太阳能海水淡化技术发展与研究
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摘要：本文总结了不同形式的可再生能源海水淡化方法，侧重太阳能海水淡化方法及性能，对太阳能海水淡化技术研究进展进行了概括。对小容量的太阳能海水淡化工程，太阳能增湿去湿和太阳能蒸馏器是最好的选择；太阳能驱动的多效蒸发对大容量太阳能海水淡化工程是最好的选择。不同太阳能海水淡化系统的制水成本受很多因素影响变化很大。最后，本文指出了降低太阳能海水淡化系统制水成本的方向。
关键词：新能源;太阳能;海水淡化;制水成本
Abstract: This paper summarizes the different forms of renewable energy seawater desalination method, focusing on solar seawater desalination method and performance, to advances in the technology of solar desalination are summarized. Solar seawater of small capacity desalination, solar humidification dehumidification and solar still is the best choice; multi-effect evaporation desalination solar driven on large capacity solar water project is the best choice. Seawater of different solar desalination cost of water preparation system of great change is influenced by many factors. Finally, this paper points out that the decrease of solar desalination system of water cost direction.
Keywords: new energy; solar energy; seawater desalination; the cost of water preparation
中图分类号：TK511 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
0 介绍
所有伟大文明发祥地都靠近河流，证明了淡水资源对人类的不可或缺。如今社会经济的发展，需要更多的淡水，而淡水资源匮乏且分布不均与水体污染同时存在。毋庸置疑，海水淡化技术是一个很好的解决办法。多级闪蒸（MSF），多效蒸发（MED），反渗透（RO），蒸汽压缩（VC），电渗析（ED）等传统海水淡化技术已经成熟，并解决了全球范围内一亿多人的饮用水问题。据估计，一个装机容量1.3×107m3/d的海水淡化厂，消耗原油为1.3×108t/年。但能源消费的强劲增长与能源、环境可持续发展要求消耗化石燃料的传统海水淡化技术必须有新的进展。
可再生能源海水淡化技术受到青睐应运而生，图0-1和0-2示出了2003年可再生能源海水淡化各新能源比重和不同海水淡化技术与可再生能源结合情况，图0-3和图0-4示出了2005年份此情况的变化[1] [2]。
图0-1 2003年可再生能源海水淡化图0-2 2005年不同海水淡化技
各新能源比重 术与可再生能源结合情况
图0-3 2005年可再生能源海水淡化图0-4 2005年不同海水淡化技
各新能源比重术与可再生能源结合情况
可再生能源海水淡化技术的选择取决于装机容量、海水浓缩比、市政电网和可再生能源的形式等因素。太阳能是可以同时解决能源和淡水短缺的最有前途的新能源[3]。截止到2007年，太阳能海水淡化的装机容量仅是海水淡化总装机容量的0.006%[4]，可见太阳能海水淡化还有很大空间和潜力。
1 太阳能海水淡化技术
1.1太阳能海水淡化方法
根据太阳能集热模块和海水淡化模块是否集中设置，太阳能海水淡化方法分为直接、间接法两种。直接法的典型代表是太阳能蒸馏器，间接法包括太阳能多效蒸发、太阳能多级闪蒸、太阳能反渗透、太阳能增湿去湿，太阳能驱动机械压缩，太阳能吸附等。
根据驱动太阳能海水淡化的能源是否全部来自太阳能，太阳能海水淡化方法可以分为全太阳能海水淡化和部分太阳能海水淡化两种。Soteris[5]指出，由于太阳能集热系统的昂贵和太阳能夜间不复存在，仅仅使用太阳能来淡化海水是不经济的。Glueckstern[6]分别分析并对比了20000m3/d的全太阳能海水淡化系统和200000m3/d的部分太阳能海水淡化系统，只有在土地成本很低和高电价条件下，全太阳能海水淡化比部分太阳能海水淡化更有竞争力。
1.2 太阳能海水淡化技术进展
太阳能可以转化成热能或者电能，=可以与几乎所有淡化技术组合来淡化海水。不同的太阳能海水淡化技术根据地理位置、容量等因素有各自的优点，世界各地的学者都在研究太阳能海水淡化技术：
Ali[7]和Tzen[1]都认为最有前途的太阳能海水淡化方法是太阳能光伏电渗析和反渗透、太阳能热多效蒸发和多级闪蒸。Sagie[8]比较了太阳能多效蒸发和化石燃料反渗透驱动的装机容量为100000 m3/d海水淡化厂，只有电力成本高于$0.071kWh-1时，太阳能多效蒸发的制水成本才会低于化石燃料驱动的反渗透制水成本，可见太阳能多效蒸发是优势。
Glueckstern[6]提出一个综合考虑地域、技术和经济参数的评价大型太阳能海水淡化系统制水成本的方法，并用此方法对比分析了太阳池多效蒸发驱动的20000m3/d淡化系统和太阳能多效蒸发和市政电力反渗透混合驱动的200000m3/d的淡化系统，并认为有合适的地理条件存在时，太阳池淡化系统经济且更具潜力；
Hoffman[9]对四种太阳能海水淡化技术组合（太阳能热发电低温多效蒸发，太阳池低温多效蒸发，中温抛物面集热器热力压缩器和太阳能热发电反渗透）驱动的100000m3/d太阳能海水淡化系统进行了理论研究和制水成本比较。他的研究表明，随利率、太阳池成本和造水比等变化，制水成本本约为0.67-1.44$/m3。其中，太阳池与低温多效蒸发组合是唯一不需要储热设备且制水成本最廉价，为0.67$/m3；
有研究人员[5][10]也认为多效蒸发能耗最低、最廉价且海水前处理最简单，是间接太阳能海水淡化系统中最经济的。并指出低温多效蒸发器中，MES（塔式多效蒸发器）自身能够适应0~100%变负荷运行，而且能够适应驱动蒸汽负荷变化而不产生其他损失，是最好的低温多效蒸发器。
Said[11]认为，研究各种太阳能集热系统和传统淡化技术的组合目的是为了降低淡化的制水成本。在所有太阳能电厂和海水淡化系统的组合中，以槽型抛物面太阳能集热器为热源的热法海水淡化技术（比如MED）是最有前途的；而且当淡化容量相对较小时（大于90m3/d），太阳能增湿去湿淡化技术（Solar HD）以其低投资和低运行成本，可以取代其他太阳能淡化技术；
Zamena[12]以降低制水成本为目标，对太阳能模块和增湿去湿模块进行了数学程序优化，认为系统最优运行工况点不是产水量最大时，且太阳能增湿去湿技术非常适合偏远干旱地区，尤其适合分散式地供给淡水。
Mathioulakis[13]总结了大量的文献，玻璃盖板热损失过大导致太阳能蒸馏器效率低，但小社区如果以获得淡水为唯一目的，太阳能蒸馏器是最适合的；另外，对太阳能驱动的小容量淡化厂，太阳能增湿去湿相对其他技术来说更加高效，是最有前途的淡化技术；
Karen[14]对太阳能蒸馏进行了总结，太阳能蒸馏器易于建造和维护，在缺少电网和技术人员的地区，太阳能蒸馏器非常适合小规模淡化（一升~几十升/天）。
以上研究者所处地域不同，经济性标准和分析前提也不同，但可得出这样的结论：增湿去湿和太阳能蒸馏器对中小容量的太阳能海水淡化来说是最好的选择；大容量太阳能海水淡化，多效蒸发经济性更好，且如果有合适地理资源时，太阳池低温多效技术是最好的选择；在太阳能热电联供海水淡化领域，槽形抛物面集热器与多效蒸发是最好的组合。
1.3 太阳能海水淡化的制水成本
太阳能海水淡化系统中投资占比例最大，高额的投资导致制水成本居高不下。很多研究人员关注太阳能海水淡化的制水成本，表1-1列出了一些太阳能海水淡化系统的制水成本。
表1-1太阳能海水淡化系统的制水成本
从他们的研究可以看出，太阳能海水淡化系统的制水成本变动比较大，甚至难以给出一个确切的成本范围。Said[11] 、Ioannis[19]和Mohamed[20]认为，太阳能海水淡化系统制水成本计算取决于不同的淡水容量、地理位置、能源种类等条件，目前的经济性分析不能够确定各种淡化技术的可行性，这使得比较和评价各种淡化技术的经济性变的很困难。
2 降低太阳能海水淡化的制水成本
高昂的太阳能海水淡化制水成本和日益紧张的能源与环境问题，使得降低制水成本成为燃眉之急。降低制水成本的方向还是很明确的：
1）使用储热设备，提高集热系统的性能
尽量多的收集太阳能而尽量少的损失能量无疑会降低制水成本。Holst[21]建造的0.5 m3/d多级太阳能增湿去湿淡化系统，因为使用储热水箱降低制水成本50%以上。
2）太阳能海水淡化系统良好的运行与维护
Nashar[22]分析了迪拜真空管集热多效蒸发120 m3/d海水淡化厂，由于尘土积累当真空管透光率降低到0.6，淡水产量降低到40%，可见集热管的尘土对系统的性能影响很大。
3）太阳能集热系统和海水淡化系统的匹配优化
4）与化石燃料或其他能源实现联合运行[5][2]，并拉长产业链条[23]。
参考文献
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