具有相变材料蓄热的太阳能驱动HDH海水淡化系统的瞬态建模与性能评估

把阳光变成饮用水

对于生活在炎热干旱地区的数百万人来说，附近的海水或咸地下水充沛，但安全的饮用水却难以获得。本研究探讨了一种紧凑型太阳能装置，它可以在不依赖电网的情况下将咸水转化为淡水。通过在特殊的“类蜡”材料中储存白天的热量，系统即使在日落后也能继续制水，为偏远社区和离网住宅提供了有希望的选择。

简单的双箱系统如何工作

淡化装置由两个主要箱体构成：增湿器和除湿器，并与一块平板太阳能集热器相连。在增湿器中，风扇将空气吹过湿填料床，使空气吸收水蒸气，就像热水澡后浴室中的温暖空气一样。此时湿热的空气进入除湿器，在金属表面被冷却，水蒸气凝结成淡水液滴。为产生蒸汽的咸水在屋顶式太阳能集热器中被加热后再循环，形成一个将太阳热能转化为清洁水的闭合回路。

在类蜡材料中储存白天的热量

该设计的一个关键创新是向太阳能集热器中加入相变材料（PCM）。这些材料类似于在选定温度下熔化的特殊蜡——这里约为45°C和60°C。白天熔化时，它们在温度变化不大的情况下吸收大量热能；冷却凝固时则缓慢释放热量。研究者将几层薄的PCM嵌入集热器吸热板下方，使得即使阳光减弱，集热器仍能向增湿器输送温暖的水。

全天候跟踪系统变化

通过详细的计算机模型，作者逐小时追踪了温度与制水量的变化。清晨阳光较弱时，系统每小时约产出2.1升淡水。随着太阳增强且集热器将水加热至约45–55°C，产量上升至近每小时3.9升。若无蓄热，到了下午晚些时候随着集热器降温，产量将急剧下降。加入PCM后，蓄存的热量回流到水循环和空气回路，平缓了温度下降并延迟了系统无法继续产出有意义淡水的时间点。

为什么傍晚比峰值更重要

建模表明，PCM并不会提高日中制水的峰值；这一峰值已由强烈的日照决定。相反，PCM像一个热电池，延长了运行时间。大约下午3点后，不带PCM的系统很快失去驱动温差，在日落前就停止运行。而有PCM的系统则继续在入夜初期稳定产生较小量的水。全天累积下来，这种延长使总淡水产量提高约10.5%。两种熔点为45°C和60°C的PCM总体表现相近，但低温材料放热更缓慢，使得傍晚的产出略显更加稳定。

这对干旱缺水地区意味着什么

从通俗角度看，结论很直接：通过向基于湿空气和冷凝的简单太阳蒸馏器中加入廉价的蓄热“蜡”，你可以在日落后数小时继续制备淡水。经严格验证的模型表明，这样一种紧凑、低温的系统可为远离电网的小型社区提供服务，将充足的阳光和咸水转化为更可靠的日常饮用水供给。未来还需进行实地试验和成本研究，但这一概念指向了一种务实、低技术门槛的方式，让每一小时的日照都更有效地用于水安全。

引用: Mohammad, S.I., Jawad, M., Vasudevan, A. et al. Transient modeling and performance evaluation of a solar-driven HDH desalination system with phase change material storage. Sci Rep 16, 5745 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37754-x

关键词: 太阳能海水淡化, 淡水短缺, 相变材料, 热能储存, 增湿—除湿