太陽能海水淡化技術

李志朋，王風霞，史玉鳳

1.鞍鋼附企動力工程公司建筑機裝分公司，遼寧鞍山 114011

2.鞍鋼股份化工總廠，遼寧鞍山 114011

3.中國礦業大學，江蘇徐州 221116

0 引言

隨著社會經濟的發展和人口數量的增長，人們對于能源的需求越來越大。現在常用的能源主要來自化石燃料，但這種資源在地球上的存量是有限的，而且容易引起環境污染，因此可再生能源成為人們關注的焦點[1]。人類對淡水資源的需求與日俱增，據有關國際組織預測，到2050年，預測生活在缺水國家中的人口將增加到10.6億和24.3億之間，約占全球預測人口的13%～20%[2]。海水中有大量的水資源，所以將海水淡化將是解決淡水危機的有效途徑。已在很大程度上緩解了部分地區的缺水狀況，未來也將是調水困難的沿海城市應急補充水源的重要手段，很多國家都在積極投資建造海水淡化廠。常規海水淡化的方法主要有多級蒸發、多級閃蒸、蒸汽壓縮、反滲透膜法、電滲析法、離子交換法、冷凍法等。這些方法都要消耗大量的常規能源，又加劇了能源緊缺，造成新的污染。所以將太陽能采集與脫鹽工藝兩個系統結合與一起的太陽能海水淡化是一種可持續發展的海水淡化技術，是現今研究的熱門話題。

1 太陽能海水淡化的優缺點

太陽能海水淡化系統與其他海水淡化系統相比有許多優點：1）可獨立運行，不受蒸汽、電力等條件限制，無污染、低能耗，運行安全穩定可靠，不消耗石油、天然氣、煤炭等常規能源，對能源緊缺、環保要求高的地區有很大應用價值；2）生產規模可有機組合，適應性好，投資相對較少，產水成本低，具備淡水供應市場的競爭力；3）所得淡水純度高；4）安全。

太陽能海水淡化也有一些缺點，如占地面積較大及冬天結冰的問題等。在選用海水淡化方式時需要權衡各種技術的優缺點，選用最佳的淡化方式。

2 現有的太陽能海水淡化系統

人類利用太陽能淡化海水，已經有很長的歷史了，最早利用太陽能進行海水淡化，主要是利用太陽能進行蒸餾，一般稱為太陽能蒸餾器。太陽能蒸餾器的運行原理是利用太陽能產生熱能驅動海水發生相變過程，即產生蒸發與冷凝。根據是否使用其他的太陽能集熱器可將太陽能蒸餾系統分為主動式和被動式兩類。被動式海水淡化的裝置中不使用電能驅動元件，主動式太陽能蒸餾使用了附加設備。

2.1 被動式太陽能蒸餾系統

盤式太陽能蒸餾器是被動式太陽能蒸餾器的典型代表。具有結構簡單，取材方便，制作、運行和維護都比較容易的特點。被動式太陽能蒸餾系統的工作溫度較低，產水量較小，不利于在夜間工作和利用其他余熱。

單級盤式太陽能蒸餾器的結構簡單、取材方便，運行時基本無需人員管理，但是有產水效率低、占地面積大的缺點。

多級太陽能蒸餾器重復利用了水蒸氣的凝結潛熱，可得到比單級盤式太陽能蒸餾器更高的單位面積產水率。增加盤的級數有利于增加單位面積的產水量，但當盤的級數增加到3級以上時，產水量的增加幅度很小。這是因為裝置內的溫差減少，減弱了裝置內傳熱傳質的動力。

外凝結器式盤式換熱器是為解決傳統的盤式太陽能蒸餾器的缺點而提出的。傳統盤式太陽能蒸餾器利用裝置上方的透明蓋板做凝結器，這種方式有以下缺點：1）水蒸氣凝結時放出潛熱，使蓋板溫度升高，從而提高了蓋板附近的水蒸氣分壓，使蒸發面與凝結面之間的水蒸氣分壓減小；2）蒸汽在蓋板上凝結后產生水膜與水珠，在一定程度上降低了蓋板的透過率，降低了蒸餾器內海水接收到的太陽輻射總量，不利于性能的提高。為了避免這些缺點，可加設外凝結器，當外凝結器的冷凝面積足夠大時，增加外凝結器可以提高30%～50%的產水量。

多級芯型盤式太陽能蒸餾器利用對水有強親和作用或毛細作用的多纖維材料做液芯，例如黃麻布、棉紗布等，克服了傳統太陽能蒸餾器的海水熱容量大，受熱溫升緩慢，延遲淡水產出時間的缺點。多級芯型盤式太陽能蒸餾器比傳統的太陽能蒸餾器的單位面積產水量提高16%～50%，效率提高6.5%～18.9%。

聚光型太陽能蒸餾器分為盤形拋物面式、槽型拋物面式和平面鏡反射式等幾種。

太陽能集熱裝置實時跟蹤太陽，使吸熱面垂直于太陽光線是十分必要的，簡單盤式太陽能蒸餾器的吸熱面是水平放置的，不能跟蹤太陽，其接受到的太陽輻射量小于同等面積的傾斜的水面，將水盤做成階梯狀的傾斜太陽能蒸餾器可吸收更多的太陽輻射，產水量明顯高于傳統的太陽能蒸餾器。

2.2 主動式太陽能蒸餾系統

其運行溫度提高，內部的傳熱傳質過程得以改善，主動回收了蒸汽的冷凝潛熱，效率大大提高。

有平板式太陽能集熱器輔助加熱的盤式太陽能蒸餾器可大幅度的提高單位采光面積的產水量。其收集和貯存太陽能作用的平板太陽能集熱器的效率較高，可將蒸餾器內的水加熱至較高的溫度，增大產水率，提高效率。給蒸餾器蓋板進行冷卻時，效果更佳。當系統采用被動式運行，同時有蓋板冷卻時，系統總效率最高，可達到45%～52%。其次是系統主動運行，同時有蓋板冷卻的情況，此時的系統總效率為30%左右。最差的是系統主動運行但無蓋板冷卻的情況，此時的系統總效率為10%左右。因此蒸餾器采用主動加熱時，應該想方設法的回收蓋板的潛熱，這是提高系統總效率和經濟學的關鍵。

加設儲熱水箱的主動式太陽能蒸餾器是針對加設平板式集熱器的主動式太陽能蒸餾器未能充分利用環境溫度隨時間的變化這一缺點而提出的。加設平板式集熱器的主動式太陽能蒸餾器的工作溫度最高時，其環境溫度也是最高的。加設儲熱水箱的主動式太陽能蒸餾器可以有效的利用夜間的低溫環境，另外儲熱水箱的加設可以延長蒸餾器在高溫區的運行時間，由于以上兩點原因可以加長裝置的產水時間，有可能全天24小時都有淡水產出，并且夜間與白天的產水量基本相同。

針對傳統盤式太陽能蒸餾器中水蒸氣的浮升及在蓋板附近的冷凝過程為傳熱傳質強度較弱的自然對流的缺點，提出了外帶凝結器的主動式太陽能蒸餾器。此蒸餾器將部分水蒸氣通過風機抽吸到蒸餾器外的冷凝器中，在冷凝器中與冷卻盤管接觸，產出淡水。在此設計中蒸餾器內處于負壓，有利于水的蒸發，提高產水量。但也有以下缺點：設計復雜，投資成本高，需要一些電能，不利于在偏遠地區推廣使用等。

將太陽能集熱器與多級盤式太陽能蒸餾器相結合的特點包括系統運行溫度較高，提高了海水蒸發的動力，反復利用了蒸汽在蓋板處凝結時放出的冷凝潛熱。利用集熱器給三級蒸餾器主動加熱時，蒸餾器產水量可以增加2倍～2.5倍左右。

太陽能集熱器還可以與多級疊盤式蒸餾器聯合使用，在這種運行方式中多級疊盤式蒸餾器部分不接受太陽能，只起到蒸發與冷凝的作用，有利于節約占地和設備投資。供熱功率相同并恒定時，疊盤數增加，有利于淡水的生產。一般運行溫度在70℃附近時取三級，在80℃附近時取四級，大于90℃時可以考慮取五級。該裝置的產水率隨著運行溫度的升高而升高，由于真空管集熱器的熱損失較小，因而這種裝置的產淡水時間可以延長到晚上，甚至到第二天的早上。但是多級疊盤式蒸餾器也有一些缺點，1）各盤盤底均為單角單槽式結構，為了使蒸餾水順利流至槽底，盤底夾角不能大于150°，否則凝結形成的淡水水珠可能會因重力作用而重新滴落鹽水中，從而增加了系統的熱惰性；2）平面盤底結構限制了裝置的冷凝面積；3）盤底結構增加了水蒸氣的對流傳質阻力，降低系統的效率。

有折皺底面的多級疊盤式太陽能蒸餾器可克服多級疊盤式蒸餾器的部分缺點，降低了盤與盤之間的距離，單位能耗產水率更高。其他的太陽能蒸餾器還有飽和空氣增濕減濕太陽能蒸餾器、降膜蒸發加濕除濕太陽能蒸餾器、單級降膜蒸發與降膜冷凝式太陽能蒸餾器、多級降膜蒸發與多級降膜冷凝式太陽能蒸餾器、降膜蒸發-氣流吸附型閉式循環太陽能蒸餾系統、橫管降膜蒸發閉式循環太陽能蒸餾系統[3]。

3 與傳統海水淡化技術相結合

傳統的海水淡化技術大致可以分為兩類：1）相變過程，其中包括多級閃蒸、多效沸騰和蒸汽壓縮等；2）滲析過程，主要有反滲透膜法和電滲析法等。

鑒于傳統海水淡化技術的方案、措施、材料和管理經驗等比較成熟，將太陽能海水淡化與傳統海水淡化技術相結合也是現在的一大趨勢。傳統的海水淡化方式包括：多級閃蒸海水淡化、多效閃蒸海水淡化、壓縮蒸餾海水淡化、利用海水與淡水的分壓差進行海水淡化、橫管降膜蒸發多效回熱式太陽能海水淡化裝置等。

將太陽能海水淡化技術與傳統的海水淡化裝置結合起來，需要做到以下幾點：1）結合后的系統適用于太陽能的應用，即運行溫度在中低溫范圍；2）盡量減少熱量在傳輸過程中的損失，提高效率；3）選用合適的海水預處理過程；4）設備投資、初建投資等問題；5）裝置的占地面積等問題；6）對原有系統盡量少做改裝，提高原有部件的利用率。

利用多級閃蒸海水淡化系統生產1m3的淡水，需要消耗熱能221.9MJ～276.3MJ，需要消耗電能3kW·h～4kW·h，即多效閃蒸技術主要消耗的是熱能，可以將太陽能海水淡化系統與多級閃蒸海水淡化系統相結合使用。

多效蒸發海水淡化是將一個蒸發器蒸發出來的蒸汽引入下一個蒸發器，利用凝結放出的熱加熱蒸發器中的海水，以產生淡水。它的特點是幾個蒸發器相互串聯，前一蒸發器內蒸發時產生的蒸汽用作后一蒸發器的加熱蒸汽。多效蒸發海水淡化技術也主要利用熱能。與多級蒸發海水淡化系統相比，多效蒸發采用了降膜蒸發和冷凝過程，因此在相同產水量的情況下，多效蒸發的運行溫度可以更低，更適合與太陽能海水淡化技術相結合。

許多情況下，蒸汽壓縮蒸餾過程知識開始時需要由外部引入少量加熱蒸汽啟動，此后利用二次蒸汽自動蒸發，不在需要外部熱源。蒸汽壓縮蒸餾有熱功效率高，體積小，無需大規模熱源，適用于海島、輪船等地方的優點，但也有一些缺點，例如生產規模受壓縮機容量的限制。若利用太陽能為壓縮蒸餾提供初級能源，使裝置在較高溫度段運行，這樣可以減少通過壓縮機的蒸汽的體積，提高壓縮機的效率，從而減小換熱器內外的壓差。將蒸汽壓縮蒸餾技術與多級閃蒸技術及多效閃蒸技術相結合是更理想的方案，可以最大限度的提高裝置的熱功效率。

在273K～373K的溫度范圍內，海水表面的飽和蒸汽分壓比淡水表面的飽和蒸汽分壓約低1.84%。當海水與淡水保持在相同的溫度下，淡水將向海水蒸發。反之，如果使淡水表面溫度保持比海水表面溫度更低，并達到一定值之下，那么海水就可能向淡水表面蒸發，也就是說利用海水與淡水的飽和蒸汽分壓不同來實現海水淡化。可將太陽能轉化為熱能注入到海水中，使海水表面溫度提高，實現海水的淡化。

電滲析法是利用電場的作用，強行將離子向電極處吸引，致使電極中間部位的離子濃度大為下降，從而制得淡水。電滲析法不僅可以用于淡化海水，還可以用于水質處理。太陽能海水淡化技術與滲析海水淡化技術相結合是利用太陽能轉化成的電能驅動系統產生淡水[4]。利用太陽能發電的方式包括兩種，一種是太陽能熱發電，也稱為聚焦型太陽能熱發電，通過大量反射鏡通過聚焦的方式將太陽能直射光聚集起來，加熱工質，產生高溫高壓的蒸汽來驅動汽輪機發電；另一種是太陽能光伏發電，是根據光生伏打效應原理，利用太陽電池將太陽光能直接轉化為電能。太陽能光伏發電系統主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，它們主要由電子元器件構成，不涉及機械部件，所以，光伏發電設備極為精煉，可靠穩定壽命長、安裝維護簡便。

4 結論

海水淡化可以緩解淡水匱乏的危機，保障沿海、島嶼及其他淡水資源缺乏地區的用水。太陽能海水淡化具有保護環境、節約常規能源的優點，是今后增加淡水資源的有效途徑之一。

[1]謝建，李永泉.太陽能熱利用工程技術[M].北京：化學工業出版社，2011.

[2]李順.淡水危機與節水技術[M].北京：化學工業出版社，2003.

[3]李正良，鄭宏飛，等.降膜蒸發低溫多效太陽能海水淡化系統實驗研究[J].太陽能學報，2007，28(4)：421-426.

[4]劉仍紹，招玉春，等.太陽能海水淡化與發電系統的設計與研究[J].機械設計與制造，2007，8：1-3.