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海水淡化是解决当前水资源危机的重要手段之一。利用常规能源的海水淡化技术存在着能耗高和污染物排放等问题，而利用太阳能进行海水淡化是解决上述问题的有效途径。尽管在世界范围内已经对太阳能海水淡化系统进行了较多研究，但现有系统普遍存在着太阳能集热系统的集热能力较低，且冷凝段的效率不高等问题。针对上述缺陷，本文创新性地提出了一种基于纳米流体的聚光分频式太阳能蒸馏系统，通过纳米粒子提高系统的集热能力，并利用外冷凝装置提高系统的冷凝效率。聚光分频可以使系统在提供热能的同时还向外输出更高品位的电能，实现热电联供。同时，由于纳米粒子独特的辐射吸收特性，可以通过改变纳米粒子的种类和浓度来实现系统热电输出比例的灵活调节，有利于进一步拓展此类系统的应用领域。因此，十分有必要针对该类系统进行细致深入的研究。本文通过关键部件设计、系统结构设计并结合性能对比实验的方法，对所提出的系统进行了深入的研究。
首先，对传统盘式蒸馏装置进行了实验研究。在传统盘式蒸馏系统中增加了外冷凝管路，通过风机扰动改善了蒸发室内部的传热过程，同时将湿空气抽吸至蒸发室外进行凝结，有效降低了盖板凝液对系统性能的影响。此外，在水体中添加纳米粒子，可以改变水体的受热方式，提高整个装置的运行温度，进而提高系统的总产水量。
其次，系统关键部件－蒸发室的结构优化设计应遵循太阳高度角的变化规律和边缘光学的基本原理。采用TracePro软件建立了聚光蒸发室的三维模型，分析其光学性能，优化聚光蒸发室的几何结构，得出了蒸发室的最佳结构尺寸，并通过拍摄聚光蒸发室的激光光路图验证了其光学性能。
在上述研究的基础上，本文设计了基于纳米流体的聚光分频式太阳能蒸馏系统的基本结构。对光电单元和外冷凝系统进行了设计，并选取Au和Ag纳米流体作为本系统的研究对象。该系统的主要特征是可以同时进行太阳能集热、海水蒸发、光伏电池发电和蒸气外冷凝。
最后，通过实验研究，将所设计的系统与传统盘式海水蒸馏装置的性能指标进行对比。结果表明，由于提高了系统的运行温度并改善了蒸发室内部的传热传质过程，采用纳米流体的聚光分频蒸馏系统的热效率和单位面积产水量较盘式蒸馏装置均有明显提高。在实验测试时间段内，浓度为26ppm的Au纳米流体聚光分频蒸馏系统较盘式蒸馏系统单位面积产水量提高了29.6%，总热效率提高了7.39%，太阳能利用率提高了5.05%。此外，纳米流体的浓度越高，系统的热电比越大，有助于提升太阳能利用率，但提高纳米流体的浓度所带来的系统性能的提升同样也是有限的。通过实验研究发现，适合于本系统的Au纳米流体的最佳浓度约为75ppm。同时，对比相同浓度的Au和Ag纳米流体可知，Ag纳米流体的光谱分频窗口为450~1200nm。Au纳米流体的分频窗口为540~1200nm，较Ag纳米流体的光谱分频窗口窄约90nm，使系统具有更高的热效率和单位面积产水量。再则，通过选择纳米流体的种类和浓度，可以分别调节系统的光谱分频窗口的大小和透射率高低，从而调节系统的热电比。
本文创新地提出了一种基于纳米流体的聚光分频太阳能蒸馏系统的构想，从光学原理、对流传热传质理论、纳米流体的辐射吸收特性等角度，研究了系统关键部件的设计思路和影响系统热电性能的主要因素。当然，系统的理论模型还有待进一步建立和完善，系统规模、季节工况和风机启停控制策略等方面的影响也有待深入研究。
首先，对传统盘式蒸馏装置进行了实验研究。在传统盘式蒸馏系统中增加了外冷凝管路，通过风机扰动改善了蒸发室内部的传热过程，同时将湿空气抽吸至蒸发室外进行凝结，有效降低了盖板凝液对系统性能的影响。此外，在水体中添加纳米粒子，可以改变水体的受热方式，提高整个装置的运行温度，进而提高系统的总产水量。
其次，系统关键部件－蒸发室的结构优化设计应遵循太阳高度角的变化规律和边缘光学的基本原理。采用TracePro软件建立了聚光蒸发室的三维模型，分析其光学性能，优化聚光蒸发室的几何结构，得出了蒸发室的最佳结构尺寸，并通过拍摄聚光蒸发室的激光光路图验证了其光学性能。
在上述研究的基础上，本文设计了基于纳米流体的聚光分频式太阳能蒸馏系统的基本结构。对光电单元和外冷凝系统进行了设计，并选取Au和Ag纳米流体作为本系统的研究对象。该系统的主要特征是可以同时进行太阳能集热、海水蒸发、光伏电池发电和蒸气外冷凝。
最后，通过实验研究，将所设计的系统与传统盘式海水蒸馏装置的性能指标进行对比。结果表明，由于提高了系统的运行温度并改善了蒸发室内部的传热传质过程，采用纳米流体的聚光分频蒸馏系统的热效率和单位面积产水量较盘式蒸馏装置均有明显提高。在实验测试时间段内，浓度为26ppm的Au纳米流体聚光分频蒸馏系统较盘式蒸馏系统单位面积产水量提高了29.6%，总热效率提高了7.39%，太阳能利用率提高了5.05%。此外，纳米流体的浓度越高，系统的热电比越大，有助于提升太阳能利用率，但提高纳米流体的浓度所带来的系统性能的提升同样也是有限的。通过实验研究发现，适合于本系统的Au纳米流体的最佳浓度约为75ppm。同时，对比相同浓度的Au和Ag纳米流体可知，Ag纳米流体的光谱分频窗口为450~1200nm。Au纳米流体的分频窗口为540~1200nm，较Ag纳米流体的光谱分频窗口窄约90nm，使系统具有更高的热效率和单位面积产水量。再则，通过选择纳米流体的种类和浓度，可以分别调节系统的光谱分频窗口的大小和透射率高低，从而调节系统的热电比。
本文创新地提出了一种基于纳米流体的聚光分频太阳能蒸馏系统的构想，从光学原理、对流传热传质理论、纳米流体的辐射吸收特性等角度，研究了系统关键部件的设计思路和影响系统热电性能的主要因素。当然，系统的理论模型还有待进一步建立和完善，系统规模、季节工况和风机启停控制策略等方面的影响也有待深入研究。