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光伏-膜蒸馏-蒸发结晶器（PME）集成系统：太阳能驱动零液体排放的海水淡化与光伏冷却协同研究

作者及机构
本研究由Wenbin Wang、Sara Aleid、Yifeng Shi等团队（主要来自沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）水脱盐与再利用中心）完成，通讯作者为Peng Wang教授。研究成果于2021年7月21日发表于能源领域顶级期刊《Joule》（Volume 5, Pages 1873–1887）。

学术背景

研究领域与动机
全球约7.85亿人缺乏安全饮用水，而传统海水淡化技术能耗高且产生高盐废水。光伏（PV）技术虽可提供清洁电力，但其太阳能-电能转换效率受限于肖克利-奎塞尔极限（Shockley-Queisser limit），约75%的太阳能以废热形式耗散，导致光伏板温度升高（可达环境温度+40°C），进而降低发电效率（每升温10°C，功率输出下降0.4%~0.5%）并加速老化。因此，如何利用光伏废热实现高效海水淡化，同时降低光伏温度，成为解决“水-能源-气候”矛盾的关键。

科学问题与目标
本研究提出一种集成系统——光伏-膜蒸馏-蒸发结晶器（Photovoltaics-Membrane Distillation-Evaporative Crystallizer, PME），旨在实现三大目标：
1. 利用光伏废热驱动多级膜蒸馏（MSMD），提升淡水产量；
2. 通过蒸发结晶器（EC）实现零液体排放（Zero Liquid Discharge, ZLD）；
3. 降低光伏温度以提高发电效率。

研究流程与方法

1. 系统设计与理论建模
- PME结构：五级MSMD组件直接贴合于光伏板背面，每级包含导热层、蒸发层、疏水膜（PTFE，厚度0.1 mm，孔隙率86%，孔径1.0 μm）和冷凝层。EC位于最底层，通过毛细作用蒸发浓缩盐水。
- 理论模型：建立热质传递模型，分析疏水膜参数（厚度、孔隙率、孔径）对水产量和光伏温度的影响。模型预测：膜厚减小可降低温度差并提升膜系数（Membrane Coefficient），最优孔径应略小于水蒸气平均自由程（0.13 μm）。

2. 实验验证
- 实验室测试：
- 淡水生产：以红海海水为原料，添加10 ppm氮川三乙酸（NTA）抑制盐结晶堵塞。在1太阳光照（1,000 W/m²）下，PME淡水产量达2.35–2.45 kg/(m²·h)，光伏温度降至47°C（对比单独工作时的62°C），发电效率提升8%。
- EC性能：EC处理容量（1.30–1.45 kg/(m²·h)）超过MSMD浓缩盐水排放速率，实现ZLD。盐分在EC尾部结晶并自主脱落。
- 户外实验：16 cm×16 cm PME装置在自然光照下日均产水8.09 kg/m²，光伏温度较单独工作时降低7°C，发电效率提升2.46%。

3. 创新方法
- 疏水膜优化：通过模型指导选择0.1 mm厚PTFE膜，平衡水产量与温度控制。
- EC设计：非织造布蒸发中心结合NTA添加剂，解决海水蒸发中MgSO₄堵塞问题。
- 被动供水模式：重力驱动水流系统（模拟输液装置）实现无泵稳定运行。

主要结果与逻辑链条

1. 膜参数验证：实验数据与模型预测一致——薄膜（0.1 mm）使五级MSMD总温差仅3.4°C，水产量达3.85 kg/(m²·h)；若膜厚增至4 mm，温差升至42.2°C，产量显著下降。
   
2. 协同增效：光伏废热驱动MSMD蒸发，冷凝潜热逐级回收，EC利用末级余热蒸发盐水，形成闭环。
   
3. 盐管理机制：NTA调控NaCl结晶形态（枝晶状），避免MgSO₄堵塞孔隙，维持EC稳定蒸发速率。
   
4. 发电提升：光伏温度降低直接提升开路电压（Voc）和填充因子，实验测得效率从12.9%增至14.2%。
   

结论与价值

科学价值
1. 首次实现光伏冷却、海水淡化和ZLD的协同优化，突破传统设计中“高水产量-高光伏温度”的矛盾。
2. 提出疏水膜薄化策略，修正了多级膜蒸馏领域“厚膜降低热传导损失”的认知误区。

应用价值
1. 为离网社区提供低门槛的电水联供方案，助力联合国可持续发展目标（SDG6和SDG7）。
2. 潜在规模化应用可缓解光伏电站的热岛效应，因PME系统通过蒸发耗散热量。

研究亮点

1. 高效协同：PME系统在1太阳光照下，淡水产量较文献报道提升近1倍（2.45 vs. 1.64 kg/(m²·h)），光伏发电效率同步提高。
   
2. 零液体排放：EC将浓缩盐水转化为固态盐，无废水排放。
   
3. 理论指导实践：模型精准预测膜参数影响，为后续设计提供优化方向。
   

其他价值
- 被动式重力供水设计降低系统能耗，适合无电力基础设施地区。
- 使用真实海水（非模拟盐水）验证，证明实际应用可行性。

此研究为可再生能源驱动的海水淡化提供了创新范式，兼具学术突破性与工程实用价值。