收稿日期:2021-11-17
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(52006124;51976013)
通信作者:鄭宏飛(1962—),男,博士、教授,主要從事太陽(yáng)能海水淡化方面的研究。hongfeizh@bit.edu.cn
DOI:10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1403 文章編號(hào):0254-0096(2023)04-0479-08
摘 要:針對(duì)傳統(tǒng)太陽(yáng)能海水淡化面臨的成本高、效率低等問題,指出海水淡化系統(tǒng)中各部件嚴(yán)重分離、能量傳輸路徑冗長(zhǎng)、高溫太陽(yáng)能集熱技術(shù)與海水淡化系統(tǒng)存在不匹配是其主要影響因素。通過探究太陽(yáng)能熱法海水淡化成本與聚光效率、產(chǎn)水率、熱性能系數(shù)([ηGOR])等因素的關(guān)聯(lián)關(guān)系,指出聚光直接加熱、近零熱容蒸發(fā)、能質(zhì)梯級(jí)利用、能量多次利用、多目的系統(tǒng)以及與用戶直接結(jié)合是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)低成本大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵路徑。
關(guān)鍵詞:太陽(yáng)能;海水淡化;效率;成本;路徑;多模式;熱性能系數(shù)
中圖分類號(hào):TK519 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
0 引 言
海水占全球水資源總量的97%以上,而能被直接利用的淡水資源儲(chǔ)量?jī)H為0.36%,如果使用海水淡化技術(shù),可有效解決沿海、近海地區(qū)的淡水資源緊缺問題。截止到2019年底,中國(guó)現(xiàn)有海水淡化工程115個(gè),工程規(guī)模150萬t/d,主要采用傳統(tǒng)工業(yè)化海水淡化技術(shù)[1]。
由于傳統(tǒng)能源會(huì)產(chǎn)生溫室氣體等原因,太陽(yáng)能熱法海水淡化技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。然而太陽(yáng)能熱法海水淡化受限于成本高等因素,至今仍無法大規(guī)模應(yīng)用。太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)規(guī)?;淖畲笳系K是什么?是什么因素限制了太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性?這些問題一直以來都在引人深思。
本文首先梳理了國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能熱法海水淡化領(lǐng)域的困難和挑戰(zhàn),探究產(chǎn)水率提高和成本降低的主要影響因素,創(chuàng)新性地指出低成本大規(guī)模海水淡化的關(guān)鍵路徑。
1 傳統(tǒng)太陽(yáng)能海水淡化面臨的主要困難
傳統(tǒng)太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)主要面臨著系統(tǒng)成本高、效率低以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜冗余等問題。
1.1 系統(tǒng)成本高
目前,中國(guó)海水淡化成本普遍在5~8元/t之間,成本主要受到化學(xué)藥品消耗、設(shè)備材料更換、職工薪酬和福利、固定資產(chǎn)折舊、修理費(fèi)、雜費(fèi)及財(cái)務(wù)費(fèi)用等因素的影響,其中能耗費(fèi)用和固定資產(chǎn)投資是限制其發(fā)展的最主要因素[2]。吳云奇等[3]以10萬t/d的低溫多效和反滲透海水淡化工程為例,開展投資和成本估算的相關(guān)工作,結(jié)果表明兩種海水淡化技術(shù)的造水總成本分別為6.23和5.85元/t。高艷玲等[4]從海水淡化的投資費(fèi)用、能耗等方面對(duì)海水淡化技術(shù)成本進(jìn)行分析,得到多級(jí)閃蒸海水淡化的總成本為7.00元/t。隨著海水淡化規(guī)模的擴(kuò)大和技術(shù)的進(jìn)步,其成本逐年下降,然而當(dāng)規(guī)模超過10萬t/d后,成本下降空間有限。
相比傳統(tǒng)工業(yè)化海水淡化技術(shù),太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)的成本更高,通常在11~20元/t及以上。但太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)具有靈活多變、不消耗傳統(tǒng)能源的巨大優(yōu)勢(shì),尤其是小規(guī)模被動(dòng)式太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、取材方便和運(yùn)行穩(wěn)定的巨大優(yōu)勢(shì),特別適合于在邊遠(yuǎn)地區(qū)使用。葉鴻烈等[5]以建立在天津和南海的兩個(gè)中小型太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)為例,分析了太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、電輔助系統(tǒng)、基建投資和主機(jī)系統(tǒng)等因素,得到該熱法太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的最低水價(jià)分別為13.5和11.6元/t。
1.2 系統(tǒng)效率低
造成太陽(yáng)能海水淡化成本高的另一個(gè)重要原因是產(chǎn)水效率低。熱性能系數(shù)([ηGOR])是衡量系統(tǒng)能量利用能力的重要參數(shù)之一,該參數(shù)等于淡水蒸發(fā)所需的熱量除以供入系統(tǒng)的熱量[6]。單模式的太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的[ηGOR]一般都小于4,這里的單模式是指僅采用一種海水淡化方式。其中,單效主動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾的[ηGOR]一般在0.35~0.75之間,多效太陽(yáng)能蒸餾的[ηGOR]可達(dá)到1.5,其他更復(fù)雜的多效蒸餾系統(tǒng)一般在2.5~4.0之間。
常澤輝等[7]以多效豎管降膜太陽(yáng)能苦咸水蒸餾系統(tǒng)為例,分析不同效數(shù)對(duì)系統(tǒng)[ηGOR]的影響,得出裝置的[ηGOR]在一效時(shí)為0.88,二效時(shí)為1.87,三效時(shí)為2.48,四效時(shí)為3.36。單一的太陽(yáng)能海水淡化模式很難獲得較高的熱性能系數(shù),比如單一的空氣加濕除濕海水淡化系統(tǒng)的實(shí)際熱性能系數(shù)一般為4以下。造成太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)[ηGOR]較低的主要原因是其結(jié)構(gòu)不夠合理、集熱技術(shù)與海水淡化系統(tǒng)在供能體系上的不匹配。
1.3 傳統(tǒng)太陽(yáng)能海水淡化的主要缺陷
早期的太陽(yáng)能海水淡化裝置一般都稱為太陽(yáng)能蒸餾器,其不需要任何動(dòng)力原件,完全依靠太陽(yáng)光全被動(dòng)進(jìn)行蒸餾。這類裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制作、運(yùn)行與維修都非常容易,因而被廣泛應(yīng)用;缺點(diǎn)是其單位面積產(chǎn)水量低,需要較大的建設(shè)面積。為了克服傳統(tǒng)太陽(yáng)能海水淡化裝置的缺陷,已經(jīng)開發(fā)出各種各樣的太陽(yáng)能海水淡化裝置,例如主動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾器、太陽(yáng)能空氣加濕除濕式淡化系統(tǒng)等。但目前太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的核心問題仍是效率過低,產(chǎn)水成本過高。綜合分析表明,這些傳統(tǒng)的系統(tǒng)主要包含了太多的過程或環(huán)節(jié),每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)造成能量的損失或者能量品質(zhì)的降低。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)具體包含3個(gè)嚴(yán)重缺陷:
1)系統(tǒng)中各部件嚴(yán)重分離。集熱器、儲(chǔ)熱器、管道及換熱器,再到海水淡化器,部件眾多且相互分離,決定了其制造和管理成本無法降低。
2)能量的傳輸經(jīng)歷了多次過程導(dǎo)致傳輸路徑冗長(zhǎng)。傳統(tǒng)太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)至少分成了集熱區(qū)、儲(chǔ)熱區(qū)和淡化區(qū)3個(gè)區(qū),如圖1所示。每個(gè)區(qū)域都存在熱阻,降低了系統(tǒng)的總體效率。
3)高溫太陽(yáng)能集熱技術(shù)與傳統(tǒng)的海水淡化系統(tǒng)在供能體系上并不匹配。多次重復(fù)利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能海水淡化高效率的重要手段,但現(xiàn)有的太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的重復(fù)利用次數(shù)仍然不高,限制了系統(tǒng)[ηGOR]的進(jìn)一步提升,其主要原因是系統(tǒng)中單一的淡化模式與太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供的熱能在能質(zhì)上并不匹配。
近年來中高溫太陽(yáng)能集熱技術(shù)日益成熟,比如真空管熱管型、槽式拋物面集熱器、塔式聚光系統(tǒng)等,集熱溫度可遠(yuǎn)高于100 ℃,大型槽式拋物面和塔式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)可獲取200~400 ℃以上熱能,且保持有近50%的集熱效率。供熱溫度高,能量品質(zhì)高,本身是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。然而,反觀傳統(tǒng)成熟的海水淡化技術(shù)(如低溫多效和多級(jí)閃蒸技術(shù)),會(huì)發(fā)現(xiàn)其運(yùn)行溫區(qū)都非常窄,一般在75 ℃以下。即便是經(jīng)過改良后的多級(jí)閃蒸裝置,其最高海水溫度通常在90~120 ℃之間,超過120 ℃將會(huì)大幅提高結(jié)垢的可能性[8]。空氣加濕除濕系統(tǒng)所利用的熱能溫度在80~150 ℃之間。因此,如何高效利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供的高品質(zhì)熱能是提高太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要問題。
2 傳統(tǒng)太陽(yáng)能海水淡化效率和成本構(gòu)成
2.1 太陽(yáng)能熱法海水淡化系統(tǒng)產(chǎn)水率
太陽(yáng)能熱法海水淡化的產(chǎn)水率[ηswp]可定義為:
[ηswp=Ghfg?ηc?ηt?ηGOR]"""" (1)
式中:[G]——太陽(yáng)輻照度,[W/m2];[hfg]——水的汽化潛熱,[kJ/kg];[ηc]——太陽(yáng)能集熱器的效率;[ηt]——太陽(yáng)能集熱器的熱能轉(zhuǎn)移到淡化器的效率;[ηGOR]——淡化器的熱性能系數(shù)。
從式(1)可看出,增加產(chǎn)水率的一般方法是提高太陽(yáng)能集熱器的效率[ηc]、熱轉(zhuǎn)移效率[ηt]和熱性能系數(shù)[ηGOR。]傳統(tǒng)的太陽(yáng)能集熱器效率[ηc]已達(dá)到50%,再提高20%是有可能的,但成本會(huì)大幅上升。熱轉(zhuǎn)移效率[ηt]已達(dá)到80%以上,再提高有很大的困難。
因此,提高[ηGOR]是提高太陽(yáng)能海水淡化產(chǎn)水量的關(guān)鍵方案,其基本思路是采用多效技術(shù),因?yàn)樾?shù)基本代表了能量的重復(fù)利用次數(shù),利用次數(shù)越多,系統(tǒng)的[ηGOR]越大,比如低溫多效等,[ηGOR]可達(dá)到4以上。但隨著效數(shù)的增加,經(jīng)濟(jì)成本會(huì)迅速上升,可能得不償失,目前報(bào)道的絕大部分太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)效數(shù)均小于5。
2.2 太陽(yáng)能熱法海水淡化系統(tǒng)成本構(gòu)成
太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的成本構(gòu)成較復(fù)雜,包括土地成本、建設(shè)成本、維護(hù)成本。為了評(píng)價(jià)一個(gè)太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,定義單位成本的產(chǎn)水率[α]為:
[α=ηswpF=ηc?ηt?ηGORFs+Fc+Ft+Fd+Fu+Fm]""" (2)
式中:[F]——太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的總成本,元;[Fs]——系統(tǒng)建設(shè)的土地和基本建設(shè)成本,元;[Fc]——太陽(yáng)能集熱器成本,元;[Ft]——集熱器到淡化器的熱轉(zhuǎn)移成本(管路和儲(chǔ)熱裝置),元;[Fd]——淡化器成本,元;[Fu]——淡化系統(tǒng)與用戶鏈接的成本,元;[Fm]——系統(tǒng)的維護(hù)成本,元。
實(shí)踐表明,降低集熱器成本[Fc]、淡化器成本[Fd]和基本建設(shè)成本[Fs]是降低總成本的關(guān)鍵。一般來說,[Fu]是很小的,所以許多文獻(xiàn)中對(duì)其關(guān)注度不高。但在某些特殊情況下,[Fu]將變得非常重要。比如用太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)為農(nóng)業(yè)工程提供灌溉用水,若采用傳統(tǒng)方法則需要滴灌系統(tǒng),這是一筆很大的開支,如若采用海水直接輸入式太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng),則可為用戶節(jié)省滴灌系統(tǒng)成本。關(guān)于土地成本,有時(shí)也會(huì)成為很大的開支,為此,王秋實(shí)等[9]設(shè)計(jì)了一種可漂浮在海面上的太陽(yáng)能海水淡化裝置,可節(jié)省土地成本。陳名賢等[10]設(shè)計(jì)了一種帶回?zé)崞鞯牡叵虑度胧教?yáng)能蒸餾系統(tǒng),將其安裝在人行道下可節(jié)省土地面積,并可將產(chǎn)出的淡水直接用于植物灌溉,從而為用戶節(jié)省一大筆費(fèi)用。此時(shí)也可認(rèn)為[Fu]是負(fù)值,間接地節(jié)省了集熱器成本[Fc]和淡化器成本[Fd]。
2.3 提高效率與減少成本的矛盾
從式(2)可看出,如果要提高[α],設(shè)法提高分子的數(shù)值或者降低分母的數(shù)值是最直接的方法。太陽(yáng)能集熱器效率越高,成本越高;海水淡化器效數(shù)越多,則成本越高,而且往往呈指數(shù)上升的關(guān)系,因此假定:
[Fc=Fcηc=C1ek1ηc]"" (3)
[Fd=Fd(ηGOR)=C2ek2ηGOR]" (4)
式中:[C1]、[C2]、[k1]、[k2]——與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有關(guān)的常數(shù)。
所以式(2)可轉(zhuǎn)化為:
[α=Ghfg?ηc?ηt?ηGORC1ek1ηc+C2ek2ηGOR+Fs+Ft+Fu+Fm]"""" (5)
從式(5)也可看出,單一地提高太陽(yáng)能集熱器的效率和海水淡化器的[ηGOR],并不能大幅增加傳統(tǒng)太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的單位成本產(chǎn)水率,甚至有時(shí)會(huì)使其降低。
3 低成本大規(guī)模太陽(yáng)能海水淡化的關(guān)鍵路徑
通過對(duì)海水淡化技術(shù)面臨的問題、成本和效率的矛盾關(guān)系分析可得出,太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)低成本大規(guī)模開發(fā)主要有以下6個(gè)關(guān)鍵路徑。
3.1 聚光直接加熱,集熱器與淡化器合二為一
分析傳統(tǒng)太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的熱運(yùn)動(dòng)過程,可得到能量平衡方程為:
[G?A?η0?ηt=me?hfg+ms?cp?ΔT+Qloss"] (6)
式中:[A]——聚光器面積,[m2];[η0]——聚光器的光學(xué)效率;[me]——蒸發(fā)的淡水量,[kg];[ms]——系統(tǒng)中海水的容量,kg;[cp]——海水的比熱容,[kJ/][kg?℃];[ΔT]——海水的升溫大小,[℃];[Qloss"]——系統(tǒng)的能量損失之和,[kJ]。
為了追求更高的效率,[ηt]最好為1,這意味著沒有中間環(huán)節(jié),太陽(yáng)光直接被用來加熱海水并使其蒸發(fā),將此簡(jiǎn)稱為光致熱直接蒸發(fā)過程,圖2為菲涅爾透鏡聚光后直接加熱海水淡化系統(tǒng)的原理[11]。此外,從式(2)中可發(fā)現(xiàn),如果要提高系統(tǒng)的單位成本產(chǎn)水率[α],減少中間熱轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)是非常重要的,最好是將[ηt]變?yōu)?,[Ft]變?yōu)?。
注:Ib為直接太陽(yáng)輻照度;L為加濕室進(jìn)水鹽水流率;T1為加濕室進(jìn)水海水溫度;qga,r為玻璃蓋板與天空之間的輻射換熱;qabg,r為吸收器輻射換熱;qg,c為玻璃蓋板與環(huán)境的對(duì)流換熱;T4為濕空氣溫度;qab,c為吸收器對(duì)流換熱;qm為水與空氣之間因濕度差產(chǎn)生的潛熱傳熱量;qc為水與空氣之間因溫度差產(chǎn)生的顯熱傳熱量;qw,e為濃鹽水蒸發(fā)產(chǎn)水的潛熱傳熱量;qw,c為濃鹽水與空氣之間因溫度差產(chǎn)生的顯熱傳熱量;G為進(jìn)氣空氣質(zhì)量流量;T3為進(jìn)氣空氣溫度;qk為加濕室底部和側(cè)面與環(huán)境之間的散熱損失;Lb為加濕室底部排濃鹽水流率;T2為加濕室底部海水溫度。
3.2 近零熱容系統(tǒng),光能與蒸發(fā)的直接轉(zhuǎn)化
從式(6)可看到,在給定太陽(yáng)輻照度和系統(tǒng)效率的條件下,為尋求[me]最大化,[ms]和[Qloss"]最好為零,此時(shí)海水在系統(tǒng)中的熱容量和系統(tǒng)的散熱量較小,系統(tǒng)的產(chǎn)水率將會(huì)最高。一般來說,[Qloss"]是不可避免的,海水淡化系統(tǒng)中存在輻射和對(duì)流損失。但當(dāng)[ms]很小,海水的運(yùn)行溫度更高,海水蒸發(fā)的能量比例更高。
熱海水表面向上部空間散熱和蒸發(fā),主要包含對(duì)流散熱、輻射散熱和蒸發(fā)傳熱,海水表面溫度不同時(shí),對(duì)流、輻射和蒸發(fā)傳熱的比例不同。需要減少表面熱輻射甚至熱對(duì)流,使蒸發(fā)過程最大化。Cooper[12]研究指出,在大空間情況下,對(duì)流、輻射和蒸發(fā)傳熱的比例隨海水表面溫度的變化如圖3所示。海水表面溫度越高,輻射和對(duì)流損失所占比例越小,這也是選擇近零熱容系統(tǒng)的重要因素。近年來,對(duì)近零熱容系統(tǒng)的研究得到了關(guān)注,利用毛細(xì)作用結(jié)合太陽(yáng)能局部加熱的新型太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)憑借其高產(chǎn)水率和低投入成本,成為研究的熱點(diǎn)[13]。采用表面新材料強(qiáng)化蒸發(fā)過程的報(bào)道層出不窮,該技術(shù)可從優(yōu)化材料表面結(jié)構(gòu)提高光吸收率、降低材料導(dǎo)熱系數(shù)等方面著手,提高光熱轉(zhuǎn)換效率。
近零熱容/界面太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)常采用碳基材料、金屬離子材料、復(fù)合材料等。陳清等[14]從制備方法、光熱水蒸發(fā)基本原理和水處理技術(shù)角度探討了3D-石墨烯的作用,開發(fā)了一種基于石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的新材料,大大提高了產(chǎn)水率(圖4a)[15]。周林等[16]設(shè)計(jì)并制備了世界上最黑的超寬帶、高效金屬吸收體,并利用等離子激元增強(qiáng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了高效太陽(yáng)能海水淡化(圖4b)。在進(jìn)行界面化學(xué)調(diào)控、蒸發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,采用自然界廉價(jià)的木材等作為高效能太陽(yáng)能蒸餾材料(圖4c),并基于仿生學(xué)原理開發(fā)了多種高效蒸發(fā)器件[17]。
為了突破單級(jí)產(chǎn)水理論極限,學(xué)者們還利用納米團(tuán)簇蒸發(fā)和多級(jí)潛熱回收技術(shù)來提高水的蒸發(fā)速率。趙飛等[18]采用納米級(jí)凝膠形成分子級(jí)網(wǎng)孔降低水蒸發(fā)潛熱,實(shí)現(xiàn)1000 W/m2的太陽(yáng)輻照度下3.2 kg/(m2·h)的蒸發(fā)速率。但現(xiàn)有研究往往只側(cè)重材料和蒸發(fā)系統(tǒng)的優(yōu)化,還需加強(qiáng)在淡化冷凝系統(tǒng)和淡水收集方面的研究。
3.3 能質(zhì)梯級(jí)利用,多模式構(gòu)建
如何高效地利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供的高品質(zhì)熱能是提高太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要問題。如前文所述,研究者提出多級(jí)用能的各種方式,但這些單一的太陽(yáng)能海水淡化模式仍很難獲得較高的熱性能系數(shù)。如果要進(jìn)一步擴(kuò)大單一淡化模式海水淡化系統(tǒng)的熱性能系數(shù),將使系統(tǒng)成本和系統(tǒng)復(fù)雜性大大提高,致使其經(jīng)濟(jì)性反而下降。
進(jìn)行拓?fù)錁?gòu)建對(duì)于解決高溫太陽(yáng)能集熱技術(shù)與傳統(tǒng)海水淡化系統(tǒng)在供能體系上的不匹配具有重要意義,用一個(gè)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)可推動(dòng)多種模式復(fù)合的海水淡化系統(tǒng)。Kabeel等[19]以一種空氣加濕除濕與水閃蒸混合式太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)為例,對(duì)系統(tǒng)傳熱、傳質(zhì)、流場(chǎng)進(jìn)行了理論模擬,該混合式系統(tǒng)[ηGOR]達(dá)到4.5,較單一空氣加濕除濕系統(tǒng)有大幅提升。各模式的海水淡化系統(tǒng)也可以是多效的,即多效多模式復(fù)合,比如三效的空氣加濕除濕加上四效的多效蒸餾相復(fù)合。每一種模式采用多效結(jié)構(gòu),可提高此模式的[ηGOR],而多模式將各模式的[ηGOR]相加,從而獲得更大的[ηGOR]。于是,太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的單位成本產(chǎn)水率為:
[α=Ghfg?ηc?ηt?inηGOR,iFc+inFd,i+Fu]"""""" (7)
式中:[n]——單位太陽(yáng)能集熱器帶動(dòng)的淡化系統(tǒng)模式數(shù)量(比如,一個(gè)槽式太陽(yáng)能集熱器帶動(dòng)一個(gè)吸附式海水淡化系統(tǒng)、一個(gè)蒸汽壓縮系統(tǒng)、一個(gè)四效空氣加濕除濕系統(tǒng)和一個(gè)四效多效蒸餾系統(tǒng));[ηGOR,i]——某種模式海水淡化系統(tǒng)的[ηGOR];[Fd,i]——某種模式海水淡化系統(tǒng)的建設(shè)成本。
一般來說,模式數(shù)量越多,淡化部分增加的成本越大,是各模式的成本之和。但由于不需要增加太陽(yáng)能集熱器的成本,通常各模式成本之和的增加比[ηGOR]的增加緩慢。因此,實(shí)現(xiàn)多模式復(fù)合,梯級(jí)利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供的高品質(zhì)熱能,才能大幅提高海水淡化系統(tǒng)的[ηGOR],可提高到4~10,甚至更高。多模式拓?fù)鋸?fù)合海水淡化系統(tǒng)示意圖如圖5所示。
鄭彥捷等[20]提出一種多模式拓?fù)涮?yáng)能海水淡化系統(tǒng),該系統(tǒng)由太陽(yáng)能聚光集熱器和高溫(吸附式)、中溫(多級(jí)加濕除濕)、低溫(多效蒸餾)海水淡化技術(shù)組成,組合模型如圖6所示。
3.4 能量多次利用,實(shí)現(xiàn)多效過程
多次利用蒸汽凝結(jié)的潛熱是傳統(tǒng)的思想,但在太陽(yáng)能熱法海水淡化中仍非常有用。徐震原等[21]通過能量多次利用等方式在1000 W/m2的太陽(yáng)輻照度下實(shí)現(xiàn)了385%的超高效率,如圖7所示。在多模式復(fù)合系統(tǒng)中,某種模式的系統(tǒng)仍需多級(jí)或多效,因?yàn)橹挥袑?shí)現(xiàn)多效,才能多次利用水蒸汽的凝結(jié)潛熱,進(jìn)而提高該模式的[ηGOR,i]。只有每種模式的[ηGOR,i]都大,系統(tǒng)的總[ηGOR]才能取得最大值。開展單模式和多模式下海水淡化系統(tǒng)中效數(shù)和成本之間的優(yōu)化研究是非常必要的。
3.5 多目的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)成本分流
多目的系統(tǒng)可增加系統(tǒng)收益,除了產(chǎn)生淡水之外,還可提供電力、熱水等。比如,淡化系統(tǒng)與光伏發(fā)電相結(jié)合,利用光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱進(jìn)行海水淡化。梁深等[22]提出聚光光伏-光熱膜蒸餾集成系統(tǒng)用于發(fā)電和產(chǎn)生淡水,系統(tǒng)在0.9 kW/m2太陽(yáng)輻照度下的最大綜合效率可達(dá)到42%,發(fā)電效率和產(chǎn)水效率分別為10%和32%,系統(tǒng)示意圖如圖8所示。Khalid等[23]研究了偏遠(yuǎn)地區(qū)用于生產(chǎn)淡水、電力和冷量的太陽(yáng)能三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),在0.7 kW/m2太陽(yáng)輻照度下,獲得電力功率3.3 kW,冷量功率20.4 kW,淡水產(chǎn)量36 kg/h。海水淡化與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)或者太陽(yáng)能發(fā)電站相結(jié)合,可減少項(xiàng)目投資金額或者增加系統(tǒng)收入,從而降低系統(tǒng)投資成本。
3.6 與用戶直接結(jié)合,實(shí)現(xiàn)成本減負(fù)
利用太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)生產(chǎn)的淡水,除飲用外,還可用于工業(yè)或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。比如用于農(nóng)業(yè)灌溉時(shí),通常利用太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)先生產(chǎn)出淡水,然后再利用灌溉系統(tǒng),特別是滴灌系統(tǒng)為植物澆灌。但海上漂浮農(nóng)業(yè)、海水直接輸入式灌溉系統(tǒng)等,將蒸餾水直接輸送到植物根部,節(jié)省了滴灌投資,典型系統(tǒng)示意圖如圖9所示[24]。
此時(shí),式(2)中的淡化系統(tǒng)與用戶鏈接的成本Fu近似看作負(fù)數(shù),提高了單位成本的產(chǎn)水率[α]。由于用戶節(jié)省了滴灌系統(tǒng)的投資,從而可將更大的投資放在太陽(yáng)能淡化器上,間接減少了太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)的投資。因此,與用戶系統(tǒng)直接結(jié)合,最直觀的效果是可減少淡化至用戶的輸送成本。
3.7 其他關(guān)鍵路徑
除了以上關(guān)鍵路徑之外,采用人工智能等開展優(yōu)化研究也非常必要。比如,何謙等[25]將人工智能技術(shù)應(yīng)用到海水淡化的選址決策、參數(shù)優(yōu)化、預(yù)測(cè)和控制中,如圖10所示。其中,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法在處理多目標(biāo)非線性問題上比其他算法更為廣泛和成熟。在海水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用人工智能技術(shù),實(shí)現(xiàn)效率最大化和成本最小化的同時(shí),釋放人力資源。
4 結(jié) 論
當(dāng)前太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)面臨著系統(tǒng)成本高、效率低的問題,無法與傳統(tǒng)工業(yè)化海水淡化系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng),主要原因是系統(tǒng)中各部分嚴(yán)重分離,能量傳輸經(jīng)歷的路徑冗長(zhǎng),并且高溫太陽(yáng)能集熱技術(shù)與傳統(tǒng)海水淡化系統(tǒng)在供能體系上并不匹配。本文分析了提高太陽(yáng)能熱法海水淡化系統(tǒng)的產(chǎn)水率與減少成本之間的關(guān)系,提出低成本大規(guī)模太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)的關(guān)鍵路徑:開展聚光直接加熱,將集熱器和淡化器合二為一;采用近零熱容系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)光能與蒸發(fā)的直接轉(zhuǎn)化;能質(zhì)梯級(jí)利用,進(jìn)行多模式構(gòu)建;能量多次利用,實(shí)現(xiàn)多效過程;通過多目的系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)成本分流;與用戶直接結(jié)合,實(shí)現(xiàn)成本減負(fù)。本文研究為太陽(yáng)能熱法海水淡化系統(tǒng)效率提高和成本降低提供了參考。
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CRITICAL PATH FOR DEVELOPMENT OF SOLAR THERMAL
SEAWATER DESALINATION
Kong Hui,Yang Jinrui,Chen Jing,Ma Xinglong,Zheng Hongfei
(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)
Abstract:Aiming at the problems of high cost and low efficiency faced by traditional solar seawater desalination, this study points out that the main influencing factors are the serious separation of various components in seawater desalination systems, the lengthy energy transmission path, and the mismatch between high-temperature solar heat collection technology and seawater desalination systems. By exploring the relationship between the cost of solar thermal seawater desalination and concentrating efficiency, water production rate, thermal performance coefficient ηGOR and other factors, it is pointed out that solar concentrating direct heating, near zero heat capacity evaporation, cascade utilization of energy quality, multiple utilization of energy, multipurpose system and direct combination with users are the key paths to realize the low-cost and large-scale application of solar seawater desalination technology.
Keywords:solar energy; desalination; efficiency; cost; route; multi-mode; thermal performance coefficient