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太陽能海水淡化技術介紹

來源：太陽能學報 | 3評論 | 34694查看 | 2013-03-26 10:40:00

　　水資源是人類社會生存和發展的物質基礎之一。隨著世界人口增加、人類生活方式的變化，淡水資源的匱乏越來越引起人們的重視和關注。中國總體上屬于貧水國家，人口占世界人口的20%強，水資源卻僅占6%，人均擁有量僅為世界人均擁有量的1/4。水資源的缺乏，已經嚴重阻礙了我國經濟發展，破壞了生態環境。海水淡化作為一種開源增量技術，已成為解決水資源問題的重要途徑。然而我國在這方面的技術和國外比起來還相差甚遠。

　　與國外的差距

　　1.技術。

　　對低溫多效技術的核心部件、材料、水電聯產等基礎研究有待深入,裝備驗證和環境條件不能滿足技術發展要求,缺乏大規模海水淡化裝置設計、加工制造、安裝調試及運行維護的工程實踐,迫切需要通過規模示范形成成套技術和鍛煉隊伍。反滲透膜組件、高壓泵、能量回收及水處理藥劑等關鍵部件和材料仍以進口為主,缺乏大規模反滲透海水淡化成套工程技術和實踐,迫切需要形成高壓泵、能量回收、膜組件等關鍵設備的自主技術和批量生產,通過規模示范形成成套技術應對國外公司在國內的競爭。核能海水淡化的概念已經提出許多年,還缺乏工程實踐;核反應堆與海水淡化的接口還停留在研究和設計階段,需要打通流程,形成成套技術和裝備體系。

　　2.產業規模。

　　我國海水淡化工程規模多在千噸級,而國外已達到十萬噸級水平,我國海水淡化產水量僅占世界總產量的0.3%,與國外的差距明顯。

　　3.實施機制。

　　沒有專門機構統籌協調,沒有形成產業聯盟。海水淡化必須有針對性地在政府指導、行業協調、產業政策、技術創新等方面統籌規劃,全面協調各方利益,才能形成合力,促進產業發展。

　　4.示范及投入。

　　國家對規模示范工程的資金投入不足,造成規模示范不夠,制約了該領域技術的發展和成果的轉化。

　　太陽能海水淡化技術發展現狀

　　就目前的海水淡化技術，成本問題一直是海水淡化技術的最大阻礙，就拿10000噸/天反滲透海水淡化廠來說，一般化學藥品消耗在0.3~0.5元/噸水;電力消耗約2.2~2.5元/噸水;膜更換費用0.3~0.5元/噸水;職工工資福利約0.2元/噸水;固定資產折舊費0.9~1.2元/噸水;設備檢修維護費用為0.2~0.4元/噸水;管理費小于0.1元/噸水。這樣在不考慮貸款利息情況下，一般膜法海水淡化工程的制水成本為4.2~5.4元/噸水，其中電力成本及折舊是造水成本中最大的兩部分。

　　為節省能源和某些特殊的需要,人們開發了太陽能海水淡化技術。太陽能海水淡化方法可分直接法和間接法兩大類。

　　直接法

　　直接法是應用集熱器將太陽光照變成熱能直接加熱海水,蒸餾制得淡水的方法。它分淺盤型(也稱頂棚型、水平型)、傾斜型和多效型三種蒸餾裝置。

　　(1)淺盤型：它由盛水的淺盤(20~40mm)和透明罩組成。太陽光透過透明罩照到盤內的黑色物質上,使其產熱,使盤內的海水升溫,產生蒸氣,蒸氣碰到透明罩被外界的空氣冷卻,凝結成水滴,流到淡水收集槽中,濃縮的海水在析出水垢之前排出這種方法產水量比較低,通常日產水量約為2~4kg/(m2·d)。日本在屏風島實臉工廠試用此法后發現:采取保溫措施可以提高產水量20~30%,淺盤內海水淺時產水量高,但過淺易生成水垢,通過過濾、沉淀、酸洗及抓殺菌等方法以預防或除去淺盤內的水垢。此法已在科威特、希臘、印度和日本等推廣使用。

　　(2)傾斜型：傾斜型分傾料淺盤型和傾料吸水毛型兩種。傾斜淺盤型是將水盤由水平改成傾斜形,使海水沿著斜面流動,以提高集光效率和促進蒸發。其工作原理和淺盤型一樣,但水層更淺。采用此法產水量可提高30~60%,但技術難點比較多。它要根據蒸發量調節海水的流量,而且由于水層淺很容易析出水垢。目前未見使用該類型裝置的報道。傾斜毛型是通過在傾斜型的水盤面上設置吸水毛儲存海水,使海水層更淺,以減少熱容量提高造水量。這種方法也還有些問題有待解決,故也還沒有實用的例子。

　　(3)多效型：淺盤型和傾斜型都將蒸氣凝結成水滴時的熱量白白浪費掉了。為了提高熱能的利用效率,利用這部分熱量反復加熱海水提高產水量,研制了多效型蒸餾器。其工作原理.集熱板被太陽光加熱,在集熱板的反面有吸水毛,浸存有海水,海水遇熱蒸發,水蒸氣遇到下面冷的隔板凝結成水滴,凝結時產生的熱量加熱隔板反面吸水毛上的海水,使之蒸發。這樣反復蒸發—濃縮—蒸發,最后通過最下層的散熱板將余熱排出。還可裝上反光鏡增加集熱量以提高海水的產量。采用這種方法,其日產水量是淺盤型的7.5~10倍。此法的關鍵是吸水毛的的材料、粘附劑及集熱板的防海水腐蝕。

　　間接法

　　間接法是用集熱器將光能變成熱能,或用太陽電池將光能變成電能,并以此作為海水淡化裝置的能源制取淡水的方法。此法又分以下幾種:

　　(1)蒸餾法：在常壓下,海水的沸點約100.5℃。海水蒸發約需2261kJ/kg(540kcal/kg)的熱量,蒸氣在凝結成水時可放出同樣的熱量。根據這一原理,人們設法反復利用水凝時的熱量以節省能源。根據不同的利用方法,蒸餾法又分多級閃蒸法、多效蒸餾法和蒸氣壓縮蒸餾法。

　　多級閃蒸法：此法適用于較大規模的裝置,對負載變化適應范圍較小,成本較高。

　　多效蒸餾法:此法熱利用率比較高,對變化熱源適應范圍也較大,因此研制的速度比較快,但目前應用不如多級閃蒸法廣泛。

　　蒸氣壓縮法:使用該法時,壓縮機的動力能源在機器起動時由外部提供,待運轉后則利用海水蒸氣的潛熱驅動。此法適用于小型海水淡化裝置。壓縮機的動力也可用太陽能或太陽光發的電。但是,此法成本比較高,還有待進一步探索。

　　(2)反滲透：法此法是利用壓力差分離淡水,通過太陽能發電供給驅動高壓泵所需的電能。

　　(3)電滲析法：海水溫度升高時,海水的粘度減少,因此在該系統中既可利用太陽電池供給電滲析法所需的能量,又可利用太陽熱能提高海水的溫度,從而降低耗電量。此法目前還未推廣應用。

　　太陽能海水淡化裝置從比較簡單的直接法淺盤型蒸餾器開始,發展到能提高能量利用率的各種間接法。直接法的優點是:(1)設備結構簡單、建造費用低,且易維修保養,(2)造水成本低,(3)適宜小規模分散地區應用。但該法產水能力低,故只能解決飲用水。其中,傾斜型蒸餾裝置有待于進一步研究,多效型蒸餾裝置可節省能源,造水能力高,發展得比較快,預計今后將會有大的發展。間接法比較復雜,成本亦較高,但造水能力強,適宜中等規模的淡水生產。目前一些技術問題已逐漸解決,成本問題將是推廣應用的重大障礙。間接法中集能技術相當重要,這方面的革新將會左右該法的發展和推廣應用。集光型集熱器和多級閃蒸裝置組合的效果很好,若太陽能發電的成本能迅速下降的話,將有可能推廣。目前最佳方案是非集光型集熱器和多效型蒸餾器相結合的海水淡化裝置,并正在研究真空隔熱型集熱器和多效型蒸餾器相結合的方案。我國南海諸島地處熱帶,日照長,有充足的太陽能以利用,開發太陽能海水淡化裝置對這些地區有著極其重要的意義,很值得研究。由于這些島嶼遠離大陸,要求設備簡單,易操作、管理和保養。從目前國內外研究情況看,采用直接蒸餾法最為有利。目前,淺盤型蒸餾器己推廣應用,傾斜型蒸餾器正在研究,而多效型還未見研究的報道。該法雖然難度比較大,要解決的間題較多,但有發展前途,值得研究和探索。

　　根據我所查詢的資料，我個人比較看好一種新型熱蒸餾海水淡化方式——吸附式太陽能海水淡化系統