摘要
我国淡水资源紧缺，2022年我国的人均水资源量仅有1886.59m3，远低于世界人均水平。发展海水淡化技术对缓解水资源短缺问题、保障经济社会可持续发展具有重要意义，但目前反渗透和膜蒸馏等主流海水淡化技术都是能源密集型过程，不仅消耗大量化石能源，同时也释放出大量二氧化碳。太阳能界面蒸发（PassiveSolar-DrivenInterfacialEvaporation，PSDIE）是一种新兴的海水淡化技术，由可再生能源太阳能驱动，利用局部加热方式将太阳辐射热量集中在蒸发表面，在实现海水快速蒸发的同时降低太阳辐射热损失，在解决淡水资源短缺问题和节能环保方面具有极大潜力。然而，PSDIE普遍存在积盐问题，严重影响系统的连续运行。同时，PSDIE尚缺少系统优化研究和经济性能研究。 针对上述问题，本文设计了一种具有自排盐功能的新型PSDIE海水淡化系统设计，建立了系统耦合传热传质过程的数学模型，研究系统的热力学特性和自排盐性能，分析系统关键参数对于其产水性能的影响；然后，本文构建多级PSDIE系统的数学模型，并以最大化产水量为目标进行优化研究；最后，本文构建多级PSDIE系统的经济模型以评估其经济性能，并以最大化产水量和最小化产水成本为目标对系统进行多目标优化，获得了系统权衡设计方案。 本文基于联立方程法和有限元法建立了太阳能界面蒸发海水淡化过程的数学模型，并验证了其准确性。研究发现，随着相对厚度（冷凝层厚度与蒸发层厚度之比）从0.5增加到20，系统产水量先是成比例地增加，然后其增长速度不断变缓，最终系统的产水量维持恒定，说明PSDIE系统的产水量到达一个热力学极限。另一方面，由于通过虹吸效应将海水回收到卤水箱中，并且其海水盐度远未到达海水的饱和盐度，PSDIE系统表现出极为优异的耐盐性能。 本文建立了多级PSDIE系统的数学模型并其进行优化研究。结果表明，在设计变量优化范围内，最优产水量设计为7级系统，其产水量为1.95kgm-2h-1，而太阳能热效率为164.1%；多级系统的产水量随着系统级数的增加而上升，而增长速率却不断降低，这说明多级系统的产水量同样存在一个热力学极限。 本文构建了多级PSDIE系统的经济模型以评估其经济性能，并对系统进行多目标优化。优化结果表明，多级系统的产水量和产水成本之间存在权衡关系，其均衡的系统设计方案为3级系统，其产水量达1.27kgm-2h-1，产水成本为8.82$/m3。与最小产水成本的设计方案相比，3级系统产水量上升了141.9%，而产水成本仅上升了13.8%。系统均衡设计强调合理增加系统级数，通过牺牲系统部分经济性能来大幅提高系统的产水性能。
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