全球对淡水需求的持续增加，特别是在饮用水、卫生和灌溉方面，加剧了对先进海水淡化技术的需求。虽然集中式海水淡化厂能够有效供应大城市人口的需求，但由于地下水资源的枯竭和自然淡水来源的污染，农村和偏远社区经常面临水资源短缺的问题。在现有的海水淡化技术中，基于渗透的膜工艺（如反渗透（RO）和纳滤（NF）因其紧凑性、可靠性和生产高质量淡水的能力而受到认可。然而，这些系统能耗较高，需要大量的电力用于高压泵送，这使得在偏远、离网地区的应用变得具有挑战性（Monjezi等人，2017；Ali等人，2018）。
为了解决这些限制，近年来人们广泛探索了可再生能源驱动的海水淡化系统，其中光伏（PV）技术被认为是与RO单元结合的最有前景的解决方案之一（Mathioulakis等人，2007）。然而，目前的太阳能驱动RO系统仍然面临两个关键瓶颈，限制了其在离网应用中的可靠性和大规模部署。第一个限制是系统效率低且不稳定，因为光伏模块的电性能对高温非常敏感，在高太阳辐照度下温度可能超过45°C（Alqatamin和Jinzhan，2025；Alqatamin等人，2025）。这种热应力不仅会降低电输出，还会加速材料随时间的退化（Alghoul等人，2016；Alqatamin和Su，2025b，2025c）。此外，太阳能的间歇性导致RO运行不稳定，可能会因进水不一致和缺水条件而引起膜污染（Freire-Gormaly和Bilton，2019；Ruiz-García和Nuez，2020）。第二个主要挑战是缺乏高效的热管理。尽管大部分吸收的太阳能转化为废热，但这些热能很少被回收或有效利用。将热回收集成到RO过程中——例如预热进水以降低所需的泵送压力——为提高整体系统效率提供了有希望的途径，但在当前设计中尚未得到充分探索。光伏驱动的海水淡化系统已在孤立地区成功实现小规模应用（Ghermandi和Messalem，2009）。提高其性能的最具成本效益的方法之一是引入热调节机制，通过冷却流体提取和再利用光伏模块中的多余热量，从而提高整个系统的电效率和热效率（Alqatamin和Su，2025a）。
(Abdallah等人，2005)研究了与光伏跟踪系统耦合的RO单元，报告称性能提高了15%（Jeong等人，2022）。研究了PFFO-RO混合系统在长期废水处理和海水淡化中的应用，证明了其优异的抗污染能力和对高分子量有机物的去除能力，其中腐殖质物质占膜污染物的89%以上。类似地，实验表明海水冷却的光伏-热（PVT）模块可以实现均匀冷却并提高发电量（Kroiβ等人，2014），尽管进水预处理对淡化效率的后续影响尚未完全量化。光伏驱动RO系统的另一个运营挑战是电力间歇性，这可能导致由于缺水而引起的严重膜污染。提出通过集成电池储能来实现连续运行并防止此类污染（Freire-Gormaly和Bilton，2019；Ruiz-García和Nuez，2020）。
热能储存技术，特别是相变材料（PCM），为在白天储存多余的太阳能并在夜间或阴天释放提供了有希望的解决方案。PCM以潜热的形式储存能量，能够在接近恒定的温度下实现高能量密度储存（Elarem等人，2021）。已经开发了多种基于PCM的储存设计，包括由标准太阳能集热器驱动的水箱中的PCM胶囊、与传统集热器集成的PCM单元以及结合太阳能-PCM的集热器（Khan等人，2018）。研究表明，PCM集成可以提高储存密度、调节出水温度并提高整体系统效率（Alsaqoor等人，2023）。例如（Kurklu等人，2002）设计了一种与PCM单元（熔点45-50°C）集成的太阳能集热器，能够在夜间保持30°C的储水温度，瞬时热效率在22%到80%之间（Zalba等人，2003）。目录中列出了大约150种PCM材料，其中45种可商业获得，并讨论了其优势，如高等效比热和温度控制，以及稳定性、循环退化和安全等方面的挑战。
额外的改进措施，如将PCM与高导热材料（例如石墨或纳米颗粒）混合，已被证明可以显著提高传热速率（HAILLOT12等人，2008）。研究表明，集成PCM/石墨复合材料可以提高储存和释放效率，使收集器的释放效率达到约98%。其他实验研究也证实，纳米增强型PCM可以减少充电时间并提高系统热性能（Dhaou等人，2022；Bouadila等人，2022）。
最近在太阳能驱动的混合吸附海水淡化系统方面的进展表明，在效率、生产力和可持续性方面取得了显著改进（Aboelmaaref等人，2025）。提出了一种太阳能碟形斯特林驱动的混合系统，结合了吸附和HDH循环以及热回收，实现了23.4%的太阳能到电能的转换效率，产水量为47.42 L/h，成本为0.54美元/m3（Zayed等人，2024）。实验评估了一种PV/T-吸附海水淡化系统，其中通过冷水冷却光伏提高了光伏效率18%，实现了6.3 m3/吨·天的产水量，ANFIS–MRFOA模型提供了准确的性能预测（R2 = 0.989）。
类似地（Ghazy等人，2025），报告称混合PV/T-ADS将光伏效率提高了15.8%，并将水成本降低了20%。在一篇综述（Ghazy等人，2024）中，强调了系统优化，包括双喷射器和先进的吸附剂如SP/CaCl?，实现了45 m3/吨·天的产水量，COP为0.67。进一步（Ali等人，2024；Alsaman等人，2024）表明，集成复合吸附剂和热回收显著提高了淡水产量——高达77.3 m3/吨·天——生产成本低至0.49美元/m3。
虽然之前的研究分别探讨了PVT系统在海水淡化（Kroiβ等人，2014）、PCM用于热能储存（Khan等人，2018）以及RO过程优化（Freire-Gormaly和Bilton，2019；Ruiz-García和Nuez，2020）方面的好处，但本工作的创新之处在于这三种先进技术的整体集成和动态仿真：带有穿孔V形鳍的PVT收集器（PVT-PVSFs）、基于PCM的热储存罐和两级RO单元。与以往仅关注子系统级分析的研究不同，我们的研究在真实世界天气条件下进行了全面的系统级评估。我们分析了这些组件的协同效应，展示了集成系统如何克服了独立太阳能淡化系统的局限性，如间歇运行和低效率。具体来说，我们提供了能量和水性能的详细分析，这是以前针对此类混合配置尚未报告的。本研究旨在通过提出一种离网混合海水淡化系统的综合设计和分析来填补上述研究空白。主要目标是：（1）开发一种集成的PVT-PCM-RO系统，通过冷却同时提高光伏电效率，并利用回收的热量来增强淡化性能；（2）在真实天气条件下评估系统的动态性能，以确保其能够提供稳定的淡水输出；（3）评估所提出系统的能源和经济可行性，以实现可持续的农村供水。通过这样做，我们解决了以往研究分别处理这些方面的局限性。本文的后续部分详细介绍了系统设计和方法论，展示了仿真结果和讨论，并总结了这项工作对可持续离网海水淡化的意义。
