太阳能光伏/热淡化系统与铜线圈冷凝器集成后的生命周期评估以及能量-熵-经济性能研究

《Renewable Energy》：Life cycle assessment and energy-exergy-economic performance of solar photovoltaic/thermal desalination system integrated with copper coils condensation

本研究提出一种新型光伏/热电联合塔式太阳能蒸馏系统，通过实验和生命周期评估（LCA）方法分析其能源、熵效率和经济效益，敏感性分析表明高年太阳辐射地区环境效益更优，延长系统寿命可有效降低环境影响。

　　近年来，全球淡水资源日益紧张，随着人口增长和工业污染加剧，这一问题愈发严峻。尽管地球上水资源丰富，但可以直接使用的淡水仅占全球总水量的3%。在一些水资源匮乏的地区，淡水供应成为影响人类正常生活的重要因素。因此，科学家们致力于研究海水淡化技术，以缓解淡水资源短缺的困境。然而，海水淡化通常需要大量的非可再生能源，这不仅加速了能源枯竭，也加剧了环境污染。相比之下，太阳能蒸馏技术因其可再生性、广泛性和清洁性而被视为一种有前景的解决方案。

太阳能蒸馏技术的基本原理是利用太阳能作为动力，驱动海水蒸发，并将水蒸气冷凝成淡水。近年来，研究人员设计和建造了多种太阳能蒸馏装置，以探索其在海水淡化中的应用。根据Singh等人[9]的综述，现有的研究主要集中在被动式、主动式太阳能蒸馏装置以及其他类型。这些装置的设计注重形状优化、辅助组件集成、可再生能源利用、能量存储材料应用以及废热回收等方面。

为了进一步提高太阳能的综合利用率，光伏/热技术（PV/T）得到了广泛研究。Jasim等人[10]通过实验研究了纳米流体冷却的PV/T收集器，结果显示，PV/T-A和PV/T-B收集器的太阳能利用率分别提高了37.2%和47.75%。Xia等人[11]通过实验和数值方法研究了光谱分割PV/T系统的电能和热能，其最大热效率和电效率分别达到了38.7%和11.77%。在海水淡化领域，许多学者将PV/T模块巧妙地整合到太阳能蒸馏装置中。一方面，PV/T模块可以将太阳能转化为电能，为系统运行或其他用途提供电力；另一方面，PV/T模块可以回收光伏电池产生的热量，提高发电效率和海水加热效率。这些系统可以归纳为以下几种类型：Rajesh等人[12]和Naroei等人[13]构建了带有PV/T收集器的阶梯式太阳能蒸馏装置；Ganesan[14]开发了一种新型的混合PV/T系统，与双腔室太阳能蒸馏装置相结合；Mishra等人[15]提出了一个单斜面太阳能蒸馏装置，与PV/T复合抛物面收集器（PV/T-CPC）相结合。

根据太阳能蒸馏装置的形状和PV/T收集器的类型，学者们研究了多种与多个相同PV/T收集器结合的太阳能蒸馏装置。例如，Sharma等人[16]设计了一个单斜面太阳能蒸馏装置，与N个相同的PV/T平板收集器通过串联方式结合；Kumar等人[17]提出了一种圆锥形太阳能蒸馏装置，与部分覆盖和完全覆盖的PV/T-CPC收集器相结合；Singh等人[18]开发了一种单斜面太阳能蒸馏装置，与N个部分覆盖的PV/T-CPC收集器结合；Gupta等人[19]设计了一个单斜面太阳能蒸馏装置，与N个完全覆盖的PV/T-CPC收集器结合；同时，Gupta等人[20]还开发了一种双斜面太阳能蒸馏装置，与N个相同的完全覆盖的PV/T-CPC收集器结合；Singh等人[21]提出了一个双斜面太阳能蒸馏装置，与N个部分覆盖的PV/T-CPC收集器结合。

在全球倡导可持续发展的背景下，学者们不仅关注系统的性能，还更加重视环境效益。一种新型的环境评估方法——生命周期评估（LCA）——逐渐兴起。传统的评估方法主要关注碳足迹的计算，而忽略了其他环境影响，导致评估结果较为单一。相比之下，LCA提供了一个更加全面的视角，以量化环境影响。然而，目前关于使用LCA方法评估海水淡化系统的研究仍然有限。Jijakli等人[22]通过LCA方法对三种海水淡化方案进行了比较分析，结果显示，光伏驱动的反渗透装置具有最低的环境影响。Imandoust等人[23]通过LCA分析发现，在太阳能多效蒸馏装置中，收集器和热储罐对人类健康的影响最大。Lee等人[24]采用LCA方法评估了一种混合海水淡化工艺的环境影响，其全球变暖潜力在-2.66到0.04 kg CO? eq/m3之间变化。Skuse等人[25]通过LCA分析指出，石墨膜在海水淡化技术中提高了环境效益。Siefan等人[26]利用LCA方法比较了太阳能驱动的膜蒸馏（SPMD）和传统膜蒸馏（CMD）的环境影响，发现SPMD在环境效益方面表现最优。

基于上述文献分析，学者们对PV/T太阳能蒸馏装置进行了多样化的改进，以提高淡水产量。然而，对于整合铜管冷凝系统的太阳能蒸馏装置，其在增强冷凝性能方面的研究仍存在空白。此外，PV/T收集器与太阳能蒸馏装置结合的LCA研究也较为有限。因此，本研究提出了一种新型的光伏/热收集器集成塔式太阳能蒸馏装置（PV/T-TSS），并配备了铜管冷凝系统，旨在丰富相关研究。本研究的主要目标包括：

1. 通过实验研究PV/T-TSS海水淡化系统的能量、效用和经济性能。
2. 采用LCA方法量化该系统的环境影响。
3. 考察地区和使用寿命对系统环境效益的影响。

本研究的创新点在于将铜管冷凝系统与塔式太阳能蒸馏装置相结合，从而提高系统的冷凝效率和淡水产量。铜管冷凝系统能够有效利用太阳能蒸馏过程中产生的热量，提高系统的热效率，同时通过优化冷凝过程，提高淡水的回收率。此外，本研究还通过LCA方法对系统的环境影响进行了全面评估，包括碳排放、能源消耗、资源使用和人类健康等方面的影响。通过敏感性分析，研究探讨了不同地区和使用寿命对系统环境效益的影响，从而为太阳能蒸馏装置的优化设计和应用提供理论依据。

在本研究中，PV/T-TSS海水淡化系统的设计和建造由烟台大学于2025年4月完成。系统主要包括光伏/热收集器、塔式太阳能蒸馏装置、逆变器、进水海水罐、淡水储存罐、管道系统和支持框架。表1列出了系统主要组件的详细规格。光伏/热收集器的前表面覆盖有玻璃，后表面设有多个平行流道，以提高热传导效率。塔式太阳能蒸馏装置的设计采用了优化的结构，以提高水蒸气的冷凝效率。系统通过逆变器将太阳能转化为电能，同时通过热传导和热回收机制提高热效率。进水海水罐和淡水储存罐的设计旨在提高系统的运行效率和淡水的储存能力。管道系统和支撑框架的设计则确保系统的稳定性和运行效率。

为了全面理解太阳能蒸馏装置的能源利用潜力和经济可行性，本研究采用能量、效用和经济指标对PV/T-TSS海水淡化系统进行了评估。在能量和效用的计算过程中，未考虑泵的能耗，以确保评估结果的准确性。通过实验和数值模拟，研究人员对系统的运行效率进行了详细分析，以确定其在不同条件下的表现。同时，本研究还通过经济分析，评估了系统的投资回报周期，以确定其在经济上的可行性。

在气象条件方面，本研究选取了2025年5月3日至5日的数据，以分析系统在不同天气条件下的运行性能。图5(a)展示了这三天的环境温度和太阳辐射强度的小时变化情况。表3列出了系统运行期间的气象参数。环境温度和太阳辐射强度的范围分别为9.9～22.7°C和22～996 W/m2，平均值分别为15.18～18.74°C和443.15～582.08 W/m2。同时，平均风速和环境相对湿度也被监测，以评估系统在不同气象条件下的运行效率。

通过实验和LCA方法，本研究对PV/T-TSS海水淡化系统的性能进行了综合评估。实验结果显示，系统的最大小时产水量为446.4 ml/m2，平均日产量为2.31 L/m2。最大热效率、电效率和整体效率分别为12.07%、22.99%和60.61%。这些结果表明，PV/T-TSS系统在能量利用和淡水产量方面具有显著优势。同时，LCA分析结果显示，系统对环境的影响主要集中在收集器和热储罐上，其中收集器对人类健康的影响最大，占26.49%。在端点指标方面，系统对人类健康的影响最大，其值为104.40 mPt/year。

敏感性分析结果表明，太阳辐射强度较高的地区表现出较低的环境影响。延长系统的使用寿命是减少环境影响的有效策略。这些发现为光伏/热太阳能蒸馏装置的应用提供了理论指导。此外，本研究还探讨了不同地区和使用寿命对系统环境效益的影响，以确定最佳的应用方案。

本研究的成果表明，PV/T-TSS系统在海水淡化方面具有显著的潜力。通过整合铜管冷凝系统，提高了系统的冷凝效率和淡水产量，同时通过LCA方法对系统的环境影响进行了全面评估。这些结果为太阳能蒸馏装置的优化设计和应用提供了重要的参考依据。同时，本研究还通过敏感性分析，揭示了不同地区和使用寿命对系统环境效益的影响，从而为系统的长期运行和环境管理提供了理论支持。

在实际应用中，PV/T-TSS系统可以有效应对水资源匮乏地区的需求，同时减少对非可再生能源的依赖。通过提高系统的热效率和电效率，不仅能够提高淡水产量，还能降低能源消耗，从而减少环境污染。此外，系统的环境影响评估结果显示，通过延长使用寿命和优化设计，可以显著降低系统的环境影响。这些发现为太阳能蒸馏装置的推广和应用提供了重要的理论依据和实践指导。

总之，本研究通过实验和LCA方法对PV/T-TSS海水淡化系统的性能进行了全面评估，揭示了其在能量利用、淡水产量和环境效益方面的优势。同时，通过敏感性分析，探讨了不同地区和使用寿命对系统环境效益的影响，为系统的优化设计和应用提供了理论支持。这些研究成果不仅有助于提高海水淡化技术的效率和经济性，也为可持续发展提供了重要的参考依据。