新型海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*④

張 敏　李雨龍　胡 狀　劉炳鍵　陳東生

(上海電力學(xué)院　上?！?01400)

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新型海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*④

張 敏李雨龍胡 狀劉炳鍵陳東生

(上海電力學(xué)院上海201400)

在便攜的高效凹面聚光集熱裝置基礎(chǔ)上,通過綜合利用所獲得的太陽(yáng)熱輻射能實(shí)現(xiàn)海水淡化蒸餾、溫差發(fā)電以及溫箱供暖，從而達(dá)到太陽(yáng)能高效綜合利用的目的.同時(shí)，為海難及島礁等特殊情況、特殊環(huán)境下的海水淡化與供暖需求提供一種新途徑.

凹面聚光海水淡化溫差發(fā)電供暖

1　引言

眾所周知，海洋不僅是人類的資源寶庫(kù)，也是人們不可或缺的交通媒介，海洋運(yùn)輸是國(guó)際貿(mào)易運(yùn)輸中使用最廣泛的運(yùn)輸方式.隨著海洋開發(fā)、海上運(yùn)輸?shù)然顒?dòng)日益頻繁，如何獲得更多的淡水資源成為一個(gè)倍受關(guān)注的問題.但巨大的海洋市場(chǎng)也帶來巨大的風(fēng)險(xiǎn).每年因海難失去生命的人數(shù)不勝數(shù)[1].若發(fā)生事故，被困海上時(shí)，一個(gè)穩(wěn)定的海上救援與淡水維持系統(tǒng)變得非常重要.首先，船上的救援物資是有限的，特別是淡水，很快就會(huì)消耗完；其次，船上的電也會(huì)用完，無法發(fā)送求救信號(hào).本文將研究如何利用光熱蒸餾海水獲得淡水；利用光電和溫差發(fā)電系統(tǒng)為求救燈光提供電源等.

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本實(shí)驗(yàn)裝置將利用光熱蒸餾海水獲得淡水；利用光電和溫差發(fā)電系統(tǒng)為求救燈光提供電源；利用光熱余熱導(dǎo)入保溫箱以供夜晚保暖；利用反光材料在白天反射求救光等.

2.1方案選擇

目前，相同功率的聚光系統(tǒng)有很多，常用的如表1所示.

表1　相同功率的海上聚光系統(tǒng)比較

考慮到海上的特殊地理環(huán)境等特點(diǎn)，最后綜合比較，選擇了槽式聚光系統(tǒng).槽式聚光裝置利用拋物線的幾何特性將平行射入的太陽(yáng)光進(jìn)行反射聚焦于集熱管.聚光裝置主要包括反光鏡和支架兩部分，它們應(yīng)具有良好的反射率、聚光性能、機(jī)械性能、抗腐蝕性能以及經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)[2].

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因?yàn)檎婵展軆r(jià)格昂貴，所以選擇不銹鋼鐵皮管的(如圖1)中心光斑作為受熱部分.這樣雖然在集熱性能上存在一定損失，但是它的可塑性卻大大提高.本方案將在鐵皮管中完成淡水蒸發(fā)，以及熱水循環(huán)等功能.

反光材料采用了性價(jià)比高的鋁膜板，在兼顧價(jià)格的同時(shí)也獲得了良好的反光效果.在金屬管的上部開了兩個(gè)洞，一個(gè)洞是用來加水的，另外一個(gè)是用來排熱蒸汽的.兩邊的螺孔處在圓截面的中心位置，它是用來接金屬水管從而使得熱水循環(huán).這種設(shè)計(jì)即使無水注入時(shí)，也可以保持管內(nèi)的液位，從而防止干燒等破壞性情況的出現(xiàn).

圖1　中心光斑受熱部分

整個(gè)系統(tǒng)共需要8塊溫差電池、兩個(gè)冷凝器、1個(gè)保溫水箱、1個(gè)電池盒、1個(gè)可卷的反光板、1個(gè)加熱管、管道以及導(dǎo)線若干.

設(shè)計(jì)原理是直接用加熱后的水流經(jīng)冷凝器上的溫差電池，得到電力，同時(shí)完成循環(huán)水的操作，最后留下的熱水保存在保溫箱中，留給晚上海上防寒使用.而上部的蒸汽直接經(jīng)過另外一個(gè)冷凝器，產(chǎn)生蒸餾水，然后被收集、飲用.同時(shí)，翻轉(zhuǎn)的槽式設(shè)計(jì)，在白天可以遮擋海上的烈日，當(dāng)下雨時(shí)可以用來收集雨水，一舉兩得.最終的設(shè)計(jì)效果如圖2所示.

圖2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2.3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)裝置基于圖3的拋物面模型[3].

圖3　拋物面模型

架設(shè)完成后的實(shí)物裝置如圖4所示.首先，觀察太陽(yáng)的仰角以適時(shí)調(diào)整整個(gè)拋物面的弧度及對(duì)太陽(yáng)光線的角度.已知反光板弧長(zhǎng)L=2m, x軸方向長(zhǎng)度為OH=0.40m.

圖4　系統(tǒng)實(shí)物圖

令y2=2px 由拋物線近似弧長(zhǎng)公式[4]

Smon=

(1)

代入條件,得拋物面焦距F近似數(shù)值為0.342m.已知初始溫度為14.1℃；水體積0.7L.所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2，曲線關(guān)系如圖5所示.

表2　加熱器溫度與時(shí)間關(guān)系

圖5　加熱器溫度與時(shí)間關(guān)系

86.2℃

(2)

m=Vρ=0.7kg

(3)

Q=c水mΔt

已知水的比熱容c=4 186J/(kg·℃)，將式(2)、(3)代入上式得

Q=252 583J

(4)

(5)

最后得到的功率是110W.而蒸餾水平均一個(gè)小時(shí)內(nèi)有200mL的出水量.如果算一天內(nèi)有8個(gè)小時(shí)的日照時(shí)間，就有1 600mL的淡水，基本滿足一個(gè)人一天的基本求生的水需求，同時(shí)在保溫箱中的熱水，也有60℃的溫度完全可以保證單人的保暖需求，此外，還有電力資源可以使用.

3　結(jié)論

這是一種新型的海上救援船的救援與維持系統(tǒng)，它解決了很多海上求生的難題，雖然有很多問題有待繼續(xù)研究，但是已經(jīng)具備了一定的能力來維持海上的基本生存需求，并且它的溫差發(fā)電功能可以比較高效地利用太陽(yáng)能，為求生帶來希望.21世紀(jì)是能源的世紀(jì)，聚光太陽(yáng)能一定會(huì)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，而光熱與光電的互補(bǔ)混合系統(tǒng)是一個(gè)值得期待的技術(shù)方向！

1張民幸.槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)熱性能研究:[學(xué)位論文]. 北京：華北電力大學(xué),2012.1～35

2熊玉學(xué),劉慶照.計(jì)算拋物線及橢圓弧長(zhǎng)的近似公式. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1991(4): 1～16

3高文娟, 陳曉夫. 聚光式太陽(yáng)灶光效率特性分析. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 1988, 4(4): 53～61

4HankPrice,EckhardLupfert,DavidKearney,etal.AdvancesinParabolicTroughSolarPowerTechnology.JournalofSolarEnergyEngineering, 2002, 124:109～125

張敏(1992-)，女，在讀本科生． 指導(dǎo)教師：陳東生(1978-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與研究等．

2015-12-23)

④上海市大學(xué)生科研創(chuàng)新、國(guó)家大學(xué)生科研創(chuàng)新基金資助.