高效光伏驅動海水淡化裝置設計研究

田興旺 王晗 孫紅欣 王溈 王昌盛 陳俊伊 李晶 楊宇 陸燕燕

摘要：指出了常規的海水淡化是高能耗產業，對環境造成一定的危害，利用清潔可再生的太陽能資源來進行海水淡化越來越符合社會可持續發展的要求。針對現有太陽能海水淡化方法及裝置較為復雜、初投資較高的特點，基于前人的研究經驗，設計制作了一個簡易高效的新型光伏驅動海水淡化裝置。該裝置一體化設計，形式新穎，能量回收利用效率高，適應性強，秉承了“節能減排、綠色環保”的設計理念，試用結果表明：可適用于內陸苦咸水地區以及僻遠農村供水供電不發達地區，在海水淡化領域中具有較高的商品化潛力。

關鍵詞：光伏驅動;海水淡化;能量回收

中圖分類號：P741

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）2-0127-02

1 引言

隨著世界淡水資源的日益枯竭，海水淡化已經成為解決水資源短缺最重要的手段之一[1]，常規的海水淡化是高能耗產業[2-4]，且會排放溫室氣體及氮氧化合物等污染物質。海水淡化是利用海水脫鹽生產淡水的技術和過程，目前人工海水淡化方法已經有數十種。工業上采用的主要有多級閃蒸、反滲透、多效蒸發等，但是這些方法都要以消耗大量的燃料或資源為代價，如何降低淡水制備的能耗或如何利用自然綠色能源是目前世界淡水制備發展的重要方向之一[5-7]。

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的潔凈能源，利用太陽能可以減少化石燃料的消耗以及削減C0。的排放[1]，所以，太陽能海水淡化是解決淡水資源短缺的一種具有良好應用前景的方法[8，9]。但是現有的太陽能海水淡化裝置在使用過程中仍然存在一定的問題：如造價高、裝置復雜、能源利用率不高等情況。降低太陽能海水淡化的成本，提高淡水產水效率，把太陽能海水淡化產業規模化和商業化具有十分重大的意義。

在充分認識利用太陽能蒸餾海水淡化方法優勢的基礎上，課題組分析和總結前人理論和試驗研究成果，研究設計了一組節能高效、綠色環保的新型光伏驅動蒸餾海水淡化裝置系統。

2 系統方案設計

2.1 裝置組成

本裝置主要由集熱/蒸發/冷凝三位一體的換熱箱、螺旋套筒式熱回收盤管、電加熱盤管、海水噴淋器、太陽能電池板、蓄電池以及水泵、蒸汽泵、過濾器等部件組成。裝置及部件二維平面圖如圖1所示。獨立光伏系統如圖2所示。

2.2 循環流程

在水泵的作用下，原海水首先經過濾器過濾預處理后，進入螺旋套筒式熱回收盤管的外套管，經低壓蒸汽和溫度較高的濃海水預熱獲得一定初溫，然后進入海水噴淋器進行噴淋，形成的液膜均勻分布在電加熱盤管的外表面，利用橫管降膜蒸發技術進行換熱蒸發，產生的低壓蒸汽聚集在容器頂部，最后，通過蒸汽管由蒸汽泵抽入螺旋套筒式熱回收盤管的內套管，預熱外套管中逆向流動的原海水后自身冷凝得到淡水，收集于淡水箱中，而未蒸發的海水流入換熱箱的下部再次預熱外套管中的原海水，溫度降低后的高濃度海水作為污水排放。

2.3 關鍵技術問題

2.3.1 對集熱/蒸發/冷凝三位一體的換熱箱進行一體一

通過在換熱箱上部合理布置海水噴淋器及電加熱盤管，在中下部合理安裝螺旋套筒式熱回收盤管，減少空間浪費使整個裝置緊湊、簡單實用，同時通過調節閥控制好海水的噴淋量及蒸汽流量，提高蒸發冷凝換熱效率。

2.3.2“螺旋套筒式熱回收盤管”高效回收利用余熱

螺旋套筒式熱回收盤管浸沒在未蒸發的溫度較高的濃海水里，盤管的內套管中流動低壓蒸汽，外套管中逆向流動著原海水，螺旋形的設計使得原海水既回收了水蒸氣的冷凝潛熱，又利用了濃海水的顯熱，增加了接觸換熱時間，提高了能量回收效率，同時還得到了淡水。

2.3.3 獨立光伏系統的設計

合理選擇太陽能電池板的大小及蓄電池的容量，提高太陽能采集能力，保證光伏組件的裝機容量有一定富裕度，即應在光照條件最差的條件下進行設計安裝，并選擇帶有自動識別功能的太陽能充放電控制器。

3 技術經濟性分析

此新型光伏驅動海水淡化裝置穩定運行能效比，可定義為單位時間內蒸發淡水所攜帶的潛熱與裝置運行動力消耗的比值。其公式為：

本裝置采用光伏發電系統，設備投資大;若裝置單純使用電網供電，雖然產水成本提高，但設備投資費用顯著降低。裝置還可采用有光照時使用光伏供電，夜間或陰雨天使用電網供電的聯合驅動方式，可實現白天節省電網用電，夜間又能持續產水的雙重目標。

4 創新特色及應用前景

4.1 創新特色

新型光伏驅動海水淡化裝置利用太陽能電池板吸收太陽光給蓄電池充電，由蓄電池給電加熱盤管、水泵及蒸汽泵等提供動力，不消耗常規化石能源。電加熱盤管利用高效的橫管降膜蒸發技術增強了換熱，提高了蒸發效率。通過在換熱箱里合理布置海水噴淋器、電加熱盤管及螺旋套筒式熱回收盤管，減少空間浪費使整個裝置緊湊、簡單實用，同時通過控制調節海水的噴淋量及蒸汽流量，降低氣相分壓產生更多的低壓蒸汽，提高蒸發冷凝換熱效率。利用螺旋套筒式熱回收盤管既回收了水蒸氣的冷凝潛熱，又利用了濃海水的顯熱，螺旋型設計還增加了接觸換熱時間，從而在提高整體熱量回收效率的同時，得到了可貴的淡水資源。

4.2 應用前景

海水淡化技術是解決未來淡水短缺問題的主要途徑之一，近年來，隨著太陽能技術的不斷完善，太陽能海水淡化的成本會逐漸降低，對其研究和開發的潛力極大。相信不久的將來，這種結合太陽能光伏驅動的海水淡化裝置將會作為一項成熟的技術為人類服務。在沿海地區、內陸苦咸水地區以及廣大僻遠農村供水供電不發達地區，利用這種簡易的光伏驅動海水淡化裝置，能滿足人們日益增長的用水需求，且在海水淡化領域中具有較高的商品化潛力和廣泛的應用前景。

5 結語

設計了一個簡易高效的新型光伏驅動海水淡化裝置。該裝置一體化設計，形式新穎，結構簡單實用，適應性強，不但使用太陽能這種清潔能源作為熱源，并且充分回收利用了各部分產生的余熱，提高了能源的利用效率，體現了“節能減排，綠色環保”的理念。適用于內陸苦咸水地區以及僻遠農村供水供電不發達地區，在海水淡化領域中具有較高的商品化潛力。

參考文獻：

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