一种由聚光太阳光谱分解热光伏技术与高温热泵相结合驱动的新型海水淡化系统

《Energy Conversion and Management》：A novel thermal desalination system powered by concentrated solar spectrum splitting thermal photovoltaic integrated with high temperature heat pump

　　艾哈迈德·I·达瓦德赫|塔拉·N·阿尔-萨尔汉|穆罕默德·A·阿尔-尼姆尔
约旦科学技术大学机械工程系，约旦伊尔比德

摘要
随着人口增长，尤其是城市和缺水地区的淡水资源短缺问题日益严重。此外，不可持续能源的过度消耗也引发了更多担忧。为解决这些问题，开发基于环保能源的高效净水方法至关重要。本研究提出一种新型独立海水淡化技术，该技术将机械蒸汽压缩与太阳能光谱分离器驱动的聚光光伏/热能辅助高温热泵相结合，再通过双作用往复式压缩机来实现能量转换。该系统利用光谱分束器技术捕获全部太阳光谱，为淡化装置提供电能和热能；同时，双作用往复式压缩机在机械蒸汽压缩过程中制造真空，并在高温热泵中压缩制冷剂。研究通过MATLAB和CoolProp库对系统进行建模，通过改变直接法向辐照度、沸腾温度、冷凝温度、蒸发温度及冲程时间等关键参数来分析系统性能。参数分析表明，该系统产生的电能和热能最高分别可达149.40千瓦和292.71千瓦。实验结果显示，该系统每日可产出47.95立方米的淡化水，具体产水量为0.074立方米/（平方米·天）；在沸腾温度85℃、直接法向辐照度1000瓦/平方米条件下，机械蒸汽压缩系统的特定能耗为12.04千瓦时/立方米。值得注意的是，通过调节冲程时间可以控制进入双作用压缩机两侧的淡化水和制冷剂流量，进而影响每次冲程的做功量和排量。

引言
由于地球上的淡水资源有限，水资源短缺已成为人类面临的最严峻问题之一。尽管水覆盖了地球表面的70%，但其中仅有2%可供使用，包括地下水和冰层，其余均为咸水，需要进一步处理[1][2]。由于可用水资源匮乏，全球33%的人口面临严重的缺水问题[3]。不过需要指出的是，水不仅用于饮用，在工业和农业领域也有大量需求，尤其是在贫困国家和偏远地区[4]。因此，将咸水转化为淡水的海水淡化技术被视为解决这一问题的一种有效途径，尤其适用于那些因人口增长而面临水资源压力日益加剧的城市和偏远地区[5]。海水淡化方法主要分为基于热能的工艺，如多效蒸馏、多级闪蒸和蒸汽压缩，以及基于膜的工艺，包括纳米过滤和反渗透[6]。在各类海水淡化技术中，研究人员更关注基于热能的工艺，这类工艺利用热能蒸发海水，使生成的蒸汽在后续阶段凝结，从而得到纯净水，剩余的卤水则被排出。不过，基于膜的淡化系统对海水盐度极为敏感，需要复杂的预处理，且易受污染和结垢问题的影响，相比之下，基于热能的技术更为可靠且适用性更强[7]。此外，蒸汽压缩式淡化系统通过蒸汽喷射器和机械压缩机提高产水速率，同时降低特定能耗[8][9]。

通常，偏远地区和城市在人口增长的同时也面临能源短缺问题。预计到2050年，能源需求将增加70%，从而导致温室气体排放量增加130%。为此，人们开始使用煤炭、石油和天然气等传统不可再生能源来满足需求，但这又会带来更多的有害排放[10]。因此，可再生能源被作为传统能源的补充，其优势在于能够保护环境、促进经济发展并增加就业机会[11]。尤其是太阳能，作为一种更清洁、更具成本效益且可持续的能源，具有巨大发展潜力，近年来太阳能光伏技术的发展尤为迅速[12]。由于全球范围内太阳能光伏装置的安装数量不断增加，它们已成为最普遍的发电技术，这些小型太阳能电池通过不同方式连接形成光伏模块，将阳光转化为电能[13]。为了同时产生热能和电能，光伏模块常与热收集器结合，构成光伏/热能系统[14]。这类系统能够从光伏表面吸收热量，避免独立光伏系统容易出现的过热问题，从而提升整体效率[15]。此外，光伏/热能系统还被应用于多种场景，用于同时供应热能和电能，比如热水供应、热泵以及氢气生产[16]。

为充分利用整个太阳光谱，可采用光谱分束器将入射辐射分为短波长和长波长两部分。短波长部分被光伏电池吸收以产生电能，而长波长部分则被转化为热能[17]。因此，许多研究人员近年来致力于将光谱分束器技术集成到光伏/热能系统中[18]。有些研究者利用光谱分束器-光伏/热能系统生产氢气。方杰等人提出了一种混合系统，利用光谱分束器-光伏/热能系统为电解槽提供电能，同时为甲烷重整提供热能[19][20]。此外，方杰等人还提出了一种结合光聚集技术、光化学反应器、热化学反应器以及光伏电池的系统，以实现太阳光谱的最大化利用和氢气的高效生产[21]。卢凯等人则使用光谱分束滤光片充分利用入射阳光，并通过热吸收器利用废热进一步提升系统效率[22]。皮科克等人研究了光谱分束器-光伏/热能系统与有机朗肯循环的集成系统，用于空间供暖和家庭热水供应[23]。

以往的研究大多集中在利用光伏/热能系统和聚光光伏/热能系统产生的热能和电能来供应家庭热水、为工业过程提供足够的热量以及为居民区供电[24][25]。近年来，一些研究者开始探索将光伏/热能系统和聚光光伏/热能系统产生的热能和电能用于海水淡化过程，因为这些过程需要大量的热能和电能。相关应用包括太阳能蒸馏器、加湿除湿技术、反渗透和多效蒸馏等[26][27][28][29]。至于由光伏/热能系统和聚光光伏/热能系统驱动的机械蒸汽压缩系统，目前相关研究还相对较少。法拉哈特等人提出了一种由光伏电池和抛物面槽式集热器驱动的机械蒸汽压缩海水淡化系统，并与纳米过滤单元相结合[30]。研究结果表明，当进水温度从60℃升高到100℃时，所需的热能增加了12.53%。艾萨维等人则研究了一种由聚光光伏/热能系统驱动的新型机械蒸汽压缩系统，并将其与有机朗肯循环结合使用[31]。该系统利用聚光光伏/热能系统和有机朗肯循环为用户提供电能，多余的电能则用于驱动机械蒸汽压缩系统中的压缩机，从而实现淡水生产。实验显示，聚光光伏/热能系统和有机朗肯循环分别能产生43.43千瓦和33.27千瓦的电能，其中38.7千瓦的电能用于每天生产141立方米的淡水。库亚在研究不同配置时，又加入了一种多效蒸馏-机械蒸汽压缩混合系统，使得淡水日产量提升至2,500立方米[32]。研究发现，当水盐度从32,000 ppm上升至47,000 ppm时，正向进料配置的性能比会下降40%。谢塔等人提出了一种由光伏/热能系统驱动的多效应机械蒸汽压缩系统，并将其与独立光伏系统及带真空管的光伏系统进行了比较[33]。研究结论表明，与独立光伏系统相比，该系统与光伏/热能系统结合使用时性能更好。

对这三种系统的研究证实，由光伏/热能系统驱动的多效应机械蒸汽压缩系统是可行的，因为该系统可以同时获得所需的热能和电能。此外，它也适合在土地资源有限的离网环境中使用。杨浩等人提出了一种由热泵和换向阀驱动的机械蒸汽压缩海水淡化系统，用于利用废热[34]。研究显示，在回收率保持0.3不变的情况下，将压力比从1.15提高到1.50，可使热泵提供的热量减少31.9%，而特定能耗则增加63.1%。同时，将压缩机的效率从0.4提高到1.0，可使输入热量增加71.3%。谢塔和哈桑则研究了一种由光伏/热能-光伏系统驱动的独立多效应机械蒸汽压缩系统，该系统还配备了两个压缩热泵和一个外部预热器[35]。光伏/热能系统既可以产生热能，也可以产生电能。热能储存在储罐中，而电能则在蓄电池的帮助下用于驱动两个热泵和多效应机械蒸汽压缩系统。外部预热器产生的低品位热能则被多效应机械蒸汽压缩系统利用。实验表明，该系统在夏季每天可生产86.4立方米的淡水，冬季则为72.89立方米/天。光伏系统和光伏/热能系统的电能转换效率分别为19.35%和20.51%，而光伏/热能系统的热效率为40.65%。

该系统是一种独立的海水淡化装置，采用先进的太阳能技术，如聚光光伏/热能系统与光谱分束器的结合。光谱分束器技术可将太阳辐射分为长波长和短波长两部分。长波长部分用于在海水进入淡化系统之前对其进行预热，而短波长部分则通过光伏电池转化为电能，为系统的电气部件提供动力。高温热泵与淡化系统结合使用，可在预热后进一步提高海水的温度，从而提升整体性能；同时，高温热泵的蒸发器用于凝结淡化过程中产生的水蒸气。为满足高温热泵和淡化系统所需的操作压力，该系统采用了双作用往复式压缩机，这种压缩机能够处理两种不同的工作流体，即高温热泵循环中的制冷剂和淡化装置中的蒸汽。该系统最显著的特点在于，它还可以经过改造和放大，用于联合供热和发电，以满足各种应用需求。本研究首次提出了以下创新点：
•在聚光光伏/热能系统中应用光谱分束器技术，同时产生电能和热能，这些能量分别用于驱动机械蒸汽压缩淡化过程和高温热泵，从而提升整体性能。
•分析了高温热泵、聚光光伏/热能系统以及单效机械蒸汽压缩系统的运行条件对系统整体性能的影响。
•通过采用单个双作用往复式压缩机整合高温热泵和机械蒸汽压缩系统，既提高了淡水产量，又降低了能耗，无需使用两个独立的压缩机。
•展示了该系统的灵活性，既可以调整淡水产量以满足日常需求，也可以扩大太阳能阵列规模，为家庭用电提供更多电能。

系统描述
该系统由三个主要部分组成：聚光光伏/热能单元、高温热泵以及机械蒸汽压缩淡化单元。图1展示了这三个组件之间的详细连接关系。以下各节将介绍每个单元所采用的设计方法。

数学模型
该系统的数学模型是针对各个部分分别建立的。首先是从太阳能光伏热能系统开始，该系统利用分束器高效利用所有波长的太阳光谱；接着是高温热泵循环，该循环采用R-245fa制冷剂及其热性质作为建模基础；最后是单效机械蒸汽压缩淡化系统，该系统采用双作用压缩机，通过建立盐分、质量及能量平衡方程来进行建模。

模型验证
通过MATLAB和CoolProp软件对前述数学模型进行求解和验证，以此评估该系统的可靠性。混合系统的验证流程需针对CPV/T-SBS、HTHP以及单效MVC分别进行，因为目前尚未引入该系统。结果与讨论本节将详细分析所提出的新型混合CPV/T–SBS–HTHP–MVC系统。该系统旨在为单效MVC系统提供动力，同时借助HTHP实现热回收，再通过CPV/T装置供应热能并发电。此外，还利用CoolProp库中的PropsSI函数在MATLAB中进行了参数研究，以获得更真实的实验结果。结论与未来工作本研究提出了一种新型混合海水淡化系统，该系统将机械蒸汽压缩技术（MVC）与由双作用压缩机驱动的集中式光伏/热能（CPV/T）辅助高温热泵（HTHP）相结合。CPV/T装置采用光谱分束器技术（SBS），可减少光伏组件的过热现象，并通过充分利用太阳光谱提升整体效率，从而实现电能与热能的同步产生。HTHP则承担着热量传递的功能。CRediT作者贡献声明Ahmad I. Dawahdeh：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，监督，方法设计。Tala N. Al-Sarhan：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化，软件应用，方法设计，研究实施。Moh’d A. Al-Nimr：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，监督，方法设计，概念构思。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。