太陽能海水淡化技術(一種海水淡化利用項目)

太陽能蒸餾器的研究主要集中於材料的選取、各種熱性能的改善以及將它與各類太陽能集熱器配合使用上。與傳統動力源和熱源相比，太陽能具有安全、環保等優點，將太陽能採集與脫鹽工藝兩個系統結合是一種可持續發展的海水淡化技術。太陽能海水淡化技術由於不消耗常規能源、無污染、所得淡水純度高等優點而逐漸受到人們重視。

基本介紹

• 中文名：太陽能海水淡化技術
• 集中於：材料的選取、各種熱性能
• 具有：安全、環保等優點
• 包含：不消耗常規能源、無污染

特點

太陽能海水淡化系統與現有海水淡化利用項目相比有許多

新特點：首先是可獨立運行，不受蒸汽、電力等條件限制，無污染、低能耗，運行安全穩定可靠，不消耗石油、天然氣、煤炭等常規能源，對能源緊缺、環保要求高的地區有很大套用價值；其次是生產規模可有機組合，適應性好，投資相對較少，產水成本低，具備淡水供應市場的競爭力。人類早期利用太陽能進行海水淡化，主要是利用太陽能進行蒸餾，所以早期的太陽能海水淡化裝置一般都稱為太陽能蒸餾器。蒸餾系統被動式太陽能蒸餾系統的例子就是盤式太陽能蒸餾器，人們對它的套用有了近150年的歷史。由於它結構簡單、取材方便，至今仍被廣泛採用。目前對盤式太陽能蒸餾器的研究主要集中於材料的選取、各種熱性能的改善以及將它與各類太陽能集熱器配合使用上。與傳統動力源和熱源相比，太陽能具有安全、環保等優點，將太陽能採集與脫鹽工藝兩個系統結合是一種可持續發展的海水淡化技術。太陽能海水淡化技術由於不消耗常規能源、無污染、所得淡水純度高等優點而逐漸受到人們重視。

太陽能、風能協同海水淡化系統(圖)

重要意義

淡水是人類社會賴以生存和發展的基本物質之一。人體的60%是液體，其中主要是水。水對人體健康至關重要，一旦失去體內水分10%，生理功能即嚴重紊亂；失去水分20%，人很快就會死亡。水對其他的生命也是如此，是一切生命之源。水對社會經濟而言也不可或缺，農作物無水會枯死，工業生產無水會面臨癱瘓。因此，水又是一切文明之源。地球表面積約為5．1億平方公里，其中海洋面積就占據了它的70．8%。海洋的平均深度約為3800米，所以地球上的總水量約有近14億立方公里。若從地球上人均占有水量來看，水資源是十分豐富的，人類似乎不應有缺水之虞。然而，由於含鹽度太高而不能直接飲用或灌溉的海水占據了地球上總水量的97%以上，僅剩的不到3%的淡水，其分布也極其不均，它的3/4被凍結在地球的兩極和高寒地帶的冰川中，其餘的從分布上說，地下水也比地表水多得多(多37倍左右)。剩下的存在於河流、湖泊和可供人類直接利用的地下淡水已不足0．36%。

就人均占有量來說，中國在水資源方面是一個窮國。據測算，我國人均占有水量只居世界的第108位。我國海岸線長，一些島嶼和沿海鹽鹼地區以及內陸苦鹹水地區均屬缺乏淡水的地區。這些地區的人們由於長期飲用不符合衛生標準的水，產生了各種病症，直接影響著他們的身體健康和當地的經濟建設。因此，解決淡水供應不足是我國面臨的一個嚴峻問題。

為了增大淡水的供應，除了採用常規的措施，比如就近引水或跨流域引水之外，一條有利的途徑就是就近進行海水或苦鹹水的淡化，特別是對於那些用水量分散而且偏遠的地區更適宜用此方法。對海水或苦鹹水進行淡化的方法很多，但常規的方法，如蒸餾法、離子交換法、滲析法、反滲透膜法以及冷凍法等，都要消耗大量的燃料或電力。據報導，截至1990年，全世界已安裝的海水淡化裝置的產水能力為13，000，000米/天。到2000年，這個數字已經翻了一倍。淡化水的迅速增加，就會產生一系列的問題，其中最突出的就是能源的消耗問題。據估計，每天生產13，000，000米的淡化水，每年需要消耗原油I．3億噸。即使人們支付得起這筆燃料的費用，但地球的溫室效應、空氣污染等也告示人們必須謹慎從事。因此，尋求用太陽能來進行海水淡化，必將受到人們的青眯。

從中國國情出發，情況更是如此。我國廣大農村、孤島等地區至今仍普遍缺乏電力，因此在中國能源較緊張的條件下，利用太陽能從海水(苦鹹水)中製取淡水，乃是解決淡水缺乏或供應不足的重要途徑之一。所以，利用太陽能進行海水淡化，有廣泛的套用前景。

裝置分類

人類利用太陽能淡化海水，已經有了很長的歷史。人類最早有文獻記載的太陽能淡化海水的工作，是15世紀由一名阿拉伯煉丹術士實現的。這名煉丹術士使用拋光的大馬士革鏡進行太陽能蒸餾。世界上第一個大型的太陽能海水淡化裝置，是於1872年在智利北部的Las Salinas建造的。它由許多寬1．14米， 長6l米的盤形蒸餾器組合而成，總面積4700㎡ 。在晴天條件下，它每天生產2．3 萬升淡水(4．9升/米 ·天)。這個系統一直運行了近40年。

人類早期利用太陽能進行海水淡化，主要是利用太陽能進行蒸餾，所以早期的太陽能海水淡化裝置一般都稱為太陽能蒸餾器。早期的太陽能蒸餾器由於水產量低，初期成本高，因而在很長一段時間裡受到人們的冷落。第一次世界大戰之後，太陽能蒸餾器再次引起了人們極大的興趣。當時不少新裝置被研製出來，比如頂棚式、傾斜幕芯式、傾斜盤式以及充氣式太陽能蒸餾器等等，為當時的海上救護以及人民的生活用水解決了很大問題。

太陽能蒸餾器的運行原理是利用太陽能產生熱能驅動海水發生相變過程，即產生蒸發與冷凝。運行方式一般可分為直接法和間接法兩大類。顧名思義，直接法系統直接利用太陽能在集熱器中進行蒸餾，而間接法系統的太陽能集熱器與海水蒸餾部分是分離的。但是，近20 多年來，已有不少學者對直接法和間接法的混合系統進行了深人研究，並根據是否使用其他的太陽能集熱器又將太陽能蒸餾系統分為主動式和被動式兩大類。

被動式太陽能蒸餾系統

被動式太陽能蒸餾系統的例子就是盤式太陽能蒸餾器，人們對它的套用有了近150年的歷史。由於它結構簡單、取材方便，至今仍被廣泛採用。目前對盤式太陽能蒸餾器的研究主要集中於材料的選取、各種熱性能的改善以及將它與各類太陽能集熱器配合使用上。目前，比較理想的盤式太陽能蒸餾器的效率約在35% ，晴好天時，產水量一般在 3～4kg/m 左右。如果在海水中添加濃度為 172．5ppm 的黑色萘胺，蒸餾水產量可以提高約 30% 。

主動式太陽能蒸餾系統

被動式太陽能蒸餾系統的一個嚴重缺點是工作溫度低，產水量不高，也不利於在夜間工作和利用其它餘熱。為此，人們提出了數十種主動式太陽能蒸餾器的設計方案，並對此進行了大量研究。

在主動式太陽能蒸餾系統中，由於配備有其它的附屬設備，使其運行溫度得以大幅提高，或使其內部的傳熱傳質過程得以改善。而且，在大部分的主動式太陽能蒸餾系統中，都能主動回收蒸汽在凝結過程中釋放的潛熱，因而這類系統能夠得到比傳統的太陽能蒸餾器高一至數倍的產水量。

發展現狀

中國對太陽能海水淡化技術的研究也有較好的基礎，在這方面做過較多工作的有中國科學院廣州能源研究所和中國科學技術大學等。還在上世紀80年代初，廣州能源研究所即開展了太陽能海水淡化技術的研究，完成了空氣飽和式太陽能蒸餾器的試驗研究，並於1982年左右在我國嵊泗島建造廠一個具有數百平方米太陽能採光面積的大規模的海水淡化裝置，成為我國第一個實用的太陽能蒸餾系統。接著，中國科學技術大學也進行了一系列的太陽能蒸餾器的研究，並在理論上進行了探討。對海水濃度、海水中添加染料及裝置的幾何尺寸等因素對海水蒸發量的影響進行了實驗，給出了有益的結果。

進入上世紀90年代後，天津大學、西北工業大學、西安交通大學等單位也加入到了太陽能海水淡化技術研究的行列，提出了一系列新穎的太陽能海水淡化裝置的實驗機型，並對這些機型進行了理論和實驗研究。比較有代表意義的有西北工業大學提出的“新型，高效太陽能海水淡化裝置”；天津大學提出的“回收潛熱的太陽能蒸餾器”；中國科學技術大學提出的“降膜蒸發氣流吸附太陽能蒸餾器”等等，使太陽能海水淡化技術有了較大進步。

進入本世紀之後，太陽能海水淡化技術進一步成熟。其中西安交通大學、北京理工大學等提出了“橫管降膜蒸發多效回熱的太陽能海水淡化系統”，試製出了多個原理樣機，並對樣機進行實驗測試和理論研究。清華大學等單位在借鑑國外先進經驗的基礎上，對多級閃蒸技術在太陽能海水淡化領域的套用進行了探索，試製出了樣機，並在我國的秦皇島市建立了主要由太陽能驅動的實際運行系統，取得有益的經驗。

中國太陽能海水淡化技術的研究，走過了近25年的歷史，取得了可喜的成績。綜觀整個研究過程，基本可分為3個階段。第一階段在上世紀整個80年代至90年代初期。這個階段是中國太陽能海水淡化技術研究的起步階段．也是中國太陽能熱利用研究的起步階段。那時，包括太陽能蒸餾器在內的許多太陽能套用技術，如太陽能幹燥器、太陽能熱水器、太陽能集熱器、太陽房以及太陽能聚光器等都吸引了許多科學家進行研究。但由於是起步階段，所以整個研究都處於較低的水平上，如對太陽能海水淡化技術的研究，基本都集中在單級盤式太陽能蒸餾器上。上面的討論已經指出，這種蒸餾器具有取材方便、結構簡單、無動力部件、建造和維修便利以及可以長期無故障運行等優勢，因而受到廣大用戶的青睞。但這種裝置由於其內部海水容量大，因而升溫緩慢，致使海水蒸發動力不足，加之整個蒸餾過程中未能回收蒸汽的凝結潛熱，所以一般系統的效率都不高，約在35%以下。在晴好天氣下。每平方米採光面積的產淡水量在3.5-4.0kg左右。

第二階段在上世紀90年代初到90年代末。此階段上，許多研究者逐步認識到了盤式太陽能蒸餾器的缺陷。在設法減少裝置中海水的容量方面，採取了梯級送水、濕布芯送水以及在海水錶層加海綿等方式，大大減小了裝置中的海水存量，使裝置中待蒸發的海水溫度得到進一步提高，也使裝置更快地有淡水產出，延長了產水時間，提高了裝置的產水效率。在回收水蒸汽的凝結潛熱方面，實驗了多級迭盤式太陽能蒸餾器以及其他回收水蒸汽潛熱的太陽能蒸餾器。採取這些措施之後，裝置的總效率提高到了約50%。

上世紀90年代末至現在，對太陽能海水淡化技術的研究進入到了第三個階段。在總結和分析了第二階段的研究成果後，人們發現：儘管採取了許多被動強化傳熱傳質措施，如減小裝置中海水的容量、多次回收蒸汽的凝結潛熱等，仍不能滿足用戶的要求，即太陽能蒸餾器的經濟性仍然不夠理想。分析發現，裝置內自然對流的傳熱傳質模式是限制裝置產水率提高的主要因素。於是研究者紛紛選擇了對主動式(加有動力，如水泵或風機等)的太陽能蒸餾器的研究。此期間出現了氣流吸附式、多級降膜多效回熱式、多級閃蒸式等許多新穎的太陽能海水淡化裝置，裝置的總效率也有了較大提高，達到80%左右(包括電能的消耗)。

未來發展

未來的太陽能海水淡化技術，在近期內將仍以蒸餾方法為主。利用太陽能發電進行海水淡化，雖在技術上沒有太大障礙，但在經濟上仍不能跟傳統海水淡化技術相比擬。比較實際的方法是，在電力缺乏的地區，利用太陽能發電提供一部分電力，為改善太陽能蒸餾系統性能服務。

由於中溫太陽能集熱器的套用日益普及，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，使得建立在較高溫度段(75℃)運行的太陽能蒸餾器成為可能。也使以太陽能作為能源，與常規海水淡化系統相結合變成現實，而且正在成為太陽能海水淡化研究中的一個很活躍的課題。由於太陽能集熱器供熱溫度的提高，太陽能幾乎可以與所有傳統的海水淡化系統相結合(傳統的以電能為主的海水淡化系統在此暫不考慮)。已經取得階段性成果並有推廣前景的主要有：太陽能多級閃蒸系統、太陽能多級沸騰蒸餾系統和太陽能壓縮蒸餾系統等。例如，科威特已建成了利用220m：的槽形拋物面太陽能集熱器及一個7000升的貯熱罐為多達l2級的閃蒸系統供熱的太陽能海水淡化裝置，每天可產近l0噸淡水。該裝置可在夜間及太陽輻射不理想的情況下連續工作，其單位採光面積每天的產水量甚至超過傳統太陽能蒸餾器產水量的l0倍。可見，太陽能系統與常規海水淡化裝置相結合的潛力是巨大的。理論計算表明，多級沸騰蒸餾比多級閃蒸系統具有更多的優點，在擁有相同性能係數的條件下，它所需的級數更少、耗能更低，所需的外界功量也更少。太陽能蒸汽壓縮系統也具有廣闊的前景，特別在電能相對便宜的地區。

有報導指出，在各類多級沸騰蒸餾系統中，多級堆積管式蒸發系統最適合以太陽能作為熱源。這種裝置有許多優點，其中最主要的一點是它能在輸入蒸汽量為0～100%之間的任何一點穩定運行，並能根據蒸汽量自動調整工作狀態。而且它所需的供熱溫度在70～100~C之間，很容易用槽形拋物而或真空管型太陽能集熱器達到。因此，很有必要對它做進一步的研究。

人們進一步認識到，太陽能海水淡化裝置的根本出路應是與常規的現代海水淡化技術緊密結合起來，取之先進的製造工藝和強化傳熱傳質新技術，使之與太陽能的具體特點結合起來，實現優勢互補，才能極大地提高太陽能海水淡化裝置的經濟性，才能為廣大用戶所接受，也才能進一步推動我國的太陽能海水淡化技術向前發展。