太阳能蒸馏海水淡化技术回顾.doc

太阳能蒸馏海水淡化技术回顾摘要：回顾了太阳能蒸馏海水淡化技术的发展历程。针对最古老的盘式蒸馏器产水量较低的问题，各国学者不断改进设计，提出了许多效率较高的太阳能蒸馏器。本文对各种装置的工作过程以及产水能力进行了简单的介绍，分析总结了包括太阳辐照、海水温度、海水与凝结面温差、海水热容量、环境温度和风速等影响产水量的各种因素，得出结论认为应采用反射镜等措施改变太阳辐照的方向以增强装置换热面布置的灵活性，多次利用蒸汽凝结潜热，减小海水热容量以提高太阳能蒸馏器的产水能力和热利用效率。关键字：太阳能蒸馏；海水淡化；产水量；影响因素1. 引言随着世界人口的增长以及工农业发展速度的加快，人类对于淡水的需求越来越大，然而可供人类直接使用的淡水量却很小，并且分布极不均衡，98.8%的淡水被冻结在地球的南北两极和高寒地带的冰川之中，存在于河流、湖泊和地下水等可直接利用的淡水已不足地球上淡水总量的0.36%，而与此相对的海水储量却占据着地球上总水量的97%以上（1）。因此，发展海水淡化技术已成为解决淡水问题的主要选择。目前已经成熟应用的海水淡化技术主要有多级闪蒸法（MSF），多效蒸馏法（MED）以及反渗透法（RO）等。这三种技术装机容量大，产水量高，适用于大型或超大型化海水淡化基地。然而，对于偏远地区，人烟稀少，动力缺乏，没有能力也没有必要发展大型海水淡化基地。凑巧的是，在这些偏远缺水地区，往往太阳能资源相当丰富，非常适宜于发展小型化分布式海水淡化技术。因此，结构简单、成本低廉的太阳能蒸馏器应运而生。太阳能蒸馏海水淡化技术一直备受关注，广大学者对其进行了大量的研究，致力于提高装置的产水量和热利用效率，发展各种蒸馏装置的传热传质理论分析模型为优化设计提供理论基础。2. 蒸馏装置的发展历程自19世纪70年代，世界上第一台太阳能蒸馏器出现之后，这种形式简单的海水淡化装置一直备受关注。如图1（a）所示，装置上部的太阳辐射，大部分透过玻璃盖板被底面深色涂料吸收转化为热，用于加热储存在盆底的薄海水层，使其温度升高并部分海水蒸发，水蒸气与空气混合形成饱和湿空气上升，湿空气中的水蒸汽在玻璃顶盖上凝结成淡水后滑落至玻璃盖低端的淡水收集槽中，完成海水淡化过程。这种蒸馏器结构简单，制作、运行和维护都比较方便，产水量相对较低。根据Tayeb（2）的实验结果，蒸发面积0.24m2、冷凝面积0.267m2，典型的天气条件下（图1（a）所示装置）日产水量313ml，日平均效率21.8%。在同一篇文章中（2），他还公布了另外几种蒸发面积相同玻璃顶盖形状不同的蒸馏器的运行情况，有半球形图1（b），双层半球形图1（c）以及弓球形图1（d）的，其日产水量分别为258ml、286ml、206ml（2）。基于这种最简单的盘式蒸馏器，各国学者为了提高日产水量以及日平均效率，对装置进行了不断的改进。(a)(d)(c)(b)图1 不同顶盖的盘式蒸馏器（2）2.1 增加太阳辐照吸收面积或改变辐照方向太阳能蒸馏器的驱动力来自太阳的辐射，增加采光面积可以在相同的时间内接受更多的辐射，然而也不可避免的增加了装置的容量，文献（3）（如图2）在不改变装置容量的同时，依靠安装内部反射镜以及外部竖直平面反射镜来增加盆底受热面单位面积的辐照量，在相同的时间内提供更多的热量。内部反射镜在一年四季都能提高装置的产水量，尤其在冬季太阳高度角很低时，改进以后的装置产水量可提高70%-100%；外部竖直反射镜在春秋两季能较高的提高淡水产量，但其安装角度若能随月份的改变而改变，则在一年四季中对于产水量的提高都有显著的效果（4）。文献（5）提出采用热管集热器结合一定数量垂直平行板的太阳能蒸馏装置，并对其进行了理论分析计算，理论日产水量在日照辐射为22.4MJ/m2时高达21.8kg/m2。几年后，Hiroshi Tanaka将理论付诸实验，在文献（6）中公布了实验结果，作者将采光面完全由平面反射镜来承担，通过平面反射镜改变太阳的辐照方向，将传统的水平受热面改为竖直受热面，通过巧妙的设计实现多效蒸馏，无论产水量还是热效率都大大的提高。每一面竖壁都同时充当冷凝面和蒸发面，由平面反射镜反射的太阳辐照落在第一面竖壁上，竖壁另一侧上的海水膜吸收热量发生蒸发，产生的蒸汽在第二面竖壁上凝结成淡水，淡水在重力作用下滑落至底部的淡水收集槽中，而蒸汽在凝结过程释放的潜热却被竖壁另一侧的海水膜吸收，促使其蒸发，如此依次将能量传递至最后一面竖壁，实现能量的多效利用。每一面竖壁充当能量利用的一效。在水平面太阳日辐照量13.4MJ/m2，玻璃日辐照量20.2MJ/m2，每效间隔5mm时，日产水量最高可达13.4kg/m2。图4 带反射镜的多效蒸馏器（6）图2 带外部反射镜的蒸馏器（3）图3 结合热管的多效蒸馏器（5）2.2 在流动中加热海水正如我们所知，太阳辐射相当稀薄，仅仅靠增加采光面积来提高产水量并不是最佳选择。在热法海水淡化过程中，我们靠促使海水蒸发来达到盐水分离的目的，换句话说，我们希望消耗少量热量的同时产生最多的蒸汽，从而能收集最多的淡水。因此，学者们通过减小海水热容量来促进海水蒸发而不是将吸收的热量储藏在海水的显热当中。B.Janarthanan（7）等设计了如图5所示的倾斜式带芯海水流动型太阳能蒸馏器（floating cum titled-wick type solar still），海水在吸液芯的毛细作用下缓慢流经倾斜面，由于吸液芯的存在，海水在倾斜面上保持为较薄的液膜，由于液膜具有更小的热容量，所以更加容易蒸发，另外由于在玻璃顶盖上也有冷海水流动，降低了玻璃温度，增强了蒸汽凝结效果，淡水产量有所提高。图5 倾斜式带芯海水流动型蒸馏器（7）Farshad Farshchi Tabrizi（8）等设计了如图6所示级联太阳能蒸馏器（cascade solar still），给水进入蒸馏器后依次沿着阶梯往下流，每一级阶梯水平和竖直壁上涂有吸收性材料吸收太阳辐照，当海水流经阶梯时吸收热量，温度升高，并部分蒸发。这种设计增加了日照辐射的吸收面积，在每级阶梯上总是一层相对较薄的海水，减小了海水的热容量，促进了海水的蒸发。由于海水处于流动状态，也减少了结垢的可能性。图6 级联蒸馏器（8）基于减小海水热容量，促进海水蒸发的思想，文献（9）提出改进给水方式，反复利用蒸汽潜热，并通过建立理论模型进行计算，结果显示有较高的产水量。2.3 实现热回收从上述装置我们可以发现一个共同的特点，所有海水只流经蒸馏器一次，这样带来的后果是那部分未被蒸发的咸水流出装置时同时把热量也带走了，造成了大量的浪费。因此，许多学者引进循环回路以提高热量利用率。另外当引入循环驱动力时，可以与许多集热器耦合在一起大大增加采光面积，进一步的改善了装置的工作效率。Bhagwan Prasad 和G.N.Tiwari(10)将槽式聚光集热器与双层盘式蒸馏器相结合，使海水在进入蒸馏器之前有一个预热过程，同时底层蒸馏器凝结时释放的潜热被上一层的海水吸收，回收了凝结潜热，产水量最高可达每小时约1.9kg/m2。Ali.A.Badran（11）等将盘式蒸馏器与平板集热器结合起来（图8）组成循环回路，淡水产量大为提高，给水箱中冷海水经恒热箱流入平板集热器中，在平板集热器中被加热，然后进入蒸馏器中，较高温度的海水在蒸馏器中部分蒸发，蒸汽上升至玻璃顶盖上凝结，当蒸馏器内液位较高时，热海水又排出与恒热箱中流出的冷海水混合进入平板集热器，如此不断循环。与常规蒸馏器相比，淡水产量提高了52%，但是热效率却下降了。同类型引入循环回路进行热回收的还有（12）、（13），都较大的提高了产水能力。文献（14）虽然没有引进循环，却回收了蒸汽潜热。图7 与槽式集热器结合的主动式蒸馏器（10）图8 与平板集热器结合的主动式蒸馏器（11） 图9 倾斜式热回收主动式蒸馏器（12） 图10 带储热箱蒸馏器（15） 图11 以相变材料储热的蒸馏器（16）图12 以沙子为储热介质的蒸馏器（17）2.4 增加储热措施利用太阳能进行海水淡化，最大的局限性在于装置只有在有太阳时才能工作，因此，许多学者希望能将太阳充足时没有完全消耗的能量储存起来，等太阳辐照减弱或完全消失时再将储存的能量释放，保证蒸馏器能日夜连续产水。K.Voropoulos（15）等设计了图10所示的蒸馏装置，与传统的盘式蒸馏器相比，增加了吸收辐照面积以及储热水箱，使得蒸馏器能在太阳辐照量较小或完全没有时也能工作。在相同的辐照量下，与没有储热水箱的蒸馏器相比，淡水产量平均增加了近100%，在辐射量20.5MJ/m2时，引入储热水箱可使最高淡水产量每小时达4.4kg。A. A.El-Sebaii（16）等在蒸馏器底部加入熔点较低的相变材料进行储热来实现蒸馏器连续工作。在晴朗的夏季加入相变材料时，产水量可达到9.005kg/m2，同样的条件没有相变材料时产水量为4.998kg/m2。同类型的还有（17），在蒸馏器的底部加入沙子作为储热介质，日产水量约为3kg/m2。3. 淡水产量的影响因素对于一套太阳能蒸馏海水淡化装置，在尽量保证结构简单的同时，总是希望能得到更多的淡水，也就是说希望以最小的代价得到最大的回报。在一些场合，产水量是设计者们设计装置时要考虑的主要因素。他们会增加装置的复杂程度、选择最优的安装方案、最大限度的利用有限的能量等等，而所有这些事情的目的就是为了提高装置产水能力。3.1 太阳辐射虽然学者们在文献当中总是以单位面积的日产水量作为评价一套装置的产水能力，但是正如我们所知，太阳辐照不仅稀薄，而且极不均衡，换句话说，在同一时间里，两个不同的地方所接受的太阳辐照是不一样的。把同一套装置安装在辐照量有区别的地方，很显然，在辐照量大的地方日产水量高一些，而在同一个地方，中午的产水量比早晨和下午要高一些。所有文献里描述产水量随时间变化曲线的趋势都是如图13所示的那样，这是因为太阳辐照随时间的走势是这样的，从开始产水那一刻起，产水量逐渐增大，达到峰值后又逐渐降下来直至最后停止产水。太阳辐照是太阳能蒸馏器进行盐水分离的驱动力，驱动力越大，分离过程就进行的越快。因为太阳的辐照强度总是在正午时分最大，因此产水量的峰值总是出现在那个时刻。当然有时候我们会看到曲线的平滑程度不一样，有些波峰比较陡峭，有些波峰比较平缓。这和当地的纬度以及海拔有关。由于产水量随着太阳辐照量的增减而增减，文献（18）专门研究了蒸馏器玻璃顶盖倾角的影响，通过安装最优的倾斜角度来获得最大的辐照量，从而获得最高的产水量。根据文献（18），玻璃的最佳倾角随着季节的不同而有所变化，这是因为地球的公转引起的。夏季时，在保证淡水能顺利滑落至淡水收集槽的情况下，玻璃顶盖的倾斜角度越小越好，在冬季则相反。图13 产水量随时间变化的趋势（14）3.2 海水温度在盐水分离过程中，第一步是将海水温度提升，高于环境温度，第二步是热海水发生蒸发，产生蒸汽，实现盐水的分离，最后一步是将蒸汽冷凝成淡水，进行收集。整个过程的最优化应该建立在每一步的最优化以及各个步骤耦合的最优化上。上面我们说到产水量随时间变化曲线的趋势如图13所示，应该补充说海水温度随时间的走势也是这样的。这就是说，在海水温度最高的时候，往往也是产水量最大的时候。在分析海水温度对于产水量的影响之前，先考察一下蒸发现象。蒸发会发生是由于液体分子运动很剧烈，液面附近动能较大的水分子克服表面张力飞散到上面的空间，变成气态。在没有任何其他气体的时候，气态水分子在液面上方的空间积聚越多，压力就会越大，因此，一部分气态分子不得不重新回到液态。当从液态挣脱出的分子和重新回到液态的分子数目相同时，达到动态平衡，也就是所谓的饱和状态。饱和状态下的温度和压力叫做饱和温度和饱和压力，一一对应。但是这个过程是在完全没有任何其他气体下的理想情况。在实际的太阳能蒸馏器当中，不可避免的存在有一定量的空气，空气的存在阻碍了蒸发过程，与没有空气存在时相比，如果要得到同样多的蒸汽需要将海水加热到更高的温度。海水温度低于或等于空气（未饱和空气）温度时，由于空气有一定的吸湿能力，能使一部分水以蒸汽形式混合在空气中，但这部分蒸汽想要凝结就必须有一个具有更低温度的凝结面，然而在这种情况下，这部分空气以及凝结面同时处在环境温度下，使得凝结不能发生，也就是说，虽然有水分蒸发，但是我们不能把它凝结成淡水而收集。海水温度高于空气温度时，由于温差的存在，驱使热量由海水向空气传递，而有相变的传热效率是最高的，所以热海水不断蒸发，湿空气中的水蒸气也不断的在凝结面上冷凝，并且热海水温度越高，蒸发越快。3.3 海水热容量上面提到盐水分离的第二步是要热海水蒸发。实际上，在考虑用蒸馏的方法实现海水淡化时，总是希望把所有的热量都用于产生蒸汽。假设我们拥有同样多定量的热量，我们可以将这些热量用于加热大量的海水，将整个海水的温度提升1-2，我们也可以用这些热量加热少量的海水，让海水沸腾，全部变为蒸汽。显然在太阳能蒸馏海水淡化过程中，我们希望发生后一种情况。这给我们指明了一个方向，即在分配能量时，尽量少的一部分储藏在海水的显热里，尽量多的那部分分配在蒸汽潜热里。因为这不仅能增加蒸汽的产量，而且在蒸汽凝结时通过增加换热面又可以将这部分潜热重新利用。虽然不能将所有的能量全部储藏在蒸汽潜热里，但是可以通过减小海水热容量来加快蒸发。当海水热容量小时，同样的加热功率在相同的时间里可以使海水温度升到更高，从而使蒸发加快，蒸发量增大。文献（5）、（6）、（7）、（8）、（9）、（11）都是基于这种考虑，巧妙的改进了装置，尽量减小海水的热容量，取得了很好的效果。文献（18）、（19）、（20）、（21）则专门研究了海水层厚度对于产水量的影响。所有结果都显示，海水层厚度越薄，产水量越高。若海水是流动的，则海水热容量由给水流量确定，文献（22）给出了给水流量对于产水量的影响。结果显示，给水流量越低，海水形成的膜厚度越薄，产水量越高。 表1 海水层厚度对日产水量的影响（18）海水层厚度（cm）日产水量（kg/m2）25.24564.884.5图14 海水厚度的影响（19）3.4 海水温度与凝结面温度的差值太阳能蒸馏不仅仅是将水分从咸水中脱离，而且还要将脱离的纯度较高的水分再收集起来，也就是说在完成蒸发之后，还要让蒸汽凝结。要想实现传热，就必须有温差，凝结也不例外。并且温差越大，凝结越快。正如我们前面所说，假如凝结面的温度与湿空气的温度相同，则纵使湿空气里含有大量的水蒸气，也不能使这部分水蒸气凝结成淡水。因此，湿空气与凝结面的温度差值对于产水量有着至关重要的影响。虽然发生凝结时，湿空气与凝结面的温差直接影响凝结传热，但是在建立传热模型时，文献（23）、（24）、（25）、（26）都是以热海水与凝结面之间的温差来描述对于产水量的影响。这在本质上是一样的。文献（27）的结果显示，有时凝结面的温度会高于海水温度。以海水与凝结面的温差来描述，则可将蒸馏器内的传热过程视为有限空间内自然对流传热，两者之间的温差为传热的驱动力，温差越大，蒸发量就越大，相对应的产水量也越大。详细理论分析模型参阅（28）、（29）。另外，A.El-Bahi（30）将蒸汽引入另一个空间内凝结，减少蒸发空间内湿空气的含量，促进热海水的蒸发，同时也增加了冷凝面积，产水量有较大提高。日产水量最高可达约7kg/m2，这种改进在6、7、8月尤其明显。改进冷凝面设计以及材料来提高产水量的还有（31）、（32）、（33）。3.5 环境因素环境因素主要包括环境温度和当地风速。在考虑热损失时，我们希望环境温度越高越好，最好是与装置之间没有温差。但在考虑凝结面的冷凝过程时，又希望环境温度越低越好，这样不仅可以加快冷凝速率，还可以降低凝结面的温度来增加热海水与凝结面之间的温差，从而加快淡化过程。文献（34）公布的结果清晰的证明了这一点。然而，文献（35）的结果则认为环境温度越高，越有利于提高产水量。笔者认为文献（35）公布的结果不足以说明环境温度的影响。因为在环境温度最高时同时也是太阳辐照量最大的时候，产水量的提高可能仅仅是辐照量的增大而引起的。只有在夜晚没有太阳辐照的条件下，环境温度降低，然而热海水温度却不变时才能说明环境温度的影响作用。文献（35）还考察了当地风速的影响，结果表明在一定范围内，风速越大，凝结面与环境换热越强，越容易降低凝结面的温度，从而增大了热海水与凝结面之间的温差，有利于淡水产量的提高。这与文献（36）结果相一致。然而文献（18）（如图15）则公布了相反的结果，即风速越低，产水量越高。图15 产水量随风速的变化（18）3.6 绝热层厚度正如我们所知，太阳能能流密度比较低，只能为太阳能蒸馏装置提供不多的热量。为了高效利用这有限的热量，办法之一就是设计最优的绝热层减少热量的散失。然而，考虑到经济成本以及操作的方便，绝热层并不是越厚越好。文献（37）结果显示，绝热层的厚度存在一个最佳值，在低于这个厚度时，增加绝热层厚度有利于产水量的提高，而大于这个厚度时，再增加绝热层，产水量不再增加。4. 结论简要回顾了太阳能蒸馏海水淡化技术的发展历程，分析总结了太阳能蒸馏装置淡水产量的影响因素，可以得出如下结论：1、太阳能蒸馏海水淡化装置产水量较低，无法与MSF、MED以及RO等海水淡化技术相比，然而在人烟稀少、电力缺乏的偏远地区，太阳能蒸馏海水淡化装置因其结构简单、运行维护方便有着无可比拟的优势，非常适宜于发展小型化分布式海水淡化基地。2、采用反射镜等改变太阳辐照的方向，提高辐照吸收面布置的灵活性，有利于太阳能蒸馏装置布置更多的换热面，从而提高热利用效率。3、减小海水热容量，加快蒸发速度，以实现尽可能多的热量用于蒸发。4、改善设计，回收蒸汽潜热，达到以蒸汽潜热驱动海水蒸发，使热量得到多次利用。参考文献：1 何梓年. 太阳能热利用. 中国科学技术出版社. 2009.7.2 Tay A M .Performance study of some designs of solar still J Energy Conversion Mgmt .,1992 .33(9):889-898.3 Hiroshi Tanaka .Experimental study of a basin type solar still with internal and external reflectors in winter .Desalination ,2009 . 249 :130-134.4 Hiroshi Tanaka .Monthly optimum inclination of glass cover and external reflector of a basin type solar still with internal and external reflectors. .Solar Energy ,2010 .84: 1959-1966.5 Hiroshi Tanaka ,Yasuhito Nakatake .A vertical multiple-effect diffusion solar still coupled with a heat-pipe solar collector .Desalination ,2004 .160 :195-205.6 Hiroshi Tanaka .Experimental study of vertical multiple-effect diffusion solar still coupled with a flat plate reflector .Desalination ,2009 ,249:34-40.7 B.Janarthanan ,J.Chandrasekaran ,S.Kumar .Performance of floating cum titled-wick typed solar still with the effect of water flowing over the glass cover .Desalination ,2006 .190 :51-62.8 Farshad Farshchi Tabrizi ,.Mohammad Dashtban ,Hamid Moghaddam .Experimental investigation of a weir-type cascade solar still with built-in latent heat thermal energy storage system .Desalination 260 (2010) 248253 .9 H. 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