技术进行了比较。参考系统类型主要修改/改进报告的性能国家[22]双坡太阳能蒸馏器外部反射器+带鳍片的波纹盆地+黑色花岗岩砾石+黑色棉布每日产量从1.88千克/平方米增加到5.13千克/平方米Villianur，印度[23]单坡太阳能蒸馏器传统蒸馏器，固定PCM层和可移动PCM层每日产量分别为5.28千克/平方米、4.90千克/平方米和6.04千克/平方米，Agadir，摩洛哥[25]托盘太阳能蒸馏器吸液芯波纹吸收器+纳米增强PCM+PV驱动加热器使用PCM-CuO纳米颗粒后，每日蒸馏产量增加了122%（2.500毫升/平方米对比5.550毫升/平方米），Al Kharj，沙特阿拉伯[27]单坡太阳能蒸馏器V型波纹吸收器+吸液芯+PCM使用PCM后，每日淡水产量增加了12%，达到3.762千克/平方米Tanta，埃及[28]单坡太阳能蒸馏器棕榈酸PCM/针翅吸收材料通过使用Al₂O₃/paraffin纳米复合材料，每日水产量增加了24%，蒸馏产量提高了4.9升/平方米，热效率提高了36%，Ahmed Abad，印度[29]单坡太阳能蒸馏器使用Al₂O₃/paraffin纳米复合材料后，每日水产量从2.32升/平方米增加到3.7升/平方米，Baghdad，伊拉克[31]带预热器的单坡太阳能蒸馏器使用铜线圈/预热器的预热装置产量从1.5千克/平方米增加到3.2千克/平方米，Tamil Nadu，印度[35]辅助真空管收集器的太阳能蒸馏器带有和不带纳米颗粒的真空管收集器与传统设计相比，效率提高了30–40%，Pandur，印度本研究改进型太阳能蒸馏圆顶（MSDD）螺旋线圈吸收器盆地+热管预热+PCM存储床每日产量10.72千克/平方米；能量效率提高了74.36%；能量效率提高了8.30%，Dhahran，沙特阿拉伯6. 结论本研究是首批探索带有螺旋管吸收器盆地和预热热管及相变材料存储床的新型太阳能蒸馏圆顶配置潜力的研究之一，证明了这种协同设计显著提高了热传递和质量传递效率，为开发高产率淡化系统提供了有价值的指导。本工作的目标是提出带有螺旋管吸收器盆地和预热热管及相变材料存储床的新型太阳能蒸馏圆顶配置。开发了一个基于CFD的稳态共轭模型来分析所提出的太阳能蒸馏圆顶（SDD）的热传递和流体流动行为。该模型在特定时间间隔内研究了各种运行状态，以确定最大化蒸馏产量的最佳设计配置和参数。设计了带有螺旋管吸收器盆地和预热热管及PCM存储床的改进型SDD（MSDD）和参考太阳能蒸馏圆顶（RSDD）。使用200–1000瓦/平方米的太阳通量和10–30毫升/秒的热管收集器流速进行了模拟，以确定最佳运行条件。然后，在沙特阿拉伯Dhahran的实际气候条件下，全面评估和比较了优化后的RSDD和MSDD太阳能圆顶配置的技术可行性和性能潜力。此外，还对优化后的太阳能蒸馏圆顶设计进行了全面的热传递分析，并进行了6E评估（能量、能量、能量经济性、能量经济性和环境经济性）。主要发现如下：1. 在盆地内实施螺旋管吸收器盆地和预热热管显著提高了太阳能蒸馏圆的冷凝和蒸发速率。此外，石蜡层的添加进一步提高了蒸馏效率，在阳光不足或夜间运行时，石蜡层可以作为盐水的热源。2. CFD模拟表明，在1000 W/m²的太阳辐射下，通过使用直径为15毫米的螺旋盘管、20毫米厚的盐水层、30 ml/s的预热热水流速以及40毫米厚的相变材料（PCM）层，可以实现最大化淡水产量的最佳圆顶蒸馏器设计。3. MSDD的日产量估计为10.72公斤/平方米，而RSDD的日产量为6.56公斤/平方米，表明MSDD的日淡水产量比RSDD高出63.41%。4. MSDD和RSDD的日能量效率分别为74.36%和50.11%，MSDD的能源保留率比RSDD高出48.40%。MSDD和RSDD的日熵效率分别为8.30%和3.85%，分别提高了115.62%。5. 从经济角度来看，MSDD的平准化水成本和回收期为0.0117美元/公斤和4.30年，而RSDD分别为0.0123美元/公斤和5.40年，显示出MSDD更优的成本效益和更快的投资回报潜力。6. 从环境角度来看，MSDD和RSDD的年二氧化碳排放量分别为139.22吨和108.99吨，MSDD的二氧化碳减排量比RSDD多27.75%。本研究的结果为开发高效、可持续且环境影响较小的淡水生产系统提供了宝贵的见解，特别适用于水资源短缺的地区，如沙特阿拉伯，有助于实现与沙特2030愿景相一致的可靠、低成本和可持续的海水淡化技术。7. 研究的局限性和未来展望当前研究的一个关键局限性在于，它没有全面评估相变材料（PCM）的热物理性质（如导热性、熔点、潜热容量、比热和密度）如何直接影响太阳能蒸馏圆顶的能量行为和淡水产量。这些性质强烈影响热量吸收、储存和释放的速度，从而影响盆地温度稳定性、蒸发速率和夜间蒸馏性能。这限制了确定能够最大化系统整体效率的最佳PCM特性的能力。未来的研究方向包括：• 应比较不同熔点、潜热容量和导热性的PCM类型，以确定最适合太阳能蒸馏圆顶的材料。• 进一步研究应探讨提高导热性的方法，例如纳米颗粒、散热片、金属基体和复合PCM结构，以改善充放电速率。同时，建议通过数值分析和实验分析来优化PCM的质量、布置及其与热管和螺旋盘管吸收器的集成。• 建立实验平台，对提出的两种太阳能蒸馏圆顶进行验证，并研究其在区域层面的实际性能和长期潜力，这也是未来工作的重点。
作者贡献声明：
Mohamed E. Zayed：撰写原始草稿、验证、软件开发、方法论、数据分析、概念化。
Mohamed Ghazy：撰写原始草稿、可视化、验证、软件开发、资源管理、数据收集。
Shafiqur Rehman：撰写审查与编辑、验证、监督、资源管理、方法论。
Kotb M. Kotb：撰写原始草稿、可视化、验证、方法论。
Kashif Irshad：撰写审查与编辑、验证、资源管理、方法论、数据分析。
