太陽能海水淡化技術(shù)的研究進展

太陽能海水淡化技術(shù)的研究進展

海水淡化是解決淡水缺乏問題的有效方法，大大緩解了一些地區(qū)的缺水問題。未來，它也是沿海城市難以調(diào)節(jié)水源的重要手段。中東、美國、中國等許多國家都在積極投資建造海水淡化廠,給未來的社會發(fā)展鋪平道路。常規(guī)海水淡化的方法主要有多級蒸發(fā)、多級閃蒸、蒸汽壓縮、反滲透膜法、電滲析法、離子交換法、冷凍法等。文獻詳細介紹了目前各種海水淡化方法的研究發(fā)展現(xiàn)狀,這些方法都要消耗大量的常規(guī)能源,又加劇了能源緊缺,造成新的污染,這種“挖肉補瘡”的作法,不能從根本上解決問題。太陽能是一種清潔的可再生能源,每秒鐘照射到地球上的能量就相當于500萬噸煤,發(fā)展?jié)摿薮?。將太陽能與海水淡化緊密結(jié)合起來的新型高效太陽能海水淡化技術(shù)必定有良好的發(fā)展前景。1太陽能光效應海水淡化法利用太陽能進行海水淡化,主要利用太陽能的熱效應和光效應。利用太陽能熱效應驅(qū)動的海水淡化方法,即將收集到的太陽熱能驅(qū)動海水發(fā)生相變進行分離,又可分為直接法和間接法兩大類:直接法是將集能部分和脫鹽部分集于一體,間接法是將集能部分和海水蒸餾部分分開,熱量通過工質(zhì)運送。Tiwari也提出將太陽能蒸餾系統(tǒng)分為主動式和被動式兩種。被動式海水淡化的裝置中不使用電能驅(qū)動元件,工作溫度較低,產(chǎn)水量小;主動式太陽能蒸餾使用了附加設備,運行溫度提高,加上回收了蒸汽的冷凝潛熱,效率大大提高,受到了世界各國的廣泛重視。利用太陽能光效應海水淡化就是利用光電效應產(chǎn)生電能后驅(qū)動滲析過程生產(chǎn)淡水。光伏發(fā)電系統(tǒng)按其應用形式可分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩大類。目前太陽能光效應海水淡化的關(guān)鍵問題包括光伏電池技術(shù)、光伏發(fā)電成本以及與海水淡化系統(tǒng)的對接等。2太陽能海水淡化技術(shù)考慮太陽能與傳統(tǒng)海水淡化系統(tǒng)的結(jié)合,必須思考以下幾個問題:(1)結(jié)合后效率要有明顯的提高;(2)盡量少改進原有系統(tǒng),提高原有部件的利用率;(3)要考慮目前利用的是太陽能中低溫特性的形式和特點;(4)要根據(jù)不同的使用場合、目的和氣候條件等實際情況選擇不同的淡化方法與設備;(5)考慮集熱器的安裝要求,并盡量減少熱量在傳輸過程中的損失。(6)必要時要對海水進行預處理等。目前世界上海水淡化方法商業(yè)應用最多的是多級蒸餾法和反滲透法,它們代表了不同的淡化理念和淡化思路,本文將分別從這2個方面來闡述太陽能與傳統(tǒng)海水淡化方法的結(jié)合。2.1太陽能壓縮蒸餾系統(tǒng)太陽能與傳統(tǒng)蒸餾法的結(jié)合利用的是太陽能的熱效應,使用高效的集熱器收集盡可能多的太陽能,替代傳統(tǒng)能源加熱海水,提高運行溫度進而提升效率。目前應用比較成功的有太陽能多效蒸餾系統(tǒng),太陽能多級閃蒸系統(tǒng)和太陽能壓縮蒸餾系統(tǒng)。目前的太陽能多效蒸餾系統(tǒng)是把傳統(tǒng)熱源替換成了太陽能集熱器,系統(tǒng)由多個單效蒸發(fā)器循環(huán)組成,換熱系數(shù)高,消耗動力少,濃縮比較大,負荷彈性也較大,但結(jié)構(gòu)復雜,容易結(jié)垢。太陽能多級閃蒸系統(tǒng)是針對多效蒸發(fā)結(jié)垢嚴重的缺點提出來的。這種方法設備簡單可靠,易于大型化,操作彈性大,正好利用太陽能低品位的熱量,但系統(tǒng)需要額外的加熱設備才能彌補太陽能不穩(wěn)定的缺點。太陽能壓縮蒸餾系統(tǒng)中,系統(tǒng)只需在系統(tǒng)開始運行時采用太陽能提供少量初始熱量啟動,使裝置在較高的溫度范圍運行即可,此法提高了壓縮機的效率,減少了換熱器內(nèi)外的壓差,在換熱器內(nèi)外壓差足夠小時甚至可以用普通的風機替代壓縮機,降低成本。2.2太陽能發(fā)電技術(shù)太陽能與傳統(tǒng)滲析的結(jié)合主要是利用太陽能發(fā)電后驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生淡水。其中電滲析法是將具有選擇透過性的陰陽離子交換膜交替排列,外加直流電場分離淡水。反滲透法則是利用半透膜,利用電力驅(qū)動的加壓設備在膜的一側(cè)施加大于海水滲透壓的外壓,海水中的純水將反滲透至淡水中。反滲透法極為節(jié)能,其能耗僅為電滲析法的1/2,蒸餾法的1/40。目前利用太陽能發(fā)電的方法主要有兩種。第一種是太陽能熱發(fā)電,即利用聚光的方法將太陽光聚集到點或線上,得到的高溫熱源加熱鍋爐中的水汽化再利用汽輪機發(fā)電。美國早在1989年就建成了一座194MW的太陽能熱發(fā)電站。但是由于太陽能能流密度及熱電轉(zhuǎn)換效率較低,額外的蓄熱裝置等導致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜,成本較高。另一種是太陽能光伏發(fā)電。光伏電池板作為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件,光電轉(zhuǎn)換效率低但生產(chǎn)成本卻很高。目前多應用的薄膜光伏電池,比起第一代的硅片,轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)有了極大的提升?；衔锾栯姵?如銅銦鎵硒等)正以其轉(zhuǎn)換效率高、成本低、弱光性好及壽命長等優(yōu)點成為新一代光伏電池的發(fā)展方向,而多晶硅光伏電池的材料成本因比單晶硅光伏電池低,也是世界各國競相開發(fā)的重點。3太陽能海水淡化與傳統(tǒng)燃料的配合傳統(tǒng)集熱器太陽能收集效率不高,加上對冷凝潛熱回收不夠,系統(tǒng)升溫緩慢,效率低下。近幾年來,新型高效集熱管的出現(xiàn)使加熱水溫度越來越高,太陽能替代傳統(tǒng)化石燃料與傳統(tǒng)海水淡化裝置結(jié)合有了可能,再加上不斷發(fā)展的光電轉(zhuǎn)換技術(shù),未來定會出現(xiàn)新型高效太陽能海水淡化系統(tǒng)?，F(xiàn)階段太陽能海水淡化方法只是對傳統(tǒng)方法稍作改動,例如對傳統(tǒng)的蒸餾法來說,只是把傳統(tǒng)的化石燃料加熱換成利用太陽能加熱,而滲析過程是利用太陽能發(fā)電代替?zhèn)鹘y(tǒng)電源,與傳統(tǒng)方法相比確實節(jié)能環(huán)保,但在實質(zhì)上太陽能與海水淡化并沒有密切結(jié)合。目前對原有系統(tǒng)改進的新技術(shù)主要是有機結(jié)合各種淡化方法的優(yōu)點,達到太陽能利用率最大化的目的。3.1太陽能-海水淡化系統(tǒng)傳統(tǒng)的太陽能蒸餾法單位面積產(chǎn)量很低,主要因為:蒸汽的凝結(jié)潛熱未被利用;蒸餾器換熱管換熱效率不高;蒸餾器中待蒸發(fā)的海水熱容量太大。尤其前兩點極大地限制了太陽能蒸餾制水的效率。為此,如何提高凝結(jié)潛熱的利用率和換熱器的換熱效率就成了提高太陽能蒸餾制水效率的突破口。原郭豐等提出了一種可以晝夜連續(xù)運行新型的閉式太陽能海水淡化裝置,利用自主研發(fā)的紙蜂窩結(jié)構(gòu)高效蒸發(fā)器,回收了系統(tǒng)的冷凝潛熱,系統(tǒng)淡水產(chǎn)量有較大的提高。張小艷等發(fā)現(xiàn)多級迭盤式太陽能蒸餾器能充分利用蒸汽的潛熱,效率較高,特別在較高溫度段(>70℃)運行時,性能更加理想,而且運行溫度越高,效果越好。KVinothKumar在蒸餾器四周安裝循環(huán)冷卻水管強化冷凝,凝結(jié)潛熱得到利用,并分別以淡水、海水及工業(yè)廢水為樣品進行了性能試驗,發(fā)現(xiàn)最大的日產(chǎn)水量大約1.4L·m-2·d-1,水質(zhì)與雨水和礦物質(zhì)水相當,大大提高了太陽能蒸餾器的效率。李正良等設計了一套具有四效回熱的低溫多效吸收式太陽能海水淡化裝置,采用激淋式橫管降膜蒸發(fā)、多效閃蒸與多效回熱、強化冷凝、強化對流等多項強化傳熱傳質(zhì)措施,減小了裝置中海水的熱容量,裝置升溫快,產(chǎn)水迅速,在高溫和相對較高真空度下工作有更多的優(yōu)勢和更高的產(chǎn)水效率。天津大學田禾綜合多級閃蒸和低溫多效兩種系統(tǒng)的優(yōu)點,設計了直熱式太陽能海水淡化試驗裝置,海水直接進入集熱系統(tǒng),省去產(chǎn)生蒸汽的熱交換設備,太陽能集熱系統(tǒng)和淡化系統(tǒng)耦合運行,產(chǎn)水量和性能系數(shù)都較高。佛羅里達大學的SAl-Kharabsheh設計了專門利用低能級太陽能的海水淡化系統(tǒng),使用重力和環(huán)境壓力制造出蒸餾室真空環(huán)境,理論分析結(jié)果表明運行時的蒸餾效率高達90%甚至更高,而傳統(tǒng)平板式太陽能蒸餾器平均值只有30%~40%,即使運行條件良好也只有50%。趙奎文、劉業(yè)鳳利用太陽能加熱海水,利用潮汐能代替水泵和真空泵為系統(tǒng)給排水以及抽真空提供動力,降低運行成本,更有利于海水淡化的推廣普及和實用化進程。換熱器的效率直接決定著整套系統(tǒng)的效率。在目前的研究中,多數(shù)換熱器都是采用水平管降膜蒸發(fā),在換熱的過程中會有不間斷的相變過程,換熱系數(shù)高,熱耗量小,還能利用低位余熱,相比豎直管蒸發(fā)來說空間利用率有了很大的提高,但是管間距相對仍然較大,供液方式較復雜。為此,劉振華將傳熱管束緊湊排列置于飽和狀態(tài)液體中,將其變?yōu)闈M液式蒸發(fā)換熱器,利用傳熱管束間受限空間內(nèi)早期沸騰強化機理,將中小熱負荷條件下的自然對流換熱轉(zhuǎn)化為核沸騰換熱,在間隙尺寸適宜時,其換熱性能可能優(yōu)于降膜式蒸發(fā)換熱器。實驗證明滿液式蒸發(fā)換熱器換熱性能良好,在中小熱負荷條件下甚至超過降膜式蒸發(fā)換熱器,應用前景明朗。3.2能量回收裝置反滲透法需要提升海水壓力以克服滲透壓后才會有淡水產(chǎn)出。半透膜應該能夠承受足夠的高壓。日本率先成功研制出耐高壓半透膜,將一級SWRO的操作壓力由5.5MPa提高到了8.4MPa,大大提高了系統(tǒng)的產(chǎn)水效率。另外一個研究最多的問題就是滲透后的能量回收問題。經(jīng)正常滲透膜后排出的濃水余壓高達5.5~6.5MPa,按照40%的回收率計算,排放的濃鹽水中還蘊含約60%的進料水壓力能量,回收這一部分能量可大幅降低反滲透海水淡化的能耗。目前能量回收裝置主要分有水力渦輪式和功交換式兩大類。能量回收裝置在國外起步較早,發(fā)展很快,而且產(chǎn)品也已經(jīng)基本成型。表1是國外各大公司能量回收裝置的性能比較。國內(nèi)的能量回收裝置大都是靠進口,很多機構(gòu)也在積極嘗試這方面的研究,已有初步成效。杭州水技術(shù)研發(fā)中心的張建中、張希建等研制的反滲透海水淡化水壓閥控式能量回收裝置HVCPX-1000,使用電磁換向閥先導控制水壓驅(qū)動閥結(jié)構(gòu),利用高壓濃海水直接增壓低壓進料海水,能量回收效率可達96.27%,系統(tǒng)的壓力、流量變化穩(wěn)定,波動較小;天津大學王生輝等研制的種具備升壓功能的差動式能量回收裝置,最高升壓比可達到1.08倍,有效能量回收效率達到96.3%。這對中國反滲透海水淡化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,降低生產(chǎn)成本,提高制水效率起到了積極的推動作用。4光學、電和環(huán)地球的自轉(zhuǎn)使太陽的光照角度時刻都在變化,需要有效保證太陽光收集效率最佳。自動跟蹤系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與太陽的精確跟蹤,聚光比及運行溫度較高,是理想的太陽能收集裝置。力諾瑞特研發(fā)的太陽能集熱器自動跟蹤測試系統(tǒng),能使集熱器精確跟蹤太陽的方位角和高度角,精度控制在1度以內(nèi),并帶有經(jīng)緯度修正功能,真正實現(xiàn)了精確定位。非跟蹤式系統(tǒng)與跟蹤式相比聚光比低,但成本較低,運行和維護方便,還可以接收散射太陽光,擴大了所利用的太陽光譜范圍,結(jié)合其他光學裝置,如光線分裂裝置、光線限制裝置等可進一步提高光線聚集效率。SoterisAKalogirou列舉了常見太陽能集熱器的分類和應用范圍,并分別從光學,熱力學與動力學3方面作了性能優(yōu)化分析,為太陽能集熱器的選擇、設計優(yōu)化提供了依據(jù)。翟輝建立了大型平板型/真空管太陽集熱器陣列排布的幾何模型,分析了集熱器傾角、間距、方位角對接收到輻射能量的影響;同時對集熱陣列的最佳間距進行了研究和計算,得到了最佳間距與當?shù)鼐暥群图療崞鲀A角之間的函數(shù)關(guān)系式,這對非跟蹤式系統(tǒng)的設計與安裝具有極大的指導意義。LidiaRoca使用復合拋物型太陽能集熱器的低溫多效蒸餾器,研究內(nèi)部動態(tài)過程并建立了低復雜度的太陽能場用蓄熱系統(tǒng)模型和蒸餾器產(chǎn)水量模型,仿真數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果一致,這些數(shù)據(jù)對確定最優(yōu)操作點,建立完善控制參考,設計優(yōu)化啟動和操作程序具有重大的借鑒意義。制造工藝方面,魏海波用真空磁控濺射技術(shù)在平板集熱器板芯上沉積選擇性吸收涂層,提高了平板集熱器的集熱效率和使用的耐候性。5太陽能海水淡化技術(shù)海水淡化能夠增加淡水總量,保障沿海與島嶼的居民用水,穩(wěn)定供給工業(yè)用水。近期傳統(tǒng)能源仍將是海水淡化的主要動力源,但可用太陽能作為常規(guī)能源的補充。太陽能海水淡化除環(huán)保節(jié)能,受地域和氣候影響小之外,還具有以下特點:未來幾年太陽能蒸餾制水仍然是占主導地位,但滲析法的節(jié)能高效的特點決定著利用透過性膜來制取淡水是行業(yè)未來發(fā)展的趨勢;將太陽能與常規(guī)海水淡化結(jié)合,借助先進制造工藝與強化傳熱傳質(zhì)技術(shù),制水效果比較理想;太陽能收集器是系統(tǒng)的能量輸入口,要根據(jù)實際情況選擇并準確安裝才能達到效率與成本的雙平衡。利用太陽能進行海水淡化雖然歷史悠久,但還有一部分問題亟