一種聚光光伏-光熱耦合海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

常州大學(xué)石油工程學(xué)院 ■ 楊潔 馮浩 袁杰 徐賢 王華亮 陸莉鋆 陳海飛

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類對(duì)各種自然資源的需求不斷加大，淡水資源的短缺已成為制約我國(guó)沿海地區(qū)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”，政府不得不依靠開(kāi)采地下水和遠(yuǎn)距離調(diào)水來(lái)滿足這些地區(qū)的生產(chǎn)、生活用水需求。然而，這種獲得淡水的途徑并不妥當(dāng)，比如，上海、天津等沿海城市均出現(xiàn)過(guò)因大量開(kāi)采地下水而導(dǎo)致地面塌陷的惡性事件；另外，調(diào)水工程引起了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，而且消耗了大量的人力和財(cái)力。因此，合理開(kāi)發(fā)就近的海水資源是徹底解決我國(guó)沿海地區(qū)淡水資源短缺的唯一出路，而相關(guān)的海水淡化技術(shù)革新是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

作為清潔能源的利用，太陽(yáng)能耦合海水淡化技術(shù)的研究受到了國(guó)內(nèi)外各地，尤其是淡水缺乏地區(qū)的強(qiáng)烈關(guān)注[1-4]。目前，雖然太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)20%，但規(guī)?；a(chǎn)后其發(fā)電效率仍較低[5]，若僅利用光伏發(fā)電勢(shì)必導(dǎo)致海水淡化系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率低，影響系統(tǒng)性能。同時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)在將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程中，太陽(yáng)電池的溫度會(huì)升高，從而使系統(tǒng)的發(fā)電效率下降。單位面積太陽(yáng)電池在聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)中接收的太陽(yáng)輻射是其在非聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)中的數(shù)十倍乃至上百倍，而由太陽(yáng)電池溫升引起的系統(tǒng)效率下降和太陽(yáng)電池老化問(wèn)題也會(huì)更加嚴(yán)重[6]。因此，合理匹配槽式拋物面聚光器的聚光倍數(shù)和提高發(fā)電效率是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?，F(xiàn)階段，聚光光伏-光熱系統(tǒng)的研究已取得多項(xiàng)進(jìn)展，尤其是使用載熱劑吸收太陽(yáng)電池的熱量，實(shí)現(xiàn)了光伏、光熱的雙重利用，能顯著提高系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用效率[7]。由于目前大多數(shù)海水淡化技術(shù)存在消耗常規(guī)能源且產(chǎn)生大量污染的問(wèn)題[8]，因此，采用光伏、光熱相結(jié)合的海水淡化技術(shù)正不斷取得新進(jìn)展。

本文提出了一種聚光光伏-光熱(C-PV/T)耦合海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，并得出了光伏-光熱轉(zhuǎn)換綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，以及淡水產(chǎn)量與海水出口溫度的關(guān)系。

1 C-PV/T耦合海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

現(xiàn)有的海水淡化方法眾多[9]，本文提出的C-PV/T 耦合海水淡化系統(tǒng)是將常規(guī)閃蒸與多效蒸發(fā)兩種方式相結(jié)合，充分利用太陽(yáng)能，以提高淡水產(chǎn)量和系統(tǒng)總效率。該系統(tǒng)利用槽式拋物面聚光器將太陽(yáng)光匯聚于帶狀集熱板和光伏組件上進(jìn)行集熱、發(fā)電，其設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

圖1 C-PV/T 耦合海水淡化系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)原理分為兩部分，產(chǎn)熱發(fā)電流程和海水淡化流程。

1)產(chǎn)熱發(fā)電流程。采用槽式拋物面聚光器將太陽(yáng)光匯聚于帶狀集熱板上，用于加熱通過(guò)海水抽水泵、預(yù)熱水箱和循環(huán)水泵后流經(jīng)集熱板上的海水；集熱板靠近槽式拋物面聚光器的那側(cè)敷設(shè)光伏組件用于發(fā)電，產(chǎn)生的直流電經(jīng)太陽(yáng)能控制器逆變穩(wěn)壓處理后提供給各個(gè)用電設(shè)備，包括各種動(dòng)力部件和傳感器。在海水淡化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，海水在集熱板下流動(dòng)帶走光伏組件表面的熱量，可防止光伏組件由于溫度過(guò)高產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換效率降低和太陽(yáng)電池老化的問(wèn)題。

2)海水淡化流程。海水由海水抽水泵抽入預(yù)熱水箱中進(jìn)行海水預(yù)熱；當(dāng)海水溫度達(dá)到設(shè)定值后，由循環(huán)水泵泵入集熱板；集熱板將海水加熱到設(shè)定的海水出口溫度值后，集熱板出口閥門打開(kāi)，高溫海水流入閃蒸室；再由真空泵對(duì)閃蒸室抽真空，高溫海水在閃蒸室壓力突然降低時(shí)產(chǎn)生一次蒸汽，蒸汽經(jīng)蒸汽管道進(jìn)入蒸發(fā)器換熱管內(nèi)，并與蒸發(fā)器換熱管外的海水發(fā)生間壁換熱；然后蒸汽在蒸發(fā)器管內(nèi)冷凝成液態(tài)淡水，經(jīng)管道流入淡水箱；蒸發(fā)器殼側(cè)的海水吸收蒸汽冷凝潛熱；同時(shí)真空泵對(duì)蒸發(fā)器抽真空，高溫海水蒸發(fā)產(chǎn)生二次蒸汽；二次蒸汽進(jìn)入冷凝器換熱管內(nèi)，被殼側(cè)冷卻水冷凝為液態(tài)，再經(jīng)管道與蒸發(fā)器內(nèi)流出的液態(tài)淡水匯合流入淡水箱。

2 理論計(jì)算分析

2.1 光伏組件吸收的總能Qs

由于一天之中的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在逐時(shí)變化，為了獲得直觀的分析數(shù)據(jù)，將太陽(yáng)輻射強(qiáng)度用平均值代替[10]。則光伏組件吸收的總能Qs可表示為：

式中，C為聚光器的聚光倍數(shù)；I0為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；S0為光伏組件的面積，m2。

Qs轉(zhuǎn)化成其他能量，可表示為：

式中，Q為海水得熱量，W；E為光伏組件發(fā)電功率，W；Qa為光伏組件通過(guò)各種方式發(fā)散到周圍環(huán)境的熱損失，W，約為25%。

Qa可表示為：

式中，k為光伏組件與周圍空氣的總傳熱系數(shù)，W·(m·K)-1；Tp為光伏組件表面溫度，℃；Ta為空氣溫度，℃。

2.2 光伏組件發(fā)電功率E

目前太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)20%，但是實(shí)際運(yùn)行中，由于內(nèi)外因素的作用，太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率往往達(dá)不到實(shí)驗(yàn)值；并且光電轉(zhuǎn)換效率與光伏組件表面溫度有很大關(guān)系，組件表面溫度每升高 1 ℃，其光電轉(zhuǎn)換效率將減少原來(lái)的4.2%左右[11]。

光伏組件的發(fā)電功率E可表示為[12]：

式中，ηt為空氣溫度為25 ℃時(shí)的光電轉(zhuǎn)換效率；β為溫度系數(shù)，%。

2.3 海水得熱量Q和海水出口溫度T1

研究表明，光伏-光熱系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到60%以上[13]，本文取60%作為計(jì)算值，海水得熱量Q可表示為：

式中，ηh為系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率，%。

當(dāng)聚光器的聚光倍數(shù)和光伏組件面積一定時(shí)，光伏組件背面的海水流量將對(duì)海水出口溫度有顯著影響。海水出口溫度T1的計(jì)算式為：

式中，c為海水比熱容，J·(kg·℃)-1；m為海水流量，kg·s-1；T2為海水進(jìn)口溫度，℃。

2.4 日產(chǎn)水量Me

日產(chǎn)水量是表征海水淡化系統(tǒng)效率的重要參數(shù)。海水出口溫度對(duì)閃蒸室和蒸發(fā)器內(nèi)蒸汽的產(chǎn)量影響很大，當(dāng)閃蒸壓力和蒸發(fā)壓力一定時(shí)，日產(chǎn)水量Me可表示為：

式中，Ts為閃蒸溫度，℃；Δt為海水沸點(diǎn)較同壓力下純水沸點(diǎn)的升高值，℃；hg(Ts)為閃蒸溫度Ts下的蒸汽焓，J·kg-1；γ(TS)為閃蒸溫度Ts下的汽化潛熱，J·kg-1；Tz為蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度，℃；hg(Tz)為蒸發(fā)溫度Tz下的蒸汽焓，J·kg-1；ds為閃蒸室產(chǎn)生的蒸汽量，kg·d-1。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 聚光倍數(shù)與海水得熱量的關(guān)系

當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度I0為700 W/m2、光伏組件面積S0為5 m2、光熱轉(zhuǎn)換效率ηh 為60%時(shí)，海水得熱量Q與聚光倍數(shù)C的關(guān)系如圖2所示。

圖2 聚光倍數(shù)C 與海水得熱量Q 的關(guān)系

由圖2可知，聚光倍數(shù)升高可使海水得熱量增加，聚光倍數(shù)為45 倍時(shí)，海水得熱量達(dá)到83.5 kW；但當(dāng)聚光倍數(shù)升高到45 倍以上時(shí)，由于熱損失增加，使海水得熱量增幅減小。同時(shí)，光伏組件表面溫度升高也會(huì)使光電轉(zhuǎn)換效率下降，因此，聚光倍數(shù)不宜過(guò)大。

3.2 光伏組件表面溫度對(duì)發(fā)電量的影響

當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度I0為700 W/m2、光伏組件面積S0為5 m2、溫度系數(shù)β為0.5%時(shí)，不同聚光倍數(shù)C下光伏組件表面溫度Tp與發(fā)電功率E之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同聚光倍數(shù)C 下光伏組件表面溫度Tp 與發(fā)電功率E 之間的關(guān)系

由圖3可知，隨著光伏組件表面溫度上升，光電轉(zhuǎn)換效率下降，使得發(fā)電功率下降；在組件表面溫度相同時(shí)，聚光倍數(shù)越高，組件發(fā)電功率越高。但為了延長(zhǎng)光伏組件的壽命和提高光電轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)控制聚光倍數(shù)不宜過(guò)大，40 倍左右為佳。在聚光倍數(shù)為40 倍、光伏組件表面溫度為80 ℃時(shí)，發(fā)電功率達(dá)到15.3 kW。

3.3 海水流量對(duì)海水出口溫度的影響

當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度I0為700 W/m2、光伏組件面積S0為5 m2時(shí)，不同聚光倍數(shù)C下海水流量與海水出口溫度T1的關(guān)系如圖4所示。

圖4 聚光倍數(shù)為40 倍時(shí)海水流量m 與海水出口溫度T1 的關(guān)系

從圖4可以看出，海水出口溫度隨海水流量增大而急劇減小。海水流量的變化顯著影響海水出口溫度，而海水出口溫度又與日產(chǎn)水量相關(guān)，在保證必要的海水出口溫度且海水流量適中的前提下，本文以聚光倍數(shù)40 倍、海水流量0.40 kg·s-1為典型工況，此時(shí)海水出口溫度為78℃。

3.4 影響日產(chǎn)水量的因素

當(dāng)閃蒸壓力為0.010 MPa、蒸發(fā)壓力為0.005 MPa 時(shí)，日產(chǎn)水量Me與海水出口溫度T1的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可以看出，在海水出口溫度為78 ℃時(shí)，系統(tǒng)日產(chǎn)水量達(dá)到63 kg·d-1；當(dāng)海水出口溫度高于78 ℃后，系統(tǒng)日產(chǎn)水量增加幅度不明顯。由于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，海水溫度過(guò)高易導(dǎo)致設(shè)備壁面結(jié)垢，因此，應(yīng)將海水出口溫度控制在一定范圍內(nèi)。

圖5 海水出口溫度T1 對(duì)日產(chǎn)水量Me 影響

4 結(jié)論

1)聚光倍數(shù)升高可使海水得熱量增加，但是45 倍以上時(shí)，由于熱損失增加，海水得熱量的增幅減??；并且聚光倍數(shù)越高組件表面溫度也越高，會(huì)對(duì)組件壽命造成影響，因此，聚光倍數(shù)不宜過(guò)大。2)當(dāng)海水出口溫度高于78 ℃后，日產(chǎn)水量增幅減緩，且生產(chǎn)過(guò)程中海水溫度過(guò)高易導(dǎo)致設(shè)備壁面結(jié)垢，增大傳熱熱阻，因此，海水出口溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)。3)海水出口溫度隨海水流量的增大而急劇減小。綜上所述，當(dāng)聚光倍數(shù)為40 倍、海水流量為0.40 kg·s-1、海水出口溫度為78 ℃時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)水量高。