太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)

李志朋，王風(fēng)霞，史玉鳳

1.鞍鋼附企動(dòng)力工程公司建筑機(jī)裝分公司，遼寧鞍山 114011

2.鞍鋼股份化工總廠，遼寧鞍山 114011

3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221116

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口數(shù)量的增長(zhǎng)，人們對(duì)于能源的需求越來(lái)越大?，F(xiàn)在常用的能源主要來(lái)自化石燃料，但這種資源在地球上的存量是有限的，而且容易引起環(huán)境污染，因此可再生能源成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。人類對(duì)淡水資源的需求與日俱增，據(jù)有關(guān)國(guó)際組織預(yù)測(cè)，到2050年，預(yù)測(cè)生活在缺水國(guó)家中的人口將增加到10.6億和24.3億之間，約占全球預(yù)測(cè)人口的13%～20%[2]。海水中有大量的水資源，所以將海水淡化將是解決淡水危機(jī)的有效途徑。已在很大程度上緩解了部分地區(qū)的缺水狀況，未來(lái)也將是調(diào)水困難的沿海城市應(yīng)急補(bǔ)充水源的重要手段，很多國(guó)家都在積極投資建造海水淡化廠。常規(guī)海水淡化的方法主要有多級(jí)蒸發(fā)、多級(jí)閃蒸、蒸汽壓縮、反滲透膜法、電滲析法、離子交換法、冷凍法等。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。所以將太陽(yáng)能采集與脫鹽工藝兩個(gè)系統(tǒng)結(jié)合與一起的太陽(yáng)能海水淡化是一種可持續(xù)發(fā)展的海水淡化技術(shù)，是現(xiàn)今研究的熱門話題。

1 太陽(yáng)能海水淡化的優(yōu)缺點(diǎn)

太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)與其他海水淡化系統(tǒng)相比有許多優(yōu)點(diǎn)：1）可獨(dú)立運(yùn)行，不受蒸汽、電力等條件限制，無(wú)污染、低能耗，運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠，不消耗石油、天然氣、煤炭等常規(guī)能源，對(duì)能源緊缺、環(huán)保要求高的地區(qū)有很大應(yīng)用價(jià)值；2）生產(chǎn)規(guī)?？捎袡C(jī)組合，適應(yīng)性好，投資相對(duì)較少，產(chǎn)水成本低，具備淡水供應(yīng)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力；3）所得淡水純度高；4）安全。

太陽(yáng)能海水淡化也有一些缺點(diǎn)，如占地面積較大及冬天結(jié)冰的問(wèn)題等。在選用海水淡化方式時(shí)需要權(quán)衡各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，選用最佳的淡化方式。

2 現(xiàn)有的太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)

人類利用太陽(yáng)能淡化海水，已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史了，最早利用太陽(yáng)能進(jìn)行海水淡化，主要是利用太陽(yáng)能進(jìn)行蒸餾，一般稱為太陽(yáng)能蒸餾器。太陽(yáng)能蒸餾器的運(yùn)行原理是利用太陽(yáng)能產(chǎn)生熱能驅(qū)動(dòng)海水發(fā)生相變過(guò)程，即產(chǎn)生蒸發(fā)與冷凝。根據(jù)是否使用其他的太陽(yáng)能集熱器可將太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類。被動(dòng)式海水淡化的裝置中不使用電能驅(qū)動(dòng)元件，主動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾使用了附加設(shè)備。

2.1 被動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)

盤式太陽(yáng)能蒸餾器是被動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾器的典型代表。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，取材方便，制作、運(yùn)行和維護(hù)都比較容易的特點(diǎn)。被動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)的工作溫度較低，產(chǎn)水量較小，不利于在夜間工作和利用其他余熱。

單級(jí)盤式太陽(yáng)能蒸餾器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、取材方便，運(yùn)行時(shí)基本無(wú)需人員管理，但是有產(chǎn)水效率低、占地面積大的缺點(diǎn)。

多級(jí)太陽(yáng)能蒸餾器重復(fù)利用了水蒸氣的凝結(jié)潛熱，可得到比單級(jí)盤式太陽(yáng)能蒸餾器更高的單位面積產(chǎn)水率。增加盤的級(jí)數(shù)有利于增加單位面積的產(chǎn)水量，但當(dāng)盤的級(jí)數(shù)增加到3級(jí)以上時(shí)，產(chǎn)水量的增加幅度很小。這是因?yàn)檠b置內(nèi)的溫差減少，減弱了裝置內(nèi)傳熱傳質(zhì)的動(dòng)力。

外凝結(jié)器式盤式換熱器是為解決傳統(tǒng)的盤式太陽(yáng)能蒸餾器的缺點(diǎn)而提出的。傳統(tǒng)盤式太陽(yáng)能蒸餾器利用裝置上方的透明蓋板做凝結(jié)器，這種方式有以下缺點(diǎn)：1）水蒸氣凝結(jié)時(shí)放出潛熱，使蓋板溫度升高，從而提高了蓋板附近的水蒸氣分壓，使蒸發(fā)面與凝結(jié)面之間的水蒸氣分壓減小；2）蒸汽在蓋板上凝結(jié)后產(chǎn)生水膜與水珠，在一定程度上降低了蓋板的透過(guò)率，降低了蒸餾器內(nèi)海水接收到的太陽(yáng)輻射總量，不利于性能的提高。為了避免這些缺點(diǎn)，可加設(shè)外凝結(jié)器，當(dāng)外凝結(jié)器的冷凝面積足夠大時(shí)，增加外凝結(jié)器可以提高30%～50%的產(chǎn)水量。

多級(jí)芯型盤式太陽(yáng)能蒸餾器利用對(duì)水有強(qiáng)親和作用或毛細(xì)作用的多纖維材料做液芯，例如黃麻布、棉紗布等，克服了傳統(tǒng)太陽(yáng)能蒸餾器的海水熱容量大，受熱溫升緩慢，延遲淡水產(chǎn)出時(shí)間的缺點(diǎn)。多級(jí)芯型盤式太陽(yáng)能蒸餾器比傳統(tǒng)的太陽(yáng)能蒸餾器的單位面積產(chǎn)水量提高16%～50%，效率提高6.5%～18.9%。

聚光型太陽(yáng)能蒸餾器分為盤形拋物面式、槽型拋物面式和平面鏡反射式等幾種。

太陽(yáng)能集熱裝置實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)，使吸熱面垂直于太陽(yáng)光線是十分必要的，簡(jiǎn)單盤式太陽(yáng)能蒸餾器的吸熱面是水平放置的，不能跟蹤太陽(yáng)，其接受到的太陽(yáng)輻射量小于同等面積的傾斜的水面，將水盤做成階梯狀的傾斜太陽(yáng)能蒸餾器可吸收更多的太陽(yáng)輻射，產(chǎn)水量明顯高于傳統(tǒng)的太陽(yáng)能蒸餾器。

2.2 主動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)

其運(yùn)行溫度提高，內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過(guò)程得以改善，主動(dòng)回收了蒸汽的冷凝潛熱，效率大大提高。

有平板式太陽(yáng)能集熱器輔助加熱的盤式太陽(yáng)能蒸餾器可大幅度的提高單位采光面積的產(chǎn)水量。其收集和貯存太陽(yáng)能作用的平板太陽(yáng)能集熱器的效率較高，可將蒸餾器內(nèi)的水加熱至較高的溫度，增大產(chǎn)水率，提高效率。給蒸餾器蓋板進(jìn)行冷卻時(shí)，效果更佳。當(dāng)系統(tǒng)采用被動(dòng)式運(yùn)行，同時(shí)有蓋板冷卻時(shí)，系統(tǒng)總效率最高，可達(dá)到45%～52%。其次是系統(tǒng)主動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)有蓋板冷卻的情況，此時(shí)的系統(tǒng)總效率為30%左右。最差的是系統(tǒng)主動(dòng)運(yùn)行但無(wú)蓋板冷卻的情況，此時(shí)的系統(tǒng)總效率為10%左右。因此蒸餾器采用主動(dòng)加熱時(shí)，應(yīng)該想方設(shè)法的回收蓋板的潛熱，這是提高系統(tǒng)總效率和經(jīng)濟(jì)學(xué)的關(guān)鍵。

加設(shè)儲(chǔ)熱水箱的主動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾器是針對(duì)加設(shè)平板式集熱器的主動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾器未能充分利用環(huán)境溫度隨時(shí)間的變化這一缺點(diǎn)而提出的。加設(shè)平板式集熱器的主動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾器的工作溫度最高時(shí)，其環(huán)境溫度也是最高的。加設(shè)儲(chǔ)熱水箱的主動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾器可以有效的利用夜間的低溫環(huán)境，另外儲(chǔ)熱水箱的加設(shè)可以延長(zhǎng)蒸餾器在高溫區(qū)的運(yùn)行時(shí)間，由于以上兩點(diǎn)原因可以加長(zhǎng)裝置的產(chǎn)水時(shí)間，有可能全天24小時(shí)都有淡水產(chǎn)出，并且夜間與白天的產(chǎn)水量基本相同。

針對(duì)傳統(tǒng)盤式太陽(yáng)能蒸餾器中水蒸氣的浮升及在蓋板附近的冷凝過(guò)程為傳熱傳質(zhì)強(qiáng)度較弱的自然對(duì)流的缺點(diǎn)，提出了外帶凝結(jié)器的主動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾器。此蒸餾器將部分水蒸氣通過(guò)風(fēng)機(jī)抽吸到蒸餾器外的冷凝器中，在冷凝器中與冷卻盤管接觸，產(chǎn)出淡水。在此設(shè)計(jì)中蒸餾器內(nèi)處于負(fù)壓，有利于水的蒸發(fā)，提高產(chǎn)水量。但也有以下缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)復(fù)雜，投資成本高，需要一些電能，不利于在偏遠(yuǎn)地區(qū)推廣使用等。

將太陽(yáng)能集熱器與多級(jí)盤式太陽(yáng)能蒸餾器相結(jié)合的特點(diǎn)包括系統(tǒng)運(yùn)行溫度較高，提高了海水蒸發(fā)的動(dòng)力，反復(fù)利用了蒸汽在蓋板處凝結(jié)時(shí)放出的冷凝潛熱。利用集熱器給三級(jí)蒸餾器主動(dòng)加熱時(shí)，蒸餾器產(chǎn)水量可以增加2倍～2.5倍左右。

太陽(yáng)能集熱器還可以與多級(jí)疊盤式蒸餾器聯(lián)合使用，在這種運(yùn)行方式中多級(jí)疊盤式蒸餾器部分不接受太陽(yáng)能，只起到蒸發(fā)與冷凝的作用，有利于節(jié)約占地和設(shè)備投資。供熱功率相同并恒定時(shí)，疊盤數(shù)增加，有利于淡水的生產(chǎn)。一般運(yùn)行溫度在70℃附近時(shí)取三級(jí)，在80℃附近時(shí)取四級(jí)，大于90℃時(shí)可以考慮取五級(jí)。該裝置的產(chǎn)水率隨著運(yùn)行溫度的升高而升高，由于真空管集熱器的熱損失較小，因而這種裝置的產(chǎn)淡水時(shí)間可以延長(zhǎng)到晚上，甚至到第二天的早上。但是多級(jí)疊盤式蒸餾器也有一些缺點(diǎn)，1）各盤盤底均為單角單槽式結(jié)構(gòu)，為了使蒸餾水順利流至槽底，盤底夾角不能大于150°，否則凝結(jié)形成的淡水水珠可能會(huì)因重力作用而重新滴落鹽水中，從而增加了系統(tǒng)的熱惰性；2）平面盤底結(jié)構(gòu)限制了裝置的冷凝面積；3）盤底結(jié)構(gòu)增加了水蒸氣的對(duì)流傳質(zhì)阻力，降低系統(tǒng)的效率。

有折皺底面的多級(jí)疊盤式太陽(yáng)能蒸餾器可克服多級(jí)疊盤式蒸餾器的部分缺點(diǎn)，降低了盤與盤之間的距離，單位能耗產(chǎn)水率更高。其他的太陽(yáng)能蒸餾器還有飽和空氣增濕減濕太陽(yáng)能蒸餾器、降膜蒸發(fā)加濕除濕太陽(yáng)能蒸餾器、單級(jí)降膜蒸發(fā)與降膜冷凝式太陽(yáng)能蒸餾器、多級(jí)降膜蒸發(fā)與多級(jí)降膜冷凝式太陽(yáng)能蒸餾器、降膜蒸發(fā)-氣流吸附型閉式循環(huán)太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)、橫管降膜蒸發(fā)閉式循環(huán)太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)[3]。

3 與傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)相結(jié)合

傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)大致可以分為兩類：1）相變過(guò)程，其中包括多級(jí)閃蒸、多效沸騰和蒸汽壓縮等；2）滲析過(guò)程，主要有反滲透膜法和電滲析法等。

鑒于傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)的方案、措施、材料和管理經(jīng)驗(yàn)等比較成熟，將太陽(yáng)能海水淡化與傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)相結(jié)合也是現(xiàn)在的一大趨勢(shì)。傳統(tǒng)的海水淡化方式包括：多級(jí)閃蒸海水淡化、多效閃蒸海水淡化、壓縮蒸餾海水淡化、利用海水與淡水的分壓差進(jìn)行海水淡化、橫管降膜蒸發(fā)多效回?zé)崾教?yáng)能海水淡化裝置等。

將太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)與傳統(tǒng)的海水淡化裝置結(jié)合起來(lái)，需要做到以下幾點(diǎn)：1）結(jié)合后的系統(tǒng)適用于太陽(yáng)能的應(yīng)用，即運(yùn)行溫度在中低溫范圍；2）盡量減少熱量在傳輸過(guò)程中的損失，提高效率；3）選用合適的海水預(yù)處理過(guò)程；4）設(shè)備投資、初建投資等問(wèn)題；5）裝置的占地面積等問(wèn)題；6）對(duì)原有系統(tǒng)盡量少做改裝，提高原有部件的利用率。

利用多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)生產(chǎn)1m3的淡水，需要消耗熱能221.9MJ～276.3MJ，需要消耗電能3kW·h～4kW·h，即多效閃蒸技術(shù)主要消耗的是熱能，可以將太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)與多級(jí)閃蒸海水淡化系統(tǒng)相結(jié)合使用。

多效蒸發(fā)海水淡化是將一個(gè)蒸發(fā)器蒸發(fā)出來(lái)的蒸汽引入下一個(gè)蒸發(fā)器，利用凝結(jié)放出的熱加熱蒸發(fā)器中的海水，以產(chǎn)生淡水。它的特點(diǎn)是幾個(gè)蒸發(fā)器相互串聯(lián)，前一蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的蒸汽用作后一蒸發(fā)器的加熱蒸汽。多效蒸發(fā)海水淡化技術(shù)也主要利用熱能。與多級(jí)蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)相比，多效蒸發(fā)采用了降膜蒸發(fā)和冷凝過(guò)程，因此在相同產(chǎn)水量的情況下，多效蒸發(fā)的運(yùn)行溫度可以更低，更適合與太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)相結(jié)合。

許多情況下，蒸汽壓縮蒸餾過(guò)程知識(shí)開(kāi)始時(shí)需要由外部引入少量加熱蒸汽啟動(dòng)，此后利用二次蒸汽自動(dòng)蒸發(fā)，不在需要外部熱源。蒸汽壓縮蒸餾有熱功效率高，體積小，無(wú)需大規(guī)模熱源，適用于海島、輪船等地方的優(yōu)點(diǎn)，但也有一些缺點(diǎn)，例如生產(chǎn)規(guī)模受壓縮機(jī)容量的限制。若利用太陽(yáng)能為壓縮蒸餾提供初級(jí)能源，使裝置在較高溫度段運(yùn)行，這樣可以減少通過(guò)壓縮機(jī)的蒸汽的體積，提高壓縮機(jī)的效率，從而減小換熱器內(nèi)外的壓差。將蒸汽壓縮蒸餾技術(shù)與多級(jí)閃蒸技術(shù)及多效閃蒸技術(shù)相結(jié)合是更理想的方案，可以最大限度的提高裝置的熱功效率。

在273K～373K的溫度范圍內(nèi)，海水表面的飽和蒸汽分壓比淡水表面的飽和蒸汽分壓約低1.84%。當(dāng)海水與淡水保持在相同的溫度下，淡水將向海水蒸發(fā)。反之，如果使淡水表面溫度保持比海水表面溫度更低，并達(dá)到一定值之下，那么海水就可能向淡水表面蒸發(fā)，也就是說(shuō)利用海水與淡水的飽和蒸汽分壓不同來(lái)實(shí)現(xiàn)海水淡化?？蓪⑻?yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能注入到海水中，使海水表面溫度提高，實(shí)現(xiàn)海水的淡化。

電滲析法是利用電場(chǎng)的作用，強(qiáng)行將離子向電極處吸引，致使電極中間部位的離子濃度大為下降，從而制得淡水。電滲析法不僅可以用于淡化海水，還可以用于水質(zhì)處理。太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)與滲析海水淡化技術(shù)相結(jié)合是利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成的電能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生淡水[4]。利用太陽(yáng)能發(fā)電的方式包括兩種，一種是太陽(yáng)能熱發(fā)電，也稱為聚焦型太陽(yáng)能熱發(fā)電，通過(guò)大量反射鏡通過(guò)聚焦的方式將太陽(yáng)能直射光聚集起來(lái)，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電；另一種是太陽(yáng)能光伏發(fā)電，是根據(jù)光生伏打效應(yīng)原理，利用太陽(yáng)電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件，所以，光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便。

4 結(jié)論

海水淡化可以緩解淡水匱乏的危機(jī)，保障沿海、島嶼及其他淡水資源缺乏地區(qū)的用水。太陽(yáng)能海水淡化具有保護(hù)環(huán)境、節(jié)約常規(guī)能源的優(yōu)點(diǎn)，是今后增加淡水資源的有效途徑之一。

[1]謝建，李永泉.太陽(yáng)能熱利用工程技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2]李順.淡水危機(jī)與節(jié)水技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[3]李正良，鄭宏飛，等.降膜蒸發(fā)低溫多效太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2007，28(4)：421-426.

[4]劉仍紹，招玉春，等.太陽(yáng)能海水淡化與發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007，8：1-3.