摘要：近年來(lái)，我國(guó)的太陽(yáng)能技術(shù)有了很大進(jìn)展。本文分析了傳統(tǒng)太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)效率低下的原因，重點(diǎn)介紹利用增濕—除濕技術(shù)或膜蒸餾技術(shù)與海水淡化技術(shù)結(jié)合的新型海水淡化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可充分利用太陽(yáng)能熱能實(shí)現(xiàn)能量的綜合利用;然后介紹了太陽(yáng)能、風(fēng)能或其他形式的能量在海水淡化過(guò)程中能量的耦合匹配問(wèn)題及系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成。

關(guān)鍵詞：海水淡化;太陽(yáng)能;增濕—除濕;膜蒸餾

引言

太陽(yáng)能作為一種可再生的新能源，具有清潔、環(huán)保、持續(xù)、長(zhǎng)久等優(yōu)勢(shì)，已成為應(yīng)對(duì)能源短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題的重要選擇之一，大規(guī)模采用太陽(yáng)能可減少對(duì)化石燃料的使用，因此受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。將太陽(yáng)能應(yīng)用到海水淡化系統(tǒng)中為系統(tǒng)供能進(jìn)行海水淡化，是解決水資源短缺和能源危機(jī)的有效措施。

1太陽(yáng)能海水淡化的分類(lèi)

太陽(yáng)能海水淡化主要是利用太陽(yáng)能的熱能和光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能進(jìn)行海水淡化。在太陽(yáng)能海水淡化與現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)結(jié)合的過(guò)程中，太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)以其本身的優(yōu)勢(shì)條件逐漸發(fā)展為主流海水淡化系統(tǒng)，基于此Tiwari提出將太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)分為主動(dòng)式和被動(dòng)式2大類(lèi)。被動(dòng)式海水淡化系統(tǒng)不依靠外部附加部件，僅依靠太陽(yáng)能光照時(shí)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行海水淡化;而主動(dòng)式系統(tǒng)則是在被動(dòng)式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加輔助設(shè)備，有效地改善了系統(tǒng)內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，且對(duì)凝結(jié)過(guò)程中的潛熱進(jìn)行回收利用，因此提升了產(chǎn)水量和系統(tǒng)效率。太陽(yáng)能電驅(qū)動(dòng)海水淡化主要指利用光伏發(fā)電原理將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，然后用電能驅(qū)動(dòng)高壓水泵壓縮海水進(jìn)行反滲透來(lái)完成海水淡化。海水被高壓水泵送入到反滲透(RO)系統(tǒng)中，反滲透膜只能使淡水通過(guò)，而鹽分則會(huì)通過(guò)旁路系統(tǒng)排除，RO裝置能量回收率大于50%，脫鹽率可達(dá)到90%以上。雖然反滲透在操作方面有復(fù)雜的預(yù)處理和專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，但反滲透處理的水價(jià)格更穩(wěn)定，因此在全球范圍內(nèi)，反滲透項(xiàng)目呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。常規(guī)的太陽(yáng)能膜法主要包括太陽(yáng)能反滲透法和太陽(yáng)能滲析法。常規(guī)的太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)主要有以下問(wèn)題:(1)蒸餾過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽凝結(jié)潛熱未能得到有效利用，致使能量損失到大氣環(huán)境中;(2)常規(guī)的蒸餾裝置中循環(huán)海水量大，總熱容量大，削弱了蒸發(fā)的驅(qū)動(dòng)力;(3)蒸餾系統(tǒng)中主要以自然對(duì)流為主要換熱模式，傳熱效率較低，限制了系統(tǒng)性能的提升;(4)太陽(yáng)能集熱面積高，系統(tǒng)初投資太大，產(chǎn)水成本過(guò)高;(5)由于太陽(yáng)能能量的低密度性和不穩(wěn)定影響系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行，尤其是對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)水方面的影響。

2太陽(yáng)能海水淡化新技術(shù)

2.1太陽(yáng)能增濕—除濕海水淡化

典型的太陽(yáng)能增濕—除濕系統(tǒng)包括4個(gè)主要過(guò)程:太陽(yáng)能集熱過(guò)程、海水加熱過(guò)程、淡水析出過(guò)程和空氣循環(huán)過(guò)程。按照太陽(yáng)能供熱方式的不同一般可分為3類(lèi):加熱海水型、加熱空氣型和混合型，加熱海水型是目前多數(shù)系統(tǒng)采用的主要方式。首先進(jìn)料海水經(jīng)冷凝器進(jìn)入太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)吸收太陽(yáng)能被加熱后蒸發(fā)，汽化后的海水接著被送入加濕器噴淋加濕空氣，濃鹽水從后端排出。加濕除濕過(guò)程中，空氣在密閉腔體內(nèi)循環(huán)。在冷凝器中，空氣冷凝去濕產(chǎn)生淡水收集到淡水箱;然后空氣再進(jìn)入加濕器中增濕加熱后返回冷氣器，進(jìn)入循環(huán)過(guò)程。與傳統(tǒng)的蒸餾方法相比，太陽(yáng)能增濕—除濕技術(shù)具有裝置投資小，操作壓力多為常壓;操作溫度在70～90℃，容易利用太陽(yáng)能集熱獲取;汽化過(guò)程溫和，設(shè)備結(jié)垢小，產(chǎn)水品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2太陽(yáng)能膜蒸餾海水淡化

目前太陽(yáng)能膜蒸餾系統(tǒng)主要分為2種形式，一種是通過(guò)太陽(yáng)能直接加熱海水再送入膜蒸餾組件中進(jìn)行汽液分離，將通過(guò)膜組件的蒸汽冷凝為淡水收集起來(lái)的直接加熱型系統(tǒng);另一種采用中間換熱介質(zhì)，先用太陽(yáng)能加熱中間換熱介質(zhì)，再將換熱介質(zhì)與進(jìn)料海水換熱，加熱后的海水再進(jìn)行海水淡化，這類(lèi)系統(tǒng)被稱(chēng)為間接加熱型系統(tǒng)。太陽(yáng)能膜蒸餾系統(tǒng)通常主要包括太陽(yáng)能集熱器、膜組件、冷凝器和其他輔助設(shè)備，間接加熱型系統(tǒng)還需要海水加熱器和中間換熱介質(zhì)。

2.3多能耦合海水淡化

2.3.1太陽(yáng)能—風(fēng)能耦合的海水淡化技術(shù)

太陽(yáng)能與風(fēng)能耦合集成可彌補(bǔ)太陽(yáng)能夜間無(wú)法獲取的弊端。目前，風(fēng)能與太陽(yáng)能耦合用于海水淡化的主要方式有2種:一種是風(fēng)能與太陽(yáng)能互補(bǔ)發(fā)電，充分利用風(fēng)電與光伏的發(fā)電優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)兩者的不足，通過(guò)電能驅(qū)動(dòng)反滲透進(jìn)行海水淡化，常規(guī)風(fēng)光互補(bǔ)反滲透如圖4所示;另一種是以太陽(yáng)為熱源供熱加熱海水，用風(fēng)能發(fā)電為系統(tǒng)提供電能，節(jié)省“太陽(yáng)能—電能—熱能”的轉(zhuǎn)化過(guò)程，提高能量利用率。

2.3.2太陽(yáng)能與其他形式新能源的耦合集成

海洋通過(guò)各種物理過(guò)程接收、儲(chǔ)存和散發(fā)能量，這種依附于海洋中的可再生能源稱(chēng)為海洋能。利用海洋能進(jìn)行海水淡化的主要形式有:潮汐能、波浪能、海流能、溫差能等。海水淡化的主要方式仍以熱法和膜法為主，通過(guò)轉(zhuǎn)化潮汐能、波浪能、海流能等產(chǎn)生機(jī)械能，再通過(guò)機(jī)械能驅(qū)動(dòng)RO系統(tǒng)生產(chǎn)淡水;或者將溫差能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行蒸餾或閃蒸。

3太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)發(fā)展展望

(1)建立大型太陽(yáng)能海水淡化工程，提高系統(tǒng)效率，降低淡水成本，以滿足一定規(guī)?；鞘腥丝谒Y源的供求。(2)發(fā)展分布式太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)，通過(guò)政府補(bǔ)貼等方式為家庭安裝同時(shí)供給淡水和電能的太陽(yáng)能海水淡化裝置，實(shí)現(xiàn)單位用戶水電資源的自給自足。(3)在太陽(yáng)能利用過(guò)程中，主要是采用光伏發(fā)電和光熱供熱的方式，為避免能量的損失和浪費(fèi)，進(jìn)一步發(fā)展蓄電儲(chǔ)能和蓄熱儲(chǔ)能技術(shù)以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的高效利用和設(shè)備的利用率，同時(shí)可提高熱電系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。(4)利用計(jì)算機(jī)全程監(jiān)控太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的操控，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效、精準(zhǔn)、自動(dòng)化運(yùn)行。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，未來(lái)幾年太陽(yáng)能蒸餾制水仍然是占主導(dǎo)地位，但滲析法的節(jié)能高效的特點(diǎn)決定著利用透過(guò)性膜來(lái)制取淡水是行業(yè)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)；將太陽(yáng)能與常規(guī)海水淡化結(jié)合，借助先進(jìn)制造工藝與強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)技術(shù)，制水效果比較理想；太陽(yáng)能收集器是系統(tǒng)的能量輸入口，要根據(jù)實(shí)際情況選擇并準(zhǔn)確安裝才能達(dá)到效率與成本的雙平衡。