氧化铜纳米材料在太阳能海水淡化中的作用：集成策略的系统综述

《Materials Advances》：The role of copper oxide nanomaterials in solar desalination: a systematic review of integration strategies

　　A. S. Abdullah | Abanob Joseph | Wissam H. Alawee | Mohamed Elashmawy | Mohammed El Hadi Attia | Swellam W. Sharshir | Ahmed El-Harairy
机械工程系，阿尔-卡赫杰工程学院，萨塔姆·本·阿卜杜勒阿齐兹大学
阿尔-卡赫杰 11942，沙特阿拉伯

低淡水生产力和间歇性操作仍然是传统太阳能蒸馏（SS）海水淡化系统的主要限制因素，尽管这些系统简单且对环境影响小，但仍然限制了它们的大规模和长期应用。本综述全面分析了氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）作为有效多功能增强剂在克服这些限制方面的作用。CuO NPs可以用作水槽中的纳米流体，也可以作为吸收器表面的纳米涂层，以增强对太阳辐射的吸收，从而提高蒸发率和淡水产量。CuO NPs还可以作为相变材料（PCMs）的添加剂，以改善热充放电特性，并修改熔化和固化温度，从而使SS在日落后仍能继续运行数小时。CuO NPs同时作为PCM添加剂和吸收器表面涂层的应用，可使淡水产量提高80.20%，热效率达到63.71%，并且与传统SS相比，每升蒸馏水的成本可降低75%。CuO NPs已应用于被动和主动SS配置中，既可以单独使用，也可以混合使用。本综述批判性地研究了CuO纳米流体浓度、与其他纳米材料混合的CuO基纳米流体以及CuO纳米复合材料的效果，强调了CuO NPs在产量、热性能和经济可行性方面的优越性。除了实验研究外，还整合了相关的理论和数值建模研究，为高性能SS提供了设计导向的见解和优化路径。

1. 引言
水是维持生命的基本介质；然而，获得安全的淡水仍然是全球最紧迫的挑战之一，影响着公共卫生、经济发展和环境可持续性。水资源面临多重全球性挑战，包括稀缺、污染和地理分布不均。

2. 虽然水覆盖了地球表面的大部分，但其中超过97%是咸水，不适合直接饮用。因此，将海水和微咸水转化为淡水已成为一种必要而非可选项。从咸水中去除盐分的过程被称为海水淡化。

海水淡化技术大致可以分为基于膜的淡化（使用选择性膜，只允许水分子通过）和基于热的淡化（依靠咸水的蒸发随后冷凝淡水蒸汽）。尽管基于膜的系统的效率很高，但它们存在主要操作问题，特别是膜污染、高维护要求和有限的寿命，这显著增加了运营成本。虽然基于热的淡化过程能耗较高，但在恶劣的操作环境中提供了更高的可靠性和稳定性。热淡化系统需要热源来产生水蒸气；然而，对传统燃料的持续依赖导致了温室气体排放的增加和环境恶化。因此，国际研究努力越来越多地集中在将可再生能源（尤其是太阳辐射）整合到淡化技术中。太阳能蒸馏（SS）技术是最简单且环境友好的太阳能驱动的海水淡化技术之一。SS的特点是资本成本低、建造简单且零碳排放，使其适用于偏远和干旱地区。然而，传统SS的淡水产量相对较低，限制了其大规模部署。为了克服这一限制，提出了许多改进技术来提高SS的产量，这些技术大致可以分为主动和被动改进。主动SS系统包括加热器、冷凝器、太阳能集热器或泵等外部设备，以补充热和质量传递过程。相比之下，被动SS系统不需要外部能量输入，通过使用相变材料（PCMs）进行热能储存、向水槽水中添加吸收材料、表面修改和优化玻璃盖几何形状来提高产量。

纳米技术的最新进展为提高SS性能开辟了新的可能性。由于其出色的热学、光学和物理化学性质，纳米材料在太阳能淡化系统中得到了越来越多的应用。在SS中，纳米材料可以以三种主要方式使用：分散在水槽水中的纳米流体、应用于吸收器表面的纳米涂层以及集成在PCMs中的纳米添加剂。纳米流体和纳米涂层促进了太阳辐射的吸收、热传递和水槽水温度的升高，从而提高了蒸发率和淡水产量。同样，纳米改性的PCMs通过加速热充放电过程，延长了SS在日落后的运行时间。

在研究的各种纳米材料中，氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）近年来已成为非常有前景的候选材料，因为它们具有优异的太阳吸收性、导热性和成本效益。实验和理论研究反复表明，CuO纳米颗粒优于许多其他金属氧化物纳米材料，使其成为提高SS系统中热传递和蒸发率以及淡水产量的理想选择。除了单独的性能指标外，对CuO基增强策略的新兴科学关注也体现在该领域的文献计量结构中。为了客观地描绘这一研究演变并证明本综述的组织合理性，进行了全面的文献计量分析。关键词共现分析（图1）将基于CuO的SS增强策略分为三种主要研究策略，这些策略在网络中以不同颜色编码的簇表示（图1(a)）。绿色簇主要对应于基于纳米流体的增强，其中CuO纳米颗粒、纳米流体、导热性、太阳能量和能量效率之间的强共现表明CuO主要用作水槽水添加剂，以增强热传递、蒸发率和淡水产量。红色簇涉及吸收器表面修改和蒸馏性能，关键词包括氧化铜、纳米颗粒、太阳能蒸馏、产量、效率、玻璃和水深，强调了在系统层面使用基于CuO的纳米涂层来增强太阳辐射吸收和效率。蓝色簇主要与热储存和PCM相关的增强有关，以相变材料、热储存、热效率、太阳能淡化和导热性为主，其中CuO纳米颗粒越来越多地用作PCM添加剂，以增强充放电行为并延长SS在日落后的运行时间。这些颜色编码的簇说明了CuO纳米颗粒在流体、表面和储存增强策略中的多功能作用，为本综述分为纳米流体、吸收器涂层和PCM增强热储存部分提供了明确的文献计量依据。此外，图1(a)展示了主要关键词的文献计量分组，而图1(b)展示了它们的时间演变，突出了研究重点从基于纳米流体的研究逐渐转向吸收器涂层和PCM整合的过程。叠加图显示了从以纳米流体为中心的研究到吸收器涂层和PCM整合的明显时间演变，这可以视为该领域的成熟过程，并为将本综述分为纳米流体、吸收器涂层和CuO增强PCM热储存部分提供了依据。

3. 文献计量分析
图2显示了期刊、作者和国家之间的文献计量耦合关系，揭示了SS和太阳能淡化研究的核心-边缘结构及其强烈的时间演变。在期刊层面（图2(a)），海水淡化和水处理、应用热工程以及能量转换和管理构成了知识核心，这是早期研究的主要基础成果（由较深的颜色域表示），当时研究主要集中在热建模、产量改进和传统性能分析上。最近的耦合转向了《清洁生产杂志》、《能源存储杂志》、《环境科学与污染研究杂志》和《分离与纯化技术杂志》，表明2021年后研究重点转向了可持续性评估、基于PCM的热储存和纯化框架。在图2(b)中，作者耦合显示Kabeel A. E.、Omara Z. M.、Abdullah A. A.、Essa F. A.和Abdelgaied M.为核心研究团队，他们在纳米流体、吸收器涂层和PCM增强SS方面具有强烈的相互耦合、持续的生产力和主题连续性，而早期的基础贡献者如Sathyamurthy R.、Arun Kumar T.和Sahota L.的工作建立了基线设计和性能指标。较新的作者如Omara Z. M.、Essa F. A.、Abdullah A. A.、Alawée W. H.和Shanmugan S.的时间重叠颜色较浅，中心性较低，表明研究重点转向了混合增强策略和系统集成。在国家层面（图2(c)），印度在整个研究期间发挥了核心作用，其次是埃及和沙特阿拉伯，这两个国家是干旱地区海水淡化需求的强大合作中心；中国和英国是早期的方法论贡献者。相比之下，阿尔及利亚、伊朗、伊拉克和约旦的研究活动较为近期，反映了该地区因水资源短缺而快速发展的研究活动。总体而言，耦合模式反映了从早期以热为主的研究到近期集成分离和纯化策略的明显进步，这些策略结合了纳米材料、热储存和可持续性考虑。

4. 太阳能蒸馏性能描述符
2.1. 能源效率
能源效率表示太阳能蒸馏将提供的能量有效转化为用于水蒸发的能量的程度。它定义为有用输出能量与总输入能量的比率。对于太阳能蒸馏器，有用能量是蒸发产生的蒸馏液所需的潜热，而输入能量主要是入射的太阳辐射，对于主动系统，还包括任何辅助电能。一般来说，更高的能源效率意味着更多的供应能量被用于蒸发，通常会提高淡水产量。每小时和每日能源效率表示为：

2.2. 几何效率
几何效率代表了能量利用的质量，反映了可用能量转化为有用工作潜力的有效性。与能源效率不同，几何效率考虑了热传递、蒸发和冷凝过程中的热力学不可逆性。因此，它提供了对太阳能蒸馏器性能的更深入评估。更高的几何效率表明更低的有用能量损失和更好的热力学性能。尽管更高的产量通常伴随着更高的能源效率，但需要几何效率来评估系统利用可用太阳能的有效性。每小时和每日几何效率表示为：

5. 氧化铜作为太阳能蒸馏器中的纳米流体
提高水槽水中的太阳辐射吸收和热传递是提高SS性能的关键策略。在各种纳米材料中，氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）被广泛用作纳米流体，它们在盆地水中的分散可以提高热导率、升高水温并加速蒸发，从而提高淡水的产量。CuO纳米流体已在被动和主动太阳能蒸馏系统中成功应用，并在不同的气候和操作条件下表现出一致的性能提升。在回顾这些产量提升之前，有必要明确CuO纳米颗粒提高太阳能蒸馏系统性能的关键机制。通过向基础流体中添加CuO NPs，可以增强盆地水的有效热导率，从而提高系统向主体流体传递热量的能力，使水温更快上升。此外，悬浮的CuO纳米颗粒能够增加太阳能的吸收并使水层中的热量扩散更加均匀，从而提高蒸发速率。然而，这些效应的强度高度依赖于纳米颗粒的浓度、基础流体的热物理特性以及太阳能蒸馏系统的设置。在低到中等水平下，热传输和吸收能力可以得到增强，但过量添加可能会增加颗粒聚集、粘度和沉积的可能性，从而削弱热传递的优势。同样，CuO纳米流体的效果也会因盆地几何形状、水深以及是否存在其他辅助设备（如冷凝器、集热器或冷却系统）而有所不同。因此，CuO纳米流体的影响可以解释为热过程和光学过程的共同作用结果，这些过程容易受到材料加载和系统设计的影响。

1. 被动系统
被动系统是指蒸发和冷凝自然发生的系统，不需要机械泵或其他额外设备，仅利用太阳的能量来驱动这一过程。Megahed和El Mahallawy使用溶胶-凝胶方法制备了CuO NPs和CoCuMnOx NPs作为纳米流体；每种纳米颗粒按体积分数（VF）的1%添加到单盆地太阳能蒸馏系统的水池中。这些纳米材料添加剂的目的是提高太阳能蒸馏系统内的水蒸发速率。实验数据显示，CoCuMnOx纳米流体使蒸发速率提高了65.33%，而CuO纳米流体提高了33.24%。除了这些实验结果外，数值模型表明，在某些设计和环境条件下，向太阳能蒸馏系统中添加1%体积分数的CuO纳米流体可以在8小时内产生13升的淡水产量。Attia等人使用不同比例（1%、2%和3%）的氧化铜微粒和纳米颗粒（MP/NP）在半球形太阳能蒸馏系统中进行了研究。实验结果显示，当CuO纳米颗粒的比例分别为1%、2%和3%时，该系统的日产量分别为5.28升、5.92升和6.75升；而使用CuO微粒时，改良后的系统日产量分别为4.38升、4.82升和5.43升。这些结果表明，与微粒相比，CuO纳米颗粒具有显著的效果。未经改良的传统太阳能蒸馏系统的最高日产量为2.98升。

Thakur和Gaur分析了含有CuO NPs和不含CuO NPs的被动太阳能蒸馏系统在冬季和夏季的性能。实验在水深4厘米、冷凝盖倾斜角度分别为11°、26°和41°的条件下进行。含有CuO的太阳能蒸馏系统比不含纳米颗粒的纯水系统表现更好。在冬季和夏季，含有CuO纳米颗粒的系统的蒸发传热系数分别提高了139.44%和127.98%。在冬季，含有CuO纳米颗粒的太阳能蒸馏系统和不含纳米颗粒的传统系统在41°倾斜角度下的日产量分别为2.03升和1.53升；在夏季，含有CuO纳米颗粒的太阳能蒸馏系统和不含纳米颗粒的传统系统在11°倾斜角度下的日产量分别为4.02升和2.38升。Thakur等人还进行了类似的研究，但在水池中分别添加了ZnO和CuO纳米颗粒，并比较了它们对系统效率的影响。研究发现，与不含纳米颗粒的情况相比，ZnO和CuO纳米颗粒使产量分别提高了11.11%和41.60%。Hamdan等人比较了含有CuO和Al2O3纳米颗粒的太阳能蒸馏系统与不含纳米颗粒的传统系统的效率，发现添加0.4% Al2O3和0.6% CuO后，系统效率分别提高了7.8%和9.62%。尽管添加纳米颗粒后产水量有所增加，但每升淡水的成本却高于传统系统。Thakur和Gaur研究了含有CuO和ZnO纳米颗粒的太阳能蒸馏系统的各种参数的影响。他们构建了三个倾斜角度分别为41°、26°和11°的太阳能蒸馏系统，并在含有CuO和ZnO纳米颗粒的情况下评估了其在不同水深（10厘米、5厘米和4厘米）下的性能。结果表明，41°倾斜角度和4厘米水深时系统的性能最佳。CuO纳米颗粒使日产量达到2.03升，而ZnO纳米颗粒和传统系统的日产量分别为1.54升和1.43升。当向太阳能蒸馏系统中添加CuO纳米颗粒时，预测的内部传热系数比传统系统高155.2%；当添加ZnO纳米颗粒时，该系数比传统系统高64.8%。

Alhendal等人研究了不同浓度的CuO纳米颗粒对太阳能蒸馏系统中盐水蒸发速率和蒸馏水产量的影响。研究发现，0.1%重量浓度的CuO纳米颗粒在盐水中表现出最佳效果，效率和生产率分别提高了110%和100%。Madhu等人研究了Al2O3、CuO和TiO2纳米颗粒在三种不同浓度比（0.2%、0.1%和0.05% VF）下溶解在水中的情况，这些纳米颗粒被用作太阳能蒸馏系统的纳米流体。对于0.2%的最高浓度，使用TiO2、CuO和Al2O3纳米流体的太阳能蒸馏系统的日产量分别为2.17升、2.25升和4.03升。Al2O3纳米流体的系统最高能量效率为11.12%。Madhu还在阶梯形太阳能蒸馏系统上进行了同样的实验，结果显示，添加纳米颗粒后，Al2O3纳米流体使阶梯形和传统太阳能蒸馏系统的蒸馏水产量分别提高了67%和50%。在理论研究中，Dhindsa等人使用不同体积分数（0.2%、0.12%、0.08%、0.05%和0.02%）的CuO、SiC、Al2O3、Ag和Fe2O3对单坡度被动太阳能蒸馏系统进行了研究。在印度Patiala进行的实验结果与利用Runge–Kutta常微分方程的理论公式相符。对于一天时间，理论值和实验值之间的总偏差为12.24%。Al2O3基纳米流体的日产量比不含纳米颗粒的传统系统高出14.22%。Zabour等人对单坡度被动太阳能蒸馏系统中使用Cu2O、TiO2和Al2O3纳米流体进行了数值研究，发现其日产量分别为7.064升、7.1升和7.38升。使用氧化亚铜纳米颗粒后，系统的最大效率为55.27%。此外，将1%、3%和5%体积分数的Cu2O纳米颗粒分散在水中，使太阳能蒸馏系统的产量分别提高了6.36%、19.54%和33.25%。根据Hafs等人的研究，将鳍片加入水池衬里可提高日产量12.6%；将带鳍片的水池衬里与Cu2O/咸水纳米流体结合使用可进一步提高产量20%。Thakur等人使用多种热模型预测了含有CuO和ZnO纳米颗粒的单坡度太阳能蒸馏系统的蒸馏产量和传热系数，结果显示含纳米颗粒和不含纳米颗粒的系统的产量百分比变化分别为8.41%、9.52%和9.89%。与不含纳米颗粒的水相比，CuO和ZnO纳米流体生产的蒸馏水量分别高出约41.11%和9.75%。实验结果证实了各种热模型的预测。对于玻璃盖倾斜角度为41°和水深为4厘米的情况，ZnO和CuO纳米流体生产的蒸馏水量分别高出约41.11%和9.75%。结果表明，CuO在提高产量方面优于ZnO纳米颗粒。提出的热模型与实验结果高度一致。Elzemzmi等人将Al2O3、CuO和TiO2纳米流体用于两种不同配置的太阳能蒸馏系统，并与混合配置的太阳能蒸馏系统进行了比较，结果显示无论哪种配置，含纳米颗粒的系统的淡水产量都显著更高。

Phukapak等人评估了不同纳米材料（包括带条纹凹槽的鳍片吸收器）对双坡度太阳能蒸馏系统性能的影响，并为此开发了热模型。使用Al2O3、CuO、Ag、Fe2O3和ZnO纳米流体的系统产率分别为36.13%、35.58%、34.60%和32.44%；而在不含纳米颗粒的带条纹凹槽的鳍片吸收器情况下，产率仅为26.93%。Modi等人通过实验研究了纳米颗粒（CuO和Al2O3 NPs）对双坡度太阳能蒸馏系统性能的影响，考虑了不同的蒸馏器玻璃盖方向和水深。在北-南方向下，Al2O3纳米颗粒在水深10毫米、20毫米和30毫米时分别使蒸馏产量提高了26.59%、28.53%和19.40%。CuO纳米颗粒在水深10毫米和20毫米时分别使产量提高了56.31%和58.25%。使用0.1% CuO纳米颗粒的北-南方向玻璃盖时，产量分别比使用0.1% Al2O3纳米颗粒的系统高出26.60%和27.27%。Kouadri等人分别单独添加了不同质量的ZnO和CuO纳米颗粒，以评估它们与传统太阳能蒸馏系统的产量差异。结果表明，每种金属氧化物（CuO和ZnO）的添加量（60克、40克和20克）对产量有显著影响。在这一过程中，金属氧化物作为光催化剂，浓度起着重要作用；每种金属氧化物添加20克时，产量分别提高了约74.76%和79.39%。Labied等人39也专注于使用金属氧化物纳米颗粒（NPs）作为光催化剂，在太阳能蒸馏中净化微咸水。他们使用了不同重量浓度（0.04%、0.08%、0.12%和0.16%）的CuO、ZnO和Fe2O3纳米颗粒来提高蒸馏水的产量。与传统蒸馏器相比，当ZnO、Fe2O3和CuO的重量浓度为0.16%时，测试蒸馏器的生产效率分别提高了13.02%、16.64%和22.43%，并且每升蒸馏水的成本预计分别为0.0090美元、0.0089美元和0.0096美元，而基线情况下的成本为0.0092美元。Patel等人40使用了几种半导体金属氧化物作为光催化剂，包括CuO、PbO2和MnO2，用于太阳能海水淡化。研究发现，金属氧化物不仅显著提高了淡化水的生产速率，还提高了工艺效率。对原始水和淡化水的各种水质特性（如pH值和总溶解固体TDS）进行了检测。Asadpourian和Ameri41专注于使用CuO纳米颗粒和氧化石墨烯（CuO–GO纳米复合材料）作为蒸馏池中的纳米流体。在他们的实验中，使用了0.3%、0.2%、0.1%和0.1%的纳米复合材料，总蒸馏产量分别为6.73 kg m?2 h?1、6.14 kg m?2 h?1、5.08 kg m?2 h?1和3.51 kg m?2 h?1。与不使用纳米复合材料的情况相比，淡水产量分别增加了91.7%、75.0%和44.7%。Alasiri等人42研究了三种材料改性的热太阳能蒸馏器（HSS）的热经济效率：第一种使用CuO纳米流体，第二种使用铜片，第三种在吸液芯材料之间放置了纳米流体和铜片。第三种测试显示了最高的生产效率和热经济性能。在这种情况下，MHSS的表现优于传统的HSS（CHSS），日蒸馏水量和热效率分别为79.11%和79.107%。此外，日能量效率为2.38%，MHSS的效率提高了167.42%，成本比CHSS降低了20.68%。根据Attia等人的研究43，将CuO纳米颗粒以三种浓度（0.3%、0.2%和0.1%）加入水中，以改善池内流体的热性能，加快蒸汽生成速度，并提高吸收的太阳能强度。第二种改进方案使用了三种不同的水流速率（2.5 kg h?1、2 kg h?1和1.5 kg h?1）的玻璃薄膜冷却系统来加速HSS中的水蒸气凝结。结果表明，添加3%浓度的CuO纳米流体效果最佳，日产量为6.80 L m?2；而第二种改进方案的冷却系统在2.5 kg h?1的流速下产量为5.7 L m?2，这表明铜纳米流体相比2.5 L h?1流速的玻璃薄膜冷却系统具有更高的生产效率。由于冬季蒸馏水的产量有限，Attia等人44比较了冬季和夏季的生产效率，发现冬季向水池中添加CuO纳米颗粒可以提高生产效率，但仍然低于夏季传统蒸馏器的效率。传统蒸馏器在夏季的产量为3.5 L m?2，在冬季为2.2 L m?2，而使用CuO纳米颗粒改进后的蒸馏器在冬季的产量为3 L m?2。然而，冬季改进后的蒸馏器产量仍低于夏季传统蒸馏器；改进后的蒸馏器能量效率为2.41%，而夏季传统蒸馏器仅为1.2%。Attia等人43还研究了CuO纳米过滤（NF）和喷水冷却单独使用的效果；Gupta等人45研究了CuO纳米流体和喷水冷却技术结合使用的效果。研究发现，这些改进措施使产量从传统蒸馏器的2900 ml m?2-day增加到4000 mL m?2-day，热效率分别提高了22%和34%。Sharshir等人46比较了使用玻璃薄膜冷却的CuO纳米颗粒和石墨纳米颗粒作为纳米流体的效率。结果表明，石墨纳米流体的性能优于CuO纳米流体，热效率分别达到了49%和46%。

3.2. 活性蒸馏器
活性蒸馏器是一类利用外部能量输入或机械组件来提高性能的蒸馏器47。Eswaran等人48使用了带有不同纳米流体的真空管集热器进行太阳能海水淡化。他们注意到，在没有纳米颗粒的水的情况下，11小时运行后收集到的蒸馏水量为2275 mL；而在使用纳米颗粒的情况下，CuO、Al2O3和ZnO纳米颗粒的产量分别提高了17.4%、15.7%和14.5%。这些结果证明了CuO纳米颗粒相对于其他纳米颗粒的显著效果。Dawood等人49在单坡度蒸馏器中使用了不同体积浓度的CuO纳米流体，并结合了振动发生器和冷却装置。含有1.5%纳米流体的蒸馏器在1毫米深度下表现出最佳效果，产量和日效率分别达到了7.13 kg day?1和54%。El-Gazar等人50提出了一个新模型，用于分析带有太阳能电池板（PV）的蒸馏系统性能，该系统使用了混合纳米流体和预热水。新模型使用了两种不同的分数阶导数：Riemann–Liouville和Caputo–Fabrizio分数阶导数。他们使用了预热比例为40%、50%和60%的CuO/Al2O3混合纳米流体。结果表明，使用Riemann–Liouville分数阶导数能够最佳匹配实验结果，误差为3.59%。在60%预热比例下，混合纳米流体的产量达到了7.126 kg m?2 day?1，能量效率为54.61%，能量效率为15.3%。为了确保模型的可靠性，分数阶模型经过了实验验证，Riemann–Liouville公式与实验结果最为吻合，误差最小为3.59%，证明了其适用于预测使用CuO/Al2O3混合纳米流体的PV辅助太阳能蒸馏器的性能。Ajit等人51研究了向水中添加GO和CuO纳米颗粒的单层和混合纳米过滤（NF）的影响，发现GO–CuO混合纳米流体实现了最高的产量提升，提高了127.46%。Gaur等人52使用了Al2O3–CuO混合纳米流体和相变材料（PCM）来提高金字塔形蒸馏器的产量。使用混合纳米流体和PCM的系统日产量约为3.89 L m?2，而仅使用纳米流体的蒸馏器产量为3.61 L m?2。结果表明，使用混合纳米流体和PCM的蒸馏器每天产生的蒸馏水量比仅使用纳米流体的蒸馏器多7.4%。Nazari等人53通过实验和理论研究展示了在配备外部热电冷却单元（TEC）作为冷凝通道的单坡度蒸馏器中Cu2O纳米流体的效率。为了在蒸汽流中提供冷却环境，他们在外部通道壁周围安装了4个TEC单元（见图3(a)）。当0.08%的Cu2O纳米颗粒与水混合时，能量效率、能量效率和产量分别提高了约92.6%、81.5%和82.4%。Nazari等人54也进行了相同的实验，但将TEC安装在外部通道的侧面。这种改进使能量效率提高了约112.5%，而产量和能量效率接近之前的研究结果，分别为81%和80.6%，成本仅增加了约0.0218美元/L m2。Shoeibi等人55研究了同时采用热电冷却和加热应用对蒸馏器性能的影响。由于纳米流体通过泵流动并在冷却罐中的TEC侧降温，玻璃温度降低。同时，TEC的热侧在纳米流体进入蒸馏器的螺旋盘管换热器时提高了其温度（见图3(b)）。在加热和冷却罐中，使用了Al2O3、TiO2、CuO和MWCNT纳米流体作为基础流体。研究发现，与没有纳米流体的蒸馏器相比，使用Al2O3、CuO、TiO2和MWCNT纳米流体的蒸馏器的产量分别提高了11.57%、7.16%、6.32%和4.66%。Naveenkumar等人56在双坡度蒸馏器中引入了外部冷凝器和真空风扇，并研究了添加纳米流体的影响。与传统的双坡度蒸馏器相比，蒸馏产量分别提高了51.85%、55.56%和59.26%，当加入冷凝器和0.1%浓度的三种纳米流体时，产量进一步提高到了75%、82.14%和96.43%。Cu氧化物纳米流体在累计产量和能量效率方面优于其他两种纳米流体。Abdelgaied等人20研究了三种改进型HSS，并与传统HSS进行了对比（见图3(c)：在水中加入0.3%重量的CuO纳米颗粒，在池底使用PCM，并在池底下方集成相变材料并分散CuO纳米颗粒。与CHSS相比，仅使用纯PCM和CuO/水纳米流体的产量分别提高了29.17%和60.41%。El-Gazar等人57使用经典模型和Riemann–Liouville分数阶导数预测了传统蒸馏器的热性能，并研究了使用CuO和Al2O3纳米流体混合纳米流体的影响，以确定最佳模型。理论结果与实验数据完全吻合，冬季的误差百分比为3.243%，夏季为1.486%，而使用经典模型时分别为20.08%和24.1%。实验结果表明，0.025%浓度的混合纳米流体的能量效率和能量效率分别为49.54%和3.5325%，产量提高了5.5239 kg m?2 day?1。通过冬季和夏季条件的实验数据对比，进一步验证了分数阶模型的预测能力，冬季的预测误差为3.243%，夏季为1.486%，而经典模型分别为20.08%和24.1%。例如，El-Gazar等人50报告称，使用含有60%预热的CuO/Al2O3混合纳米流体后，生产率提高到了7.126公斤/平方米·天，能量效率为54.61%，熵效率为15.3%；而Ajit等人51则表明，GO–CuO混合纳米流体使生产率提高了127.46%。同样，Gaur等人52发现，使用含有相变材料（PCM）的Al2O3–CuO混合纳米流体后，日产量比单独使用纳米流体时增加了7.4%。这些改进表明，混合纳米流体通过提高有效热导率和增强太阳能吸收特性来提升太阳能蒸馏器的性能。然而，目前现有的文献并没有明确区分热协同效应和光吸收作用的各自贡献，因此需要进一步的专门机制研究。

表1. 使用氧化铜作为纳米流体在太阳能蒸馏器（SSs）中的比较，包括蒸馏器类型、改进措施、生产率提升、能量效率、熵效率及成本

| 蒸馏器类型 | 改进措施 | 生产率提升（%） | 能量效率（%） | 熵效率（%） | 成本 |
|--------------|----------------------------------------|-------------|-------------|-------------|-------------|
| 被动系统 | 半球形CuO纳米颗粒，浓度3% | 126.5 | 50.9 | 4.4 | 160 |
| | 单坡度CuO纳米颗粒，冬季倾斜角度42° | 32.6 | N/A | N/A | 23 |
| | 单坡度CuO纳米颗粒，夏季倾斜角度11° | 68.9 | N/A | N/A | 24 |
| | 单坡度CuO纳米颗粒 | 41.6 | N/A | N/A | 25 |
| | 金字塔形CuO纳米颗粒 | 0.6 | 9.6 | 0.03 | 0.08 |
| | 金字塔形CuO纳米颗粒 | 0.4 | 7.8 | N/A | 28 |
| | 水池盐水中添加0.1% CuO | 100.0 | 111.2 | N/A | 168 |
| | 单坡度CuO纳米流体 | 53.5 | 21.6 | N/A | 29 |
| | 单坡度TiO2纳米流体 | 50.2 | 20.2 | N/A | 32 |
| | 单坡度Al2O3纳米流体 | 74.1 | 37.4 | 11.1 | 33 |
| | 单坡度Cu2O纳米流体（数值研究） | 12.8 | 55.2 | N/A | 34 |
| | 单坡度Al2O3纳米流体（数值研究） | 7.9 | 7.9 | N/A | 35 |
| | 单坡度TiO2纳米流体（数值研究） | 8.5 | 8.5 | N/A | 36 |
| | 带有Cu2O纳米流体的带鳍水池衬里（数值研究） | 20.0 | 25.0 | N/A | 37 |
| | 单坡度ZnO纳米流体 | 9.7 | N/A | N/A | 38 |
| | 双坡度Al2O3纳米颗粒+条状凹槽鳍片（SGFs） | 34.5 | 36.1 | N/A | 0.03 | 39 |
| | 双坡度CuO纳米颗粒+SGFs | 33.9 | 35.5 | N/A | 40 |
| | 双坡度Ag纳米颗粒+SGFs | 32.9 | 34.6 | N/A | 41 |
| | 双坡度Fe2O3纳米颗粒+SGFs | 30.8 | 32.4 | N/A | 42 |
| | 双坡度ZnO纳米颗粒+SGFs | 28.0 | 29.7 | N/A | 43 |
| | 水深10毫米时使用双坡度Al2O3纳米颗粒 | 26.5 | N/A | N/A | 44 |
| | 水深10毫米时使用双坡度CuO纳米颗粒 | 56.3 | N/A | N/A | 45 |
| | 单坡度添加20克CuO纳米颗粒 | 74.7 | N/A | N/A | 46 |
| | 单坡度添加20克ZnO纳米颗粒 | 79.3 | N/A | N/A | 47 |
| | 单坡度CuO纳米流体（0.16%） | 22.4 | N/A | N/A | 48 |
| | 单坡度Fe2O3纳米流体（0.16%） | 16.6 | N/A | N/A | 49 |
| | 单坡度ZnO纳米流体（0.16%） | 13.0 | N/A | N/A | 50 |
| | 单坡度CuO–GO纳米复合材料（0.1%） | 44.7 | N/A | N/A | 51 |
| | 单坡度CuO–GO纳米复合材料（0.2%） | 75.0 | N/A | N/A | 52 |
| | 单坡度CuO–GO纳米复合材料（0.3%） | 91.7 | N/A | N/A | 53 |
| | 半球形CuO纳米流体+铜片+吸液材料（MHSS） | 48.7 | 46.6 | 2.3 | 54 |
| | 半球形CuO纳米流体+铜片+吸液材料+外部冷凝器（MHSSC） | 79.1 | 56.1 | 1.8 | 55 |
| | 半球形CuO–水纳米流体（0.3体积%） | 76.6 | 65.2 | N/A | 56 |
| | 冬季使用单坡度CuO纳米流体 | 26.3 | 31.3 | 2.4 | 57 |
| | 单坡度CuO纳米流体+冷却系统 | 37.9 | 34.0 | 0.98 | 58 |
| | 单坡度CuO微片 | 44.9 | N/A | 59 |
| | 单坡度石墨微片 | 53.9 | N/A | 60 |
| | 单坡度石墨微片+玻璃覆盖冷却 | 57.6 | N/A | 61 |
| | 夏季使用混合纳米流体（Al2O3 + CuO） | 27.2 | 49.5 | 51 | 57 |
| | ETC辅助蒸馏器 | 67.0 | N/A | 67 |
| | 单坡度CuO纳米流体（1.5%）+振动发生器+盖子冷却+光伏面板 | 138.0 | 54.0 | 0.02 | 65 |
| | (Al2O3/CuO)混合纳米流体（0.025%）+光伏面板+预热盐水 | 10.0 | 54.6 | 15.3 | 66 |
| | 金字塔形CuO + GO混合纳米流体（25:75）+太阳能加热器 | 127.4 | N/A | 0.01 | 67 |
| | 金字塔形Al2O3–CuO混合纳米流体+PCM | 6–7.4 | N/A | 58 |
| | 单坡度0.08% Cu2O纳米流体+外部热电冷凝通道 | 82.4 | 81.5 | 0.02 | 69 |
| | 单坡度0.08% Cu2O纳米流体+外部热电镀锌冷凝通道 | 81.0 | 80.6 | 0.02 | 70 |
| | 双坡度同时使用TEC冷却/加热（Al2O3纳米流体） | 11.5 | N/A | 0.09 | 71 |
| | 双坡度同时使用TEC冷却/加热（TiO2纳米流体） | 6.3 | N/A | 0.08 | 72 |
| | 双坡度同时使用TEC冷却/加热（CuO纳米流体） | 7.1 | N/A | 0.09 | 73 |
| | 双坡度同时使用TEC冷却/加热（MWCNTs） | 4.6 | N/A | 0.08 | 74 |
| | 太阳能驱动的真空风扇+水冷冷凝器+0.1% VF CuO纳米颗粒 | 96.4 | 42.7 | 0.08 | 75 |
| | 太阳能驱动的真空风扇+水冷冷凝器+0.1% VF Al2O3纳米颗粒 | 82.1 | 41.6 | 0.08 | 76 |
| | 太阳能驱动的真空风扇+水冷冷凝器+0.1% VF ZnO纳米颗粒 | 75.0 | 39.1 | 0.07 | 77 |
| | 半球形PCM + CuO–水纳米流体 | 80.2 | 63.6 | 4.2 | 78 |
| 4. 氧化铜作为涂层和表面改性剂 | 纳米材料的一个最有利特性是它们的高表面积与体积比，这使得它们能够更好地吸收入射的太阳辐射并改善热传递。虽然前一节重点讨论了氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）作为水池水中的纳米流体的应用，但CuO NPs也被广泛用作吸收表面改性剂和涂层添加剂。当它们被加入黑色油漆并应用于水池衬里或吸收表面时，CuO纳米涂层可以提高太阳能吸收率，减少热损失，并提高水池水温，从而增强蒸发和淡水产量。CuO纳米涂层对太阳能蒸馏器的积极贡献直接与吸收表面的光学和热性能有关。当CuO纳米颗粒被加入黑色油漆或作为纳米涂层时，它们可以通过增强光捕获和减少反射损失来提高太阳能吸收率，并影响表面热传递性能。在这种情况下，两个重要的控制参数是涂层厚度和表面粗糙度。适当的薄而均匀的涂层可以在不增加过多热阻的情况下提高吸收率，但过厚的涂层可能会降低热性能或负面影响发射性能。同样，表面粗糙度可以通过多次散射和捕获来增强入射光的吸收，但也可能影响热发射率和表面硬度。基于此，所报告的CuO基涂层的性能不仅与CuO的存在有关，还与涂层的形态和结构特性有关，这些特性决定了增加的太阳能吸收和热损失之间的平衡。 |

4.1 被动系统
Yuvaperiyasamy58使用CuO NPs（重量比30%）与黑色油漆一起作为涂层层应用于水池的侧面，以改善热对流，并在3厘米、5厘米和7厘米的水深下进行了三项实验，分别比较了涂有纳米涂层的蒸馏器和未涂纳米涂层的传统蒸馏器。涂有纳米涂层的蒸馏器在中午时收集了最多的淡水，体积为70毫升（水深3厘米），而传统蒸馏器仅收集了50毫升。在水深5厘米时，涂有纳米涂层的蒸馏器收集了80毫升淡水，而传统蒸馏器仅收集了50毫升。在水深7厘米时，数值分别变为74毫升和47毫升。Thakur等人59研究了通过在黑色油漆中掺入各种纳米材料（包括还原氧化石墨烯（RGO）、氧化铜和二氧化钛）来提高太阳能海水淡化的效率。RGO涂层的蒸馏器具有最高的热传递系数，因为其优越的太阳能吸收行为和增加的热导率，每小时产生0.88升淡水；CuO NPs产生0.84升；TiO2 NPs产生0.77升，而传统蒸馏器仅产生0.7升。Kabeel等人60展示了向黑色涂层中添加不同浓度（10%和40%）的氧化亚铜纳米颗粒对蒸馏器产量的影响。结果显示，CuO NPs在重量分数浓度为40%和10%时分别使蒸馏水量增加了25%和16%，相比之下，传统蒸馏器仅增加了16%。Arunkumar等人61研究了使用CuO纳米涂层吸收板（NCAP）对单坡度蒸馏器性能的影响，与MoO3和ZnO NCAPs进行了比较。他们使用热蒸发法合成了CuO NCAPs，而MoO3和ZnO NCAPs是通过溅射技术制备的。结果表明，传统的单坡度蒸馏器、ZnO、MoO3和CuO NCAPs分别产生2.1、2.6、2.7和2.9升/平方米的淡水产量，显示出CuO NPs在单坡度蒸馏器中的显著影响。此外，Arunkumar等人62评估了在四种不同操作条件下使用CuO纳米涂层吸收板和PVA海绵修改的单坡度太阳能蒸馏器的性能。当仅应用CuO纳米涂层时，效率最高，达到每天2995毫升/平方米。相比之下，同时应用CuO涂层和PVA海绵的配置效率为41%，产量为每天2318毫升/平方米。传统蒸馏器的效率为37%，产量为每天2144毫升/平方米；而仅含PVA海绵的系统的效率最低，为32%，产量为每天1970毫升/平方米。这些结果证实，CuO纳米涂层是性能提升的主要贡献者，而PVA海绵的加入并没有带来有益效果。

Meena等人63研究了在3D金字塔形蒸馏器中加入CuO、Al2O3、碳粉、TiO2纳米粉和活性炭对黑色油漆的吸收能力。所有添加剂都显著提高了水温，但CuO和活性炭使水温最高。如前所述，向黑色油漆中添加不同浓度的氧化铜会产生不同的结果。Katekar等人64确定了为了改善从吸收器向水传递热量而需要添加到哑光黑色吸收板油漆中的纳米颗粒的理想类型和数量。该研究使用了二氧化钛、氧化铜和氧化铝纳米颗粒的质量百分比分别为10%、20%、30%和50%。在开放环境中，含有30%氧化铝纳米颗粒的哑光黑色油漆的平均温度最高，因此其对于太阳能热装置具有最佳效率。Abdullah等人65研究了内部反射器对托盘蒸馏效果的影响，以及将黑色油漆和CuO NPs混合物应用于蒸馏器表面的效果。他们还使用CuO NPs作为相变材料（PCM）的添加剂，并检测了其效果。在实验条件下，带有反射器的托盘蒸馏器的淡水产量增加了57%，带有CuO纳米颗粒的油漆增加了14%，反射器与纳米涂层结合时增加了70.7%，反射器、纳米涂层和含有CuO纳米颗粒的PCM结合使用时增加了108%。此外，传统蒸馏器和托盘蒸馏器每天分别收集了2.4升和5.0升淡水。带有涂层、反射器和PCM–CuO NPs混合物的托盘蒸馏器达到了51.5%的热效率。Benghanem等人66研究了使用包裹在竹棉织物中的独特圆柱形鳍片，并涂有CuO-NPs的影响。研究发现，改进后的蒸馏器每天产生的淡水产量最高，约为9.64公斤/平方米，比传统蒸馏器高出106.55%。此外，制造成本最低，为0.009美元/升。改进后的设备产生了最高的能量效率和熵效率，分别约为119.36%和5.15%。此外，改进后的蒸馏设备还大大缩短了回收时间和碳信用额，分别增加了约76.11%和99.01%。Attia等人67研究了在HSS中填充海绵的管子中添加CuO NPs的影响，并研究了添加CuO NPs前后蒸馏器的效率。第一种是CHSS，第二种是添加了蜂窝状铜管的改进型蒸馏器（HSS-HCP），第三种是添加了额外CuO-NP涂层的海绵的蒸馏器（HSS-HCP&BS@CuO）。与CHSS相比，HSS-HCP&CuO和HSS-HCP分别使日产量增加了63.46此外，这种布置将生产淡水的成本降低了50.13%，说明了更深的管子浸入可以减少表面张力并增强热量向水的传递。Omara等人使用凸圆柱形吸热器（CCPSS）和碟形吸热器（CDPSS）作为平面吸热器的替代品，并涂覆了含有不同纳米材料（Ag、CuO和TiO2纳米颗粒）的涂料。结果显示，Ag在CDPSS中表现出最大的生产力；CuO和TiO2次之。含有Ag和黄麻的CDPSS的日累计产量为6.75升/平方米·天，而普通PSS的日产量为3800毫升/平方米·天。此外，不含纳米颗粒的CDPSS的二氧化碳减排率为每年约10.17吨，而使用TiO2、CuO和Ag纳米颗粒后，减排率分别提高到每年约12.5吨、12.7吨和13.5吨。Alawee等人通过在基座上方三厘米处放置一块平行板，提高了金字塔形太阳能蒸馏器的性能。改进后的金字塔形太阳能蒸馏器上有35条表面裂纹。与Omara等人的研究类似，同样使用了TiO2、CuO和Ag这三种纳米颗粒，并与黑色涂料混合作为基底涂层。根据结果，含有Ag的太阳能蒸馏器的产量比传统太阳能蒸馏器高出176%，能量效率提高了60.4%，年二氧化碳减排量为28.71吨。

4.2. 活性系统
在本小节中，研究了在太阳能蒸馏器中添加带有纳米涂层的外部设备的影响。Kandeal等人考察了三种不同添加剂的管状太阳能蒸馏器配置。案例I中结合了带有真空管的空气基太阳能集热器和V形波纹集水盆。案例II中，集水盆表面涂覆了CuO纳米涂层以改善热吸收。最后，在案例III中使用了CuO纳米流体，所有先前的增强措施都得到了应用（见图4(a)）。与传统管状太阳能蒸馏器相比，产量分别提高了49.84%、57.14%和79.88%。案例III由于添加了纳米流体，性能效率提高了242.45%，能量效率提高了83.69%。Selimefendigil等人研究了在单坡太阳能蒸馏器中使用CuO纳米颗粒对热储存和涂层性能的影响。他们开发、制造并实证测试了四种不同的太阳能蒸馏器：传统太阳能蒸馏器、带有热储存单元的太阳能蒸馏器、嵌入CuO纳米颗粒的潜热储存单元的太阳能蒸馏器以及结合了CuO纳米增强涂层的热储存单元的太阳能蒸馏器。当这些改进措施被应用后，能量效率和性能效率分别从1.25%提高到了2.01%和15.96%至19.90%。此外，改进后的太阳能蒸馏器产量比传统太阳能蒸馏器提高了26.77%，这表明纳米材料和热储存组件的集成显著提升了性能。

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图4. (a) 带有空气PTC的管状太阳能蒸馏器示意图。经许可复制，版权2024，Elsevier；(b) 集水盆的多种形状；(c) 实验装置示意图。经许可复制，版权2024，Elsevier。

这些文献探讨了CuO作为涂层材料的应用，特别是当其与黑色涂料结合用于墙面时。研究重点评估了CuO纳米流体和纳米增强涂层在改善表面特性和功能方面的有效性。此外，还研究了加入带有CuO纳米涂层的外部设备对性能的潜在提升影响。表2总结了各种实验的结果，提供了关于在涂层应用中使用CuO纳米材料的优势和局限性的更清晰见解。这些研究旨在加深对纳米技术在表面改性中的作用的理解，强调了CuO基涂层的耐久性、热性能和潜在的抗菌效果。

表2. 使用CuO作为纳米涂层在太阳能蒸馏器中的比较，包括太阳能蒸馏器类型、改进措施、产量提升百分比、能量效率、性能效率及成本
| 太阳能蒸馏器类型 | 改进措施 | 产量提升百分比 (%) | 能量效率 (%) | 性能效率 (%) | 成本 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 单坡 | 30 wt% CuO涂层浮动吸热器 + 5 cm水深的CuO涂层集水盆壁 | 71.00 | N/A | N/A | N/A |
| 单坡 | CuO纳米颗粒掺杂的黑色涂料涂层吸热器（5 wt%），基于最大每小时产量 | 20.00 | N/A | N/A | N/A | 96天回收期 |
| 单坡 | 静止壁上的CuO纳米颗粒与黑色涂料混合（10 wt%） | 16.00 | N/A | AP | |
| 单坡 | 静止壁上的CuO纳米颗粒与黑色涂料混合（40 wt%） | 25.00 | N/A | N/A | AS |
| 单坡 | ZnO纳米涂层 | N/A | 28.90 | N/A | 0.00 | 每升85美元 |
| 单坡 | MoO3纳米涂层 | N/A | 30.50 | N/A | 0.00 | 每升85美元 |
| 单坡 | CuO纳米涂层 | 38.10 | 32.10 | N/A | 0.00 | 每升80美元 |
| 单坡 | CuO–NCAP–PVA海绵 | 28.40 | 41.00 | N/A | 62 |
| 托盘 | 反射器 + 纳米涂层 + 含CuO纳米颗粒的PCM | 108.00 | 51.50 | N/A | 65 |
| 半球形 | 用CuO-NPs浸渍的竹棉芯包裹的圆柱形鳍片（MCSD-SF3&W3） | 106.55 | 119.36 | 5.15 | 0.00 | 每升9美元 |
| 半球形 | 用CuO-NPs涂层的蜂窝铜管（HSS-HCP&BS@CuO） | 63.46 | 77.05 | 4.38 | 0.03 | 每升9美元 |
| 半球形 | 浮动塑料管，管高1/4处涂有CuO纳米颗粒（HSS&1/4FPP） | 63.26 | 78.11 | 17.68 | 0.00 | 每升28美元 |
| 管状 | 带有真空管的空气PTC + V形波纹集水盆 + CuO纳米涂层 + CuO纳米流体 | 79.88 | 83.69 | 242.45 | 0.03 | 每升2美元 |
| 单坡 | 在PCM和吸热器涂层中同时使用CuO纳米颗粒 | 26.77 | 19.90 | 2.01 | N/A |

5.1. 被动系统
Vijayaraghavan等人使用CuO纳米颗粒作为能量储存介质，在实验研究中提高了金字塔形太阳能蒸馏器的效率。主要目标是通过将CuO纳米颗粒加入PCM来增强热能吸收和储存，从而提高水的产量并提升系统效率。改进后的金字塔形太阳能蒸馏器的水温达到了72°C，而传统金字塔形太阳能蒸馏器的水温为61.5°C；这一温度提升使得蒸馏水量增加了89.19%。Kumaravel等人研究了三种类型的蒸馏器：PCM、铜板以及PCM与3%重量CuO纳米颗粒的混合物。研究表明，在铜板连接的太阳能蒸馏器中加入3%重量的CuO纳米颗粒后，蒸馏产量显著增加，达到约6.85千克/平方米·天，比仅使用PCM和铜板的蒸馏器提高了23.42%，比传统太阳能蒸馏器提高了69.14%。为了改善蒸发和暴露面积，Hammad等人设计了带有阶梯状锥形集水盆的穹顶形太阳能蒸馏器（见图4(b)）。为了延长蒸馏器的夜间产量，在阶梯状锥形集水盆内的空心多托盘中也放置了添加了CuO纳米颗粒的PCM，并与基线穹顶形太阳能蒸馏器进行了比较（见图4(c)）。结果显示，带有PCM的改进型太阳能蒸馏器的日产量为7.21千克/平方米·天，而不带PCM的太阳能蒸馏器的日产量为6.84千克/平方米·天。带有PCM的太阳能蒸馏器的性能效率分别为4.16%和62.42%，成本降低了18.48%。

Patel等人研究了CuO纳米颗粒与其他纳米材料（包括石蜡和脂肪酸）在PCM中的效果。与传统单坡太阳能蒸馏器（TSSS）相比，最佳产量出现在TSSS + 石蜡 + TiO2 + GO + Al2O3组合中，产量达到了5.21千克/平方米·天，比TSSS提高了65%。当用脂肪酸替代石蜡时，日产量为5.09千克/平方米·天，产量提高了61%。根据Gupta和Kumar的研究，CuO和TiO2纳米颗粒与PCM CH3(CH2)16COOH、C31H64和CH3(CH2)10COOH结合使用，并连接到太阳能加热器中进行水加热。与传统太阳能蒸馏器相比，新系统的效率分别提高了25.23%、40.12%和36.81%。Ajdari和Ameri将CuO纳米颗粒和GO纳米颗粒及其纳米复合材料作为纳米添加剂加入倾斜阶梯式太阳能蒸馏器中的石蜡中。结果表明，添加0.03%重量的GO和CuO后，淡水产量分别提高了81.59%和48.12%。使用CuO/GO比例为30/70的纳米复合材料时，蒸馏水量增加了81.59%。

为了提高热传递速率、改善落在集水盆上的太阳光线，并在日落后延长太阳能蒸馏器的运行时间，Abdelgaied等人进行了实验研究，通过三种成功的混合设计改进（PCM位于阶梯下方、内部镜子以及吸热器表面覆盖CuO纳米颗粒）实现了阶梯式太阳能蒸馏器的最大效率。结果表明，改进后的阶梯式太阳能蒸馏器日产量为9.79千克/平方米，而传统太阳能蒸馏器为4.15千克/平方米，淡水产量提高了135.9%，其日能量效率和性能效率分别为78.8%和7.96%。Sonker等人将CuO纳米颗粒与石蜡混合并置于铜管中，以提高太阳能蒸馏装置的热导率并增加日产量。通过实验比较了简单太阳能蒸馏器（SSS）、带有PCM的太阳能蒸馏器（SSPCM）以及掺有纳米颗粒的PCM的太阳能蒸馏器（SSNPCM）。纳米颗粒的加入显著改变了PCM的热特性。由于CuO纳米颗粒具有良好的热导率，它们能够加速PCM中的热扩散，加快充放电速度，并降低熔化和凝固过程的热阻。这导致白天操作时的热储存速度加快，而在辐射较低或日落后热释放速度加快。然而，这种优势也有显著的权衡：纳米颗粒负载越高，复合PCM的潜热储存容量越小，因为固体PCM的体积会被纳米颗粒占据。因此，CuO–NanoPCM的性能提升取决于在高热导率和保持足够潜热容量之间的平衡，纳米颗粒浓度是太阳能蒸馏热储存设计中的关键参数。

5.2. 主动系统
Vijayaraghavan等人使用CuO纳米颗粒作为能量储存介质，以提高金字塔形太阳能蒸馏器的效率。主要目标是通过将CuO纳米颗粒加入PCM来增强热能吸收和储存，从而提高水的产量和系统效率。改进后的金字塔形太阳能蒸馏器的水温达到了72°C，而传统金字塔形太阳能蒸馏器的水温为61.5°C；这一温度提升使得蒸馏水量增加了89.19%。Kumaravel等人研究了三种类型的蒸馏器：PCM、铜板以及PCM与3%重量CuO纳米颗粒的混合物。研究表明，在铜板连接的太阳能蒸馏器中加入3%重量的CuO纳米颗粒后，蒸馏产量显著增加，达到约6.85千克/平方米·天。为了提高蒸发和暴露面积，Hammad等人设计了带有阶梯状锥形集水盆的穹顶形太阳能蒸馏器（见图4(b)）。与传统的平面集水盆太阳能蒸馏器相比，改进后的太阳能蒸馏器的日产量提高了7.21千克/平方米·天。带有PCM的太阳能蒸馏器的性能效率分别为4.16%和62.42%，成本降低了18.48%。研究结果表明，无论使用哪种类型的纳米颗粒（NP），与不含纳米颗粒的相变材料（PCM）相比，这种PCM都具有更低的凝固和熔化温度以及更高的导热性。结果还显示，PCM–CuO复合系统的最大输出量为5.28升/平方米·天，而PCM–GO、PCM–TiO2和PCM复合系统的输出量分别为3.66升/平方米·天、4.94升/平方米·天和3.92升/平方米·天。Singh和Kumar研究了添加了CuO/TiO2纳米颗粒的PCM在单坡太阳能蒸馏系统（SS）中的热经济性能，考察了不同重量比例（1-6%）的纳米颗粒和PCM的组合效果。其中，PCM-3的组合产生了最高的产量3.26升/平方米·天，相比不添加PCM的情况提高了100.89%。该系统的投资回收期为129天，每升水的成本为0.012美元，同时具有10.67%的净功效率和46.23%的能量效率；在最佳纳米材料添加量（1.5%）下，蒸发传热系数介于26.79至14.74瓦特/平方米·开尔文之间。

Shoeibi等人使用多孔介质、纳米增强型PCM和纳米涂层来提高太阳能海水淡化系统的性能。当将石蜡与浓度为0.3%的CuO和Al2O3纳米颗粒结合并注入放置在无烟煤上的十二根铜管中时，系统的生产力提高了55.8%。相比之下，将CuO纳米颗粒与黑色涂料混合后涂覆在铜管上，产量提高了49.5%。在这一研究中，还考察了0.1%和0.3%的纳米颗粒添加量对相变材料热性能的影响。根据Behura和Gupta的研究，将纳米颗粒掺入PCM中可以缩短其充放电时间。实验中使用了不同比例（0.1%、0.2%和0.3%）的纳米颗粒与石蜡的组合。在这三种比例中，CuO纳米颗粒浓度为0.3%时的生产力最高，约为510毫升/平方米·天。

Rufuss等人从理论上探讨了利用纳米颗粒进行潜热能储存的方法。他们选择了含有0.3% TiO2、CuO和GO纳米颗粒的石蜡作为PCM的添加剂。研究表明，与其它纳米颗粒相比，石墨烯氧化物与石蜡的组合效果更佳。Essa等人通过使用波纹内衬、蒸汽抽吸以及添加了CuO纳米颗粒的PCM，提高了阶梯式太阳能蒸馏系统的效率。改进后的系统日产量分别为7升/平方米和2.6升/平方米，热效率分别达到了35%和59%，同时每升水的成本从0.023美元降至0.014美元。Abdullah等人通过引入内部反射器、吸液材料和3个加热器以及添加了CuO纳米颗粒的PCM，使系统的生产力提高了196%，热效率达到了63%。Younes等人发现，带鳍片的圆盘比波纹和平坦圆盘更适合用于太阳能蒸馏系统。为了进一步提高性能，他们使用了石蜡与氧化铜纳米颗粒的混合物，使得生产力提高了149%；此外，还使用了外部反射器，进一步提升了184%的性能。最终改进后的系统热效率达到了51.3%，每升水的成本降至0.014美元。

在本小节中，研究了在太阳能蒸馏系统中加入外部设备与纳米增强型PCM相结合的效果。Abdelgaied等人研究了CuO纳米颗粒作为纳米流体和PCM增强剂的双重作用。首先，将0.3%的CuO纳米颗粒分散在水中；其次，在水槽下方集成纯PCM；最后，将CuO增强的PCM与CuO纳米流体结合使用。这些改进使得生产力分别提高了60.41%和79.08%，成本降低了75%，从而提高了改进后系统的性能。Selimefendigil等人对单坡太阳能蒸馏系统进行了类似的研究，发现纳米颗粒的联合使用使总产量提高了26.77%，同时净功效率和能量效率分别提高了1.25%和15.96%至19.90%。Bamasag等人建议使用带有圆弧形阶梯表面的凸形吸液盘作为辅助蒸发过程的湿润物质，并研究了不同水位对系统性能的影响。在所有这些改进措施下，系统的导热性提高了178%，热效率达到了67.62%。Abdullah等人比较了不同类型的太阳能蒸馏系统（包括平盘式、波纹盘式和传统系统），发现吸液盘有助于促进进水的逐步上升流动，这种吸液盘覆盖在波纹盘上，显著提升了系统性能。他们还使用了CuO纳米颗粒改性的PCM来进一步优化波纹盘式系统的性能，并通过三个电加热器提高了总产量。

现有文献还研究了添加CuO纳米流体和CuO纳米涂层的效果，以及与纳米增强型PCM结合使用外部设备的影响。为了更清晰地理解这些研究，表3总结了关键结果，突出了各种改进措施的比较效果和潜在优势。这一系统综述旨在详细说明纳米技术如何优化热能储存系统、提高效率，并拓展其在各个行业的应用潜力。

表3. 使用氧化铜作为太阳能蒸馏系统中PCM添加剂的比较，包括系统类型、改进措施、生产力提升、能量效率、净功效率及成本

| 系统类型 | 生产力提升 | 能量效率 | 净功效率 | 成本 |
|--------------|-----------|----------|-----------|-------------|
| 金字塔形 | 89.19% | N/AN/AN/A | 73 |
| 传统单坡系统 | 3 wt% CuO NPs + PCM + 铜板 | 69.14% | 74.23% | 9.75% | $0.03/千克 |
| 圆顶形 | DSSD-FFS + NanoPCM | 62.38% | 62.42% | 4.16% | 减少75% |
| 单坡系统 | 石蜡 + TiO2 + GO + Al2O3 NPs | 65.00% | 55.20% | 2.50美元/升 |
| 倾斜阶梯式 | 0.03 wt% CuO NPs在盐水中 | 48.12% | N/AN/AN/A | 78 |
| 倾斜阶梯式 | 0.03 wt% GO NPs在盐水中 | 81.59% | N/AN/AN/A | 78 |
| 最佳组合 | CuO/GO纳米复合材料 + 石蜡PCM | 32.80% | N/AN/AN/A | 79 |
| 单坡系统 | CuO涂层吸液盘 + 内部镜子 + PCM | 135.90% | 78.80% | 7.96% |
| 单坡系统 | CuO NPs与石蜡PCM混合并储存在铜柱中 | 94.19% | N/AN/AN/A | 80 |
| 单坡系统 | TiO2 NPs + PCM | 39.27% | N/AN/AN | $0.026/升 |
| 单坡系统 | CuO/TiO2 + PCM | 100.89% | 46.23% | $0.012/升 |
| 金字塔形 | CuO–PCM + 管道上的CuO纳米涂层 | 55.80% | 17.41% | N/A |
| 旋转圆盘 | PCM + CuO NPs + 带鳍片的圆盘 + 外部反射器 | 184.00% | 51.30% | N/A |
| 梯形水槽 | CuO NPs + PCM（石蜡），质量流量0.07千克/平方米·分钟 | 9.28千克/平方米·小时 | 63.55% | 6.4181% |
| 半球形 | CuO NPs与PCM的双重使用 | 80.20% | 63.61% | 相比基线减少25% |
| 双坡系统 | CuO NPs与PCM和CuO纳米涂层 | 26.77% | 19.90% | 2.01% |
| 带吸液盘的阶梯盘 | 吸液盘 + 石蜡PCM与CuO NPs | 178.00% | 67.62% | $0.01/升 |
| 梯形水槽 | PCM + CuO NPs + 3个加热器 + 光伏板 + 黄麻吸液盘 | 196.00% | 63.00% | N/AN/A |
| 水槽 | CuO增强PCM + 光伏模块 + 加热器 | 180.00% | 57.00% | $0.025/升 |
| 含3% CuO的矿物油 | PTC + 蛇形换热器 | 250.00% | 34.00% | $0.0154/升 |

总结与比较：当前研究系统地讨论了氧化铜纳米颗粒在太阳能驱动的海水淡化系统中的应用，重点关注了三种主要的改进策略：纳米流体、吸液盘表面纳米涂层和纳米增强型相变材料（NanoPCMs）。实验、数值和理论分析一致表明，CuO纳米颗粒在增强热传递、太阳辐射吸收、热储存和蒸发-冷凝过程中发挥了多功能作用，从而显著提高了淡水的产量和系统整体效率。作为纳米流体时，CuO纳米颗粒提高了水槽水的导热性和吸热性，导致水温升高和蒸发速率加快。对比分析显示，CuO纳米流体在生产力提升方面通常优于许多其他金属氧化物纳米流体（如ZnO、TiO2和Fe2O3）；然而，最佳性能强烈依赖于纳米颗粒浓度、水深、水槽几何形状和气候条件。混合纳米流体和基于CuO的纳米复合材料进一步扩展了这些优势，特别是在带有外部冷凝器、覆盖冷却装置或辅助加热装置的主动系统中。对于基于CuO的吸液盘涂层，将CuO纳米颗粒添加到黑色涂料或纳米涂层中可以显著提高太阳吸收率并减少热损失。与纳米流体方法相比，纳米涂层提供了一种更稳定且无需维护的改进方式，因为它们解决了纳米颗粒沉淀和长期流体稳定性问题。研究表明，CuO纳米涂层能有效提高水槽温度、蒸发强度和日产量，尤其是在与先进吸液盘几何结构、鳍片或反射器结合使用时。将CuO纳米颗粒加入相变材料（NanoPCMs）中，可以通过增加热能储存容量和延长热释放时间来进一步提升性能。CuO富集的PCM具有更高的导热性、更短的充放电时间，并允许系统在日落后继续运行，从而克服了太阳能海水淡化的间歇性问题。比较结果显示，基于NanoPCMs的系统在夜间和整体日效率方面的损失通常低于仅使用纳米流体或涂层的系统。在参考文献23中，CuO纳米颗粒的日产量达到了5.28-6.75升/平方米，而CuO微粒仅为4.38-5.43升/平方米；另外一项研究显示，含CuO纳米流体的系统日产量为2025毫升，而不含纳米流体的系统分别为1590毫升和1430毫升。相比之下，在集成配置中，如参考文献65所报道的，仅使用反射器的生产力提高了57%，仅使用CuO纳米涂层的提高了14%，使用反射器和纳米涂层的提高了70.7%，而同时使用反射器、纳米涂层和CuO增强的相变材料（PCM）则提高了108%；观察到的收益应被解释为CuO及其伴随改性的累积效应。这三种增强策略的详细比较总结在表1、表2和表3中，显示使用混合配置可以获得最佳的性能提升，特别是那些在同一系统中使用CuO纳米流体、CuO纳米涂层和CuO增强PCM的配置。这种集成方法的结果表明生产力得到了显著提高，能量和有效能效率得到了提升，每升蒸馏水的成本也显著降低。然而，在选择最合适的增强策略时，必须考虑材料成本、系统操作稳定性和复杂性。图5展示了三种CuO集成策略在太阳能蒸馏器中的示意图比较。

表1. 使用氧化铜作为纳米流体在太阳能蒸馏器中的比较，包括蒸馏器类型、改进措施、生产力提升、能量效率、有效能效率以及成本：
| 蒸馏器类型 | 改进措施 | 生产力提升（%） | 能量效率（%） | 有效能效率（%） | 成本 |
|-----------------|------------------|-----------|-----------|------------|
| 被动系统 | 半球形CuO纳米颗粒，浓度3% | 126.5 | 150.9 | 74.4 | 160 |
| | 单坡度CuO纳米颗粒，冬季倾斜角度42° | 32.6 | N/A | N/A | 23 |
| | 单坡度CuO纳米颗粒，夏季倾斜角度11° | 68.9 | N/A | N/A | 24 |
| | 单坡度CuO纳米颗粒 | 41.6 | N/A | N/A | 25 |
| | 金字塔形 | 0.6% CuO纳米颗粒 | 9.6 | N/A | 0.03 | 8 |
| | 金字塔形 | 0.4% Al2O3纳米颗粒 | 7.8 | N/A | 0.03 | 26 |
| | 单坡度CuO纳米颗粒，盐水中0.1 wt% | 100.0 | 111.2 | (增强) | N/A | 168 |
| | 单坡度CuO纳米流体（0.2%） | 53.5 | 21.6 | N/A | 29 |
| | 单坡度TiO2纳米流体（0.2%） | 50.2 | 20.2 | N/A | 28 |
| | 单坡度Al2O3纳米流体（0.2%） | 74.1 | 37.4 | 11.1 | 25 |
| | 单坡度Cu2O纳米流体（2%），数值研究 | 12.8 | 55.2 | N/A | 32 |
| | 单坡度Al2O3纳米流体（2%），数值研究 | 7.9 | 8.5 | N/A | 32 |
| | 带有Cu2O纳米流体的带状基底 | 20.0 | 25.0 | N/A | 33 |
| | 单坡度ZnO纳米颗粒 | 11.1 | N/A | N/A | 34 |
| | 双坡度Al2O3纳米颗粒 + 条纹鳍片 | 34.5 | 36.1 | N/A | 0.03 | 36 |
| | 双坡度CuO纳米颗粒 + 条纹鳍片 | 33.9 | 35.5 | N/A | 0.03 | 38 |
| | 双坡度Ag纳米颗粒 + 条纹鳍片 | 32.9 | 34.6 | N/A | 39 |
| | 双坡度Fe2O3纳米颗粒 + 条纹鳍片 | 30.8 | 32.4 | N/A | 40 |
| | 双坡度ZnO纳米颗粒 + 条纹鳍片 | 28.0 | 29.7 | N/A | 41 |
| | 双坡度CuO纳米颗粒，水深10 mm | 26.5 | N/A | 42 |
| | 双坡度CuO纳米颗粒，水深10 mm | 56.3 | N/A | 43 |
| | 单坡度20克CuO纳米颗粒 | 74.7 | N/A | 44 |
| | 单坡度20克ZnO纳米颗粒 | 79.3 | N/A | 45 |
| | 单坡度CuO纳米流体（0.16%） | 22.4 | N/A | 46 |
| | 单坡度Fe2O3纳米流体（0.16%） | 16.6 | N/A | 47 |
| | 单坡度ZnO纳米流体（0.16%） | 13.0 | N/A | 48 |
| | 单坡度CuO–GO纳米复合材料（0.1%） | 44.7 | N/A | 49 |
| | 单坡度CuO–GO纳米复合材料（0.2%） | 75.0 | N/A | 50 |
| | 单坡度CuO–GO纳米复合材料（0.3%） | 91.7 | N/A | 51 |
| | 半球形CuO纳米流体 + 铜片 + 吸芯材料 | 48.7 | 46.6 | 0.02 | 52 |
| | 半球形CuO纳米流体 + 铜片 + 吸芯材料 + 外部冷凝器 | 79.1 | 56.1 | 1.8 | 53 |
| | 半球形CuO–水纳米流体（0.3体积%） | 76.6 | 65.2 | 0.02 | 54 |
| | 单坡度CuO纳米流体，冬季 | 26.3 | 31.3 | 0.5 | 55 |
| | 单坡度CuO纳米流体 + 冷却系统 | 37.9 | 34.0 | 0.98 | 56 |
| | 单坡度CuO微片 | 44.9 | 53.9 | 57 |
| | 单坡度石墨微片 | 53.9 | 55.2 | 57 |
| | 单坡度CuO微片 + 玻璃覆盖冷却 | 47.8 | 57.6 | 58 |
| | 混合纳米流体（Al2O3 + CuO），夏季 | 27.2 | 49.5 | 58 |
| | ETC辅助蒸馏器 | 67.0 | N/A | 59 |
| | （Al2O3/CuO）混合纳米流体（0.025%） + PV面板 | 138.0 | 54.0 | 59 |
| | （Al2O3/CuO）混合纳米流体（0.025%） + 预热盐水 | 10.0 | 54.6 | 60 |
| | 金字塔形CuO + GO混合纳米流体（25:75） + 太阳能加热器 | 127.4 | 15.3 | 61 |
| | 金字塔形Al2O3–CuO混合纳米流体 + PCM | 6–7.4（与仅纳米流体相比） | N/A | 62 |
| | 0.08% Cu2O纳米流体 + 外部热电冷凝通道 | 82.4 | 81.5 | 82 |
| | 0.08% Cu2O纳米流体 + 外部热电镀锌通道 | 81.0 | 80.6 | 83 |
| | 同时TEC冷却/加热与Al2O3纳米流体 | 11.5 | 0.09 | 85 |
| | 同时TEC冷却/加热与TiO2纳米流体 | 6.3 | 0.08 | 87 |
| | 同时TEC冷却/加热与CuO纳米流体 | 7.16 | 0.08 | 88 |
| | 同时TEC冷却/加热与MWCNTs | 4.66 | 0.09 | 89 |
| | 太阳能驱动的真空风扇 + 水冷冷凝器 + 0.1% VF CuO纳米颗粒 | 96.4 | 42.7 | 90 |
| | 太阳能驱动的真空风扇 + 水冷冷凝器 + 0.1% VF Al2O3纳米颗粒 | 82.1 | 41.6 | 91 |
| | 太阳能驱动的真空风扇 + 水冷冷凝器 + 0.1% VF ZnO纳米颗粒 | 75.0 | 75 |
| | 半球形PCM + CuO–水纳米流体 | 80.2 | 63.6 | 64 |
| | 成本降低20% | | | 20 |

表2. 使用氧化铜作为纳米涂层在太阳能蒸馏器中的比较，包括蒸馏器类型、改进措施、生产力提升、能量效率、有效能效率以及成本：
| 蒸馏器类型 | 改进措施 | 生产力提升（%） | 能量效率（%） | 有效能效率（%） | 成本 |
|-----------------|------------------|-----------|-----------|------------|------------|
| 单坡度 | 30 wt% CuO涂层浮式吸收器 + CuO涂层基底，水深5 cm | 71.0 | N/A | N/A | 58 |
| | CuO纳米颗粒掺杂的黑色涂料涂层吸收器（5 wt%），基于最大每小时产量 | 20.0 | N/A | 58 |
| | CuO纳米颗粒与黑色涂料混合在蒸馏器壁上，10 wt% | 16.0 | N/A | 60 |
| | 回收期：96天 | | | 60 |
| | CuO纳米颗粒与黑色涂料混合在蒸馏器壁上，40 wt% | 25.0 | N/A | 60 |
| | ZnO NCAPs | | 28.9 | N/A | 85 |
| | MoO3 NCAPs | | 30.5 | N/A | 85 |
| | CuO NCAPs | | 38.1 | N/A | 80 |
| | CuO–NCAP–PVA海绵 | | 28.4 | N/A | 80 |
| | 反射器 + 纳米涂层 + 含CuO纳米颗粒的PCM | 108.0 | 51.5 | N/A | 65 |
| | 半球形 | | | 106.5 | 9 |
| | 竹棉吸芯包裹的圆柱形鳍片，浸渍CuO-NPs，间距3 cm | 106.5 | 119.3 | 5.1 | 9 |
| | 蜂窝状铜管 + 涂有CuO-NPs的黑色海绵（HSS-HCP&BS@CuO） | 63.4 | 77.0 | 4.3 | 9 |
| | 浮动塑料管，涂层CuO纳米颗粒，管高1/4在水面以上 | 63.2 | 78.1 | 17.6 | 8 |
| | 空气PTC与真空管 + V型波纹基底 + CuO纳米涂层 | 79.8 | 83.6 | 24.2 | 0.03 | 28 |
| | CuO纳米颗粒在PCM和吸收器涂层中的联合使用 | 26.7 | 19.9 | 2.0 | N/A | 72 |
| | 金字塔形 | | | 89.1 | 73 |
| | 圆顶形 | | | 62.3 | 62.4 | 4.1 | 74 |
| | 圆顶形DSSD-FFS + NanoPCM | | | 62.3 | 62.4 | 4.1 | 74 |
| | 石蜡 + TiO2 + GO + Al2O3纳米颗粒 | | | 65.0 | 55.2 | 55 |
| | 倾斜阶梯 | | | 0.03 | 65 |
| | 倾斜阶梯 | | | 0.03 | 65 |
| | 倾斜阶梯 | | | 0.03 | 65 |
| | 最佳CuO/GO纳米复合材料案例 + 石蜡PCM在阶梯下 | | | 32.8 | 74 |
| | 倾斜阶梯 | | | 135.9 | 78.8 | 79 |
| | CuO涂层吸收器表面 + 阶梯下的内部镜子 + PCM | | | 78.8 | 79.6 | 79 |
| | CuO纳米颗粒与石蜡PCM混合并储存在铜圆柱中 | | | 94.1 | 80 |
| | 单坡度 | | | 43.2 | 81 |
| | TiO2纳米颗粒 + PCM | | | 39.2 | 81 |
| | CuO/NP + PCM | | | 18.0 | 81 |
| | CuO/TiO2 + PCM | | | 100.8 | 82 |
| | 金字塔形 | | | 55.8 | 82 |
| | Al2O3–PCM + CuO纳米涂层在含Al2O3–PCM的管道上 | | | 55.8 | 85 |
| | 不同浓度的CuO-NP添加到石蜡中（0.1, 0.2, 0.3%） | | | 62.7 | 85 |
| | 波纹基底 + 吸芯 + CuO/石蜡 + 蒸汽吸力 | | | 170.0 | 62.7 | 85 |
| | 旋转盘 | | | 184.0 | 51.3 | 85 |
| | 堤堰型瀑布 | | | 11.5 | 87 |
| | 同时TEC冷却/加热与Al2O3纳米流体 | | | 11.5 | 87 |
| | 同时TEC冷却/加热与TiO2纳米流体 | | | 6.3 | 87 |
| | 同时TEC冷却/加热与CuO纳米流体 | | | 7.16 | 87 |
| | 同时TEC冷却/加热与MWCNTs | | | 4.66 | 87 |
| | 太阳能驱动的真空风扇 +由于这些问题在长期运行过程中可能会加剧，未来的研究应包括扩展的循环测试、户外测试案例以及运行后的材料分析，以确定基于CuO的系统在现实服务周期下的稳定性。除了耐久性之外，CuO纳米涂层和NanoPCM技术从实验室原型到现场规模系统的可扩展性仍然不确定。大多数已审查的论文都是在受控条件下对小型测试单元进行的，而实际的太阳能海水淡化装置可能涉及较大的表面积、变化的天气条件、灰尘沉积、生物污染和维护限制。扩大CuO纳米涂层的规模可能需要保持相同的涂层厚度、良好的附着力以及在广泛的吸收器基底上保持恒定的光学特性，这在技术上可能具有挑战性且成本较高。同样，NanoPCM系统的扩展可能需要定期添加纳米粒子以确保纳米粒子的均匀分布、防止泄漏的措施，以及在更大的热存储容量下保持充电-放电动态的均匀性。因此，下一步是探索大面积制造技术、现场耐久性以及制造可行性，以确定实验室规模的优势是否能够在实际操作条件下得到保持。

文献中应用的另一种方法是经济评估方法。大多数研究都报告了每升蒸馏水成本的降低，但应用于经济计算的假设并不总是相互支持。不同研究中的一些材料价格、寿命假设、更换周期、维护成本和纳米粒子制备成本各不相同，这可能导致报告的热经济效益缺乏可比性。基于熵的经济分析也是如此，大多数研究在相同的实验设置中比较了改进型和传统型系统，但这些假设在出版物中并不总是平衡的。因此，未来的研究需要提出更加标准化的技术经济和熵经济评估程序，例如对纳米粒子成本、系统寿命及其运行稳定性的敏感性分析，以及现场维护需求。

基于CuO的改进措施在长期内的环境影响也尚未得到充分研究。尽管CuO纳米粒子提高了太阳能蒸馏器的效率，但关于其生产、处理、泄漏、处置或寿命终结相关的环境方面的文献非常少。在纳米流体的情况下，如果不能有效控制，纳米粒子释放到水流或周围土壤中可能会对环境造成问题。对于纳米涂层和NanoPCM来说，由于材料在服役期间或处置过程中的降解，也可能发生纳米粒子的释放。此外，关于基于CuO的太阳能蒸馏系统的生命周期评估、生态毒性分析或环境风险评估在现有文献中也不常见。这对于旨在实现可持续水资源生产的技术尤为重要。因此，未来的工作需要将环境生命周期评估、回收和处置、纳米粒子释放分析以及生态毒性研究纳入实际操作条件下的研究。

最后，应整合更多关于多参数优化的研究。该领域的多数文献都集中在一次调整一个或两个参数上，包括但不限于CuO纳米流体的浓度、添加涂层或将CuO掺入相变材料中，而没有全面优化热存储、光学吸收、水池几何形状、水深、冷凝器设计和气候变化之间的相互作用。虽然混合配置已被证明具有最佳性能，但系统的生产效率、复杂性、成本和运行可靠性的最佳平衡点尚未明确确定。因此，后续研究应利用实验和数值优化设计的结合，来确定在不同环境和操作条件下的基于CuO的太阳能蒸馏器的稳健设计窗口。

文献综述证实，CuO纳米粒子作为太阳能蒸馏器增强剂具有巨大潜力；然而，在标准化、机理解释、纳米粒子工程、建模支持、稳定性、规模放大、经济可靠性和长期生态安全性方面仍存在许多空白。这些空白对于将实验室中的有希望的结果转化为可靠、可扩展和可持续的实用太阳能海水淡化技术至关重要。

8. 结论与未来方向

总体而言，所审查的文献证实，氧化铜纳米粒子（CuO NPs）是高效的、多用途的太阳能蒸馏系统增强介质。当它们被纳入纳米流体、吸收器表面涂层或纳米增强相变材料中时，可以显著提高太阳能吸收、热传递、热存储和蒸发-冷凝过程。性能提升的程度取决于纳米粒子浓度、集成方式、系统几何形状和操作条件；然而，无论是被动式还是主动式太阳能蒸馏系统，都报告了淡水生产效率、热效率和经济效益的一致性提升。当CuO纳米粒子用于混合或组合增强方法时，效果最为显著，这表明它们具有克服传统太阳能蒸馏器固有局限性的巨大潜力，尤其是低生产效率和间歇性运行问题。主要发现总结如下：
- CuO纳米流体在被动式太阳能蒸馏器中使淡水生产效率提高了30-80%，在优化浓度（约0.1-0.3 wt%）下，最大提升超过100%；
- 使用CuO纳米流体可使热效率提高30-65%，熵效率提高4-6%；
- 基于CuO的吸收器表面涂层通常使淡水生产效率提高15-70%，而先进的几何形状和混合涂层设计则使生产效率提高超过100%，能量效率提高高达80%；
- CuO增强的相变材料（NanoPCMs）可将PCM的热导率提高150-180%，缩短充放电时间，并延长太阳能蒸馏器的运行时间，从而提高生产效率40%至超过180%；
- 结合了NanoPCMs的太阳能蒸馏器实现了每天超过9 L m?2的淡水产量，能量效率为78-80%，熵效率为8-10%；
- 结合CuO纳米流体、纳米涂层和NanoPCMs的混合系统提供了最高的整体性能，最高的研究结果表明生产效率提高了80-196%，与传统太阳能蒸馏器相比，水生产成本降低了75%。

对未来工作的建议：
- 建立基于CuO的太阳能蒸馏器研究的标准化测试和报告协议，包括纳米粒子浓度表达、热物理特性分析、能量/熵分析、不确定性分析、重复性测试和成本评估；
- 进行更多机理研究，以区分光学吸收、热导率增强、界面热阻降低和蒸发-冷凝强化之间的相对贡献；
- 研究CuO纳米粒子的大小、形状、形态和表面处理的影响，因为这些参数在现有的太阳能蒸馏器文献中讨论不足；
- 检查纳米涂层厚度、表面粗糙度和涂层耐久性对太阳能吸收率、热发射率和长期性能的影响；
- 优化CuO-NanoPCM的负载，以在高纳米粒子浓度下平衡改善的热导率与潜在的潜热存储容量减少；
- 在真实的户外条件下，对CuO纳米流体、纳米涂层和NanoPCM系统进行更长期的耐久性和循环稳定性研究；
- 将研究从实验室规模原型扩展到试点规模和现场规模系统，以评估可扩展性、可制造性和实际运行性能；
- 评估基于CuO的改进措施对环境和淡水安全的影响，包括可能的纳米粒子释放、渗漏风险和生态毒性效应；
- 开发综合优化研究，结合材料属性、蒸馏器几何形状、热存储、冷凝器设计和气候条件，以确定稳健且实用的设计配置。

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些因素可能影响本文所述的工作。

缩写：
CDPSS：凸形碟式金字塔太阳能蒸馏器
CHSS：传统半球形太阳能蒸馏器
CCPSS：凸形圆柱金字塔太阳能蒸馏器
CTSS：波纹盘式太阳能蒸馏器
CuO NPs：氧化铜纳米粒子
DSS：Dome-shaped太阳能蒸馏器（带喷泉形水池）
DSSSD：双坡度太阳能蒸馏器
EDX：能量分散X射线光谱
ETC：真空管集热器
FTSS：平板盘式太阳能蒸馏器
GO：氧化石墨烯
HSS：半球形太阳能蒸馏器
HSS&1/4FP：半球形太阳能蒸馏器（塑料管浸入深度为四分之一）
HSS-HCP：半球形太阳能蒸馏器（蜂窝铜管）
HSS-HCP&BS@CuO：半球形太阳能蒸馏器（蜂窝铜管和涂有CuO纳米粒子的黑色海绵）
MCSD-SF3&W3：多效圆柱形太阳能蒸馏器（带鳍片间距和吸液芯配置）
MHSS：改进型半球形太阳能蒸馏器
MHSSC：带外部冷凝器的改进型半球形太阳能蒸馏器
MWCNTs：多壁碳纳米管
NanoPCM：纳米增强相变材料
NCAP：纳米涂层吸收板
NF：纳米流体
PCM：相变材料
PCM SSS：集成PCM的太阳能蒸馏器
PCM–CuO SSS：集成CuO纳米粒子的PCM的太阳能蒸馏器
PCM–GO SSS：集成氧化石墨烯增强PCM的太阳能蒸馏器
PCM–TiO2 SSS：集成TiO2纳米粒子增强PCM的太阳能蒸馏器
PEL：工艺工程实验室
PSS：金字塔形太阳能蒸馏器
PTC：抛物槽式集热器
PV：光伏
PV/T：光伏/热联产
PVAP：聚乙烯醇
RGOR：还原氧化石墨烯
SBDSS：单池双坡度太阳能蒸馏器
SEM：扫描电子显微镜
SGFs：条槽鳍片
SSSS：单坡度太阳能蒸馏器
SSNPCM：集成纳米粒子增强PCM的太阳能蒸馏器
TEC：热电冷却器/热电制冷
TDST：总溶解固体
TSSS：传统单坡度太阳能蒸馏器
VF：体积分数
WHO：世界卫生组织
A g：玻璃覆盖面积
DZD：阿尔及利亚第纳尔
Exin(t)：时间t的输入熵
Exout(t)：时间t的输出熵
h l：潜热
I(t)：时间t的太阳辐射强度
INR：印度卢比
KDK：科威特第纳尔
T a：环境温度
T s：太阳温度
T w：水池水温
W d：活动设备的额定功率
wt%：重量百分比
VF：纳米粒子的体积分数
η d：日能量效率
η hr：小时能量效率
η hr-Ex：小时熵效率
τ：运行持续时间

数据说明：
本文不报告新的实验或计算数据。所有讨论的数据均来自先前发表的文献，并在文章中引用了这些文献。