聚能式多效太阳能海水淡化系统性能研究*

李吉淑， 季旭， 张海麟， 张诗， 于博文， 闫磊磊

(1.云南师范大学 能源与环境科学学院，云南 昆明 650500；2.云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650500)

随着能源和淡水资源短缺的日益加剧，可再生能源的利用在世界范围受到广泛关注.淡水资源只占全球水资源的3%，其中地表水只有0.3%，人口的不断增长和资源的分布不均使得越来越多的地区面临淡水资源短缺的问题[1-2].太阳能资源分布广泛且利用方便，海水淡化技术被认为是解决淡水资源短缺的可行办法，对可再生能源利用的关注和淡水资源的短缺推动了太阳能海水淡化技术的快速发展[3-4].

太阳能海水淡化技术有产水成本低、设计简单和操作方便等特点，其中太阳能热法蒸馏海水淡化技术被认为具有较大的发展潜力[5-6].在被动式太阳能热法蒸馏中，原水水量大热容量大，一部分能量需用于海水预热，导致用于蒸发的热量变少；且当蒸汽凝结时，换热效率低凝结不及时，蒸汽潜热没有得到再利用；此外太阳辐射能流密度低，海水只能被加热到蒸发，而难以实现高效的沸腾蒸发，导致海水淡化效率和能量利用率低[7-9].因此本文设计了一种聚能式[10-12]多效太阳能海水淡化系统，利用低倍聚光集热器和聚能平板集热器提升太阳辐射能流密度以提高流体温度，同时增加蒸汽凝结效数以提高能量利用效率.

1 系统结构及原理

如图1所示，聚能式多效太阳能海水淡化系统由低倍聚光太阳能集热器、太阳能聚热平板、原水储水箱、导热油箱、蒸馏室、蒸发器、冷凝器和油泵组成.系统运行时，低倍聚光太阳能集热器和太阳能聚热平板收集并汇聚太阳辐射能，将原水加热沸腾，达到淡化海水的目的.

图1 聚能式多效太阳能海水淡化系统原理图

太阳辐射能加热低倍聚光器通道中的导热油工质，导热油工质在集热器内循环的过程中不断升温，通过首效蒸馏室底部的换热盘管将热量传递给蒸馏室内部的海水，蒸馏室内的海水逐渐升温直至沸腾，产生的蒸汽通过排气管到第二效蒸发器.第二效蒸发器管内的热蒸汽与管外的低温度海水换热冷凝且释放冷凝潜热，第二效蒸发器外的海水在冷凝潜热的作用下被加热，温度持续升高，开始产生蒸汽，蒸汽又流向下一个冷凝器冷凝为淡水，同时温度升高的海水还流向太阳能聚热平板的金属蒸汽发生管，集热板吸收的太阳辐射能量使得金属蒸汽管里的海水蒸发，蒸汽流向冷凝器冷凝为淡水.最后冷凝箱管外的水在吸收冷凝潜热之后通过原水水箱的换热盘管进行换热，对原水进行预热.系统结构参数如表1所示.

表1 系统组件参数表

2 结果分析

在某典型冬季晴朗天气下，系统接收到的最大太阳辐射为1 364 W/m2，平均868.64 W/m2，太阳辐照度在10：10到14：30之间都保持在800 W/m2以上，太阳辐照度整体比较平稳(如图2).

图2 太阳辐射强度

图3为冬季晴朗天气条件下每半小时的淡水产量和日累计量.在10：00系统开启运行并且不断吸收热量来预热整个系统，直到11：30～12：00之间才开始有淡水产出；随着热量的累积，产淡水速率不断升高，在13：00到13：30之间达到了产水速率的峰值68.33 mL/min；在13：00～15：30期间，产水速率均能保持在35 mL/min以上，15:00以后，太阳辐射强度逐渐下降，系统每半小时的淡水产量也逐渐下降.全天累计淡水产量为10.79 L，平均产水速率为25.6 mL/min，计算得系统集热效率最高能达到35%.

图3 冬季晴朗天气下每半小时淡水产量和累计淡水产量

3 结语

提出了一种聚能式多效太阳能海水淡化系统.通过太阳辐射给系统提供热量，利用太阳辐射能量加热海水直至蒸发沸腾，冷凝后产出淡水，同时系统为多效结构，充分利用蒸汽冷凝潜热以提高能量利用效率.冬季晴朗天气实验中，聚能式多效太阳能海水淡化系统从11:30～12：00开始产水，直至16：30停止产水，整天产水10.79 L，平均淡水产量为25.6 mL/min，系统集热效率最高达到35%.