基于光伏發(fā)電的膜法苦咸水淡化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

黃佳勝，徐 政*，劉柯妤，陳銳堅

(1.清華大學深圳國際研究生院電力系統(tǒng)國家重點實驗室深圳研究室，深圳 518055；2.深圳天源新能源股份有限公司，深圳 518055)

0 引言

苦咸水淡化是解決中國西北內(nèi)陸和東部沿海等部分地區(qū)淡水供應問題的有效途徑，而膜法淡化技術(shù)是利用具有選擇透過性的膜將鹽分及雜質(zhì)分離出來，獲取淡水。該技術(shù)具有設(shè)備簡單、易于自動化操作、能量消耗低、產(chǎn)水水質(zhì)好的特點。為了在偏遠、缺電地區(qū)推廣該技術(shù)，近年來將膜法淡化設(shè)備與新能源發(fā)電技術(shù)相結(jié)合的研究得到了越來越多的關(guān)注。

對于膜法淡化技術(shù)中膜的選擇，反滲透膜和納濾膜已得到較為廣泛的應用[1-3]。這2種膜都是利用壓力驅(qū)動水分子來透過膜的分離技術(shù)，但機理和性能有所差別。

反滲透膜采用芳香族聚酰胺材料，除鹽率高且穩(wěn)定，因此其與新能源發(fā)電技術(shù)相結(jié)合的研究均以系統(tǒng)控制和性能為重點。文獻[4]分析了利用風電、光伏發(fā)電、電網(wǎng)互補供電進行反滲透苦咸水淡化的可行性和優(yōu)勢，但采用該方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復雜、成本過高；文獻[5-6]設(shè)計了一種利用光伏發(fā)電的反滲透(下文簡稱為“光伏反滲透”)苦咸水淡化實驗系統(tǒng)，分別研究氣候條件和儲能對系統(tǒng)性能的影響；文獻[7]開發(fā)了全自動智能控制的光伏反滲透苦咸水淡化系統(tǒng)樣機，并通過模擬鹽溶液驗證了樣機的性能。

納濾膜的優(yōu)勢是操作壓力和能耗低，但離子的截留效果受離子種類及離子半徑的影響，除鹽率比反滲透膜的低，因此相關(guān)研究更關(guān)注淡化效果。文獻[8]開展了利用光伏發(fā)電的納濾苦咸水淡化系統(tǒng)實驗研究，結(jié)果表明，常規(guī)納濾膜單級過濾只能有效處理總?cè)芙夤腆w(total dissolved solids，TDS)低于5000 mg/L的低鹽度苦咸水；文獻[9-10]對納濾膜的負截留現(xiàn)象及其影響因素開展了研究，指出了其應用的局限性；文獻[11]通過模擬鹽溶液，利用實驗評估了國產(chǎn)納濾膜VNF2對中鹽度苦咸水的淡化效果，為實際應用提供了良好的備選方案。

本文以利用光伏發(fā)電的膜法苦咸水淡化系統(tǒng)為研究對象，基于已開發(fā)的光伏反滲透苦咸水淡化系統(tǒng)搭建膜法苦咸水淡化實驗系統(tǒng)，針對寧夏回族自治區(qū)清水河下游的中鹽度苦咸水(TDS＞6000 mg/L)，通過該系統(tǒng)對其分別采用反滲透膜與納濾膜時的淡化效果及運行特性進行對比分析，對設(shè)備選型和系統(tǒng)的控制策略進行優(yōu)化，并分析了系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。

1 膜法苦咸水淡化系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

膜法苦咸水淡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖與實物圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 膜法苦咸水淡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of membrane brackish water desalination system

圖2 膜法苦咸水淡化系統(tǒng)的實物圖Fig. 2 Photos of membrane brackish water desalination system

圖1中，膜法苦咸水淡化系統(tǒng)的運行過程包括提水、過濾和除鹽這3個環(huán)節(jié)。過濾(預處理)采用三級過濾(砂濾、碳濾和保安過濾)。除鹽處理采用單級加壓方式，裝置由3支FRP材質(zhì)的壓力容器串聯(lián)而成；內(nèi)部可安裝規(guī)格為4040的膜組件，膜可選用美國陶氏集團生產(chǎn)的反滲透膜BW30、美國陶氏集團生產(chǎn)的納濾膜NF270或時代沃頓科技有限公司生產(chǎn)的納濾膜VNF2，從而可分別構(gòu)成反滲透苦咸水淡化系統(tǒng)(下文簡稱為“反滲透系統(tǒng)”)和納濾苦咸水淡化系統(tǒng)(下文簡稱為“納濾系統(tǒng)”)。

循環(huán)驅(qū)動部分包括提水泵、沖洗泵和增壓泵。提水泵與沖洗泵均采用額定功率550 W、揚程30 m、流量2 m3/h的離心泵。由于反滲透系統(tǒng)與納濾系統(tǒng)所需要的操作壓力不同，因此選用不同揚程的增壓泵。其中：反滲透系統(tǒng)選用26級離心泵P1，額定功率為3 kW、揚程為200 m、流量為2 m3/h；納濾系統(tǒng)選用13級離心泵P2，額定功率為1.5 kW、揚程為98 m、流量為2 m3/h。

智能控制部分包括智能控制器、過濾器多路電動閥、多個管路控制與調(diào)壓閥、壓力和液位傳感器、原水和產(chǎn)水電導率傳感器等，以及淡水沖洗水箱和淡水儲水箱等配件。智能控制器的實物圖如圖3所示。

圖3 智能控制器實物圖Fig. 3 Photo of intelligent controller

1.2 膜的性能實驗

對膜的除鹽特性進行測試，實驗原水為從寧夏回族自治區(qū)清水河下游長山頭水質(zhì)監(jiān)測斷面采集到的河水，由于其泥沙含量大，需先進行沉淀處理，然后向?qū)嶒炏到y(tǒng)注入約350 L。實驗過程中，濃水和淡水均排回原水水箱，混合后循環(huán)使用。

提水泵與增壓泵全速運行，通過手動調(diào)壓閥設(shè)定操作壓力，反滲透膜BW30、納濾膜NF270和納濾膜VNF2對應的操作壓力分別為1.5、0.8和0.9 MPa。電導率表顯示，原水的電導率為7.0～7.4 mS/cm，分別采用上述3種膜的苦咸水淡化系統(tǒng)的產(chǎn)水電導率為86、3540和448 μS/cm。膜的淡化效果取決于其對原水中離子的截留率r0，可表示為：

式中：c1、c2分別為原水和產(chǎn)水中的離子濃度。

委托環(huán)境檢測中心對上述實驗中的原水和產(chǎn)水的主要離子濃度進行檢測，由此得到3種膜的離子截留率，結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出：原水的離子濃度較高，根據(jù)GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》，原水的氯化物與硫酸鹽均嚴重超標(標準限值均為≤250 mg/L)，TDS=6050 mg/L，為中鹽度苦咸水。反滲透膜BW30對所有離子都保持了很高的截留率，產(chǎn)水的TDS僅為60 mg/L，遠低于上述國標中TDS≤1000 mg/L的指標；納濾膜NF270僅對2價離子有較高的截留率，而對1價離子的截留率普遍低于50%，對Cl-還出現(xiàn)了負截留率現(xiàn)象，產(chǎn)水的TDS高達2110 mg/L，甚至超過了GB 5084—2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》中針對鹽堿土地區(qū)的TDS≤2000 mg/L的指標；納濾膜VNF2對Cl-的截留率(86%)比反滲透膜BW30對該離子的截留率略低，但其對其他離子的截留率均很高，產(chǎn)水的TDS僅為295 mg/L，滿足GB 5749—2006的要求。

表1 離子濃度與離子截留率檢測結(jié)果Table 1 Test results of ion concentration and ion rejection rate

綜上可知，納濾膜的選型對苦咸水淡化效果的影響較大，但納濾膜NF270需要采用多級加壓淡化處理才有可能滿足相關(guān)國標的要求，這將大幅增加系統(tǒng)的能耗和控制復雜度。因此，本文只針對僅需單級加壓淡化處理的反滲透膜BW30和納濾膜VNF2進行進一步分析與系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

1.3 系統(tǒng)特性實驗

當膜法苦咸水淡化系統(tǒng)采用光伏供電時，其運行狀態(tài)取決于光照條件，需要配備具有最大功率點跟蹤(MPPT)功能的專用逆變控制器，以此調(diào)節(jié)增壓泵的轉(zhuǎn)速，從而導致產(chǎn)水流量和淡化效果變化。為了確定膜法苦咸水淡化系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計及設(shè)備規(guī)格，需要通過實驗確認增壓泵以不同轉(zhuǎn)速運行時的系統(tǒng)特性。

實驗條件為：提水泵保持全速運行，增壓泵調(diào)頻運行，利用循環(huán)冷水機等設(shè)備將系統(tǒng)內(nèi)的水溫保持在25 ℃左右；4種調(diào)壓閥開度設(shè)定為RO1.7、RO1.5、NF1.2和NF1.0，其中，RO1.7和RO1.5分別表示離心泵P1全速運行時反滲透系統(tǒng)的操作壓力為1.7和1.5 MPa；NF1.2和NF1.0分別表示離心泵P2全速運行時納濾系統(tǒng)的操作壓力為1.2和1.0 MPa。在上述實驗條件下得到反滲透系統(tǒng)與納濾系統(tǒng)的運行特性如圖4所示。

從圖4中可以看出：

1)圖4a中，增壓泵的轉(zhuǎn)速與輸入電壓頻率f成正比，f在20～50 Hz之間時，系統(tǒng)能夠有效制水，反滲透系統(tǒng)和納濾系統(tǒng)的總功耗P均隨f呈非線性上升趨勢，但各自基本不受調(diào)壓閥開度的影響，分別在0.5～3.0 kW和0.4～1.8 kW之間。

圖4 2種系統(tǒng)的的運行特性Fig. 4 Operating characteristics of two kinds of systems

2)根據(jù)膜的特性和使用條件，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥開度，設(shè)定系統(tǒng)安全高效的最高操作壓力。圖4b中，在調(diào)壓閥開度固定的情況下，操作壓力Pm隨增壓泵轉(zhuǎn)速的降低而降低，反滲透系統(tǒng)的Pm變化幅度相對較大；調(diào)壓閥開度越小，Pm隨增壓泵轉(zhuǎn)速而變化的趨勢越明顯。

3)圖4c中，苦咸水淡化系統(tǒng)的產(chǎn)水流量Q與增壓泵的轉(zhuǎn)速基本呈線性正相關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，Q值越大；對于同種膜，Pm值越高，Q值越大，其中，RO1.7和RO1.5對應的Q值分別為0.19～0.95和 0.16～0.88 m3/h，NF1.2和NF1.0對應的Q值分別為0.25～1.04和 0.21～0.96 m3/h。

4)圖4d中，NF1.2和NF1.0對應的噸水能耗E低于RO1.7和RO1.5對應的E，表明納濾系統(tǒng)效率更高，而適當減小調(diào)壓閥開度、提高操作壓力，可減小E。隨著增壓泵轉(zhuǎn)速的降低，E呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢；RO1.7和RO1.5對應的E值分別為2.35～3.11和 2.68～3.43 kWh/m3，NF1.2和NF1.0對應的E值分別為1.36～1.67和 1.66～ 2.24 kWh/m3。

5)圖4e中，隨著增壓泵轉(zhuǎn)速的降低，反滲透系統(tǒng)和納濾系統(tǒng)的產(chǎn)水電導率σ均增高，表明淡化效果變差，但調(diào)壓閥開度對各系統(tǒng)σ的影響不明顯。雖然納濾系統(tǒng)的σ(560～1320 μS/cm)遠高于反滲透系統(tǒng)的σ(85～300 μS/cm)，根據(jù)電導率與TDS的近似換算關(guān)系，納濾系統(tǒng)的產(chǎn)水TDS約為300～700 mg/L，滿足GB 5749—2006的要求。

2 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 膜組件的優(yōu)化選型

在苦咸水淡化處理的實際應用中，由于傳統(tǒng)的納濾膜(納濾膜NF270)對低價態(tài)離子的截留率低且產(chǎn)水鹽度難以滿足要求，因此尚未被廣泛認可和應用，而反滲透膜是常用技術(shù)之一。本文選用的新型納濾膜VNF2對1價離子Na+、K+、Cl-和 HCO3-均具有很高的截留率，盡管其產(chǎn)水鹽度高于反滲透淡化技術(shù)，但仍能滿足國家相關(guān)標準的要求，且能耗大幅下降。因此，可根據(jù)產(chǎn)水用途選用合適的膜組件。對于普通生活用水需求，可選用能耗低的納濾膜VNF2；而對于TDS≤300 mg/L的用水需求，可選用反滲透膜。

2.2 光伏陣列的優(yōu)化配置

當膜法苦咸水淡化系統(tǒng)的膜組件配套方案確定后，系統(tǒng)的產(chǎn)水能力就取決于光伏陣列的供電能力。光伏陣列的最大輸出功率PPVmax與光伏陣列接收的太陽輻照度基本成正比。PPVmax的全天變化規(guī)律可近似表示為：

式中：Hd為光伏陣列傾斜面上接收的年平均日太陽總輻照量，kWh/m2；Pmp為光伏陣列標稱峰值功率，kWp；KPV為光伏陣列的綜合修正系數(shù)，該參數(shù)受光伏陣列朝向、光伏組件工作溫度、光伏陣列回路和光伏組件表面污漬等的影響；θ為修正時角，rad，正午12:00時，θ=0，θ從-π/2到π/2的時間長度隨季節(jié)而變，該時間長度本文取10 h。

當膜法苦咸水淡化系統(tǒng)的有效運行功率在最小運行功率Pmin(即Q值接近零時的運行功率)和最大運行功率Pmax(即增壓泵全速運行時的運行功率)之間時，光伏陣列的實際有效輸出功率PPV可表示為：

將膜法苦咸水淡化系統(tǒng)配套的光伏陣列的Pmp與Pmax之比定義為光伏配置系數(shù)m，可表示為：

則由式(2)～(4)可得：

式中：θ0為膜法苦咸水淡化系統(tǒng)開始有效運行時對應的時角；θ1為增壓泵開始全速運行時對應的時角。

以本文搭建的實驗系統(tǒng)為例，其采用反滲透膜BW30時，反滲透系統(tǒng)(RO1.7)的Pmin=0.53 kW、Pmax=2.98 kW；采用納濾膜VNF2時，納濾系統(tǒng)(NF1.2)的Pmin=0.42 kW、Pmax=1.68 kW。2種系統(tǒng)的P與Q的實測結(jié)果如圖5所示。

圖5 2種系統(tǒng)的P與Q的實測結(jié)果Fig. 5 Measured results of P and Q of two kinds of systems

當2種系統(tǒng)由光伏供電時，P=PPV，通過圖5可分別得到反滲透系統(tǒng)產(chǎn)水流量QRO與納濾系統(tǒng)產(chǎn)水流量QNF的擬合公式，即：

設(shè)Hd=5.5 kWh/m2，KPV=0.9，根據(jù)式(2)、式(5)、式(8)～式(9)，通過積分計算可得到反滲透系統(tǒng)和納濾系統(tǒng)的日產(chǎn)水能力Qd與m的關(guān)系，如圖6a所示。由此可見，加大光伏陣列容量能夠提高系統(tǒng)的產(chǎn)水能力，但受系統(tǒng)有效運行功率的限制，產(chǎn)水能力的增幅逐漸變小，而光伏陣列的棄光率ξ會逐漸增高。ξ的計算式可表示為：

m與ξ的關(guān)系如圖6b所示，由圖可知：m≈1.2時，ξ的值最低。

圖6 m對Qd和ξ的影響Fig. 6 Influence of m on Qd and ξ

從淡化制水成本的角度進行分析。根據(jù)本膜法苦咸水淡化系統(tǒng)的訂制價格，估計批量生產(chǎn)時其市場價格約為60000元，平均每年的運行維護(濾膜與濾芯的定期更換、易損件維修等)費用約為1500元，配套光伏陣列的價格約為3000元kWp，以該系統(tǒng)的使用壽命為15年計算，則其噸水淡化制水成本C為：

雖然光伏陣列成本在總成本中的占比較小，但增大光伏陣列容量能夠提高淡化系統(tǒng)的利用率，從而降低淡化制水成本。m對反滲透系統(tǒng)和納濾系統(tǒng)的C的影響如圖7所示。

圖7 m對C的影響Fig. 7 Influence of m on C

綜上可知，優(yōu)化目標不同，得到的結(jié)果也存在差異。本文分別以ξ值最小和C值最低為優(yōu)化目標得到設(shè)計結(jié)果，如表2所示，其中，綜合值是指綜合各種影響因素后得到的值。在實際應用中，需要綜合考慮膜法苦咸水淡化系統(tǒng)的日產(chǎn)水能力、光伏陣列的利用率和安裝空間，以及初期投資成本等因素，優(yōu)化配套光伏陣列的容量，本文推薦m≈1.8。

表2 膜法苦咸水淡化系統(tǒng)在不同優(yōu)化目標下的結(jié)果Table 2 Results of membrane brackish water desalination system under different optimization objectives

2.3 儲能單元的配套設(shè)計

單從技術(shù)的角度來看，配套使用儲能單元能夠抑制太陽輻照度變化對光伏膜法苦咸水淡化系統(tǒng)運行特性的不良影響，提高系統(tǒng)和光伏陣列的利用率。但是，由于蓄電池的成本較高，其經(jīng)濟性有待進一步分析與比較。

以納濾系統(tǒng)為例，根據(jù)表2所示的優(yōu)化結(jié)果，為了實現(xiàn)制水成本最低，配套的光伏陣列Pmp=4.7 kWP(m=2.8)，根據(jù)日產(chǎn)水量換算得到系統(tǒng)平均每天的等效全速運行時間僅為8.5 h，而棄光率高達38.9%，高成本的淡化設(shè)備和大容量的光伏陣列均未得到充分利用。而且根據(jù)上文的結(jié)論可知，隨著增壓泵轉(zhuǎn)速降低，系統(tǒng)的σ由 560 μS/cm 增至 1320 μS/cm，淡化效果明顯變差。若要利用蓄電池的充放電來保證光伏陣列全額發(fā)電并支撐系統(tǒng)一天全速運行12 h，則根據(jù)式(2)可計算得到Pmp=4.3 kWp(m=2.56)，對應的光伏陣列平均日發(fā)電量約為21.3 kWh，Qd可由8.8 m3增至12.5 m3，并保證高除鹽率。

蓄電池與光伏陣列的具體工作過程為：

1) 06:00～07:00、17:00～18:00時：PPV= 0，由蓄電池單獨供電，放電量約為3.4 kWh。

2) 07:00～08:45、15:15～17:00 時：0 ＜PPV＜Pmax，由蓄電池和光伏陣列同時供電，放電量約為2.9 kWh。

3) 8:45～15:15時：PPV≥Pmax，由光伏陣列單獨供電，并向蓄電池充電，最大充電功率約為1.6 kW，充電量約為6.8 kWh。

假設(shè)蓄電池采用鋰電池，其充放電深度為90%，循環(huán)次數(shù)為3000次，則配套的蓄電池容量Ebat為7.5 kWh，使用壽命約8年，膜法苦咸水淡化系統(tǒng)15年的使用期中需更換一次蓄電池。鑒于近年來鋰電池的價格不斷下降，結(jié)合式(11)可得到鋰電池單價cbat與納濾系統(tǒng)(NF)和反滲透系統(tǒng)(RO)的C之間的關(guān)系，具體如圖8所示。

圖8 cbat對C的影響Fig. 8 Influence of cbat on C

以目前小容量鋰電池模組的市場價格約為1300元/kWh計，納濾系統(tǒng)的C可降至1.68元/m3，未來還有進一步降低的趨勢，這表明配套使用儲能單元具有良好的經(jīng)濟性。

同樣，對于反滲透系統(tǒng)，為了實現(xiàn)系統(tǒng)全天全速運行12 h，應配置Pmp為7.3 kWp(m=2.45)的光伏陣列、容量為13 kWh的鋰電池，其Qd可由7.9 m3增至11.4 m3，C值降至2.21元/m3。

若設(shè)定膜法苦咸水淡化系統(tǒng)不同的日運行目標時長Td，鋰電池模組價格為1300元/kWh，則反滲透系統(tǒng)和納濾系統(tǒng)的配置方案和運行特性如表3所示。

由表3可知：Td越長，Qd越高，C越低?？紤]到系統(tǒng)的運行管理與設(shè)備維護等因素，推薦Td選取14～16 h。

表3 2種系統(tǒng)的配置方案和運行特性Table 3 Configuration schemes and operating characteristics of two kinds of systems

3 實驗系統(tǒng)運行結(jié)果

以本文搭建的膜法苦咸水淡化系統(tǒng)作為實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用納濾膜VNF2，實驗地點位于深圳，以已建成使用5年的光伏陣列為電源，無儲能單元；光伏陣列由32塊95 Wp的非晶硅薄膜光伏組件組成，以“8串4并”的方式連接，總峰值功率為3.04 kWp，光伏組件安裝傾角為8°。于2020年11月30日測試實驗系統(tǒng)的全天運行特性和產(chǎn)水能力，當天的天氣為陰轉(zhuǎn)多云，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 實驗系統(tǒng)的全天運行結(jié)果Fig. 9 Results of all-day operation of experimental system

由于當天的太陽赤緯角為-22.1°，全天太陽入射光線與光伏陣列平面法線之間的夾角(太陽入射角)大，入射太陽輻照度偏低。由于上午時段的云層較厚，PPV值小，因此實驗系統(tǒng)從08:50才開始有效淡化制水，且Q值波動大；下午云層逐漸消退，實驗系統(tǒng)運行穩(wěn)定，但從14:20開始受周圍建筑遮擋的影響，PPV值明顯下降，15:10時實驗系統(tǒng)停止運行。

實驗系統(tǒng)全天有效運行時間為6.3 h，光伏陣列日發(fā)電量為8.86 kWh，淡水日產(chǎn)水量為4.81 m3，E值為1.84 kWh/m3。受實驗時季節(jié)、天氣、光伏組件安裝傾角及局部陰影等不利因素的影響，該日產(chǎn)水量低于表2中的綜合值。

4 結(jié)論

本文對基于光伏發(fā)電的采用不同膜的苦咸水淡化系統(tǒng)進行了實驗測試，得到以下結(jié)論：

1)采用基于光伏發(fā)電的膜法苦咸水淡化系統(tǒng)可保證無電缺水地區(qū)穩(wěn)定可靠的淡水供應，反滲透系統(tǒng)淡化的水質(zhì)好，而納濾系統(tǒng)的能耗低；采用納濾膜VNF2的納濾系統(tǒng)的產(chǎn)水水質(zhì)可滿足生活飲用水國家標準。

2)當光伏陣列標稱峰值功率約為系統(tǒng)最大運行功率的1.8倍時，膜法苦咸水淡化系統(tǒng)的綜合運行效果最佳，采用反滲透膜和納濾膜VNF2時苦咸水淡化系統(tǒng)的淡化制水成本分別約為2.40和2.11元/m3。

3)配套使用蓄電池能夠顯著提高膜法苦咸水淡化系統(tǒng)和光伏陣列的利用率，降低制水成本。若按照系統(tǒng)每天全速運行16 h配置光伏陣列和蓄電池，系統(tǒng)采用反滲透膜和納濾膜VNF2的制水成本分別可降至2.12和1.49元/m3。