光伏-电解槽耦合新型高性能热泵加湿除湿系统在淡水与氢气联产中的创新应用

为解决淡水资源短缺与清洁能源需求问题，研究人员开发了集成光伏(PV)模块和电解槽的新型热泵加湿除湿(HP-HDH)系统，通过优化水加热和空气加热循环提升能效。结果表明，该系统淡水产量达35.4-336.8 L/h，氢气产量0.34-3.4 kg/h，产水成本降至2.377 $/m3，性能指标较文献提升1.3-4倍，为可持续海水淡化与氢能联产提供了高效解决方案。

　　

全球淡水资源危机与清洁能源需求日益紧迫，预计到2030年水资源缺口将达40%，而传统海水淡化技术能耗高、污染重。在此背景下，一项突破性研究通过整合热泵加湿除湿(HP-HDH)、光伏发电(PV)和质子交换膜(PEM)电解槽技术，实现了淡水与氢气的协同生产。该研究发表在《Renewable Energy》，为解决资源短缺问题提供了创新方案。

研究团队采用工程方程求解器(EES)软件对系统进行建模，通过热力学平衡分析优化了HP-HDH系统的水加热和空气加热循环。关键创新包括：使用环保制冷剂R1234yf替代传统R134-a，利用PV电力驱动热泵压缩机和电解槽，并通过热交换网络回收余热。系统性能验证采用与文献数据对比的方法，确保模型可靠性。

系统描述
集成系统通过PV模块供电，将海水预热后输入电解槽，同时HP-HDH系统采用双循环设计提升介质温度。热泵单元通过冷凝器和蒸发器实现能量梯级利用，使进入加湿器和除湿器的介质温度分别提升至60°C和30°C。

结果与讨论

1. 性能提升：在海水流量0.15-2 kg/s条件下，淡水产量达336.8 L/h，产氢量3.4 kg/h，增益系数(GOR)提升至25.72，较文献最高值提高2.3倍。
2. 经济性突破：产水成本降至2.377 $/m³，比现有HP-HDH系统降低4倍，主要得益于PV电力替代和热泵能效优化。
3. 环境效益：R1234yf制冷剂的全球变暖潜能值(GWP)较传统制冷剂降低76%，结合零碳电力实现全流程低碳化。

结论与意义
该研究首次实现HP-HDH系统与可再生能源的深度耦合，通过热力学优化和材料创新，将淡水-氢气联产效率推向新高度。其经济性优势尤其适用于中东、北非等缺水富光地区，为联合国可持续发展目标(SDGs)中"清洁饮水和能源"目标提供了可推广的技术范式。未来研究可进一步探索不同气候区的适应性及规模化应用潜力。