太阳能海水淡化技术的研究进展

太阳能海水淡化技术的研究进展

海水淡化是解决淡水缺乏问题的有效方法，大大缓解了一些地区的缺水问题。未来，它也是沿海城市难以调节水源的重要手段。中东、美国、中国等许多国家都在积极投资建造海水淡化厂,给未来的社会发展铺平道路。常规海水淡化的方法主要有多级蒸发、多级闪蒸、蒸汽压缩、反渗透膜法、电渗析法、离子交换法、冷冻法等。文献详细介绍了目前各种海水淡化方法的研究发展现状,这些方法都要消耗大量的常规能源,又加剧了能源紧缺,造成新的污染,这种“挖肉补疮”的作法,不能从根本上解决问题。太阳能是一种清洁的可再生能源,每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤,发展潜力巨大。将太阳能与海水淡化紧密结合起来的新型高效太阳能海水淡化技术必定有良好的发展前景。1太阳能光效应海水淡化法利用太阳能进行海水淡化,主要利用太阳能的热效应和光效应。利用太阳能热效应驱动的海水淡化方法,即将收集到的太阳热能驱动海水发生相变进行分离,又可分为直接法和间接法两大类:直接法是将集能部分和脱盐部分集于一体,间接法是将集能部分和海水蒸馏部分分开,热量通过工质运送。Tiwari也提出将太阳能蒸馏系统分为主动式和被动式两种。被动式海水淡化的装置中不使用电能驱动元件,工作温度较低,产水量小;主动式太阳能蒸馏使用了附加设备,运行温度提高,加上回收了蒸汽的冷凝潜热,效率大大提高,受到了世界各国的广泛重视。利用太阳能光效应海水淡化就是利用光电效应产生电能后驱动渗析过程生产淡水。光伏发电系统按其应用形式可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。目前太阳能光效应海水淡化的关键问题包括光伏电池技术、光伏发电成本以及与海水淡化系统的对接等。2太阳能海水淡化技术考虑太阳能与传统海水淡化系统的结合,必须思考以下几个问题:(1)结合后效率要有明显的提高;(2)尽量少改进原有系统,提高原有部件的利用率;(3)要考虑目前利用的是太阳能中低温特性的形式和特点;(4)要根据不同的使用场合、目的和气候条件等实际情况选择不同的淡化方法与设备;(5)考虑集热器的安装要求,并尽量减少热量在传输过程中的损失。(6)必要时要对海水进行预处理等。目前世界上海水淡化方法商业应用最多的是多级蒸馏法和反渗透法,它们代表了不同的淡化理念和淡化思路,本文将分别从这2个方面来阐述太阳能与传统海水淡化方法的结合。2.1太阳能压缩蒸馏系统太阳能与传统蒸馏法的结合利用的是太阳能的热效应,使用高效的集热器收集尽可能多的太阳能,替代传统能源加热海水,提高运行温度进而提升效率。目前应用比较成功的有太阳能多效蒸馏系统,太阳能多级闪蒸系统和太阳能压缩蒸馏系统。目前的太阳能多效蒸馏系统是把传统热源替换成了太阳能集热器,系统由多个单效蒸发器循环组成,换热系数高,消耗动力少,浓缩比较大,负荷弹性也较大,但结构复杂,容易结垢。太阳能多级闪蒸系统是针对多效蒸发结垢严重的缺点提出来的。这种方法设备简单可靠,易于大型化,操作弹性大,正好利用太阳能低品位的热量,但系统需要额外的加热设备才能弥补太阳能不稳定的缺点。太阳能压缩蒸馏系统中,系统只需在系统开始运行时采用太阳能提供少量初始热量启动,使装置在较高的温度范围运行即可,此法提高了压缩机的效率,减少了换热器内外的压差,在换热器内外压差足够小时甚至可以用普通的风机替代压缩机,降低成本。2.2太阳能发电技术太阳能与传统渗析的结合主要是利用太阳能发电后驱动系统产生淡水。其中电渗析法是将具有选择透过性的阴阳离子交换膜交替排列,外加直流电场分离淡水。反渗透法则是利用半透膜,利用电力驱动的加压设备在膜的一侧施加大于海水渗透压的外压,海水中的纯水将反渗透至淡水中。反渗透法极为节能,其能耗仅为电渗析法的1/2,蒸馏法的1/40。目前利用太阳能发电的方法主要有两种。第一种是太阳能热发电,即利用聚光的方法将太阳光聚集到点或线上,得到的高温热源加热锅炉中的水汽化再利用汽轮机发电。美国早在1989年就建成了一座194MW的太阳能热发电站。但是由于太阳能能流密度及热电转换效率较低,额外的蓄热装置等导致系统结构复杂,成本较高。另一种是太阳能光伏发电。光伏电池板作为太阳能光伏发电系统的核心部件,光电转换效率低但生产成本却很高。目前多应用的薄膜光伏电池,比起第一代的硅片,转换效率已经有了极大的提升。化合物太阳电池(如铜铟镓硒等)正以其转换效率高、成本低、弱光性好及寿命长等优点成为新一代光伏电池的发展方向,而多晶硅光伏电池的材料成本因比单晶硅光伏电池低,也是世界各国竞相开发的重点。3太阳能海水淡化与传统燃料的配合传统集热器太阳能收集效率不高,加上对冷凝潜热回收不够,系统升温缓慢,效率低下。近几年来,新型高效集热管的出现使加热水温度越来越高,太阳能替代传统化石燃料与传统海水淡化装置结合有了可能,再加上不断发展的光电转换技术,未来定会出现新型高效太阳能海水淡化系统。现阶段太阳能海水淡化方法只是对传统方法稍作改动,例如对传统的蒸馏法来说,只是把传统的化石燃料加热换成利用太阳能加热,而渗析过程是利用太阳能发电代替传统电源,与传统方法相比确实节能环保,但在实质上太阳能与海水淡化并没有密切结合。目前对原有系统改进的新技术主要是有机结合各种淡化方法的优点,达到太阳能利用率最大化的目的。3.1太阳能-海水淡化系统传统的太阳能蒸馏法单位面积产量很低,主要因为:蒸汽的凝结潜热未被利用;蒸馏器换热管换热效率不高;蒸馏器中待蒸发的海水热容量太大。尤其前两点极大地限制了太阳能蒸馏制水的效率。为此,如何提高凝结潜热的利用率和换热器的换热效率就成了提高太阳能蒸馏制水效率的突破口。原郭丰等提出了一种可以昼夜连续运行新型的闭式太阳能海水淡化装置,利用自主研发的纸蜂窝结构高效蒸发器,回收了系统的冷凝潜热,系统淡水产量有较大的提高。张小艳等发现多级迭盘式太阳能蒸馏器能充分利用蒸汽的潜热,效率较高,特别在较高温度段(>70℃)运行时,性能更加理想,而且运行温度越高,效果越好。KVinothKumar在蒸馏器四周安装循环冷却水管强化冷凝,凝结潜热得到利用,并分别以淡水、海水及工业废水为样品进行了性能试验,发现最大的日产水量大约1.4L·m-2·d-1,水质与雨水和矿物质水相当,大大提高了太阳能蒸馏器的效率。李正良等设计了一套具有四效回热的低温多效吸收式太阳能海水淡化装置,采用激淋式横管降膜蒸发、多效闪蒸与多效回热、强化冷凝、强化对流等多项强化传热传质措施,减小了装置中海水的热容量,装置升温快,产水迅速,在高温和相对较高真空度下工作有更多的优势和更高的产水效率。天津大学田禾综合多级闪蒸和低温多效两种系统的优点,设计了直热式太阳能海水淡化试验装置,海水直接进入集热系统,省去产生蒸汽的热交换设备,太阳能集热系统和淡化系统耦合运行,产水量和性能系数都较高。佛罗里达大学的SAl-Kharabsheh设计了专门利用低能级太阳能的海水淡化系统,使用重力和环境压力制造出蒸馏室真空环境,理论分析结果表明运行时的蒸馏效率高达90%甚至更高,而传统平板式太阳能蒸馏器平均值只有30%~40%,即使运行条件良好也只有50%。赵奎文、刘业凤利用太阳能加热海水,利用潮汐能代替水泵和真空泵为系统给排水以及抽真空提供动力,降低运行成本,更有利于海水淡化的推广普及和实用化进程。换热器的效率直接决定着整套系统的效率。在目前的研究中,多数换热器都是采用水平管降膜蒸发,在换热的过程中会有不间断的相变过程,换热系数高,热耗量小,还能利用低位余热,相比竖直管蒸发来说空间利用率有了很大的提高,但是管间距相对仍然较大,供液方式较复杂。为此,刘振华将传热管束紧凑排列置于饱和状态液体中,将其变为满液式蒸发换热器,利用传热管束间受限空间内早期沸腾强化机理,将中小热负荷条件下的自然对流换热转化为核沸腾换热,在间隙尺寸适宜时,其换热性能可能优于降膜式蒸发换热器。实验证明满液式蒸发换热器换热性能良好,在中小热负荷条件下甚至超过降膜式蒸发换热器,应用前景明朗。3.2能量回收装置反渗透法需要提升海水压力以克服渗透压后才会有淡水产出。半透膜应该能够承受足够的高压。日本率先成功研制出耐高压半透膜,将一级SWRO的操作压力由5.5MPa提高到了8.4MPa,大大提高了系统的产水效率。另外一个研究最多的问题就是渗透后的能量回收问题。经正常渗透膜后排出的浓水余压高达5.5~6.5MPa,按照40%的回收率计算,排放的浓盐水中还蕴含约60%的进料水压力能量,回收这一部分能量可大幅降低反渗透海水淡化的能耗。目前能量回收装置主要分有水力涡轮式和功交换式两大类。能量回收装置在国外起步较早,发展很快,而且产品也已经基本成型。表1是国外各大公司能量回收装置的性能比较。国内的能量回收装置大都是靠进口,很多机构也在积极尝试这方面的研究,已有初步成效。杭州水技术研发中心的张建中、张希建等研制的反渗透海水淡化水压阀控式能量回收装置HVCPX-1000,使用电磁换向阀先导控制水压驱动阀结构,利用高压浓海水直接增压低压进料海水,能量回收效率可达96.27%,系统的压力、流量变化稳定,波动较小;天津大学王生辉等研制的种具备升压功能的差动式能量回收装置,最高升压比可达到1.08倍,有效能量回收效率达到96.3%。这对中国反渗透海水淡化产业的发展,降低生产成本,提高制水效率起到了积极的推动作用。4光学、电和环地球的自转使太阳的光照角度时刻都在变化,需要有效保证太阳光收集效率最佳。自动跟踪系统能够实现与太阳的精确跟踪,聚光比及运行温度较高,是理想的太阳能收集装置。力诺瑞特研发的太阳能集热器自动跟踪测试系统,能使集热器精确跟踪太阳的方位角和高度角,精度控制在1度以内,并带有经纬度修正功能,真正实现了精确定位。非跟踪式系统与跟踪式相比聚光比低,但成本较低,运行和维护方便,还可以接收散射太阳光,扩大了所利用的太阳光谱范围,结合其他光学装置,如光线分裂装置、光线限制装置等可进一步提高光线聚集效率。SoterisAKalogirou列举了常见太阳能集热器的分类和应用范围,并分别从光学,热力学与动力学3方面作了性能优化分析,为太阳能集热器的选择、设计优化提供了依据。翟辉建立了大型平板型/真空管太阳集热器阵列排布的几何模型,分析了集热器倾角、间距、方位角对接收到辐射能量的影响;同时对集热阵列的最佳间距进行了研究和计算,得到了最佳间距与当地纬度和集热器倾角之间的函数关系式,这对非跟踪式系统的设计与安装具有极大的指导意义。LidiaRoca使用复合抛物型太阳能集热器的低温多效蒸馏器,研究内部动态过程并建立了低复杂度的太阳能场用蓄热系统模型和蒸馏器产水量模型,仿真数据与实验结果一致,这些数据对确定最优操作点,建立完善控制参考,设计优化启动和操作程序具有重大的借鉴意义。制造工艺方面,魏海波用真空磁控溅射技术在平板集热器板芯上沉积选择性吸收涂层,提高了平板集热器的集热效率和使用的耐候性。5太阳能海水淡化技术海水淡化能够增加淡水总量,保障沿海与岛屿的居民用水,稳定供给工业用水。近期传统能源仍将是海水淡化的主要动力源,但可用太阳能作为常规能源的补充。太阳能海水淡化除环保节能,受地域和气候影响小之外,还具有以下特点:未来几年太阳能蒸馏制水仍然是占主导地位,但渗析法的节能高效的特点决定着利用透过性膜来制取淡水是行业未来发展的趋势;将太阳能与常规海水淡化结合,借助先进制造工艺与强化传热传质技术,制水效果比较理想;太阳能收集器是系统的能量输入口,要根据实际情况选择并准确安装才能达到效率与成本的双平衡。利用太阳能进行海水淡化虽然历史悠久,但还有一部分问题亟