桑夏太陽能股份有限公司 ■ 邵志雄 趙峰 夏寧

0 引言

太陽能海水淡化是人類太陽能開發(fā)利用中的一個重要內(nèi)容。早在19世紀(jì)60年代，Lavoisier就已把一個大型的透鏡安裝在架子上，用來積聚陽光，從而進(jìn)行海水蒸餾[1]。而Mouchot則是用一種玻璃反射鏡聚焦陽光，進(jìn)行太陽能海水蒸餾[2]。大型太陽能海水淡化裝置的出現(xiàn)是在19世紀(jì)80年代，由瑞典科學(xué)家Wilson于智利研制成功，該裝置是一種頂棚式太陽能蒸餾裝置，結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜[3]。到了20世紀(jì)初期，科學(xué)家不再使用傳統(tǒng)的普通反光鏡，開始使用球面反射鏡聚光，進(jìn)行太陽能蒸餾實(shí)驗(yàn)[2]。太陽能海水淡化技術(shù)在最近幾十年得到了實(shí)質(zhì)性發(fā)展，諸多技術(shù)日趨成熟并形成了產(chǎn)業(yè)[4,5]。

太陽能在海水淡化技術(shù)中的應(yīng)用主要分兩種形式：一種是直接利用太陽能作為熱源，對海水進(jìn)行蒸餾，然后對蒸汽冷凝得到淡水；另一種是間接形式，將太陽能與傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)(如反滲透法、電滲析法、加濕除濕循環(huán)等)相結(jié)合生產(chǎn)淡水[6-8]。與后者相比，前者由于低廉的成本和簡易的裝置，在小規(guī)模淡水生產(chǎn)方面具有更強(qiáng)的競爭力[9]。

目前，傳統(tǒng)的太陽能海水淡化裝置的集熱裝置和蒸發(fā)/冷凝裝置是分離的，集熱器僅起到一個熱源供給作用，裝置熱能利用效率較低，尤其是水蒸氣的凝結(jié)潛熱未被高效、充分地利用。與此同時，集熱系統(tǒng)的集熱溫度一般處于100 ℃以下，需使用真空泵來維持負(fù)壓工況，從而使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大、造價昂貴、運(yùn)行復(fù)雜，不適合小型化運(yùn)行[10,11]。

本研究提出了一種新型多級滿液型蒸發(fā)回?zé)崾降牟Ａд婵展芴柲芎Ｋb置，將太陽能集熱器(CPC和玻璃真空管)和蒸發(fā)/冷凝裝置(海水箱)通過熱管有效地聯(lián)接起來，合為一體。裝置在正壓和常壓下運(yùn)行，省去真空泵，只需通過一些壓力控制閥，利用系統(tǒng)各級工作溫度的不同，逐級降溫回?zé)醽砑訌?qiáng)蒸汽的凝結(jié)潛熱的回收利用，提高回?zé)嵝?，從而達(dá)到簡化結(jié)構(gòu)，提高制水率和能量利用率的目的。通過模擬系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計要求，為實(shí)際裝置的開發(fā)提供了設(shè)計參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

海水淡化裝置主要由CPC(復(fù)合拋物面聚光器)、全玻璃真空集熱管、熱管、不銹鋼絲網(wǎng)、回?zé)岜P管、海水箱、加熱管、蒸汽出汽管、減壓閥和冷凝管等部件組成。

整個裝置分為7級，共包含14個集熱單元，7級系統(tǒng)各級連接關(guān)系如圖1所示。各級之間接有壓力調(diào)節(jié)閥，第1級包含8個集熱單元，第2～7級各級只包含1個集熱單元，上一級產(chǎn)生的蒸汽通過回?zé)峁馨褲摕後尫沤o下一級的海水，如此進(jìn)行下去；最后一級，即第7級的出口，所有的氣液混合物進(jìn)入到空冷換熱器中，與空氣換熱后，充分冷卻成為過冷水。

第1級的8個集熱單元中，海水箱加熱管外均未安裝回?zé)岜P管，第1級的集熱單元結(jié)構(gòu)如圖2a所示。裝置從第2級開始，在加熱管外均盤繞回?zé)峁?，用于回收上一級蒸汽的汽化潛熱。后?級單元的結(jié)構(gòu)和第1級基本相同，區(qū)別只在于加熱管外增加了回?zé)岜P管。后6級單元結(jié)構(gòu)如圖2b所示。

圖1 7級14個集熱單元系統(tǒng)各級連接關(guān)系圖

每個單元集熱部分由CPC、全玻璃真空集熱管、不銹鋼絲網(wǎng)及熱管組成，熱管將所集熱量高效傳遞到海水淡化箱對海水進(jìn)行加熱。表1為集熱裝置主要尺寸參數(shù)。CPC具有很好的聚光效果[12-15]，但大型標(biāo)準(zhǔn)CPC加工復(fù)雜，成本過高。本研究采用的簡化式CPC去掉了原有的底部漸開線形褶皺突起，代之以平緩的弧線直接相連，同時也去掉了標(biāo)準(zhǔn)CPC上部大部分聚光面[16]。

圖2 第1級及第2～7級集熱單元結(jié)構(gòu)示意圖

表1 CPC集熱裝置的性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)過程中各級蒸汽溫度或蒸汽壓力差通過一次性調(diào)節(jié)壓力閥完成。在中午太陽輻照度最強(qiáng)時間段內(nèi)調(diào)節(jié)壓力閥，使第1級集熱單元內(nèi)蒸汽溫度保持在150 ℃，以后每級遞減約8 ℃。由于第7級和大氣直接相接，故第7級的溫度約為100 ℃，然后壓力調(diào)節(jié)閥開度不再變化。這個溫差即是各級集熱單元最大溫差，實(shí)驗(yàn)過程中各級蒸汽壓力和溫度隨輻照度隨時變化。在熱管的蒸發(fā)端、絕熱端及冷凝端均布置有熱電偶測量熱管各部分溫度；在各級海水箱蒸汽出口處均布置熱電偶測量各級海水箱蒸汽溫度；同時，在第2～7級回?zé)峁苓M(jìn)出口均布置有熱電偶測量回?zé)嵴羝麥囟取?/p>

圖3 7級太陽能海水淡化系統(tǒng)實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文著重介紹了2014年冬季幾組代表性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別從系統(tǒng)各級溫差、系統(tǒng)制水性能及系統(tǒng)效率等方面進(jìn)行分析。

2.1 系統(tǒng)各級之間溫差分析

系統(tǒng)各級之間的溫差即是系統(tǒng)各級蒸汽溫度之差，整個系統(tǒng)便是依靠各級之間的溫差，即壓差被動式運(yùn)行，因此，了解各級之間蒸汽的溫度至關(guān)重要。圖4為冬季晴天條件下系統(tǒng)各級蒸汽溫度經(jīng)時變化情況，圖5為冬季多云條件下系統(tǒng)各級蒸汽溫度經(jīng)時變化情況。

從圖4、圖5中可以看出，整個系統(tǒng)在晴天及多云條件下均能正常工作，但是晴天條件下各級蒸汽溫度波動較小，多云條件下各級蒸汽溫度波動較明顯，說明蒸汽溫度受太陽輻照度影響較明顯。

圖4 冬季晴天條件下各級蒸汽溫度經(jīng)時變化

圖5 冬季多云條件下各級蒸汽溫度經(jīng)時變化

裝置各級在11:30左右開始有蒸汽產(chǎn)生，過了正午，隨著時間的推移，每級之間的溫差及壓差不斷縮小，這是由于在中午時太陽輻照度最高、集熱功率最大、產(chǎn)生水蒸氣量最多，體現(xiàn)為裝置內(nèi)水蒸氣流速大，而調(diào)節(jié)閥兩端的壓力差隨著流過閥門工質(zhì)流速的加快而增大。當(dāng)下午太陽輻照度慢慢降低時，裝置內(nèi)水蒸氣的流速減慢，兩級之間溫差及壓力差縮小。

2.2 系統(tǒng)制水性能分析

2.2.1 第1級全天單位集熱面積制水量

圖6給出了5天的第1級全天單位集熱面積制水量及平均太陽輻照度(由大到小排列)。由于第1級海水箱加熱管外未盤繞回?zé)峁?，即?級制水量只是通過CPC的有效集熱產(chǎn)生，無回?zé)釁⑴c。

圖6 第1級全天單位集熱面積制水量與平均太陽輻照度

由圖6可知，第1級全天單位集熱面積制水量與平均太陽輻照度有著密切關(guān)系，隨著太陽輻照度的降低，第1級全天單位集熱面積制水量也隨之減少。第1級在冬季全天單位集熱面積制水量最高可達(dá)1.64 kg/m2。

2.2.2 系統(tǒng)全天單位集熱面積制水量

對于太陽能海水淡化裝置，全天單位面積制水量是考察裝置性能的重要指標(biāo)，是裝置制水能力的直接體現(xiàn)。圖7給出了系統(tǒng)全天單位集熱面積制水量(按太陽輻照度從大到小排列)。

圖7 系統(tǒng)全天單位集熱面積制水量與平均太陽輻照度

由圖7可知，系統(tǒng)全天單位面積制水量最高可達(dá)4.497 kg/m2，與第1級單純集熱產(chǎn)生的淡水量相比有較大提升，這是由于裝置多級蒸發(fā)回?zé)岬淖饔谩Ｏ到y(tǒng)后6級內(nèi)均有回?zé)崞?，海水除受CPC吸收的有效太陽輻射的加熱外，還受到回?zé)崞髦猩弦患壵羝募訜幔沟孟到y(tǒng)的制水量得以提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)回?zé)嵝Ч黠@，能有效提高系統(tǒng)整體制水量。

2.2.3 系統(tǒng)單位集熱面積制水率

圖8給出了裝置單位集熱面積制水率和太陽輻照度經(jīng)時變化。從圖8中可以看出，裝置單位面積制水率的變化趨勢與太陽輻照度的變化趨勢基本一致。該系統(tǒng)一般在11:30左右開始制水；在12:30左右，系統(tǒng)制水率達(dá)到最大值；到14:00以后，隨著太陽輻照度的降低，制水率也明顯下降；到15:00左右，系統(tǒng)停止工作，不再制水。在晴天條件下，單位水平集熱面積的制水率最高可達(dá)約1.5 kg/(h?m2)，在多云天氣最高也可達(dá)到約1.35 kg/(h?m2)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)在冬季也表現(xiàn)出較好的性能，相信在夏季高輻照度的條件下，系統(tǒng)會有更優(yōu)異的性能。

圖8 系統(tǒng)單位集熱面積制水率和太陽輻照度經(jīng)時變化

2.2.4 系統(tǒng)制水性能系數(shù)

海水淡化裝置的制水性能系數(shù)是表征此類裝置的總體回?zé)嵝阅艿闹匾笜?biāo)，它實(shí)際上是制水消耗總功率和外部輸入功率之比，性能系數(shù)越大，表明系統(tǒng)回?zé)釗Q熱量越多。無回?zé)釙r制水性能系數(shù)等于1，本系統(tǒng)理論制水性能系數(shù)是5.5。圖9給出了系統(tǒng)實(shí)際制水性能系數(shù)和太陽輻照度的經(jīng)時變化。

圖9 系統(tǒng)實(shí)際制水性能系數(shù)和太陽輻照度經(jīng)時變化

由圖9可知，在2014-12-24曲線上，系統(tǒng)實(shí)際制水性能系數(shù)在12:00～13:30這段時間內(nèi)隨時間變化的幅度較小，基本保持在3以上，在晴天條件下系統(tǒng)實(shí)際制水性能系數(shù)最高可達(dá)到3.4左右；這主要是由于正午太陽輻照度較強(qiáng)，裝置各級之間的溫差較大，同時蒸汽流速也較大，裝置回?zé)嵝院?，所以系統(tǒng)制水性能系數(shù)較高。到了下午，特別是14:00～15:00期間，制水性能系數(shù)下降較快，主要是由于太陽輻照度明顯降低，裝置各級之間溫差較小，蒸汽流速也較小，裝置回?zé)嵝宰儾睿瑢?dǎo)致制水性能系數(shù)降低。

2.3 系統(tǒng)效率分析

本裝置內(nèi)部加熱海水的熱量來源有兩種：集熱和回?zé)?。通過對系統(tǒng)集熱效率、綜合效率及平均回?zé)嵝蔬M(jìn)行分析，可以全面了解裝置的集熱性能和回?zé)嵝阅堋?/p>

2.3.1 系統(tǒng)集熱效率

系統(tǒng)集熱效率瞬時值可用式(1)求得：

式中，Φt,exp為系統(tǒng)集熱功率實(shí)際瞬時值，可用式(2)求得；ΦCPC為照射到系統(tǒng)全部CPC板上的瞬時輻射功率，可用式(3)求得。

式中，Gm為制水率；h′為修正的汽化潛熱，J/g；φ為單純集熱產(chǎn)生的淡水量(除去回?zé)岙a(chǎn)生的淡水量)占總制水量的比例，可以按單純制水率除以實(shí)際制水率計算；ACPC為CPC的聚光投影面積，m2；n為CPC數(shù)量；qr為垂直照射到單個CPC的輻照度，W/m2。

圖10給出了系統(tǒng)集熱效率及太陽輻照度的經(jīng)時變化。由圖10可知，在11:30～12:30時間段內(nèi)，系統(tǒng)集熱效率維持在較高水平，最高可達(dá)0.38左右；而后隨著時間的推移，太陽輻照度逐漸下降，每級的溫度越來越低，這樣裝置中用于加熱海水的熱量減少，集熱性能隨之變差，故裝置的有效集熱效率隨著太陽輻照度的降低而降低。

圖10 系統(tǒng)集熱效率及太陽輻照度經(jīng)時變化

2.3.2 系統(tǒng)綜合系數(shù)

系統(tǒng)綜合系數(shù)ηe為：

式中，Φnet為系統(tǒng)綜合功率，可由式(5)求得：

由于回?zé)嵝Ч?，系統(tǒng)綜合系數(shù)可以大于1。

圖11給出了系統(tǒng)綜合系數(shù)及太陽輻照度的經(jīng)時變化。由圖11可知，在11:30～12:45時間段內(nèi)，系統(tǒng)綜合系數(shù)維持在較高水平，最高可達(dá)1.3左右，并且綜合系數(shù)在1以上能維持較長時間；而后隨著太陽輻照度的下降，每級的溫度越來越低，裝置中用于加熱海水的熱量減少，裝置中流動的水蒸氣量隨之減少，蒸汽流速減小，那么可回收利用的水蒸氣的冷凝潛熱隨之減少，即回?zé)嵝阅芙档?，故裝置綜合系數(shù)隨著太陽輻照度的降低而降低。

圖11 系統(tǒng)綜合系數(shù)及輻照度經(jīng)時變化

2.3.3 系統(tǒng)全天平均回?zé)嵝?/h4>

本裝置加熱海水的熱量來自兩個方面：集熱和回?zé)?。?級是沒有回?zé)岬?，因此?級的全天制水量可近似代表其他各級靠單純集熱產(chǎn)生的淡水量。系統(tǒng)全天制水量減去系統(tǒng)靠單純集熱產(chǎn)生的水量即為系統(tǒng)實(shí)際回?zé)岙a(chǎn)生的淡水量。系統(tǒng)全天平均回?zé)嵝适窍到y(tǒng)全天實(shí)際回?zé)岙a(chǎn)生的淡水量與系統(tǒng)全天理論回?zé)?即回?zé)岢浞?，回?zé)嵝蕿?)制水量的比值，即：

圖12給出了系統(tǒng)全天平均回?zé)嵝始捌骄栞椪斩?按太陽輻照度從大到小排列)。由圖12可知，在冬季晴天及多云條件下，系統(tǒng)的回?zé)嵝示S持在30%以上，最高可達(dá)38.6%，并且系統(tǒng)全天平均回?zé)嵝逝c平均輻照度基本成正比。雖然回?zé)嵝时容^可觀，但是并不理想，這主要受制于目前裝置回?zé)峁懿贾貌粔蚝侠?，換熱面積雖然很大，但各管都處于同一水平位置，下部管子產(chǎn)生蒸汽直接沖擊上部管子，盤管表面的換熱機(jī)理為受限自然對流，自然對流系數(shù)較低，通過對裝置進(jìn)行改進(jìn)，相信會有更好的回?zé)嵝Ч?/p>

圖12 系統(tǒng)全天平均回?zé)嵝始捌骄栞椪斩?/p>

3 結(jié)論

本文研究設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)新穎的小型多級滿液型蒸發(fā)回?zé)崾降牟Ａд婵展芴柲芎Ｋb置，制作了一個共7級集熱/回?zé)帷?4個集熱單元的實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，考察了系統(tǒng)各級之間溫度變化特性、系統(tǒng)全天單位面積制水量、系統(tǒng)單位面積制水率、系統(tǒng)制水性能系數(shù)、系統(tǒng)集熱效率、系統(tǒng)綜合系數(shù)，以及系統(tǒng)全天平均回?zé)嵝矢黜?xiàng)性能指標(biāo)。在冬季晴天及多云條件下，系統(tǒng)都有很好的集熱和回?zé)嵝阅?，系統(tǒng)單位面積制水量最高可達(dá)4.497 kg/m2，系統(tǒng)單位水平集熱面積的制水率最高可達(dá)1.5 kg/(h?m2)左右，制水性能系數(shù)最高可達(dá)3.4，集熱效率及綜合系數(shù)分別可高達(dá)0.38和1.3，全天平均回?zé)嵝室部筛哌_(dá)38.6%。系統(tǒng)整體上表現(xiàn)出比較優(yōu)異的性能。

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