低温太阳能热驱动膜蒸馏模块的集成设计与动态性能优化研究

本研究针对全球淡水短缺问题，创新性地将直接接触式膜蒸馏(DCMD)模块与低温太阳能热系统耦合，通过TRNSYS-MATLAB联合仿真模拟，实现了100升/天的淡水产量，太阳能贡献率高达97%。研究揭示了集热面积与膜温(50-70°C)对系统性能的调控规律，为偏远沿海地区提供了可持续的海水淡化解决方案。

　　

全球淡水危机正随着人口增长和气候变化不断加剧，传统反渗透(RO)技术虽广泛应用，但其高能耗(1-5 MPa)和浓盐水排放问题制约了在能源匮乏地区的应用。膜蒸馏(MD)技术因其低压低温(50-80°C)运行特性崭露头角，特别是直接接触式膜蒸馏(DCMD)因其结构简单、渗透率高成为研究热点。然而，如何将MD与可再生能源高效结合，尤其是应对太阳能间歇性带来的系统不稳定问题，成为当前研究的瓶颈。

阿尔及利亚Ain Temouchent大学的Mouad Bousmaha团队在《Desalination and Water Treatment》发表的研究，构建了包含平板集热器(2-6 m²)、300升储热水箱和内盘管换热器的太阳能-DCMD集成系统。通过TRNSYS-MATLAB联合仿真，创新性地采用"串联罐"数学模型，实现了太阳能子系统与膜组件的动态耦合分析。研究重点考察了集热面积、膜工作温度(50/60/70°C)和气象条件对系统性能的影响。

太阳能热子系统设计

采用Type 539平板集热器，光学效率η₀=0.7，热损系数a₁=4.16 W/m²K。300升分层水箱(Type 534)配备铜制盘管(Φ28/32 mm)，通过40%乙二醇溶液循环。系统创新性加入效率70%的热回收器( economizer)，使排出浓盐水的余热得以利用。

膜蒸馏核心模型

基于Dong等建立的MATLAB模型，采用聚偏氟乙烯(PVDF)和热重排聚苯并恶唑-co-酰亚胺(TR-PBOI)膜，厚度0.12 mm，孔隙率75%。模型通过Antoine方程计算蒸汽压，Raoult定律修正盐度影响，并假设100%盐截留率。关键参数包括：膜渗透系数C_m=1.78×10^-7 kg/m²·Pa·s，导热系数k_m=0.19 W/m·K。

性能指标创新

除常规太阳能保证率?外，引入获得输出比(GOR)=m?_pΔH_v/Q?_f和比热耗(STEC)=Q?_f/V?_p，更全面评估系统能效。

关键研究发现

1. 1.

   温度与集热面积的博弈

   70°C膜温下，6 m²集热器实现36 m³/年产水量，但太阳能贡献从50°C时的97%降至22%。2 m²系统在70°C时STEC最低(6.7 kWh/m³)，揭示高温运行需权衡能效与产量。

2. 2.

   热回收器的增效作用

   对比前期研究(无economizer)，4 m²系统太阳能贡献提升22%，证明余热回收可显著降低辅助加热需求。

3. 3.

   膜材料性能差异

   TR-PBOI膜(0.06 mm)通量达88.9 kg/m²·h，较PVDF(38.8 kg/m²·h)提升129%，但机械稳定性需进一步验证。

4. 4.

   月际性能波动

   8月辐射331 Wh/m²时，6 m²系统GOR=1.93；12月辐射110 Wh/m²时降至1.78，凸显季节性调控必要性。

这项研究通过创新的动态耦合仿真方法，证实太阳能-DCMD系统在阿尔及利亚气候条件下可实现日均100升淡水产量。特别值得注意的是，研究提出的75升储热容积/m²集热面积配比(4 m²集热器+300升水箱)被证明是能效最优配置。该成果为离网地区提供了可扩展的淡化方案，其MATLAB-TRNSYS协同建模框架更为复杂能源系统集成研究树立了新范式。未来研究可进一步探索膜污染控制策略与混合能源(如光伏-光热协同)系统的优化设计。