微型光伏纳滤苦咸水淡化系统的研发

刘柯妤，徐 政*，陈锐坚

(1. 清华大学深圳国际研究生院电力系统国家重点实验室深圳研究室，深圳 518055；2. 深圳天源新能源股份有限公司，深圳 518055)

0 引言

中国西北地区苦咸水分布广泛[1-2]，由于无法直接饮用和灌溉，严重影响了当地的生活和经济发展，而淡化处理是就地获取淡水的有效途径。其中，光伏膜法苦咸水淡化(PV brackish water membrane desalination，PV-BWMD)系统将光伏发电与膜法淡化技术相结合，可清洁、高效和低成本地制取淡水，具有良好的研究价值和应用前景。

PV-BWMD 系统的相关研究成果并不多。Alghoul 等[3]设计了一套峰值功率为2 kW 的光伏反渗透苦咸水淡化(PV-BWRO)系统，并研究了系统控制方法和运行特性。Zeiner 等[4]探讨了储能对PV-BWRO 系统性能的影响，指出不使用蓄电池而适当增加光伏发电的装机容量，经济性更好。王淑娜等[5]设计了一套针对中国西部地区的BWRO 系统，该系统的除盐率维持在98%以上；王劲松等[6]设计了针对宁夏农村地区的家用BWRO 装置，但这两项研究均未与光伏发电相结合。黄佳胜[7]通过实验，比较了反渗透膜和纳滤膜的除盐性能，开发了一种光伏纳滤苦咸水淡化(PV-BWNF)系统，但该系统容量较大，不适合家庭使用。市场上也有几款家用BWRO产品，选用低成本的涡旋泵，电网供电运行，但这些BWRO 产品的吨水能耗高，并不适宜直接改为由光伏供电运行。

本文针对西北地区农村家庭，基于PVBWMD 系统，研发了一种微型PV-BWNF 系统，通过实验研究了采用不同类型淡化过滤膜和增压泵时微型PV-BWMD 系统的运行特性、淡化效果和制水能效，对微型PV-BWNF 系统的光伏阵列装机容量进行了优化配置，制定了产品设计与开发方案，并开发了智能控制器，实现了该系统的全自动运行。

1 微型PV-BWMD 系统介绍

1.1 微型PV-BWMD 系统结构

本文的PV-BWMD 系统属于微型系统，但其结构构成与大容量PV-BWMD 系统相似，系统具体结构如图1 所示。除了光伏阵列、控制器、提水泵、增压泵、预处理过滤器和淡化过滤装置(即反渗透/纳滤装置)等，为了保证饮用安全与口感，在系统末端还配有活性碳过滤器和紫外线灭菌器。

图1 微型PV-BWMD 系统的结构Fig. 1 Structure of micro PV-BWMD system

光伏阵列的输出功率受入射太阳辐照度和其他环境条件的影响，因此需要实施最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)控制[8]。控制器采用两级式电路结构，实施MPPT、直流升压和增压泵变频调速控制，同时协调微型PVBWMD 系统的运行模式。苦咸水由提水泵注入系统，经过预处理过滤器后，再由增压泵压入反渗透/纳滤装置，在压力差的作用下分离出淡水。

1.2 关键设备选型

根据水利部每年发布的《中国水资源公报》，中国农村居民人均生活用水量指标逐年提高，2020 年已达到100 L/天，因此本文针对农村家庭日用水量的需求，将600 L/天作为微型PVBWMD 系统的日产水量设计目标。

光伏供电时，微型PV-BWMD 系统的运行工况随入射太阳辐照度而变化，假定系统的等效额定工况日运行时间为4～5 h，则系统的淡化关键设备需要按照120～150 L/h 的最大产水能力来选型。

1)淡化膜组件的选型。淡化膜组件是微型PV-BWMD 系统的核心组件，分别选用脱盐性能好、性价比高的由北京海德能科技有限公司生产的反渗透膜和由时代沃顿科技有限公司生产的纳滤膜。两种淡化膜组件的规格参数如表1 所示，二者的膜面积及透水量存在差别，但均能满足关键设备产水能力的要求。

表1 两种淡化膜组件的规格参数Table 1 Specification parameters of two kinds of desalination membrane module

2)提水泵与增压泵的选型。根据120～150 L/h 的设备产水能力的目标，以淡化膜组件的回收率为20%计算，提水泵和增压泵额定流量的选型范围可预设为700～800 L/h。

实际应用中，一般需要先将苦咸水提取到水池或容器中进行泥沙沉淀，然后再由提水泵注入微型PV-BWMD 系统，所以提水泵只需提供预处理过滤器等设备所需的工作压力，选用小功率单级离心泵即可。

增压泵是微型PV-BWMD 系统中最主要的耗能设备，对系统运行和脱盐成本的影响大。苦咸水淡化所需的压力一般约在0.7 MPa，因此需要使用高扬程、小流量的水泵。

为此，本文研发的微型PV-BWMD 系统分别选用了多级离心泵和永磁螺杆泵，两种增压泵的额定规格参数如表2 所示，其中，永磁螺杆泵的扬程和流量参数为最高扬程和最大流量。另外，多级离心泵的运行效率较高，但比较笨重(长为720 mm、直径为150 mm、质量为27 kg)，而永磁螺杆泵的运行效率更高，且非常轻巧(长为375 mm、直径为75 mm、质量为4 kg)。

表2 两种增压泵的额定规格参数Table 2 Rated specification parameters of two kinds of booster pumps

3)过滤装置的选型。预处理过滤器采用过滤精度为50 μm 的折叠滤芯；保安过滤器采用过滤精度为5 μm 的PP 棉滤芯，以确保进入淡化膜组件的水质。

1.3 基本运行特性

通过实验确认选用不同关键设备时微型PVBWMD 系统的基本运行特性。

实验原水取自宁夏回族自治区清水河下游，经过泥沙沉淀，其溶解性固体总量(total dissolved solid，TDS)的检测结果为6460 mg/L，属于高盐度苦咸水，其中，二价离子SO42-的质量浓度为2558 mg/L，一价离子Na+和Cl-的质量浓度分别为1239 mg/L 和866 mg/L。

测试时使用直流电源供电，由逆变器驱动提水泵和增压泵，提水泵保持全速运行，运行功率PL稳定在180 W 左右；增压泵为调速运行，用手动调压阀将增压泵全速运行(同步转速为3000 rpm)时的工作压力调至最佳(多级离心泵为0.9 MPa，永磁螺杆泵为1.0 MPa)，并保持调压阀的开度不变，逐渐调低增压泵的转速n，检测增压泵的运行功率PH、淡化膜组件的工作压力PM、产水的流量Q和产水的TDS(即系统的淡化效果)等的变化，并计算对应的微型PVBWMD 系统的吨水能耗Et。选用不同关键设备时微型PV-BWMD 系统的运行特性实验结果如图2 所示。图中：PS为微型PV-BWMD 系统的运行功率，W。

由图2 可以看出：

图2 选用不同关键设备时微型PV-BWMD 系统的运行特性实验结果Fig. 2 Experimental results of operating characteristics of micro PV-BWMD system with different key equipment selection

1)增压泵全速运行时的运行功率约为560 W，随着增压泵转速的降低，其运行功率减小；采用永磁螺杆泵作为增压泵时运行功率的变化幅度小于采用多级离心泵作为增压泵时的，且运行功率与配套使用的淡化膜组件的类型无关。

2)随着增压泵转速的降低，淡化膜组件的工作压力基本呈线性下降趋势；由于多级离心泵的比例律特性，导致采用其作为增压泵时淡化膜组件工作压力的下降幅度明显大于采用永磁螺杆泵作为增压泵时的。

3)产水的流量随着增压泵转速的升高而增加。若采用反渗透膜作为淡化膜组件，由于高盐度原水的渗透压高，多级离心泵和永磁螺杆泵全速运行时的回收率均低于18%，产水流量分别为64 L/h 和80 L/h，远低于设计目标；而采用膜面积相对较大的纳滤膜作为淡化膜组件，多级离心泵和永磁螺杆泵全速运行时的回收率均高于30%，所对应的产水流量分别可达153 L/h 和188 L/h，满足设计要求。

4)淡化膜组件的工作压力越高，产水的TDS越低。反渗透膜的除盐率高，采用反渗透膜作为淡化膜组件时系统的实测产水TDS 为110～400 mg/L；纳滤膜的除盐率略低，“纳滤膜+多级离心泵”系统的实测产水TDS 为460～825 mg/L，“纳滤膜+永磁螺杆泵”系统的实测产水TDS仅为250～450 mg/L，但均可满足农田灌溉用水小于等于2000 mg/L、生活饮用水小于等于1000 mg/L 的国家标准。

5)使用纳滤膜作为淡化膜组件时微型PVBWMD 系统的吨水能耗比使用反渗透膜作为淡化膜组件时的减小约58%，采用永磁螺杆泵作为增压泵时系统的吨水能耗比采用多级离心泵作为增压泵时的减小约15%；“纳滤膜+永磁螺杆泵”的优势明显，此微型PV-BWMD 系统的吨水能耗低至3.9～5.9 kWh/m3。

2 微型PV-BWNF 系统的设计与开发

2.1 光伏阵列装机容量的优化配置

选择综合性能好、能耗低的“纳滤膜+永磁螺杆泵”作为产品设计方案，即微型PV-BWNF系统。光伏供电时，微型PV-BWNF 系统的有效运行时间有限，且增压泵调速运行，吨水能耗也相应变化，计及提水泵和其他用电装置的功耗(共200 W)，系统有效制水的最小运行功率Pmin为320 W、最大运行功率Pmax为760 W。通过对图2a 和图2c 中的实验数据进行拟合，可以得到产水流量Q(单位为L/min)与系统功率PS(单位为kW)的关系如下：

光伏阵列的最大输出功率PPV,max与入射太阳辐照度基本成正比，若光伏组件朝南，以当地纬度作为安装倾角朝南倾斜固定安装，其全天的变化规律可近似表达为：

式中：KPV为光伏阵列综合修正系数(包括天气、光伏组件朝向和光伏组件表面积污等方面的影响)；Pmp为光伏阵列标称峰值功率(即光伏阵列装机容量)，kW；θ为修正时角(正午12:00为零)，rad，变化范围为-π/2～π/2，从日出到日落的时长随季节而变，冬季短、夏季长，全年平均近似取10 h。

由于光伏阵列的实际输出功率受微型PVBWNF 系统有效运行功率范围的限制，二者均由PS表示。PS的表达式为：

功率限制还会导致一定程度的弃光损失，则日产水量Qd可表示为：

通过改变光伏阵列综合修正系数的取值大小来模拟不同天气条件，阴天时KPV＜0.3、多云天气时KPV在[0.3, 0.6)之间、晴天时KPV在[0.6, 1.0)之间，由式(1)～式(4)可计算出不同天气条件下，微型PV-BWNF 系统在不同光伏阵列装机容量配置下的日产水量，计算结果如图3 所示。图中：横虚线表示日产水量设计目标；3 条实线KPV=0.3、KPV=0.6、KPV=1.0 分别表示3 类天气条件下日产水量的分界线。

图3 不同天气条件时，微型PV-BWNF 系统在不同光伏阵列装机容量配置下的日产水量Fig. 3 Daily water production of micro PV-BWNF system under different PV array installed capacity configurations when weather conditions are different

中国西北地区的太阳能资源丰富，根据中国气象局的多年历史天气统计数据，该地区的年均晴和多云天气高达269 天，而影响微型PVBWNF 系统有效运行的阴、雨和沙尘天气仅为96 天。因此，光伏阵列的优化配置容量峰值功率约为1 kW(对应图3 中的纵虚线)，弃光率低，微型PV-BWNF 系统的平均日产水量满足需求，可通过存储晴天时多产出的淡水来保证阴、雨天时的用水需求。

由于1 kW 的光伏阵列较为轻便，为了适时追日，微型PV-BWNF 系统运行时可调整光伏阵列的朝向，根据太阳辐射理论模型和实测数据，此时光伏阵列最大输出功率的全天变化规律可近似表示为：

根据式(1)、式(3)～式(5)重新计算微型PVBWNF 系统的日产水量，所得结果比图3 的结果平均可增加约180 L/天。

2.2 智能控制器

为了保证使用安全，微型PV-BWNF 系统全部采用低电压设备，光伏阵列最大功率点电压为60～70 V，智能控制器采用“Boost+逆变”两级式主电路拓扑，开发的智能控制器样机如图4 所示。

图4 智能控制器样机Fig. 4 Prototype of intelligent controller

微型PV-BWNF 系统全自动运行，当光伏阵列输出电压UPV大于设定的系统启动阈值U1时，吸合继电器，提水泵全速运行，光伏阵列输出电压小幅降低；随着太阳辐照度增大，当光伏阵列输出电压再次大于设定的系统启动阈值时，Boost 电路对直流母线电压实施稳压控制，逆变电路以光伏阵列输出电压为扰动变量，调节增压泵转速，实施MPPT 控制；当增压泵转速低于1100 rpm 时，微型PV-BWNF 系统不能有效制取淡水，结束运行。

3 实验结果

MPPT 控制是微型PV-BWNF 系统的核心功能，首先采用光伏阵列模拟直流电源，设定不同参数时的I-V曲线，根据设定的光伏阵列的最大输出功率与实测的微型PV-BWNF 系统运行功率，确认微型PV-BWNF 系统稳态运行时的MPPT 精度η，其表达式为：

以50 W 为步长，将光伏阵列模拟直流电源设定的最大输出功率从300 W 逐步升至800 W，微型PV-BWNF 系统的MPPT 性能实验的部分实验结果如表3 所示。

表3 微型PV-BWNF 系统的MPPT 性能实验的部分实验结果Table 3 Partial experimental results of MPPT performance experimental of micro PV-BWNF system

从表3 可以看出：由于微型PV-BWNF 系统的最大运行功率为667 W，当光伏阵列模拟直流电源设定的最大输出功率小于此值时，MPPT 精度均在99.5%以上；当设定的最大输出功率超过微型PV-BWNF 系统的最大运行功率时，MPPT精度下降，即光伏发电效率下降。

为了确认微型PV-BWNF系统的动态运行特性，于2021 年底在深圳进行了全天运行实验。实验原水仍取自宁夏回族自治区清水河，微型PV-BWNF系统由峰值功率为1000 W、最大功率点电压为60 V 的光伏阵列(正面为正南朝向，光伏阵列安装倾角为20°)供电，在晴天条件下进行实验，监测入射太阳辐照度、增压泵转速、微型PV-BWNF系统运行功率和产水流量的情况，实验结果如图5所示。图中：I为入射太阳辐照度，W/m2。

图5 晴天条件下，微型PV-BWNF 系统全天运行的实验结果Fig. 5 Experimental results of micro PV-BWNF system operating all day under sunny conditions

从图5 可以看出：

1)从09:00 开始，微型PV-BWNF 系统连续运行了7 h，光伏阵列的入射太阳辐照度随时间平缓变化，增压泵转速、系统运行功率和产水流量均随时间而变化，系统运行稳定，MPPT 动态控制性能良好。在11:00～13:50 期间，入射太阳辐照度大于860 W/m2，增压泵保持全速运行，系统运行功率和产水流量基本保持不变。

2)微型PV-BWNF 系统的日产水量仅为514 L/天，远低于预期目标。由于微型PV-BWNF 系统选用的永磁螺杆泵是国产普通永磁螺杆泵，其橡胶衬套的耐磨性较差，经过半年的测试运行，磨损较为严重，螺杆与橡胶衬套之间的密封度下降，而且橡胶细末会进入纳滤膜中，影响纳滤膜的透水性能，从而导致微型PV-BWNF 系统的工作压力和产水流量大幅降低。与图2 微型PVBWNF 系统全新状态时的实验结果相比，实测增压泵全速运行时的系统工作压力从1 MPa 降至0.76 MPa，产水流量从188 L/h 降至90 L/h。而更换新的螺杆和橡胶衬套后，微型PV-BWNF 系统的产水性能又全面恢复，在晴天和晴间多云条件下重新进行全天运行实验，日产水量分别可达1100 L/天和800 L/天，表明螺杆泵性能的长期稳定性至关重要。

3)根据上述优化设计和实验结果，当微型PV-BWNF 系统配置峰值功率为1 kW 的光伏阵列(约为微型PV-BWNF 系统最大运行功率的1.5倍)时，全年的产水量可达230 m3。按照设备初次投资成本为6000 元、设备折旧为15 年，系统运行无需支付电费，但要定期更换纳滤膜和预处理滤芯，年均运维费用约为300 元计算，可得到微型PV-BWNF 系统的吨水成本约为3 元。

4 结论

本文针对西北地区农村家庭，基于PVBWMD 系统，研发了一种微型PV-BWNF 系统，对光伏阵列的装机容量进行了优化配置，开发了智能控制器，实现了微型PV-BWNF 系统的全自动运行，并通过实验研究了该系统的运行特性、淡化效果和制水能效。研究结果表明：

1)本文研发的微型PV-BWNF 系统的结构紧凑，可智能化运行，能够有效地解决太阳能资源丰富、淡水资源缺乏的中国西北地区的家庭生活用水问题。

2)“纳滤膜+永磁螺杆泵”组合方案的吨水能耗和系统成本低，产水的TDS(250～450 mg/L)远低于生活饮用水国家标准的要求(小于等于1000 mg/L)。但是，普通永磁螺杆泵的橡胶衬套易磨损，导致微型PV-BWNF 系统的性能下降、运行维护成本增加，需要精选优质产品，或改用能耗略高但性能长期稳定的“纳滤膜+多级离心泵”的组合方案。

3)光伏阵列的优化配置容量约为微型PVBWNF 系统最大运行功率的1.5 倍，以15 年设备折旧和每年300 元运维费用计算，吨水成本约为3 元，说明该微型PV-BWNF 系统具有良好的经济性和推广价值。