基于太阳池的海水淡化与发电集成系统研究

基于太阳池的海水淡化与发电集成系统研究内容摘要：

,日产 的 多效蒸馏 多效蒸馏是指重复利用二次蒸汽 ,即把二次蒸汽作为下一效的加热源 ,多效蒸馏海 水淡化方法和多级闪蒸海水淡化方法同属蒸馏法 ,产品水纯度高。 但多效蒸馏可利用较多 级闪蒸更低的低位热源 ,能量消耗更低。 但是设备结构较为复杂 ,不利于小型化发展。 目 前世界上的淡化装置绝大多数都是采用低温多效蒸馏 .,也是被许多专家 称为最节能的淡化方法之一【妒。 压汽蒸馏 所谓压汽蒸馏是利用机械压 缩机把蒸汽压缩、升压和升温 ,并将蒸汽作为加热和使 海水蒸发的热源 ,因此不需要外部提供加热蒸汽 ,直接依靠机械能转化为热能。 其优点 过程效率高、比能耗低 ,结构紧凑。 但是压汽机造价较高 ,易腐蚀和结垢 ,难于进一步 大型化。 反渗透法 反渗透法是指利用半透膜将海水与淡水隔离开只允许溶剂通过 ,并在海水侧施 加大于自然渗透压的外压 ,从而使海水中的纯水反向渗透到淡水侧 ,实现淡水从海水中 的分离。 反渗透法在运行过程中不存在相变 ,能量消耗较少 ,有较好的发展潜力【。 电渗析 电渗析法的工作原理为 :对海水溶液施加强电场之后 ,使海水 溶液中的正负离子分 别向阴阳极移动。 同时将具有选择透过性的正负离子交换膜交替排列 ,形成多个独立的 江苏大学硕士学位论文 腔室 ,使得离子被离子交换膜隔离在特定的腔室中 ,从而在相邻的腔室中得到了淡水。 电渗析技术只能除去海水中的盐分 ,而不能除去其他的有机物 ,而且容易发生结垢问题 , 很少在大型淡化装置中应用。 ..传统海水淡化的能耗及环境问题 虽然传统海水淡化技术比其它常规供水方式有着巨大的优势 ,但是目前绝大多数海 水淡化工程依靠传统能源来运行 ,比如蒸馏法主要使用热能 ,而反渗透法和电析法则依 赖电能。 几种传统海水 淡化技术的能耗如表 .所示【’ ,各种供水方式耗能见表 .。 根据相关文献表明 ,到年 ,如果采用常规海水淡化技术和常规能源生产淡水来解决 淡水短缺问题 ,中国需要消耗能量 .. ,占全年总发电量的 .% .%【。 这对本来就缺电的中国造成了不小的压力。 常规的海水淡化技术不仅高耗能 , 而且对环境的危害十分严重。 据澳大利亚研究机构对悉尼一家日产淡水万吨的海水淡 化厂进行的调查显示 ,其平均耗能为 .娴 /,相当于生产水即从悉尼主要的煤 电厂排放 .二氧化碳 ,而该厂的二氧化碳排放量达到 .万吨 ,这相当于生产的 水需要燃烧升的汽油【。 因此 ,寻求新能源实现海水淡化必将成为今后的发展趋势。 表 .几种海水淡化过程中的耗能情况 .注 :假定电能的转化率为 %。 /表示生产淡水所需要消耗的能量值。 表 .各种供水方式的运行能耗 .供水方式 运行能耗 ??. 海水淡化 . . 跨流域调水 . 污水再利用 . 抽取深层地下水 河道取水 . 基于太阳池的海水淡化与发电集成系统的研究 .太阳能海水淡化技术 ..太阳能海水淡化的发展状况 为了解决能源危机、水资源短缺和环境污染等问题 ,人们将目光转向可再生能源的 利用上。 太阳能作为一种洁净能源 ,是可提供地球的稳定能源之一。 因此 ,利用太阳能 进行海水淡化是一种很有前景的技术手段。 人类利用太阳能进行海水淡化已经有了长足的发展。 早在年 ,就使 用安装在支架上的大型玻璃透镜 ,将太阳光聚焦在长颈瓶中 ,进行太阳能蒸馏。 年 , 描述了利用镀银的玻璃反射镜聚光 ,来用于太阳能蒸馏的整个过程。 年 在智利北部建造了世界上第一个大型太阳能海水淡化装置 ,此系统一直运行了余年。 年通过实验研究了利用平板型太阳能集热器与盘式太阳能蒸馏器相结合的 装置 ,但是太阳能蒸馏在当时并未引起重视。 在一战之后 ,太阳能蒸馏法逐渐引起了 人们的兴趣。 比如当时研制出来的顶棚式 、倾斜幕芯式、倾斜盘式以及充气式太阳能蒸 馏器等 ,极大地解决了当时人们的淡水供应问题。 近年来人们对新颖的太阳能蒸馏的研 究层出不穷。 比如 ,年就最早提出了在盘式太阳能蒸馏器中附加加热器的 想法 ,来提高盘式太阳能蒸馏装置单位面积的产量【粥。 和在年研究了利 用平板式太阳能集热器和盘式太阳能蒸馏器相结合的装置 ,进而推动了该项工作的发展。 最近二十年 ,将太阳能集热器与低温多效蒸馏或多级闪蒸结合起来的研究越来越多。 如日本在高见岛建造了一个效的太阳能海水淡化装置 ,该装置将真空玻璃管集热器和 多效蒸馏组合起来 ,日产水能力。 另外太阳能与反渗透相结合也是海水淡化发展的 一个方向。 如 ,沙特年在吉沙投入运营的太阳能反渗透海水淡化工厂。 研究者还将 太阳能利用与电渗析结合起来尝试研究 ,如日本在高见岛建成了产水能力为 的平板 集热器与高温电析槽相结合的海水淡化实验厂。 我国的太阳能海水淡化技术的研究始于七十年代 ,在八十年代初期 ,中科院广州能 源研究所完成了空气饱和式太阳能蒸馏器的研究。 并在年在嵊泗岛建造了我国第一 个较为实用的太阳能蒸馏系统。 九十年代后 ,天津大学、西北工大以及西安交大等高校 也对太阳能海水淡化技术进行了研究 ,并研制出了多种新式太阳能海水淡化实验装置。 西北工业大学提出了“新型闭式太阳能海水淡化装置 ,天津大学提出了“回收潜热的太 阳能蒸馏器’’以及中科大提出的“降膜蒸发气流吸附太阳能蒸馏器等。 年华 江苏大学硕士学位论文 瑞科技与北京大学合作研制了太阳能海水淡化样机 ,对太阳能海水淡化的应用进行了深 刻的研究。 之后 ,北京理工大学、西安交通大学及后勤工程学院提出了“横管降膜蒸发 多效回热太阳能海水淡化系统” ,制造出了样机 ,并在沿海地区建立了实际的运行系统 镐。 据统计 ,截至到年底 ,中国太 阳能日淡化海水能力接近万吨。 而在反渗 透法、蒸馏法等主流海水淡化关键技术方面均取得了突破。 虽然国内太阳能海水淡化基 本具备了产业化条件 ,但研究水平及创新能力、装备的开发制造能力等方面与国外仍有 较大的差距。 ..太阳能海水淡化技术的分类 太阳能海水淡化方法可分为直接法和间接法两大类。 直接法是将集热部分和脱盐部 分集于一体的方法。 而间接法则是将集热部分和脱盐部分分开的方法。 一般来说 ,直接 法占地面积较大 ,且效率低 ,在早期的海水淡化中应用较多。 目前开发的太阳能海水淡 化系统主要以间接法为主一。 以下将对太阳能海水 淡化的分类进行简单介绍。 直接法 直接法是利用太阳能集热器直接加热海水 ,蒸馏得到淡水的方法。 它一般分为浅盘 型、倾斜型和多效型三类印。 浅盘型它由盛水的浅盘和透明罩组成。 太阳光透过透明罩照到盘内的黑色物质上 , 使盘内的海水升温 ,从而产生蒸汽。 蒸汽碰到透明罩被外界的空气冷却 ,凝结成水滴 ,流 到淡水收集槽中 ,浓缩的海水在析出水垢之前排出。 这种方法的产水量比较低。 倾斜型又分为倾斜浅盘型和倾斜吸水毛型两种。 倾斜浅盘型的工作原理和浅盘型一 样 ,只是使水盘改成倾斜式 ,提高了聚光率和蒸发。 此种方法比浅盘型的产水量提高 约 %%,但是技术难度较大。 倾斜吸水毛型是在倾斜型的水盘上安放吸水毛来储存海 水 ,降了海水层深度 ,来减少热容提高产水量。 多效型由于浅盘型和倾斜型将蒸汽凝结时放出的热量浪费掉了 ,为了能充分利用这 部分热量反复加热海水 ,研究出了多效型蒸馏器。 工作原理为在集热板反面设有吸水毛 , 用来储存海水 ,集热板经太阳光加热之后 ,海水因受热而蒸发。 蒸发出的水蒸气遇到下 面冷的隔板后被冷却成淡水滴 ,而凝结时挥发的热量再加热隔板反面吸水毛中的海水 , 使之蒸发。 因此经过反复蒸发一浓缩一再蒸发 ,最后通过最下层的散热板把余热排出。 此 方法产水量大约为浅盘型的 .倍。 此法的关键问题是需要妥善解决吸水毛材料、粘 附剂及集热板的防海水腐蚀问题。 基于太阳池的海水淡化与发电集成系统的研究 间接法’ . 间接法就是用太阳能集热装置将光能转变成热能 ,或者利用太阳能电池把光能变成 电能作为海水淡化装置的能源来制取淡水。 除了和传统海水淡化技术的所需供热源或电 能提供方式不同 ,太阳能海水淡化装置的工作原理和传统的淡化方式基本相同。 已经取 得阶段性成果并有推广前景的技术主要是太阳能多级闪蒸系统、太阳能多效蒸馏系统和 太阳能压缩蒸馏系统。 例如 ,科威特已建成了一个 利用的槽形抛物面太阳能集热 器和升的贮热罐为级闪蒸系统供热的太阳能海水淡化装置 ,每天淡水产量接近 吨。 在日本、墨西哥和阿布扎比等地区也建有类似的装置 ,每天产淡水近千吨。 另外 ,利用太阳能发电结合反渗透海水淡化及冷冻法等方面的研究也取得了进展。 比如 科威特建成了利用点聚焦抛物面太阳能热发电为反渗透海水淡化系统提供电能的工厂 , 每天产水量吨左右。 在沙特阿拉伯 ,建成了一个采光面积 ,用点聚焦集热发 电为间接冷冻法海水淡化工厂供电的综合系统 ,每天产水量达吨。 可见用太阳能。 发电来制备淡水的前景也是很广阔的。 ..传统太阳能海水淡化技术的缺陷 目前国内外仍是以发展太阳能蒸馏技术为主 ,而利用太阳能发电进行海水淡化 ,虽 在技术上没有太大障碍 ,但经济上仍不能跟传统海水淡化技术相比拟。 而且传统的太阳 能蒸馏器运行温度过低 ,虽然科学家设计了多种传统太阳能蒸馏器配备其他太阳能集热 器的方案 ,但是这些方案再提高产水量的同时却大大提高了设备的运行成本。 综合分析 发现传统太。