用于淡水与电力联产的一体化太阳能直接膜蒸馏系统的日常瞬态分析

把阳光变成饮用水

对许多社区而言，两项基本需求常常同时得不到满足：安全的饮用水和可靠的电力。本文研究了一种紧凑装置，仅用阳光便能同时解决这两个问题。通过将太阳能电池与一种特殊的净水单元结合，系统可以在不使用燃料、复杂机械或电网连接的情况下，同时发电并把咸水或微咸水转化为淡水。

一个太阳装置，两种有用产出

这一设计的核心是一种混合太阳集热器，称为光伏-热（PVT）组件。不同于只能将部分太阳能转为电能并把剩余以热量形式浪费掉的标准太阳能板，这种集热器同时捕获两者。面层产生电能，后面的金属板和水道则吸收余热。被加热的水随后直接送入一种称为直接接触膜蒸馏（DCMD）的淡化单元。这样，一个暴露在阳光下的表面就成了一个小型联产站，为离网用户提供电力和净化水。

隐藏的过滤器如何使水变安全

DCMD 单元基于一个简单的物理原理，而非高压或化学处理。温暖的含盐水在一侧流过一层薄而多孔、拒水的膜，另一侧则流动着较冷的纯净水（或先前蒸馏得到的水）。由于一侧温度较高，水分子更易从热侧蒸发，作为蒸汽穿过膜的微小孔隙，然后在冷侧凝结为液体。盐和其他杂质过大或挥发性不足无法通过，因此留在进料侧。结果是在冷侧得到高纯度的蒸馏水，而热侧留下更浓的卤水，整个过程由阳光产生的温差驱动。

追寻最佳角度与流量

研究者不仅勾画了概念，还建立了详尽的计算机模型来逐小时跟踪系统在一整天天气晴朗情况下的表现。利用真实气象数据，他们考察了太阳能集热器的倾角以及两块反光金属板角度如何影响总日照捕获量。调整这些角度会改变照射到 PVT 表面的辐射量，从而在发电与产水间改变平衡。他们还改变了集热器面积和水循环速率。较大的集热器使进料水受热更多，从而显著提高日淡水产量——在研究中从 0.5 平方米时约 6.4 公斤/日增至 2 平方米时约 54.1 公斤/日——但这也提高了运行温度和热损失，降低了整体效率。

在更多产水与更高效率之间权衡

通过集热器的水流速率提供了第二个重要的调节手段。当流速较低时，水在面板中停留时间更长，温度更高，从而增强了 DCMD 模块的蒸发驱动力，产出更多蒸馏水。然而，光伏电池本身也会因此升温，损害其电能效率。提高流速时，循环水更有效地冷却光伏电池，提升电能与热能效率，但同时向膜单元输送较冷的进料水，降低淡水产量。对于所研究的具体设计，作者发现集热器面积约在 1.0–1.5 平方米、进料流量在 0.003 至 0.004 千克/秒之间，可以在产水量与能效之间取得合理折衷。

对缺水离网地区的意义

在基线设置下，使用 1.5 平方米集热器时，系统每日约产出 18.7 公斤淡水，整体能效约为 36%，其中 PVT 部分单独的热效率约为 43%。重要的是，这些数值是在真实、变化的日照条件下获得的，而非理想的实验室环境，且不依赖体积大的透镜、追踪系统或真空泵。对于生活在阳光充足但基础设施匮乏地区的人群，这种简单、模块化的装置可以通过增加单元数量来满足本地需求。尽管未来工作仍需解决膜污染的长期问题、成本和环境影响，这项研究表明，通过精心调校的太阳能联产系统，可以用简单硬件把普通阳光转化为既洁净又可靠的水和电力。

引用: Salavat, A.K., Ziapour, B.M. Daily transient analysis of an integrated solar-driven direct contact membrane distillation for cogeneration production of freshwater and electricity. Sci Rep 16, 10564 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44630-1

关键词: 太阳淡化, 光伏热一体化, 膜蒸馏, 联产, 淡水短缺