可再生能源用于海水淡化的研究

江才俊，潘天國，史 覬，袁 倩

（1.深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳518000；2.中國廣核新能源控股有限公司，廣東 深圳518000）

1 太陽能海水淡化技術

利用太陽能進行海水淡化已經有了很長時間的歷史，圖1是太陽能與海水淡化技術的幾種耦合工藝方案。

圖1 太陽能與海水淡化耦合方案

1.1 太陽能蒸餾裝置

太陽能蒸餾裝置是指利用太陽采集的熱量直接加熱海水，使海水蒸發產生相變過程形成水蒸氣，再使水蒸氣冷凝形成淡水的裝置。其優點是裝置結構簡單，取材方便，不受原海水濃度限制，所獲淡水純度高。缺點也很明顯，主要是裝置占地面積較大，單位面積產水量較低，例如被動式蒸餾裝置，性能較好的盤式蒸餾器日產水量也只有3.5L/m2，主動式太陽能蒸餾雖然增加了附屬設備提高了熱能利用率和產水量，但是同時也增加了設備投資，而且產水回收率仍無法與常規淡化工藝相比。

1.2 太陽能-熱能-MSF/MED

在傳統的熱法海水淡化技術中，有相對成熟的方案、措施、材料和管理經驗，如多級閃蒸（MSF）、多效蒸餾（MED）。近年來，隨著中溫太陽能集熱器的應用日益普及（比如真空管型、槽形拋物面型集熱器以及中溫大型太陽池等），使建立在較高溫度段（≥75℃）運行的太陽能蒸餾系統成為可能，將太陽能集熱裝置與MSF、MED裝置結合起來，利用太陽能加熱海水，被加熱的海水進入MSF、MED淡化裝置中進行淡化。

1.3 太陽能-電能-RO

該方案首先將太陽能轉化成電能，再由電能驅動反滲透（RO）海水淡化裝置生產淡水。近年來，太陽能光伏（PV）發電技術不斷發展成熟，已經有大量的商業化應用。太陽能轉化成電能不存在太多的技術難點，而反滲透技術早已經是成熟的淡化技術，所以這種方案在技術上沒有太大難度。在太陽能資源豐富且常規電價較高的地區，可以采用太陽能-電能-RO方案解決該地區能源、水資源短缺問題。

2 風能海水淡化技術

根據風能的能源轉化利用方式不同，風能海水淡化分為直接風能海水淡化和間接風能海水淡化。以下對風能海水淡化技術優劣、耦合難點和對策進行闡述。

2.1 風能-機械能-RO/MVC

此結構直接將風力的機械能用于驅動反滲透（RO）淡化裝置的高壓泵或MVC淡化裝置的壓縮機，其優點是避免了風能轉化成電能，再由電能轉化成為機械能的二次能量轉換的損失，簡化了系統結構，但缺點是風力的波動將直接影響高壓泵的流量和壓縮機的穩定性，從現在的研究現狀來看，基本都停留在實驗階段，該項技術還遠不成熟。

2.2 風能-電能-MVC

機械壓汽蒸餾（MVC）裝置與風能發電裝置進行耦合時，能夠適應變化的能量供給，適合于中、小規模海水淡化，但如果單純應用孤立風電系統供電，沒有其他能源提供電力，一旦風速無法達到風電設備啟動要求，MVC裝置就需要長時間處于待機狀態，非常容易造成MVC裝置的結垢，一旦結垢就需要經常進行耗時的維護。

2.3 風能-電能-RO

反滲透（RO）工藝是比較成熟的淡化技術，其單位能耗較低，設備模塊化程度高，適用于不同規模的淡化工程，而且在與風能發電裝置耦合時可通過關閉和啟動部分反滲透處理單元來適應風力輸出的能量變化，維持淡化單元運行參數的恒定，因此該工藝在風能海水淡化技術中應用最為廣泛，相關研究也較多。

3 某可再生能源海水淡化項目應用介紹

3.1 概述

本項目所在廠址區域位于東經14°31′32.32″，南緯22°35′27.88″，海拔高度為1000-2000米，干旱少雨，屬亞熱帶、半沙漠性氣候，年均300天為晴天，是撒哈拉以南最干旱的國家之一。該地區年均降雨量為270mm，除最南部在冬季（6-9月）降雨外，全國70%的降雨集中在11月到次年的3月。因地勢較高，氣溫略低于世界上同緯度的其他地區，終年溫和，晝夜溫差較大。

3.2 太陽能資源

太陽能資源分布與緯度、海拔高度、地理狀況和氣候條件等因素相關，本項目地理坐標：東經14°31′32.32″，南緯22°35′27.88″。該地區太陽能資源異常豐富，是世界上太陽能資源最豐富的地區之一。根據SolarGIS公開輻照資源數據測算，地區輻照量在2118kWh/m2-2483kWh/m2之間。

3.3 風資源

根據MERRA2再分析數據提供的1995～2018年50m高度層風速風向數據，分析得出2005年為風速平風年，具有代表性。

50m輪轂高度處年平均風速4.45m/s，7月份平均風速最大為5.83m/s，12月份平均風速最小為3.78m/s，全年平均風速較大的月份出現在7-11月份。

80m輪轂高度處年平均風速5.04m/s，7月份平均風速最大為6.97m/s，12月份平均風速最小為4.16m/s，全年平均風速較大的月份出現在7-11月份。

根據風向玫瑰圖，廠址區域全年風向以偏SSW風為主，其次是SW。全年較大風速出現在E和ENE方向。

3.4 工藝比選

3.4.1 低溫多效蒸餾法（MED）

低溫多效蒸餾分為MED和TVC-MED兩種工藝形式。MED工藝裝置可以由壓力很低的蒸汽（0.03~0.1MPa.a）或70℃以上的熱水作為驅動熱源。TVC-MED工藝裝置的動力蒸汽一般為0.25MPa.a以上的蒸汽，可以顯著提高設備的性能（造水比）。

本項目3萬噸/日的低溫多效海水淡化裝置的熱源來源考慮有：太陽能光熱、太陽能熱水。熱源分別按照蒸汽和熱水兩種形式考慮。中低壓蒸汽參數為：1.0MPa.a，183℃，108t/h；低溫熱水參數為：95℃，4700t/h。

本項目海水淡化制水成本主要包括：化學藥品消耗、電力消耗、人工工資、福利及管理費用、維修費用和設備折舊費用等，具體詳見表1。

表1 各種不同技術路線制水成本比較

由表1可以看出，太陽能熱水制水成本低于太陽能光熱。

3.4.2 反滲透膜法（RO）

反滲透海水淡化裝置僅耗電，不需要蒸汽。本項目3萬噸/日的反滲透海水淡化裝置的電源來源考慮有：市電、太陽能光伏、風電。設計參數為：制水能耗＜3.96kWh/t、TDS≤500mg/L、產品水水溫≤29℃、海水設計溫度29℃、所需原海水量3130t/h（10-29℃）、海水排放水量1880t/h。

本項目海水淡化制水成本主要包括：電力消耗、藥品消耗、膜/濾芯更換費、設備折舊費用等，具體詳見表2。

表2 各種不同技術路線制水成本比較

由表2可以看出，全市電方案制水成本最高，風光互補+市電方案制水成本最低。

3.5 制水成本比較

從表3的制水成本比較中可以看出，熱法總體上制水成本都高于膜法，膜法中風光互補+市電方案制水成本最低。本項目推薦采用風光互補+市電膜法制水方案。

表3 各種不同技術路線制水成本比較

4 結論

基于當前太陽能光伏、風電行業的技術及價格發展水平，在太陽能資源或風資源豐富且常規能源電價較高的地區，采用太陽能或風能-電能-RO方案可有效解決該地區能源、水資源短缺問題，不僅可以節約寶貴的不可再生能源，更為海水淡化產業的推廣提供了更好的前景。