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太阳能海水淡化的新技术发展现状

北极星水处理网  来源:《电力设备》  作者:王永强  2019/11/8 17:10:06  我要投稿  

北极星水处理网讯:摘要:近年来,我国的太阳能技术有了很大进展。本文分析了传统太阳能海水淡化技术效率低下的原因,重点介绍利用增湿—除湿技术或膜蒸馏技术与海水淡化技术结合的新型海水淡化系统,该系统可充分利用太阳能热能实现能量的综合利用;然后介绍了太阳能、风能或其他形式的能量在海水淡化过程中能量的耦合匹配问题及系统设计集成。

关键词:海水淡化;太阳能;增湿—除湿;膜蒸馏

引言

太阳能作为一种可再生的新能源,具有清洁、环保、持续、长久等优势,已成为应对能源短缺、环境污染等问题的重要选择之一,大规模采用太阳能可减少对化石燃料的使用,因此受到世界各国的广泛关注。将太阳能应用到海水淡化系统中为系统供能进行海水淡化,是解决水资源短缺和能源危机的有效措施。

1太阳能海水淡化的分类

太阳能海水淡化主要是利用太阳能的热能和光伏发电产生的电能进行海水淡化。在太阳能海水淡化与现代工业生产结合的过程中,太阳能蒸馏系统以其本身的优势条件逐渐发展为主流海水淡化系统,基于此Tiwari提出将太阳能蒸馏系统分为主动式和被动式2大类。被动式海水淡化系统不依靠外部附加部件,仅依靠太阳能光照时产生的热量进行海水淡化;而主动式系统则是在被动式系统的基础上增加辅助设备,有效地改善了系统内部的传热传质过程,且对凝结过程中的潜热进行回收利用,因此提升了产水量和系统效率。太阳能电驱动海水淡化主要指利用光伏发电原理将太阳能转化为电能,然后用电能驱动高压水泵压缩海水进行反渗透来完成海水淡化。海水被高压水泵送入到反渗透(RO)系统中,反渗透膜只能使淡水通过,而盐分则会通过旁路系统排除,RO装置能量回收率大于50%,脱盐率可达到90%以上。虽然反渗透在操作方面有复杂的预处理和专业的知识,但反渗透处理的水价格更稳定,因此在全球范围内,反渗透项目呈逐年增长的趋势。常规的太阳能膜法主要包括太阳能反渗透法和太阳能渗析法。常规的太阳能海水淡化系统主要有以下问题:(1)蒸馏过程中产生的蒸汽凝结潜热未能得到有效利用,致使能量损失到大气环境中;(2)常规的蒸馏装置中循环海水量大,总热容量大,削弱了蒸发的驱动力;(3)蒸馏系统中主要以自然对流为主要换热模式,传热效率较低,限制了系统性能的提升;(4)太阳能集热面积高,系统初投资太大,产水成本过高;(5)由于太阳能能量的低密度性和不稳定影响系统的稳定、安全运行,尤其是对系统产水方面的影响。

2太阳能海水淡化新技术

2.1太阳能增湿—除湿海水淡化

典型的太阳能增湿—除湿系统包括4个主要过程:太阳能集热过程、海水加热过程、淡水析出过程和空气循环过程。按照太阳能供热方式的不同一般可分为3类:加热海水型、加热空气型和混合型,加热海水型是目前多数系统采用的主要方式。首先进料海水经冷凝器进入太阳能集热系统吸收太阳能被加热后蒸发,汽化后的海水接着被送入加湿器喷淋加湿空气,浓盐水从后端排出。加湿除湿过程中,空气在密闭腔体内循环。在冷凝器中,空气冷凝去湿产生淡水收集到淡水箱;然后空气再进入加湿器中增湿加热后返回冷气器,进入循环过程。与传统的蒸馏方法相比,太阳能增湿—除湿技术具有装置投资小,操作压力多为常压;操作温度在70~90℃,容易利用太阳能集热获取;汽化过程温和,设备结垢小,产水品质高等优点。

2.2太阳能膜蒸馏海水淡化

目前太阳能膜蒸馏系统主要分为2种形式,一种是通过太阳能直接加热海水再送入膜蒸馏组件中进行汽液分离,将通过膜组件的蒸汽冷凝为淡水收集起来的直接加热型系统;另一种采用中间换热介质,先用太阳能加热中间换热介质,再将换热介质与进料海水换热,加热后的海水再进行海水淡化,这类系统被称为间接加热型系统。太阳能膜蒸馏系统通常主要包括太阳能集热器、膜组件、冷凝器和其他辅助设备,间接加热型系统还需要海水加热器和中间换热介质。

2.3多能耦合海水淡化

2.3.1太阳能—风能耦合的海水淡化技术

太阳能与风能耦合集成可弥补太阳能夜间无法获取的弊端。目前,风能与太阳能耦合用于海水淡化的主要方式有2种:一种是风能与太阳能互补发电,充分利用风电与光伏的发电优势,弥补两者的不足,通过电能驱动反渗透进行海水淡化,常规风光互补反渗透如图4所示;另一种是以太阳为热源供热加热海水,用风能发电为系统提供电能,节省“太阳能—电能—热能”的转化过程,提高能量利用率。

2.3.2太阳能与其他形式新能源的耦合集成

海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量,这种依附于海洋中的可再生能源称为海洋能。利用海洋能进行海水淡化的主要形式有:潮汐能、波浪能、海流能、温差能等。海水淡化的主要方式仍以热法和膜法为主,通过转化潮汐能、波浪能、海流能等产生机械能,再通过机械能驱动RO系统生产淡水;或者将温差能转化为热能进行蒸馏或闪蒸。

3太阳能海水淡化技术发展展望

(1)建立大型太阳能海水淡化工程,提高系统效率,降低淡水成本,以满足一定规模化城市人口水资源的供求。(2)发展分布式太阳能海水淡化技术,通过政府补贴等方式为家庭安装同时供给淡水和电能的太阳能海水淡化装置,实现单位用户水电资源的自给自足。(3)在太阳能利用过程中,主要是采用光伏发电和光热供热的方式,为避免能量的损失和浪费,进一步发展蓄电储能和蓄热储能技术以实现太阳能的高效利用和设备的利用率,同时可提高热电系统的可靠性和经济性。(4)利用计算机全程监控太阳能海水淡化系统,简化系统的操控,实现系统的高效、精准、自动化运行。

结语

综上所述,未来几年太阳能蒸馏制水仍然是占主导地位,但渗析法的节能高效的特点决定着利用透过性膜来制取淡水是行业未来发展的趋势;将太阳能与常规海水淡化结合,借助先进制造工艺与强化传热传质技术,制水效果比较理想;太阳能收集器是系统的能量输入口,要根据实际情况选择并准确安装才能达到效率与成本的双平衡。

原标题:太阳能海水淡化的新技术发展现状

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