太阳能海水淡化技术研究进展

摘要：淡水资源短缺已成为一个世界性问题，太阳能海水淡化技术是有效解决淡水危机的根本措施之一。对多种太阳能海水淡化技术的困境和发展进行了综述，简述了近年开发的太阳能海水淡化的新系统，分析其原因，指出与常规海水淡化技术结合是未来太阳能海水淡化技术的发展方向，前景广阔。

Abstract： The shortage of freshwater resources has become a worldwide problem； solar seawater desalination technology is one of new approaches to settle the water supply crisis. The dilemma and development of conventional solar seawater desalination are described， the recently new solar seawater desalination technologies are provided， the reasons are analyzed， the reality that solar energy combined with traditional seawater desalination is solar desalination developing trend and possesses bright future is pointed out.

关键词： 海水淡化；太阳能；进展

Key words： seawater desalination；solar energy；advance

中图分类号：TK51 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）06-0301-02

0 引言

淡水是人类赖以生存和发展的基本物质之一。目前，全世界大约三分之一的人口生活在缺水地区。到2025年，这个数字将会增加到三分之二。虽然地球表面四分之三的面积是被水所覆盖，其中97.3%的水是不能饮用的海水，其余2.7%的水为淡水，淡水中90%分布在地球两极的冰川里，可供人类生产生活的用水仅剩下0.27%。

目前一些解决淡水资源短缺的有效措施只能改善对现有淡水的使用，并没有使淡水资源增加，唯一增加淡水资源的方法就是对海水进行淡化处理。过去的几十年，海水淡化技术得到了很大的发展，其中多效蒸馏法、反渗透法和多级闪蒸法在工程上都有较大规模的应用[1]。然而传统的海水淡化技术投资高，能源消耗大，所消耗能量主要来自石油和煤炭等化石燃料，在此过程中又造成了新的污染。太阳能是一种分布广、储量多的可再生能源，将太阳能技术与传统海水淡化技术相结合，将成为21世纪解决水资源紧缺的有效措施。

1 太阳能海水淡化系统的分类

太阳能海水淡化主要借助太阳所产生的热能或电力，使具有一定浓度的海水重新组合。其分类如下：

一是利用太阳所产生的热能驱动海水发生相变并进行分离，对分离的水蒸汽进行冷凝，产生淡水。此种方法又可以分为直接法和间接法：直接法是在太阳能集热器中将收集到的热能用于海水淡化；间接法是将太阳能集热器与海水淡化系统分开，海水吸收热量蒸发，蒸汽在海水淡化系统中生成淡水。太阳能蒸馏系统还可以分为主动式和被动式两类，主动式太阳能蒸馏系统是通过外部太阳能集热系统将热能输入到系统中提高蒸馏器的蒸发作用。如果没有外部热能输入的则为被动式太阳能蒸馏系统。主动式太阳能蒸馏系统可以使用聚光集热装置，使得运行温度得到提高，在海水淡化系统中蒸汽的汽化潜热得到了利用、回热装置的使用和传热传质的强化使得系统整体效率得到了提升，是目前太阳能海水淡化技术研究的重点方向。被动式海水蒸馏系统早在1872年由瑞典工程师Wilson在智利北部建造使用，晴天每天可产淡水23吨。

二是利用太阳能产生的直流电场使海水中的离子定向迁移，通过离子交换膜实现溶质和溶剂的分离，达到海水淡化的目的。也可以利用太阳能独立光伏发电系统或并网光伏发电系统产生的电力驱动高压泵，利用反渗析原理实现海水淡化的目的。

2 传统太阳能海水淡化系统的研究

传统太阳能海水淡化系统又称为被动式太阳能海水淡化系统，装置中不存在任何利用电能驱动的动力单元，也不存在利用附加的太阳能集热器等部件进行主动加热的太阳能海水淡化装置。这类系统设计简单、综合成本较低、不需要专业维护人员维护，但也存在单位采光面积产水量较低的缺点，这主要是由于：

①装置中海水的总热容量太大，减缓了装置中海水温度的增加速率，减少了装置出水时间和出水量；

②水蒸汽的凝结潜热未被利用，这部分热量还使得盖板温度升高，减小了与海水的温差，减弱了凝结速度；

③系统中采用自然对流换热形式，没有太高的传热传质效率，限制了系统的总体效能。

张小艳等[2]对多级迭盘式太阳能蒸馏器进行了实验研究，利用多级迭盘结构对凝结潜热进行重复利用，强化冷凝效果，通过比较单级、两级、三级的单位能耗产水率，发现在较高温度段（>70℃）运行时，性能更理想。V. Velmurugan[3]等在传统太阳能海水蒸馏盘中安装肋片，使得吸收太阳能的有效面积增大，加快了海水温升的速度，提高了系统的产水率，经过理论和实验对比研究，发现安装肋片后的系统产水率增加了45.5%。A.E. Kabeel[4]将太阳能蒸馏器底盘设计成半球形，在半球形底盘内铺设涂成黑色的棉质材料，利用毛细效应尽可能减少盘内海水容量，减小海水热惰性，增加了海水蒸发的有效面积，并将玻璃盖板设计成金字塔形，由四面倾角为45°的玻璃盖板组成，增大了海水吸收的光能，避免了太阳移动造成的阴影对海水蒸馏器的不利影响。经过实验研究，发现系统在晴天的平均产水率为4.1L/m2，系统最大瞬时效率为45%。

3 太阳能与传统海水淡化技术相结合的研究

与传统的海水淡化技术相结合，是太阳能海水淡化技术的研究重点。传统的海水淡化技术，有着成熟的设计方案、工程经验。在传统海水淡化系统中配备太阳能系统及其他附属装置，对内部的传热传质过程进行强化，对系统在蒸汽凝结过程中释放的潜热进行回收，因而这类系统的产水量比传统太阳能蒸馏系统要高数倍。目前，太阳能与海水淡化技术结合需要考虑以下几个方面：

①太阳能的能量不稳定性对传统海水淡化系统的影响，尤其是对造水比的影响；

②是否需要对海水进行预处理；

③发展利于太阳能技术与海水淡化装置耦合的储能装置，降低淡化水成本。

目前世界上海水淡化方法中最具有技术优势和商业竞争力的是多级闪蒸法、多效蒸馏法和反渗透法，它们代表了不同的淡化理念和淡化思路，下文将分别从多级闪蒸和多效蒸馏两个方面来阐述太阳能与海水淡化方法的结合以及研究进展。

3.1 太阳能多级闪蒸海水淡化技术 多级闪蒸海水淡化技术是海湾地区国家普遍使用的一种淡化技术。中等规模太阳能多级闪蒸海水淡化系统最近才开始投入使用。多级闪蒸海水技术具有运行特性简单和易于规模控制等优点，但该技术存在的缺点是要求负荷稳定，需要对各级压力进行精确控制，而且各级之间的正常运行有一定时间差。鉴于太阳能集热具有不稳定性，有些学者就认为传统多级闪蒸海水淡化技术很难适应太阳能作为热源的不稳定条件，一些学者为了改进系统提出了要对进料海水温度进行调节，避免太阳能的波动给系统带来的不利影响。Atlantis公司的“自动闪蒸”系统成功将多级海水淡化系统与多变热源相结合，系统中安装级内被动压力调节系统，不使用任何机械或电子控制单元就能解决太阳能与多级闪蒸海水淡化系统的匹配问题，并能在30℃～90℃范围内工作。

3.2 太阳能多效蒸发海水淡化技术 与多级闪蒸海水淡化技术相比，多效蒸发海水淡化技术具有更多适合与太阳能结合的优点：①多效蒸发海水淡化技术对进料海水温度要求不高，可以利用低温热源（65℃～70℃的蒸汽或水），工作过程不需要大量海水循环利用，因而所需的动力设备较少[5]；②设备腐蚀情况要好于太阳能多级闪蒸海水淡化系统，节省了使用大量化学除垢剂费用；③多效海水淡化技术的性能系数与效率之间对应关系比较严格。所以多效蒸发海水淡化技术最适合与太阳能技术相结合。

早在1984年，阿布扎比建造的一座太阳能平板集热器供热多效蒸发海水淡化系统，装置造水比是12.4。但是由于太阳能集热系统效率低，影响了太阳能多效蒸馏海水淡化系统的大规模工程化应用，开展这方面的研究就成为国内外学者关注的热点。Jimmy Leblanc设计安装了一台3效太阳能多效蒸馏海水淡化装置，装置热量由盐度梯度太阳集热池来提供，系统第一效蒸汽温度稳定保持在68℃，日产水量在2300L左右。刘业凤等[6]根据潮汐能和太阳能特点，结合多效蒸发海水淡化技术，提出了一种新型太阳能多效蒸发海水淡化装置，利用太阳能集热器来提供热能，潮汐能代替水泵和真空泵来提供动力，大量降低系统电力消耗。

4 结语与展望

海水淡化技术是一项能源密集的高新科技，是解决淡水短缺的最有效途径。太阳能是清洁友好的可再生能源。因此，将太阳能利用技术与海水淡化技术有机结合将是海水淡化发展的一个热点。但在发展中应避免形成以能源换水源→加重能源紧缺和环境污染（尤其是水质污染）→水源更加紧缺的恶性循环[7]。将太阳能海水淡化系统运行过程真正优化为大自然水循环过程，成为最经济环保的生态新技术。

为了降低太阳能海水淡化成本，提高装置效率，改善技术耦合性。应从以下几个方面开展工作：

①研发新型海水淡化材料和太阳能收集系统，改进现有系统来提高效率和降低成本；

②发展新的海水淡化技术，在探索新技术过程中，将多种海水淡化技术进行耦合和集成。

参考文献：

[1]Akili D. Khawaji， Ibrahim K. Kutubkhananh， Jong Mihn Wie. Advances in Seawater Desalination Technologies[J]. Desalination， 2008， 221：47-56.

[2]张小艳，郑宏飞，张联英. 多级迭盘式太阳能蒸馏器的实验研究[J].水处理技术，2003，29（8）：233-235.

[3]V. Velmurugan， M. Gopalakrishnan， R. Raghu et al. Single basin solar still with fin for enhancing productivity [J].Energy Conversion and Management. 2008， 49：2602-2608.

[4]A. E. Kabeel. Performance of solar still with a concave wick evaporation surface [J]. Energy， 2009， 34：1504-1509.

[5]M.A. Sharaf， A.S.Nafey， Lourdes. Exergy and thermo-economic analyses of a combined solar organic cycle with multi effect distillation （MED） desalination process [J]. Desalination， 2011， 272：135-147.

[6]刘业凤， 赵奎文. 潮汐能太阳能多效蒸馏海水淡化装置的研究[J].太阳能学报，2009，30（3）：311-314.

[7]张耀明，邹宁宇. 海水淡化与太阳能利用[J]. 中国工程科学，2005，7（11）：38.

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