能源短缺和清洁水缺乏是全球可持续发展的主要挑战[1]。由于人口增长和消费模式的变化，预计从2010年到2035年全球水资源需求每年将增长约1%[2]，而能源需求持续上升，2023年增长了2%[3]。这些压力在中东和北非地区尤为突出，那里快速的人口增长加剧了水资源和能源的短缺[4]。太阳能是一种有前景的、广泛可用的可再生能源，能够同时满足不断增长的能源和水资源需求，并有助于减少排放[5]，因此高效利用整个太阳光谱对于可持续发展至关重要[6]。
提高太阳能系统性能的一种高效方法是同时产生电力、热能和淡水[7]。在混合光伏/热能（PV/T）集热器中，可见光通过光伏电池转换为电能，而剩余的热光子被收集为热能，可用于海水淡化、太阳能温室、热泵和空调等应用[8]。对于偏远和干旱地区的小规模系统，这些联合生产装置可以直接或间接与基于膜的技术（如反渗透RO）和热能方法（如多级闪蒸MSF、多效蒸馏MED和吸附淡化AD）集成，以高效生产淡水[9]。
膜蒸馏（MD）是一种热驱动过程，其中蒸汽通过疏水膜，相比传统热能淡化方法具有更低的进料温度要求和更紧凑的设计[10]。但其大规模应用受到高能耗和缺乏低成本、高性能膜的制约，这推动了先进膜制备[11]和工艺集成[12]的研究。利用可再生能源的太阳能辅助MD是一种特别有前景的方法，可以减少能源消耗并提高整体MD效率[4]。
光伏与MD的集成可以分为间接和直接两种方式。在间接PV-MD中，光伏产生的废热（通常结合热储存）用于加热MD进料，通过冷却方式提高热能利用效率和光伏效率。系统通常包括一个PV/T模块和一个独立的MD单元，进料水首先经过PV模块后再进入MD模块。赵等人[13]表明，在优化进料条件后，DCMD可以作为光伏的有效底部循环。蔡等人[14]报告称，提高进料/渗透液温度和流速可以提升性能，但过高的渗透液温度会降低效率。刘等人[15]开发了一种低浓度PV-VMD系统，实现了15.9%的电力效率和0.579 L/m2·h的淡水产量。使用银/盐水纳米流体作为光学滤光器和热载体的CPV/T-DCMD系统[16]产生了26.4 kg/m2·h的淡水，电力效率为12.2%，热效率高达71.3%，同时减轻了DCMD中的温度极化问题，尽管未解决纳米粒子在膜中的沉积问题。
另一种方法是，在PV/T模块中使用传热流体（HTF），通过热交换器将进料水回路与HTF集成，形成两个独立的热传递回路。许多研究证明了这种集成的有效性。摩尔等人[17]对使用丙二醇-水HTF和独立MD模块的CPVT-MD系统进行了技术经济分析，报告了800 We的峰值电力输出、175 ml/min的淡水产量、35,000美元的资本成本和84.7美元/m3的单位水成本。一个实验性的双回路CPV/T-DCMD系统[18]使用板式热交换器，实现了18%的电力效率和25%的热效率，渗透流量为3 kg/m2·h，热能耗为9,200 kJ/kg。埃尔米纳肖伊等人[19]开发了一种V型槽式CPV/T单元，结合埋藏式水热交换器，在50-80 °C的进料温度下运行，渗透流量为0.017-0.76 kg/m2·h，GOR为3.33-1.36，淡水成本为22.48美元/m3e的电力输出、308 Wth的热能输出和5.88 kg/m2·h的渗透流量，比较了DCMD和AGMD模块。迪昂和韩[21]提出了一种基于纳米流体的双回路CPV/T-DCMD配置，通过ANN-GA优化将能量效率和渗透流量分别提高了9.9%和30.2%，同时将SEC从基线值19.39%、35.8 kg/m2·h和463.5 kWh/m3降低了5.7%。最近，英卡维奇等人[22]实验性地展示了一种用于离网应用的CSP/PV-AGMD系统，产生了高达178 kWth·h的电力、4 kWel·h的电能和288 L/天的淡化水量，其中增加的AGMD流量、夏季更高的DNI、真空操作和冬季预热显著提高了热能利用效率和淡水产量。
另一方面，直接PV-MD通过将膜或进料流体作为吸热体，将太阳能吸收集成到MD模块中。在这种直接加热配置中，光伏与MD的耦合实现了同时发电和淡化，同时通过减少MD面积、泵送功率、预热需求和辅助组件来降低资本成本[23]。这种集成可以通过（a）通过光伏单元的背面加热实现，其中电池将吸收的太阳能热量传递给进料通道（使用平板膜作为吸热体），或（b）使用半透明光伏层捕获可见光谱，同时膜上的光热层吸收剩余光谱并直接加热膜表面[24]。
王等人[25]首次实验性地展示了使用多级MD（MSMD）通道的单设备PV-MD系统，在PV层后面实现了1.79 kg/m2·h的渗透流量和11%的电力效率。安东内托等人[26]后来为实验室规模的PV-MSMD系统开发了数值和实验模型，在单太阳辐照下产生了2 L/m2·h的淡水产量，并通过降低9 °C的电池温度提高了4.5%的光伏效率。然而，这两项研究都忽略了高浓度辐照下的运行情况，也没有优化进料/渗透通道设计；在直接加热的MSMD配置中，第一阶段的渗透通道在较高温度下吸收了大部分热量，限制了后续阶段的传热效率。为了提高性能，梁等人[27]提出了一种用于农业的CPV-DCMD系统，总效率为40%（其中32%用于产水，10%用于发电），而其他研究[28],[29]通过数值方法研究了不同浓度比和流动模式下的CPV-DCMD性能，报告了在CR = 10时雷诺数在30到300之间的渗透流量范围为2到70 kg/m2·h。
表1综合比较了之前报道的PVT/CPVT-MD系统，包括它们的配置、膜技术、集成策略和关键性能指标。然而，大多数现有的PVT-MD和CPVT-MD配置依赖于在温度经常超过80 °C的单级MD单元，这超出了典型膜材料的热稳定性限制，限制了长期可靠性[12]。因此，这些系统无法与高浓度CPV操作兼容，也无法充分利用来自CPV电池的大量废热。此外，许多设计没有考虑第一渗透通道中的过度热吸收以及逆流布置下膜表面的负流量，这是直接加热MSMD方法的一个重要限制[30]。最后，一些数值研究使用平均温度高估了蒸馏流量，忽略了直接加热配置中进料和渗透通道沿线的显著轴向温度梯度，这与传统的预热实验室规模MD系统有根本区别。
为了解决现有问题，本研究提出了一种创新设计，将CPV和MSMD单元集成到一个模块中，优化了CPV和DCMD系统的运行温度，同时最大化了废热的回收用于淡水生产。在这种配置中，MSMD系统在光伏电池背面安装了两个DCMD单元，具有两个进料通道和一个渗透通道，确保了热能的有效利用并保持了膜片的较低温度。光谱液体过滤器（SLF）战略性地放置在光伏电池上方，用于吸收红外辐射，作为MSMD设置中的二次进料通道（SFC）。主进料通道（PFC）位于CPV模块后面，作为热沉捕获来自光伏层的热量。这种设计提高了淡水和电力的产量，同时在广泛的浓度比（CRs）范围内优化了性能，显著提高了光伏和淡化过程的效率和可持续性，成为该领域的突破性解决方案。
利用开发的CFD模型，本研究的定量目标是：（1）证明所提出的CPV辅助MSMD平台能够在实际条件下利用整个太阳光谱，实现≥40%的太阳能到电能加淡水的综合效率；（2）通过响应面方法优化混合CPV-MSMD设计，目标是在蒸馏流量方面提高≥25%，在电力效率方面提高≥10%，相对于参考PV-MD系统；（3）评估不同的流动方向对电力输出和蒸馏产量的影响，确定满足这些热能和生产力目标的配置，从而将CPV-MSMD概念定位为海水淡化厂提供净电力的途径。
