光伏驱动的多级膜蒸馏系统模型框架与性能分析：实现高效水能联供

《Applied Energy》：Model framework and performance analysis of photovoltaic-driven multistage membrane distillation systems for efficient water-power co-supply

光伏-膜蒸馏系统通过太阳能和废热协同生产电力和淡水，提出被动混合冷却策略，建立耦合热-质-电模型，分析参数敏感性及能量流，实验验证显示性能提升，气候适应性建模证实优化潜力。

　　

杜雅辉|吴继元|周志华|赵月超|杨学青|刘俊伟|王成|陈卫东|Chua Kian Jon Ernest|严金月

天津大学环境科学与工程学院，中国天津300350

摘要

水和电力是人类生存和社会发展的基本资源。本研究设计了一种光伏与膜蒸馏（PV-MD）系统，通过利用太阳能辐射和光伏废热来同时生产电力和淡水。该系统开发了一个集成的热-质-电传递模型，并通过实验进行了验证，能够在各种结构和环境条件下准确预测其性能。参数分析表明，膜厚度和光伏效率是关键的设计因素，而太阳辐射和湿度是主要的外部影响因素。能量流分析强调了在不同运行条件下淡水生产和电力生成之间的权衡。此外，这种混合冷却配置的性能优于传统的散热器，使淡水产量提高了24.64%，光伏电力输出提高了4.28%。对于设计合理的系统，在多种代表性气候条件下进行的气候特定建模显示出了很强的适应性，与使用散热器相比，淡水产量提高了0.54%-19.71%，光伏电力输出提高了0.10%-1.06%。本研究为PV-MD系统中的能量-水协同作用提供了宝贵的见解，并为不同气候条件下的系统级设计和性能优化提供了有针对性的指导。

引言

随着向深度脱碳的加速转型，清洁电力生产和淡水供应的双重挑战对于可持续发展变得越来越重要[1],[2]。光伏（PV）技术作为可再生能源系统的核心，因其高效率和低碳足迹而被广泛采用[3]。然而，光伏组件在高温运行条件下通常会出现性能下降[4]。此外，淡水短缺问题日益严重，特别是在干旱地区或沿海地区，盐分入侵进一步加剧了水资源的可用性[5]。这些挑战凸显了需要开发能够同时提升光伏性能并生产淡水的集成系统[6]。

膜蒸馏（MD）作为一种低温海水淡化技术，适用于分布式应用[7]。通过使用疏水膜，MD利用温度引起的蒸汽压差来驱动蒸汽传输[8]，从而高效利用低品位和可再生能源，并比传统的压力驱动海水淡化技术具有更高的运行灵活性[9]。此外，MD在处理高盐浓度进水方面表现出色，显著扩展了其在恶劣环境中的应用范围[10]。这些优势使得MD特别适合资源受限的环境，为分布式水处理提供了一种高效且可靠的方法[11]。这些特点使MD成为光伏系统的理想补充，为实现电力和水的高效紧凑型联合生产奠定了基础[12]。

尽管已有几项实验研究证明了PV-MD系统的可行性和联合生产潜力（表1），但仍然存在显著的设计限制。大多数现有系统依赖简单的散热器进行冷却，这限制了光伏效率的提高和淡水的收集量。虽然废热回收增强了热耦合效果，但其性能对环境条件非常敏感，需要精确的操作控制。交叉流设计提高了质量传递并减少了浓度极化，但引入了额外的复杂性、能耗和成本。因此，尽管有宝贵的实验成果，但相关的热质传递机制仍需进一步探索。目前缺乏综合性的建模框架，该框架能够整合热管理、组件相互作用和环境动态，以指导PV-MD技术的规模化应用。

为解决这一难题，本研究开发了一个全面的PV-MD系统建模框架。主要贡献如下：

(1)

设计了一种被动混合冷却策略，以降低光伏组件的运行温度，从而提高电力生成效率，同时增强蒸汽压差并提高淡水产量。

(2)

建立了一个经过验证的数值框架，用于解析热质传递过程，从而能够系统地分析结构和环境参数的影响。

(3)

进行了全面的能量流分析和气候特定性能评估，为PV-MD系统的场地适应性部署提供了定量依据。

系统设计

本研究开发了一种PV-MD系统，用于同时生成电力和淡水。PV-MD装置的示意图和能量流图如图1所示。光伏组件将太阳辐射转换为电能，并同时利用其废热提高相邻蒸发层中进水的温度。加热后的水产生蒸汽，蒸汽通过商用PTFE膜进行传输。在空气间隙膜蒸馏（AGMD）配置下，

现场测试和模型验证

为了评估系统性能并验证所开发的模型，进行了一系列实验（图5a-b）。所有实验均重复三次以确保可重复性，每次实验持续2小时，最终数据通过后1小时的平均值获得。在单太阳辐照条件下，光伏组件产生了稳定的2.51 W电力输出和1.50 kg/(m2·h)的淡水产量（图5c-d），这明显高于类似条件下其他PV-MD系统的报道值（表

结论

总之，我们提出了一种采用混合冷却技术的PV-MD系统，实现了电力和淡水的分布式联合供应。开发了一个集成的热-质-电传递模型，并通过实验进行了验证。参数敏感性分析表明，膜厚度和光伏效率是关键的设计参数，而太阳辐照度和湿度是主要的外部影响因素。能量流分析表明，提高太阳辐照度和光伏吸收率可以

作者贡献声明

杜雅辉：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究。吴继元：撰写——审阅与编辑。周志华：撰写——审阅与编辑、监督。赵月超：软件开发、研究。杨学青：撰写——审阅与编辑。刘俊伟：撰写——审阅与编辑、监督、形式分析。王成：撰写——审阅与编辑。陈卫东：软件开发。Chua Kian Jon Ernest：撰写——审阅与编辑。严金月：撰写——审阅与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

严教授和刘博士感谢香港理工大学的财政支持（项目编号P0043885 - 城市能源系统的灵活性（FUES）、P0047700 - 国际城市能源纽带中心（UEX）、P0055915- 能源-建筑-交通-水部门协同（UREBTW）工具箱、P0056532- IPT4U：城市基础设施韧性智能平台与工具箱以及A0054532 - 初创企业资助），以及国家海洋气候变化与海洋工程实验室的支持

作者贡献

杜雅辉和刘俊伟提出了这一想法并设计了实验方案。杜雅辉在吴继元、赵月超、杨学青和王成的协助下进行了实验。杜雅辉在陈卫东和Chua Kian Jon Ernest的协助下完成了模型开发。杜雅辉在周志华、刘俊伟和严金月的指导下编写了建模代码并分析了数据。刘俊伟和严金月指导了整个研究过程。所有作者均参与了论文的编辑工作。