太陽(yáng)能光熱海水淡化系統(tǒng)應(yīng)用研究

上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院 陶 曄

上海電力安裝第一工程公司王健

上海驕英能源科技有限公司危應(yīng)澤

太陽(yáng)能光熱海水淡化系統(tǒng)應(yīng)用研究

上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院 陶 曄

上海電力安裝第一工程公司王健

上海驕英能源科技有限公司危應(yīng)澤

介紹太陽(yáng)能光熱產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)和海水淡化系統(tǒng)，將高溫蒸汽和海水淡化裝置在集成系統(tǒng)中加以融合，實(shí)現(xiàn)一種太陽(yáng)能光熱海水淡化系統(tǒng)，并以風(fēng)力發(fā)電作為輔助系統(tǒng)。文章以全國(guó)第一個(gè)太陽(yáng)能光熱海水淡化示范項(xiàng)目為例，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的性能和效果應(yīng)用分析，在該項(xiàng)目成功產(chǎn)水之后展望太陽(yáng)能海水淡化今后的發(fā)展方向與前景。

太陽(yáng)能光熱；海水淡化；風(fēng)力發(fā)電

0 前言

太陽(yáng)能是最大的無(wú)碳、潔凈、低成本的可再生能源，太陽(yáng)能的利用是真正實(shí)現(xiàn)碳排放絕對(duì)值降低的切實(shí)可行途徑，從而可以立即啟動(dòng)可再生能源大規(guī)模替代化石能源的歷史進(jìn)程。

在遠(yuǎn)離大陸的小海島上，淡水資源非常珍貴，它已成為海島開(kāi)發(fā)、發(fā)展的瓶頸。我國(guó)有很長(zhǎng)的海岸線，擁有許多小海島。在小海島上，在復(fù)雜海洋性氣候條件下發(fā)展高效獨(dú)立運(yùn)行的太陽(yáng)能光熱海水淡化系統(tǒng)，利用清潔、可無(wú)限利用的太陽(yáng)能來(lái)制取淡水，并通過(guò)綜合可再生能源的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)真正不依賴化石燃料能源、完全獨(dú)立的能源系統(tǒng)與資源高效綜合利用，具有重大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、軍事意義。

本文首先介紹太陽(yáng)能光熱產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)，其次介紹蒸汽作為動(dòng)力的海水淡化系統(tǒng)，然后介紹風(fēng)力發(fā)電輔助系統(tǒng)。最后對(duì)目前全國(guó)第一個(gè)太陽(yáng)能光熱海水淡化示范項(xiàng)目進(jìn)行詳細(xì)的分析，探討今后的發(fā)展方向。

1 太陽(yáng)能光熱產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)

太陽(yáng)能光熱產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)詳見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)分為太陽(yáng)能集熱器模塊、汽水循環(huán)系統(tǒng)、汽包補(bǔ)水系統(tǒng)。

太陽(yáng)能集熱器模塊采用線性菲涅爾太陽(yáng)集熱系統(tǒng)，反光陣為一維平面定日鏡陣列，將太陽(yáng)輻射能量集中反射到集熱器上。集熱器內(nèi)布置有管道，里面流動(dòng)著的水被強(qiáng)烈的太陽(yáng)能加熱。

汽水循環(huán)系統(tǒng)由汽包，循環(huán)泵及循環(huán)管道組成。該系統(tǒng)運(yùn)行原理和鍋爐汽包一樣，水從汽包底部流出，經(jīng)過(guò)循環(huán)泵將水打入集熱器進(jìn)口集箱，水在集熱器內(nèi)吸收熱量后回到汽包，形成循環(huán)回路。汽包內(nèi)的水吸收熱量后轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡驼羝?，從頂部?duì)外的蒸汽管道排出，進(jìn)入海水淡化裝置。

汽包補(bǔ)水系統(tǒng)由給水泵及補(bǔ)水箱組成。該系統(tǒng)主要用于設(shè)備啟動(dòng)前給汽包上水以及設(shè)備運(yùn)行時(shí)隨時(shí)補(bǔ)充汽包內(nèi)因水蒸發(fā)輸出所減少的水量，以保證整個(gè)系統(tǒng)汽水量平衡。

圖1 太陽(yáng)能光熱產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)

2 海水淡化系統(tǒng)

本系統(tǒng)海水淡化采用低溫多效蒸餾法，該技術(shù)是指鹽水的最高蒸發(fā)溫度約70℃的海水淡化技術(shù)，其特征是將一系列的水平管降膜蒸發(fā)器串聯(lián)起來(lái)并被分成若干效組，用一定量的蒸汽輸入通過(guò)多次的蒸發(fā)和冷凝，從而得到多倍于加熱蒸汽量的蒸餾水。

生蒸汽輸入到溫度最高一效的蒸發(fā)管內(nèi)部，在管內(nèi)發(fā)生冷凝的同時(shí)，管外也產(chǎn)生了與冷凝量基本相同的蒸發(fā)。產(chǎn)生的二次蒸汽在穿過(guò)濃鹽水液滴分離器以保證蒸餾水的純度之后，又引入到下一效的傳熱管內(nèi)，第二效的操作溫度和壓力要略低于第一效。

這種蒸發(fā)和冷凝過(guò)程沿著一串蒸發(fā)器的各效一直重復(fù)，每效都產(chǎn)生了相當(dāng)數(shù)量的蒸餾水，到最后一效的蒸汽在排熱段被海水冷卻液冷凝。第一效的冷凝液被收集起來(lái)，該蒸餾水的一部分又返回到蒸汽發(fā)生器，超過(guò)輸入的生蒸汽量的部分流入到一系列特殊容器的首個(gè)容器中，每一個(gè)容器都連接到下一低溫效的冷凝側(cè)。這樣使一部分蒸餾水產(chǎn)生閃蒸并使剩余的產(chǎn)品水冷卻下來(lái)，同時(shí)把熱量傳給熱回收效的主體中去[1]。

此海水淡化裝置所需要的動(dòng)力能源為高溫蒸汽，而前面介紹的太陽(yáng)能光熱產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)就為此裝置提供了所需要的能源，因此將兩者結(jié)合在一起就可組成太陽(yáng)能光熱海水淡化系統(tǒng)，非常適合在遠(yuǎn)離大陸的海島上投入使用。

3 風(fēng)力發(fā)電輔助系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來(lái)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，它由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、充電器和數(shù)字逆變器組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。葉片用來(lái)接受風(fēng)力并通過(guò)機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能，尾翼使葉片始終對(duì)著來(lái)風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能，轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能，機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能[2]。

依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約是每秒三公尺的微風(fēng)速度，便可以開(kāi)始發(fā)電。而在遠(yuǎn)離大陸的海島上有著取之不盡的風(fēng)能，能量非常大。更為重要的是，風(fēng)能不受早晚天氣的限制，可以和太陽(yáng)能在時(shí)間和空間上形成良好的互補(bǔ)。

4 太陽(yáng)能光熱海水淡化系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

本系統(tǒng)的海水淡化裝置以太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽為動(dòng)力，風(fēng)力發(fā)電為輔助，采用低溫多效海水淡化技術(shù)得到淡化水。

下面以全國(guó)第一個(gè)太陽(yáng)能光熱海水淡化示范項(xiàng)目為例進(jìn)行應(yīng)用分析。該項(xiàng)目以多種能源的融合形式，在對(duì)太陽(yáng)能光熱運(yùn)行特性準(zhǔn)確把握的基礎(chǔ)上，深入研究多種能源包括太陽(yáng)能光熱、風(fēng)能的綜合運(yùn)行特性，將現(xiàn)代優(yōu)化控制理論應(yīng)用于太陽(yáng)能光熱海水淡化系統(tǒng)的能量管理研究，結(jié)合線性菲涅爾太陽(yáng)能集熱技術(shù)、海水淡化新技術(shù)等形式，最終以高溫蒸汽和運(yùn)行動(dòng)力電作為統(tǒng)一的能源形式將各種分布式能源在集成系統(tǒng)中加以融合，以實(shí)現(xiàn)電、水、熱等綜合能源利用效果的最大化、降低系統(tǒng)能耗。

太陽(yáng)能集熱器模塊采用5個(gè)M2型線性菲涅爾太陽(yáng)能跟蹤聚焦集熱模塊。兩臺(tái)0.75kW的循環(huán)泵（一開(kāi)一備）作為閉式循環(huán)的動(dòng)力，介質(zhì)水不斷經(jīng)過(guò)集熱器進(jìn)行加熱。該系統(tǒng)在太陽(yáng)光照強(qiáng)烈或者較差時(shí)都能運(yùn)行，最大程度的將太陽(yáng)能光熱所帶來(lái)的熱量轉(zhuǎn)化收集到水中，在汽包中克服汽化潛熱后轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡驼羝?。太?yáng)能光熱產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)最后得到的蒸汽參數(shù)為170℃、0.7MPa，此蒸汽參數(shù)將足夠滿足海水淡化裝置的要求。另設(shè)兩臺(tái)1.1kW的給水泵（一開(kāi)一備）將補(bǔ)充水從補(bǔ)水箱打到汽包以補(bǔ)充汽水消耗。

海水淡化裝置布置在光熱蒸汽系統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)一層，采用MED+TVC工藝，3效換熱器，造水比＞5。

該系統(tǒng)運(yùn)行所需要的電負(fù)荷如表1所示，整個(gè)系統(tǒng)在產(chǎn)水的過(guò)程中所需要的額定電負(fù)荷總計(jì)為10.39kW。

圖2 全國(guó)第一個(gè)太陽(yáng)能光熱海水淡化示范項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)布置圖

表1 系統(tǒng)運(yùn)行所需電負(fù)荷

本項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)布置圖如圖2所示：

本項(xiàng)目為太陽(yáng)能光熱產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)和海水淡化裝置，目前已完全投入使用，太陽(yáng)能集熱功率為180kW，海水淡化產(chǎn)水量為1260kg/h，年產(chǎn)淡水量約為2100t。其中太陽(yáng)能集熱陣占地面積為500m2，海水淡化裝置占地面積為40m2，產(chǎn)蒸汽裝備占地面積為25m2。今后考慮模塊組裝式建設(shè)，可將海水淡化裝置布置在一層，產(chǎn)蒸汽裝備布置在二層，在節(jié)約用地的同時(shí)可以減少相關(guān)蒸汽管道的連接長(zhǎng)度，節(jié)約成本。純凈水封裝流水線廠房、產(chǎn)品倉(cāng)庫(kù)、維修車間等占地面積可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為該項(xiàng)目二期建設(shè)內(nèi)容，已在現(xiàn)場(chǎng)留有一塊試驗(yàn)示范系統(tǒng)預(yù)留區(qū)，今后可為太陽(yáng)能光熱海水淡化系統(tǒng)建立輔助系統(tǒng)。

太陽(yáng)能光熱海水淡化站建成后，單個(gè)項(xiàng)目可解決約100人生活用水。將此項(xiàng)目建設(shè)在遠(yuǎn)離大陸補(bǔ)給困難的小島上，可有效減少遠(yuǎn)洋海島常規(guī)補(bǔ)給次數(shù)和補(bǔ)給量，尤其是淡水的運(yùn)輸量，從而使大量的無(wú)水無(wú)人島嶼具備居住和開(kāi)發(fā)利用的條件。

5 結(jié)論及發(fā)展方向

本文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能光熱產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)、海水淡化系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用進(jìn)行了分析，組成一種全新的太陽(yáng)能光熱海水淡化系統(tǒng)。并以目前全國(guó)第一個(gè)太陽(yáng)能光熱海水淡化示范項(xiàng)目為實(shí)例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，項(xiàng)目運(yùn)行結(jié)果表明：太陽(yáng)能可以作為海水淡化裝置的運(yùn)行能源，將兩者結(jié)合在一起是可行的、有效的。

目前該項(xiàng)目一期的太陽(yáng)能光熱產(chǎn)蒸汽和海水淡化系統(tǒng)已投入使用，二期建設(shè)內(nèi)容風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留空間，在不久的將來(lái)必將建設(shè)與投入使用。以太陽(yáng)能和風(fēng)能兩種可再生能源為海水淡化的動(dòng)力源，可有效的解決海水淡化高能耗的問(wèn)題。

[1]《低溫多效蒸餾法海水淡化技術(shù)》李濟(jì)英《中國(guó)水利》2003年14期

[2]《風(fēng)力發(fā)電原理》徐大平機(jī)械工業(yè)出版社

英國(guó)曼徹斯特總部大樓被評(píng)為世界最生態(tài)節(jié)能建筑

不久前，英國(guó)愛(ài)丁堡公爵和女王在曼徹斯特出席了某集團(tuán)公司新總部大樓儀式。該建筑于去年十一月被BREEAM評(píng)估認(rèn)證，被評(píng)為世界上最生態(tài)友好型建筑。

始創(chuàng)于1990年的英國(guó)建筑研究院綠色建筑評(píng)估體系（BREEAM）是世界上第一個(gè)也是全球最廣泛使用的綠色建筑評(píng)估方法。該評(píng)估體系采取“因地制宜、平衡效益”的核心理念，是全球唯一兼具“國(guó)際化”和“本地化”特色的綠色建筑評(píng)估體系。在全世界，有超過(guò)11萬(wàn)幢建筑完成了BREEAM認(rèn)證。匯豐銀行全球總部、普華永道英國(guó)總部、聯(lián)合利華英國(guó)總部、倫敦斯特拉大廈、巴黎賀米提積廣場(chǎng)、德國(guó)中央美術(shù)館等全球知名地標(biāo)建筑都采用了BREEAM評(píng)估體系進(jìn)行綠色建筑評(píng)估認(rèn)證。

（黃赟譯）

日本成功分離可燃冰將推動(dòng)全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型

日本政府近日宣布，已成功從日本近海地層蘊(yùn)藏的可燃冰中分離出甲烷氣體，從而成為世界上首個(gè)掌握海底可燃冰采掘技術(shù)的國(guó)家。

據(jù)了解，“可燃冰”的正式名稱為“甲烷水合物”，是水和甲烷在高壓、低溫條件下混合而成的一種固態(tài)物質(zhì)，存在于海底或陸地凍土帶內(nèi)，被形象地稱為“可燃冰”?？扇急紵龝r(shí)產(chǎn)生的二氧化碳僅為煤炭的一半，可有效減少地球溫室效應(yīng)。目前，世界上已發(fā)現(xiàn)的可燃冰分布區(qū)多達(dá)116處，其礦層之厚、規(guī)模之大，大大超過(guò)常規(guī)天然氣田。日本率先開(kāi)發(fā)可燃冰將產(chǎn)生示范效應(yīng)，推動(dòng)全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型。

據(jù)悉，日本對(duì)可燃冰開(kāi)發(fā)的研究始于上世紀(jì)90年代，美國(guó)、加拿大、俄羅斯、印度、韓國(guó)等國(guó)也分別制定了可燃冰長(zhǎng)期研究計(jì)劃。

（日本讀賣新聞）

Application and Research For the Solar-Thermal Seawater Desalinization System

Tao Ye,Wang jian,Wei ying ze

Throughtheintroductionofthesolar-thermalproducesteamsystem,water desalination system,set the high temperature steam and seawater desalination equipment in the integration system to receive a solar-thermal seawater desalination system.And the wind power generation is the auxiliary system.In this paper,the first solar hot water desalination demonstration project as an example,the system is detailed analysis of the performance and effect of application,looking after the project successful water production solar desalination development direction and prospect in the future.

Solar thermal;Seawater desalinization;Wind power generation

陶曄（1982.1～），男，工程師。上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，主要從事常規(guī)火電站、太陽(yáng)能光熱發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等設(shè)計(jì)工作。