一种通过改进蒸汽循环和滴状凝结技术实现的高性能集成光伏水电联产装置

《Journal of Cleaner Production》：A high-performance integrated PV water-electricity cogeneration device via enhanced steam circulation and dropwise condensation

　　•开发并优化了一种集成的光伏水电联合发电（IPVWC）设备。该设备能够将光伏组件的温度降低24.61°C，同时保持连续的水产量为0.58 kg/m2·h。设计了一种两亲性混合冷凝表面以提高水分收集效率。通过COMSOL数值模拟来阐明和优化整个蒸汽传输过程。

引言
在离网、干旱和偏远地区，电力和淡水这两种基本资源对数百万居民来说仍然难以获取（O'Connell等人，2024；Salameh等人，2021）。光伏（PV）系统在这些地区的应用日益增加，以解决电力短缺问题，但其性能受到了升高的工作温度的严重影响：光伏输出功率每升高1°C会下降约0.5%，而在高辐照区域，表面温度通常超过环境温度40°C以上，导致能量损失加剧和设备加速退化（Koohestani等人，2023；Xu等人，2021）。与此同时，驱动光伏过热的强烈太阳辐照也加剧了淡水短缺，形成了一个矛盾的情况——充足的阳光与严重的水资源压力共存（Jiao等人，2021；Moossa等人，2022）。因此，有效的光伏热管理不仅对保持电力输出至关重要，而且对实现同时生产淡水以满足当地饮用和灌溉需求也具有双重意义（Krasner等人，2025；Sun等人，2022）。
蒸发冷却作为一种具有高效率、低成本和低维护要求的热管理策略，成为光伏（PV）系统的有吸引力的选择，特别适用于离网应用（Bai等人，2025；Huang等人，2023；Isah等人，2023；Zhao等人，2025）。近年来，研究了许多基于蒸发的光伏热管理配置，包括PV-水凝胶系统（Fang等人，2025；Yang等人，2025）、PV-热电混合系统（Bai等人，2024；Jiang等人，2025）以及PV-多级膜蒸馏系统（Huang等人，2020；Xu等人，2020）。在这些配置中，集成的水电联合发电系统特别有前景，因为它们利用光伏模块产生的废热来驱动水蒸发，从而在同一设备中同时降低光伏组件的工作温度并生产淡水（Yuan等人，2026）。除了生产淡水外，太阳能提供的热量还有助于杀菌和去除污染物，从而提高淡化水的质量（Isah等人，2023，2026）。这些综合优势特别适用于水资源紧张但阳光充足地区的分布式应用（Wang等人，2019；Yang等人，2021）。然而，现有的联合发电系统存在两个关键瓶颈：从蒸发器到冷凝器的蒸汽传输效率低下，以及阻碍热量散发和水分收集的膜状冷凝（Hong等人，2024；Zhang等人，2021）。这些限制不仅降低了水产量，还减少了冷却效果，最终限制了此类系统在实际应用中的可行性。为了克服这些瓶颈，已经投入了大量努力来应对这些挑战（He等人，2025）。有人开发了一种非对称锥形多级太阳能蒸馏器，通过优化蒸发室和冷凝室之间的质量传递平衡，实现了超高的水产量（Yu等人，2023）。有人在太阳能蒸发器中加入了通风模块，并通过COMSOL模拟优化了其配置，从而实现了快速的水蒸发和高效的蒸汽冷凝（Isah等人，2024a；Isah等人，2024b）。还有人使用ANSYS CFD研究了槽筒厚度、玻璃盖厚度和玻璃盖坡度对改进型混合太阳能蒸馏器（EHSS）性能的影响，以指导设备设计并优化水产量（Irshad等人，2026）。研究表明，冷凝室内不可凝气体（NCGs）的积累在蒸气主体和冷凝表面之间形成了扩散屏障，从而抑制了冷凝过程。促进滴状冷凝而非膜状冷凝可能通过增强界面热传递和质量传递来部分缓解这一限制。
冷凝是将蒸汽转化为液态水的关键步骤。然而，冷凝器设计和表面润湿性调节仍然是当前系统级优化的关键挑战（Dang等人，2024）。与传统的膜状冷凝相比，超疏水冷凝器通常表现出更高的热传递性能（Wang等人，2021b；Wang等人，2021a）。有人设计了一种结合了基于疏水纳米结构的太阳能净水器和蜂窝状水冷凝器的装置，实现了1.063 kg/m2·h的水收集率和70%的总太阳能水收集效率。此外（Yuan等人，2025），还开发了一种集成了光伏冷却和铜基方锥形超疏水冷凝器的水电联合发电系统。该设备可以根据应用场景在不同的运行模式之间切换，在电力优先模式下可实现25.3°C的温度降低，在水优先模式下可实现0.51 kg/m2·h的水收集效率。然而，当表面过冷超过临界阈值时，超疏水表面的液滴成核尺寸会减小而成核密度会增加，这可能导致积水并降低冷凝效率（Miljkovic等人，2013；Wen等人，2018）。
受到纳米布甲虫的启发，具有空间分布的亲水区和疏水区的混合表面引起了广泛关注。与疏水区相比，亲水区上的较低成核能屏障使得液滴形成更为优先。此外，这种混合结构通过聚合驱动的扫刷效应增强了液滴去除，从而提高了水分收集效率（Wang等人，2025；Zhao等人，2024；Cheng等人，2025）。有人开发了一种可调润湿性的亲水-超疏水混合多孔表面，显著提高了液滴成核、生长和离脱效率（Yan等人，2025）。有人在超疏水表面上引入了一系列图案化的亲水点，从而显著提高了表面更新率，并在低过冷条件下保持了优异的水分收集性能。因此，调节冷凝表面上的亲水和疏水区域是提高光伏水电联合发电设备水分收集效率的有效策略。
在这项工作中，我们提出了一种集成的光伏水电联合发电（IPVWC）设备，它结合了蒸发冷却和蒸汽循环及冷凝动力学的协调优化。开发了一个多物理场模型来阐明设备内部的耦合热传递和质量传递，通过集成模拟-实验方法指导关键操作参数的优化，包括腔体厚度、内部流速和名义风扇出口速度。同时，建立了一个描述冷凝器表面上液滴成核、生长和离脱的理论框架，以指导合理的表面设计。在实验室测试中，系统性地表征了IPVWC系统在多种模拟环境条件下的联合发电性能。值得注意的是，在1 kW/m2的光照下，优化的IPVWC设备实现了24.61°C的显著光伏温度降低，同时保持了0.58 L/m2·h的连续水产量。这种性能在冷却效果和水产量方面超越了许多已报道的同类产品，凸显了所提出设计的可行性。IPVWC设备为高性能、集成化和模块化的光伏联合发电系统提供了实际的设计指南，为离网和偏远地区的淡水生产提供了一个可行且可扩展的解决方案。

部分内容摘要
IPVWC设备的设计
图1A展示了IPVWC设备的设计理念。该设备利用自然阳光和海水同时生成电力和淡水。在运行过程中，光伏面板产生的低品位废热被回收用于驱动界面水蒸发。同时，嵌入在蒸汽循环层中的微风扇主动将水蒸气从蒸发室输送到冷凝室，从而实现高效的水电联合发电。

IPVWC设备内部温度和湿度场的模拟
使用COMSOL Multiphysics 5.6进行了数值模拟，以阐明设备内部的耦合热传递和质量传递机制。为了模拟质量传递过程，在PVA吸液芯背面应用了湿表面边界条件来表示蒸汽源。生成的蒸汽通过对流和扩散在蒸发室和冷凝室之间传输。气流和蒸汽传输场通过耦合的层流流动计算得出。

蒸汽循环和传输的优化
我们最初评估了蒸汽循环和传输模块几个关键组件的修改对设备的水电联合发电效率的影响。图3A展示了用于评估IPVWC设备性能的实验平台。使用人工气候室（ACS DISCOVERY SR1）模拟了可控的室内辐照、温度和湿度条件。使用商用光伏（PV）面板来利用太阳能。

净联合发电性能的评估
前述结果表明，光伏冷却和淡水生产同时得到了改善。为了在考虑主动蒸汽循环所需的电力后评估这些收益，我们量化了IPVWC系统的能量平衡。计算了光伏总输出功率、寄生风扇功率和净输出功率，以及净电效率和总水电效率。

IPVWC设备的性能优势和技术经济分析
为了评估IPVWC设备的光伏冷却性能，我们将所提出的IPVWC设备的冷却性能与其他冷却策略进行了比较，包括相变材料（PCM）冷却（Han等人，2025；Madurai Elavarasan等人，2024；Moein-Jahromi和Aboueian，2025）、辐射冷却（Heo等人，2022；Jung等人，2026；Wang等人，2026）、水凝胶冷却（Li等人，2023，2026；Liu等人，2025）、联合发电系统冷却（Bai等人，2022，2024；He等人，2026）。

局限性和前景
IPVWC设备展示了有前景的水电联合发电和海水淡化性能，表明具有商业部署的潜力。然而，本研究中的所有分析都是基于一个25.6 × 20 cm2的原型，进一步的规模化可能会遇到一些挑战。我们的初步调查和模拟表明，当风扇缺失或运行速度较低时，光伏温度仍然较高，导致光伏面板退化和设备使用寿命缩短。

结论
总之，我们提出了一种基于蒸发冷却的集成光伏水电联合发电设备（IPVWC）。IPVWC设备通过主动调节流场来提高蒸发率，从而减弱了蒸发界面处的蒸汽传输屏障。同时，有效的冷凝表面对于将高蒸发率转化为大量水产量至关重要。基于此，通过结合亲水性和疏水性混合冷凝模块……

作者贡献声明
Chen Yang：撰写——原始稿件、可视化、方法论、研究、形式分析。
Shengjie Gu：撰写——原始稿件、软件、数据管理、概念化。
Jiayun Wang：撰写——审阅与编辑、方法论、研究、资金获取。

联系方式
有关资源和材料的更多信息及请求，请联系主要联系人Jiayun Wang（[e-mail]）。

资金支持
本工作得到了上海-云南科技创新合作项目（26HD0700400）和中国国家自然科学基金一般项目（编号52376203）的支持。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢
本工作得到了上海-云南科技创新合作项目（26HD0700400）和中国国家自然科学基金一般项目（编号52376203）的支持。