光伏（PV）辅助混合多级太阳能海水淡化（MSD）系统热-能模型构建与多季节实验验证

《Energies》：Multi-Objective Optimization for Energy Storage Configuration in Photovoltaic DC Collection Systems Based on Improved Ivy Algorithm

　　

本研究在既有混合多级太阳能海水淡化（MSD）系统实验研究基础上，构建并实验验证了同一装置的详细热-能模型。该系统将平板太阳能集热器与由光伏（PV）供电的浸没式电加热器相结合，以在运行期间补充热能。研究人员建立了蒸馏池及八个蒸馏级的瞬态热-能模型，考虑传导、对流、辐射以及蒸发–凝结热质传递，并在Python（version 3.12.11）中采用四阶Runge–Kutta（RK4）方法求解。该模型利用摩洛哥东部Douar El Hamri使用实际苦咸井水（总溶解固体（TDS）> 3 g/L）于多个试验和季节采集的实验测量数据进行了验证。定量验证显示，热驱动单独运行（thermal-only operation）和混合运行（hybrid operation）的平均绝对温度误差分别为2.41 °C和2.42 °C，相应的平均相对误差分别为7.10%和5.00%。日产淡水量在热驱动单独运行下达到45 kg，在混合运行下达到93 kg，而相应模拟值分别为44.47 kg和92.84 kg。混合配置还将比能耗（Specific Energy Consumption，SEC）从689.15降低至387.20 kWh·m^?3，并将整体能效从61.83%提高至63.12%，?效率从8.69%提高至10.86%。这些结果表明，所建模型能够准确再现实验系统的热行为与淡水产量，并为缺水地区混合太阳能海水淡化系统的性能评估、系统选型和未来优化提供有用基础。

研究背景方面，淡水资源短缺在摩洛哥东部等干旱和半干旱地区尤为突出，当地人均淡水可获得量已低于600 m³，且苦咸井水TDS常大于3 g/L。常规海水淡化中能耗可占总成本较高比例，膜法需预处理、维护和稳定供电，热法易受气候影响且夜间或阴天储能困难。多级太阳能蒸馏可利用潜热级联回收，但有效级数受热损失和递减收益限制，且现有研究多偏重第一定律产水指标，长期、多季节、真实苦咸地下水条件下的现场证据仍有限；太阳能辅助MED/MSF虽可提高性能，但常需泵送和控制，增加偏远农村部署复杂度。因此，研究人员以Douar El Hamri为现场，将八级被动级联蒸馏与独立PV电加热结合，并建立经验证的热-能模型，以评估其可行性、性能和可放大性。

研究人员开展了混合MSD系统的瞬态热-能建模与多季节现场验证，得出模型可准确再现池与各级温度及日产淡水量，混合运行显著提高产量并改善SEC和?效率；其意义在于为缺水地区太阳能淡化系统的设计、优化和放大提供工程工具。关键技术方法（不超过250字）：建立蒸馏池与八级蒸馏级的瞬态热-能模型，耦合传导、对流、辐射及蒸发–凝结热质传递；采用四阶Runge–Kutta（RK4）法在Python（version 3.12.11）中数值求解；在摩洛哥东部Douar El Hamri现场，以实际苦咸井水（TDS > 3 g/L）开展多季节实验，测量池与各级温度、太阳辐照、环境温度、PV电压电流功率及日产淡水量；系统由平板集热器、PV供电浸没式电加热器和八级被动级联蒸馏装置组成。

研究结果如下。3.1 实验流程与数据采集系统：MSD原型安装于Douar El Hamri，采用LM35DZ温度传感器、CMP6总辐射表及万用表等监测池与八级温度、太阳辐照、环境温度、PV电压电流与功率，为模型验证和两种运行模式评估提供现场数据。3.2 纯热运行：以晴天为例，太阳辐照峰值约1000 W/m²，池温峰值75–76 °C，模拟与实验温度趋势和分层吻合；日产淡水模拟44.47 kg、实验45 kg，相对偏差1.18%，12个测量日产量约32–41 L/day，表明模型可再现纯热运行热行为与产水。3.3 热与PV混合加热：混合日PV功率峰值约1900 W，池温峰值约93 °C，Ts1约82.5–85 °C、Ts2约73 °C、Ts3约65 °C、Ts4约57 °C，后续级温度依次降低，模拟与实验总体差常低于3–8 °C；日产淡水模拟92.84 kg、实验93 kg，相对偏差0.17%，12月至4月16个测量日产量66–94 L/day，表明PV可补偿冬季较弱太阳条件并保持稳定产水。3.4 热-能模型定量验证：纯热模式平均绝对误差（MAE）2.41 °C、平均相对误差（MRE）7.10%，混合模式MAE 2.42 °C、MRE 5.00%；混合模式MRE更低，归因于PV功率直接测量减少了经验关联式在能量平衡中的不确定性。3.5 结果分析与讨论：与文献中多级太阳能蒸馏器比较，本系统在池温93 °C下达到92–94 kg/day（约12.8 kg·m^?2·day^?1），整体能效63.12%、?效率10.86%、混合模式SEC 387.20 kWh·m^?3，优于纯热模式689.15 kWh·m^?3；性能提升来自热集热与PV辅助的协同，而非仅依赖面积或级设计。3.6 能量与?性能分析：混合模式产水量较纯热模式提高109%，但整体能效仅由61.83%升至63.12%，说明增量主要来自PV场额外供能；?效率由8.69%升至10.86%，SEC降低约44%，表明混合配置对单位淡水所供总能量利用更有效，低绝对?效率与太阳能蒸馏器常见水平一致。

讨论部分总结：模型方面，短时热物性变化可致数值不稳定，开放式热虹吸流动仍可用更高级流体动力学方法改进；实践方面，开放回路使管道结垢堵塞，建议改为带换热器的闭式回路；馏出液显热未回收，可用其预热进料；当前无储能，仅白天运行，增设电池可扩展至夜间；各阶段水深相同，未来可优化级间水深并引入相变材料（PCM）以兼顾昼间产水与无太阳时供热；还可增加级间换热面积、发展光伏–热（PVT）集热器并借助ANSYS Fluent或COMSOL Multiphysics优化设计。研究结论（翻译）：本研究通过综合数值建模和多季节实验验证，证明所提出的混合多级太阳能海水淡化系统具有可行性和良好性能；由八级冷凝级、热集热器和PV辅助构成的装置经两个测量期现场数据验证，RK4求解模型与实验温度曲线吻合（纯热MAE 2.41 °C，混合2.42 °C），日产淡水量误差分别为1.18%和0.17%，确认其作为设计、优化和放大工程工具的可靠性；比较显示纯热模式44.47 kg/day、池温76 °C，混合模式93 kg/day、93 °C，产量增加109%，但整体能效仅由61.83%升至63.12%，而?效率由8.69%升至10.86%，SEC由689.15降至387.20 kWh·m^?3，表明混合配置对单位淡水总能量利用更有效；总体证明该系统在摩洛哥缺水地区真实条件下技术可行且实验有效，未来需解决热回收、储电和级间水深优化等问题以扩展运行期并支持实际放大。