聚能式多效太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)性能研究*

李吉淑， 季旭， 張海麟， 張?jiān)姡?于博文， 閆磊磊

(1.云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

隨著能源和淡水資源短缺的日益加劇，可再生能源的利用在世界范圍受到廣泛關(guān)注.淡水資源只占全球水資源的3%，其中地表水只有0.3%，人口的不斷增長(zhǎng)和資源的分布不均使得越來(lái)越多的地區(qū)面臨淡水資源短缺的問(wèn)題[1-2].太陽(yáng)能資源分布廣泛且利用方便，海水淡化技術(shù)被認(rèn)為是解決淡水資源短缺的可行辦法，對(duì)可再生能源利用的關(guān)注和淡水資源的短缺推動(dòng)了太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)的快速發(fā)展[3-4].

太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)有產(chǎn)水成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和操作方便等特點(diǎn)，其中太陽(yáng)能熱法蒸餾海水淡化技術(shù)被認(rèn)為具有較大的發(fā)展?jié)摿5-6].在被動(dòng)式太陽(yáng)能熱法蒸餾中，原水水量大熱容量大，一部分能量需用于海水預(yù)熱，導(dǎo)致用于蒸發(fā)的熱量變少；且當(dāng)蒸汽凝結(jié)時(shí)，換熱效率低凝結(jié)不及時(shí)，蒸汽潛熱沒(méi)有得到再利用；此外太陽(yáng)輻射能流密度低，海水只能被加熱到蒸發(fā)，而難以實(shí)現(xiàn)高效的沸騰蒸發(fā)，導(dǎo)致海水淡化效率和能量利用率低[7-9].因此本文設(shè)計(jì)了一種聚能式[10-12]多效太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)，利用低倍聚光集熱器和聚能平板集熱器提升太陽(yáng)輻射能流密度以提高流體溫度，同時(shí)增加蒸汽凝結(jié)效數(shù)以提高能量利用效率.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

如圖1所示，聚能式多效太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)由低倍聚光太陽(yáng)能集熱器、太陽(yáng)能聚熱平板、原水儲(chǔ)水箱、導(dǎo)熱油箱、蒸餾室、蒸發(fā)器、冷凝器和油泵組成.系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，低倍聚光太陽(yáng)能集熱器和太陽(yáng)能聚熱平板收集并匯聚太陽(yáng)輻射能，將原水加熱沸騰，達(dá)到淡化海水的目的.

圖1 聚能式多效太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)原理圖

太陽(yáng)輻射能加熱低倍聚光器通道中的導(dǎo)熱油工質(zhì)，導(dǎo)熱油工質(zhì)在集熱器內(nèi)循環(huán)的過(guò)程中不斷升溫，通過(guò)首效蒸餾室底部的換熱盤(pán)管將熱量傳遞給蒸餾室內(nèi)部的海水，蒸餾室內(nèi)的海水逐漸升溫直至沸騰，產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)排氣管到第二效蒸發(fā)器.第二效蒸發(fā)器管內(nèi)的熱蒸汽與管外的低溫度海水換熱冷凝且釋放冷凝潛熱，第二效蒸發(fā)器外的海水在冷凝潛熱的作用下被加熱，溫度持續(xù)升高，開(kāi)始產(chǎn)生蒸汽，蒸汽又流向下一個(gè)冷凝器冷凝為淡水，同時(shí)溫度升高的海水還流向太陽(yáng)能聚熱平板的金屬蒸汽發(fā)生管，集熱板吸收的太陽(yáng)輻射能量使得金屬蒸汽管里的海水蒸發(fā)，蒸汽流向冷凝器冷凝為淡水.最后冷凝箱管外的水在吸收冷凝潛熱之后通過(guò)原水水箱的換熱盤(pán)管進(jìn)行換熱，對(duì)原水進(jìn)行預(yù)熱.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

表1 系統(tǒng)組件參數(shù)表

2 結(jié)果分析

在某典型冬季晴朗天氣下，系統(tǒng)接收到的最大太陽(yáng)輻射為1 364 W/m2，平均868.64 W/m2，太陽(yáng)輻照度在10：10到14：30之間都保持在800 W/m2以上，太陽(yáng)輻照度整體比較平穩(wěn)(如圖2).

圖2 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度

圖3為冬季晴朗天氣條件下每半小時(shí)的淡水產(chǎn)量和日累計(jì)量.在10：00系統(tǒng)開(kāi)啟運(yùn)行并且不斷吸收熱量來(lái)預(yù)熱整個(gè)系統(tǒng)，直到11：30～12：00之間才開(kāi)始有淡水產(chǎn)出；隨著熱量的累積，產(chǎn)淡水速率不斷升高，在13：00到13：30之間達(dá)到了產(chǎn)水速率的峰值68.33 mL/min；在13：00～15：30期間，產(chǎn)水速率均能保持在35 mL/min以上，15:00以后，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸下降，系統(tǒng)每半小時(shí)的淡水產(chǎn)量也逐漸下降.全天累計(jì)淡水產(chǎn)量為10.79 L，平均產(chǎn)水速率為25.6 mL/min，計(jì)算得系統(tǒng)集熱效率最高能達(dá)到35%.

圖3 冬季晴朗天氣下每半小時(shí)淡水產(chǎn)量和累計(jì)淡水產(chǎn)量

3 結(jié)語(yǔ)

提出了一種聚能式多效太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng).通過(guò)太陽(yáng)輻射給系統(tǒng)提供熱量，利用太陽(yáng)輻射能量加熱海水直至蒸發(fā)沸騰，冷凝后產(chǎn)出淡水，同時(shí)系統(tǒng)為多效結(jié)構(gòu)，充分利用蒸汽冷凝潛熱以提高能量利用效率.冬季晴朗天氣實(shí)驗(yàn)中，聚能式多效太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)從11:30～12：00開(kāi)始產(chǎn)水，直至16：30停止產(chǎn)水，整天產(chǎn)水10.79 L，平均淡水產(chǎn)量為25.6 mL/min，系統(tǒng)集熱效率最高達(dá)到35%.