一种新型太阳能、风能联合海水淡化装置

陈晖++叶舟++高伟

摘要： 淡水资源短缺已成为一个世界性问题，我国也不例外.为了加大淡水供应，一条现实的途径就是充分利用我国丰富的海水资源，以及西北内陆地区的苦咸水（统称海水）进行淡化.提出了一种海水淡化装置，该装置利用温室效应原理和风能致热原理，可充分利用太阳能与风能进行海水淡化.与现有海水淡化装置相比该装置具有利用清洁能源、对环境无污染、适应性强、性价比高等特点.理论计算结果表明，该装置每小时产水量约为普通盘式太阳能海水淡化装置在晴天工作时的2倍.

关键词：海水淡化； 太阳能； 风能

中图分类号： TK 89文献标志码： A

淡水是人类赖以生存和发展的基本物质之一.目前，全世界大约三分之一的人口生活在缺水地区.到2025年，这个数字将会增加到三分之二.我国水资源总量2.7～2.8万亿m3，居世界第6位，而人均水占有量2 292 m3，仅为世界平均水平的25%，被联合国列为13个水资源缺乏国家之一.我国水资源在时间、空间和地区上分布不均，其中10个省市（辽宁、山西、江苏、河南、河北、山东、宁夏、北京、上海和天津）年人均水占有量约为1 000 m3，已达到国际公认的水资源紧张限度值.我国640个城市中有300多个缺水，北京人均水占有量为世界平均水平的7.8%.

预计到2030年，我国人口将达16亿，人均水占有量将降至1 760 m3，届时我国将成为水资源十分紧缺的国家[1-2].因此，根据我国实际情况，充分利用我国狭长海岸线对海水进行淡化，以及对西部区湖泊、井水中的苦咸水进行淡化，无疑都是缓解我国缺水现状较为可行的途径.

1国内外研究背景

1.1盘式太阳能海水淡化装置

太阳能海水淡化主要借助太阳所产生的热能或电力，使具有一定浓度的海水重新组合.盘式太阳能海水淡化装置采用热能驱动海水发生相变并进行分离，再对分离后的水蒸气进行冷凝产生淡水.由于没有外部集热系统，该装置属于被动式太阳能蒸馏系统.

被动式海水蒸馏系统于1872年由瑞典工程师Wilson[3]在智利北部建成使用，晴天每天可产淡水23 t.该系统设计简单，综合成本低，不需要专业人员维护，但也有产水量受天气影响较大、夜晚不能工作以及单位采光面积产水量较低等缺点.

张小艳等[4]对多级迭盘式太阳能蒸馏器进行了实验研究，利用多级迭盘结构对凝结潜热进行重复利用，强化冷凝效果.通过比较单级、两级、三级的单位能耗产水率发现，在较高温度段（>70℃）运行时性能更理想.Velmurugan等[5]在传统太阳能海水蒸馏盘中安装了肋片，使吸收太阳能的有效面积增大，加快了海水温升速度，提高了系统产水率.经过理论与实验对比发现，安装肋片后的系统产水率增加了45.5%.Kabeel[6]将太阳能蒸馏器底盘设计成半球形，在半球形底盘内铺设被涂成黑色的棉质材料，利用毛细管效应尽可能减少盘内海水容量，减小海水热惰性，增加了海水蒸发有效面积，并将玻璃盖板设计成金字塔形，由四面倾角为45°的玻璃盖板组成，增大了海水的光能吸收能力，避免了太阳移动形成的阴影对海水蒸馏器产生不利影响.经过实验研究发现，该系统晴天平均产水率为4.1 L·m-2，系统最大瞬时效率为45%.

1.2风能致热装置

近年来风能利用技术得到了长足发展.由贝兹极限可知，理想风力机的风能利用效率为59.3%，而实际应用的风力机效率一般仅为理想风力机效率的70%[7].通常风力机提水时的效率只有16%左右，发电时的转换效率一般为30%，而风力机致热时由于把高品位的机械能转化为低品位的热能，故而效率较高.风能致热装置的风能利用率最高可达45%，一般在40%左右.目前风能转化为热能的方法有三种[8]：一是风力发电，再通过电热器发热；二是由风力机将风能转化成空气压能，从而获得热能；三是将风能直接转化为热能.其中，将风能直接转化为热能的方法因其较高的效率和较好的适应性，成为通常采用的方式.风能致热主要有液体搅拌致热、液体挤压致热、固体摩擦致热和涡电流法致热等四种致热方式.其中，由于液体搅拌致热装置容易制造，无易磨损件，对载热介质无严格要求，且在整个工作过程中几乎将投入的能量全部转化为热能，能够较好地与风力机输出功率特性相匹配，功率系数较大，因此为人们所喜爱[7].

2设计方案

综合盘式太阳能海水淡化装置与风能致热装置的特点，为了更大限度地利用太阳能、风能资源，本文提出了一种新型太阳能、风能联合海水淡化装置.

2.1装置结构概述

图1为新型太阳能、风能联合海水淡化装置的结构示意图.该系统配备有供电风力机，可将风能转化为电能并储存在与其相连的蓄电池中.蓄电池用于为该系统控制部分提供电能.图1中抽吸泵、浓盐水排出泵以及净水收集泵均由该蓄电池供电.抽吸泵与海水相连，并添加Y型滤网过滤水中杂质；净水收集泵与净水收集罐相连，用于收集淡水；浓盐水排出泵用于排出浓盐水，也可将浓盐水收集并进行深加工.垂直轴风力机穿过蒸馏室，下部与搅拌加热器相连，构成整个液体搅拌致热系统.需要指出的是，系统配备有可改变搅拌叶片位置的装置，可通过改变载荷解决垂直轴风力机自启动问题.为了更大限度地利用太阳能，蒸馏室顶部为双层玻璃，外壳采用塑料制成，内胆使用不锈钢并在外层添加保温材料.该装置所有管路均使用UPVC塑料，进水管穿过外壳后在内胆上缠绕2～3圈再穿过内胆.

2.2装置运行

新型海水淡化系统工作流程如图2所示.该系统使用风力发电机为蓄电池蓄电以驱动小型水泵，使海水通过Y型滤网后进入密闭温室中.密闭温室内层为蒸馏室.根据温室效应原理，照射到装置顶部的太阳辐射能大部分透过透明的玻璃盖板，小部分被玻璃盖板反射或吸收.透过玻璃盖板的太阳辐射能除小部分被水面反射外，其余大部分被进入蒸发室的海水吸收，使海水温度升高.同时，垂直轴风力机致热系统也会将风能转化为热能，进一步提升蒸发室温度，加速海水蒸发.海水蒸发后，一部分水蒸气与蒸发室顶部的双层玻璃相接触.因玻璃盖板吸收的太阳辐射能很少，且直接向大气散热，故顶盖温度低于水蒸气温度，因而水蒸气会在顶盖下表面处凝结并放出汽化潜热.只要顶盖有一合适的倾角，凝结水就会在重力作用下顺顶盖流入夹层中.这也是盘式太阳能海水淡化装置的原理.还有一部分水蒸气会和进水管壁接触，水蒸气在管壁处释放汽化潜热，以达到预热进口海水和收集蒸发淡水的双重作用.夹层中设有水位计，在适当水位时启动净水收集泵收集淡水.内胆中设有盐度传感器，当海水盐度过高时，启动浓盐水排出泵，将其中的浓盐水排出，收集后也可进一步加工.

2.3系统控制

图3为该系统控制框图.该系统设有控制部和存储部.存储部存储海水水位阈值、淡水水位阈值

以及盐度阈值；控制部分别与第一水位计、第二水位计以及盐度传感器连接，分别用于采集海水水位、淡水水位以及高浓度盐水的盐度.控制部还分别与抽吸泵、净水收集泵以及浓盐水排出泵连接.控制部可通过比较采集得到的海水水位和海水水位阈值控制抽吸泵补充水；还通过比较淡水水位和淡水水位阈值控制净水收集泵进行淡水的收集，以及通过比较盐度和盐度阈值控制浓盐水排出泵进行高浓度盐水的排放.

调节推拉部中的没入控制部分别连接测速编码器、调节构件以及没入存储部.没入存储部通过比较测速编码器采集得到的转速和没入存储部中的转速阈值，控制调节构件，从而通过驱动轴改变搅拌片的没入深度.

蓄电池分别与控制部、抽吸泵、净水收集泵、浓盐水排出泵、测速编码器、没入控制部以及调节构件连接，用于供电.

3产水量估算

为估算该系统日产水量，假设：① 蒸馏前、后蒸馏器内水量及温度均无变化，水温为20℃；② 蒸馏室尺寸为5 m×2 m×2 m，致热用风力机迎风面积为6 m2（2 m×3 m）；③ 风力机风能转化为热能的效率CP为35%，太阳能辐射吸收率为80%，来流风速V为10 m·s-1，蒸馏器内热量利用率η为60%.

根据能量守恒原理可得

Qr+QW=Qi+Qo（1）

式中：Qr为太阳能所产生的热量；QW为风力机输入热量；Qi为海水蒸发所消耗的热量；Qo为热量耗散.

根据国家气象中心发布的1981—2000年《中国气象辐射资料年册》[9]整理可得到各地太阳月平均辐照量.由此可得出上海市全年最大太阳辐照量为3.6 kW·h·m-2·d-1，则可求得该装置可吸收太阳能为Qr=1.04×108 J·d-1.

风力机输入的热量为

QW=12CPρV3At（2）

式中：ρ为空气密度；A为迎风面积；t为时间.

将该装置相关数据代入式（2），可求得QW=1.17×108 J·d-1.

蒸发1 kg 20℃海水所需热量

q=c（T0-T1）+qr（3）

式中：c为比热容；qr为汽化潜热；T0为蒸发温度，此处为100℃；T1为水温，此处为20℃.

将相关数据代入式（3）则可求得q=2.60×106 J·kg-1.

将以上结果代入式（1）可得平均日产水量为85 kg.与同样大小的盘式太阳能蒸馏器相比，日产水量提高了一倍.

4结论

本文提供了一种新型太阳能、风能联合海水淡化装置.该装置可充分利用我国狭长海岸线的海水与西北内陆地区的苦咸水进行淡化处理，无疑是一种缓解我国缺水现状的可行途径.该装置具有以下优势：

（1）使用的能源为太阳能与风能，均为可再生能源，且可自给自足，不需要外界输入能源.

（2）由于该装置所需的能源为太阳能和风能，具有普遍存在性，故而可在各种环境下使用.既可用于我国西北地区苦咸水的淡化处理，也可用于我国沿海地区的淡水制备，还可用于四面环海的孤岛制备淡水，甚至可用于深海漂浮式产水，应用范围特别广泛.

（3）通常而言，阳光充足时风力较小，而风速较高时阳光较弱.该装置实现了风光互补，克服了一般太阳能海水淡化装置夜晚无法工作的缺点，使得产水量大大提升.

（4）该装置可大可小，可根据实际需要定制.

（5）海水淡化的成本主要包括能耗、固定资产折旧和日常维护费用.通常而言，能耗成本约占55%，折旧约占24%[10].由于该装置不需要外界输入能源，可实现自动化生产，节约了能源成本和人力成本，使得淡水制备成本大大降低.

参考文献：

[1]何梓年.太阳能热利用[M].北京：中国科学技术出版社，2009.

[2]李乃胜.当代科学技术发展前沿[M].北京：中国海洋大学出版社，2004.

[3]常泽辉，侯静，温雯.太阳能海水淡化技术研究进展[J].价值工程，2013（6）：301-302.

[4]张小艳，郑宏飞，张联英.多级迭盘式太阳能蒸馏器的实验研究[J].水处理技术，2003，29（8）：233-235.

[5]VELMURUGAN V，GOPALAKRISHNAN M，RAGHU R，et al.Single basin solar still with fin for enhancing productivity[J].Energy Conversion and Management，2008，49（10）：2602-2608.

[6]KABEEL A E.Performance of solar still with a concave wick evaporation surface[J].Energy，2009，34（10）：1504-1509.

[7]李华山，冯晓东，刘通.我国风力致热技术研究进展[J].太阳能，2008（9）：37-40.

[8]郭新生，赵知辛，唐桂华.风能-流体升压节流致热效应的实验研究[J].太阳能学报，2004，25（2）：157-161.

[9]刘卓昶.光伏/风力并网发电在高层建筑上的应用设计[J].上海电力，2009（3）：196-201.

[10]高玉屏.我国现有技术条件下海水淡化成本构成分析[J].水利技术监督，2013，21（1）：36-38.

2.3系统控制

图3为该系统控制框图.该系统设有控制部和存储部.存储部存储海水水位阈值、淡水水位阈值

以及盐度阈值；控制部分别与第一水位计、第二水位计以及盐度传感器连接，分别用于采集海水水位、淡水水位以及高浓度盐水的盐度.控制部还分别与抽吸泵、净水收集泵以及浓盐水排出泵连接.控制部可通过比较采集得到的海水水位和海水水位阈值控制抽吸泵补充水；还通过比较淡水水位和淡水水位阈值控制净水收集泵进行淡水的收集，以及通过比较盐度和盐度阈值控制浓盐水排出泵进行高浓度盐水的排放.

调节推拉部中的没入控制部分别连接测速编码器、调节构件以及没入存储部.没入存储部通过比较测速编码器采集得到的转速和没入存储部中的转速阈值，控制调节构件，从而通过驱动轴改变搅拌片的没入深度.

蓄电池分别与控制部、抽吸泵、净水收集泵、浓盐水排出泵、测速编码器、没入控制部以及调节构件连接，用于供电.

3产水量估算

为估算该系统日产水量，假设：① 蒸馏前、后蒸馏器内水量及温度均无变化，水温为20℃；② 蒸馏室尺寸为5 m×2 m×2 m，致热用风力机迎风面积为6 m2（2 m×3 m）；③ 风力机风能转化为热能的效率CP为35%，太阳能辐射吸收率为80%，来流风速V为10 m·s-1，蒸馏器内热量利用率η为60%.

根据能量守恒原理可得

Qr+QW=Qi+Qo（1）

式中：Qr为太阳能所产生的热量；QW为风力机输入热量；Qi为海水蒸发所消耗的热量；Qo为热量耗散.

根据国家气象中心发布的1981—2000年《中国气象辐射资料年册》[9]整理可得到各地太阳月平均辐照量.由此可得出上海市全年最大太阳辐照量为3.6 kW·h·m-2·d-1，则可求得该装置可吸收太阳能为Qr=1.04×108 J·d-1.

风力机输入的热量为

QW=12CPρV3At（2）

式中：ρ为空气密度；A为迎风面积；t为时间.

将该装置相关数据代入式（2），可求得QW=1.17×108 J·d-1.

蒸发1 kg 20℃海水所需热量

q=c（T0-T1）+qr（3）

式中：c为比热容；qr为汽化潜热；T0为蒸发温度，此处为100℃；T1为水温，此处为20℃.

将相关数据代入式（3）则可求得q=2.60×106 J·kg-1.

将以上结果代入式（1）可得平均日产水量为85 kg.与同样大小的盘式太阳能蒸馏器相比，日产水量提高了一倍.

4结论

本文提供了一种新型太阳能、风能联合海水淡化装置.该装置可充分利用我国狭长海岸线的海水与西北内陆地区的苦咸水进行淡化处理，无疑是一种缓解我国缺水现状的可行途径.该装置具有以下优势：

（1）使用的能源为太阳能与风能，均为可再生能源，且可自给自足，不需要外界输入能源.

（2）由于该装置所需的能源为太阳能和风能，具有普遍存在性，故而可在各种环境下使用.既可用于我国西北地区苦咸水的淡化处理，也可用于我国沿海地区的淡水制备，还可用于四面环海的孤岛制备淡水，甚至可用于深海漂浮式产水，应用范围特别广泛.

（3）通常而言，阳光充足时风力较小，而风速较高时阳光较弱.该装置实现了风光互补，克服了一般太阳能海水淡化装置夜晚无法工作的缺点，使得产水量大大提升.

（4）该装置可大可小，可根据实际需要定制.

（5）海水淡化的成本主要包括能耗、固定资产折旧和日常维护费用.通常而言，能耗成本约占55%，折旧约占24%[10].由于该装置不需要外界输入能源，可实现自动化生产，节约了能源成本和人力成本，使得淡水制备成本大大降低.

参考文献：

[1]何梓年.太阳能热利用[M].北京：中国科学技术出版社，2009.

[2]李乃胜.当代科学技术发展前沿[M].北京：中国海洋大学出版社，2004.

[3]常泽辉，侯静，温雯.太阳能海水淡化技术研究进展[J].价值工程，2013（6）：301-302.

[4]张小艳，郑宏飞，张联英.多级迭盘式太阳能蒸馏器的实验研究[J].水处理技术，2003，29（8）：233-235.

[5]VELMURUGAN V，GOPALAKRISHNAN M，RAGHU R，et al.Single basin solar still with fin for enhancing productivity[J].Energy Conversion and Management，2008，49（10）：2602-2608.

[6]KABEEL A E.Performance of solar still with a concave wick evaporation surface[J].Energy，2009，34（10）：1504-1509.

[7]李华山，冯晓东，刘通.我国风力致热技术研究进展[J].太阳能，2008（9）：37-40.

[8]郭新生，赵知辛，唐桂华.风能-流体升压节流致热效应的实验研究[J].太阳能学报，2004，25（2）：157-161.

[9]刘卓昶.光伏/风力并网发电在高层建筑上的应用设计[J].上海电力，2009（3）：196-201.

[10]高玉屏.我国现有技术条件下海水淡化成本构成分析[J].水利技术监督，2013，21（1）：36-38.

2.3系统控制

图3为该系统控制框图.该系统设有控制部和存储部.存储部存储海水水位阈值、淡水水位阈值

以及盐度阈值；控制部分别与第一水位计、第二水位计以及盐度传感器连接，分别用于采集海水水位、淡水水位以及高浓度盐水的盐度.控制部还分别与抽吸泵、净水收集泵以及浓盐水排出泵连接.控制部可通过比较采集得到的海水水位和海水水位阈值控制抽吸泵补充水；还通过比较淡水水位和淡水水位阈值控制净水收集泵进行淡水的收集，以及通过比较盐度和盐度阈值控制浓盐水排出泵进行高浓度盐水的排放.

调节推拉部中的没入控制部分别连接测速编码器、调节构件以及没入存储部.没入存储部通过比较测速编码器采集得到的转速和没入存储部中的转速阈值，控制调节构件，从而通过驱动轴改变搅拌片的没入深度.

蓄电池分别与控制部、抽吸泵、净水收集泵、浓盐水排出泵、测速编码器、没入控制部以及调节构件连接，用于供电.

3产水量估算

为估算该系统日产水量，假设：① 蒸馏前、后蒸馏器内水量及温度均无变化，水温为20℃；② 蒸馏室尺寸为5 m×2 m×2 m，致热用风力机迎风面积为6 m2（2 m×3 m）；③ 风力机风能转化为热能的效率CP为35%，太阳能辐射吸收率为80%，来流风速V为10 m·s-1，蒸馏器内热量利用率η为60%.

根据能量守恒原理可得

Qr+QW=Qi+Qo（1）

式中：Qr为太阳能所产生的热量；QW为风力机输入热量；Qi为海水蒸发所消耗的热量；Qo为热量耗散.

根据国家气象中心发布的1981—2000年《中国气象辐射资料年册》[9]整理可得到各地太阳月平均辐照量.由此可得出上海市全年最大太阳辐照量为3.6 kW·h·m-2·d-1，则可求得该装置可吸收太阳能为Qr=1.04×108 J·d-1.

风力机输入的热量为

QW=12CPρV3At（2）

式中：ρ为空气密度；A为迎风面积；t为时间.

将该装置相关数据代入式（2），可求得QW=1.17×108 J·d-1.

蒸发1 kg 20℃海水所需热量

q=c（T0-T1）+qr（3）

式中：c为比热容；qr为汽化潜热；T0为蒸发温度，此处为100℃；T1为水温，此处为20℃.

将相关数据代入式（3）则可求得q=2.60×106 J·kg-1.

将以上结果代入式（1）可得平均日产水量为85 kg.与同样大小的盘式太阳能蒸馏器相比，日产水量提高了一倍.

4结论

本文提供了一种新型太阳能、风能联合海水淡化装置.该装置可充分利用我国狭长海岸线的海水与西北内陆地区的苦咸水进行淡化处理，无疑是一种缓解我国缺水现状的可行途径.该装置具有以下优势：

（1）使用的能源为太阳能与风能，均为可再生能源，且可自给自足，不需要外界输入能源.

（2）由于该装置所需的能源为太阳能和风能，具有普遍存在性，故而可在各种环境下使用.既可用于我国西北地区苦咸水的淡化处理，也可用于我国沿海地区的淡水制备，还可用于四面环海的孤岛制备淡水，甚至可用于深海漂浮式产水，应用范围特别广泛.

（3）通常而言，阳光充足时风力较小，而风速较高时阳光较弱.该装置实现了风光互补，克服了一般太阳能海水淡化装置夜晚无法工作的缺点，使得产水量大大提升.

（4）该装置可大可小，可根据实际需要定制.

（5）海水淡化的成本主要包括能耗、固定资产折旧和日常维护费用.通常而言，能耗成本约占55%，折旧约占24%[10].由于该装置不需要外界输入能源，可实现自动化生产，节约了能源成本和人力成本，使得淡水制备成本大大降低.

参考文献：

[1]何梓年.太阳能热利用[M].北京：中国科学技术出版社，2009.

[2]李乃胜.当代科学技术发展前沿[M].北京：中国海洋大学出版社，2004.

[3]常泽辉，侯静，温雯.太阳能海水淡化技术研究进展[J].价值工程，2013（6）：301-302.

[4]张小艳，郑宏飞，张联英.多级迭盘式太阳能蒸馏器的实验研究[J].水处理技术，2003，29（8）：233-235.

[5]VELMURUGAN V，GOPALAKRISHNAN M，RAGHU R，et al.Single basin solar still with fin for enhancing productivity[J].Energy Conversion and Management，2008，49（10）：2602-2608.

[6]KABEEL A E.Performance of solar still with a concave wick evaporation surface[J].Energy，2009，34（10）：1504-1509.

[7]李华山，冯晓东，刘通.我国风力致热技术研究进展[J].太阳能，2008（9）：37-40.

[8]郭新生，赵知辛，唐桂华.风能-流体升压节流致热效应的实验研究[J].太阳能学报，2004，25（2）：157-161.

[9]刘卓昶.光伏/风力并网发电在高层建筑上的应用设计[J].上海电力，2009（3）：196-201.

[10]高玉屏.我国现有技术条件下海水淡化成本构成分析[J].水利技术监督，2013，21（1）：36-38.