摘要：本文總結(jié)了不同形式的可再生能源海水淡化方法，側(cè)重太陽能海水淡化方法及性能，對(duì)太陽能海水淡化技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行了概括。對(duì)小容量的太陽能海水淡化工程，太陽能增濕去濕和太陽能蒸餾器是最好的選擇;太陽能驅(qū)動(dòng)的多效蒸發(fā)對(duì)大容量太陽能海水淡化工程是最好的選擇。不同太陽能海水淡化系統(tǒng)的制水成本受很多因素影響變化很大。最后，本文指出了降低太陽能海水淡化系統(tǒng)制水成本的方向。

　　關(guān)鍵詞：高新科技職稱論文發(fā)表,新能源,太陽能,海水淡化,制水成本

　　0 介紹

　　所有偉大文明發(fā)祥地都靠近河流，證明了淡水資源對(duì)人類的不可或缺。如今社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需要更多的淡水，而淡水資源匱乏且分布不均與水體污染同時(shí)存在。毋庸置疑，海水淡化技術(shù)是一個(gè)很好的解決辦法。多級(jí)閃蒸(MSF)，多效蒸發(fā)(MED)，反滲透(RO)，蒸汽壓縮(VC)，電滲析(ED)等傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)已經(jīng)成熟，并解決了全球范圍內(nèi)一億多人的飲用水問題。據(jù)估計(jì)，一個(gè)裝機(jī)容量1.3×107m3/d的海水淡化廠，消耗原油為1.3×108t/年。但能源消費(fèi)的強(qiáng)勁增長與能源、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展要求消耗化石燃料的傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)必須有新的進(jìn)展。

　　可再生能源海水淡化技術(shù)受到青睞應(yīng)運(yùn)而生，圖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術(shù)與可再生能源結(jié)合情況，圖0-3和圖0-4示出了2005年份此情況的變化[1] [2]。

　　圖0-1 2003年可再生能源海水淡化各新能源比重

　　圖0-2 2005年不同海水淡化技術(shù)與可再生能源結(jié)合情況

　　圖0-3 2005年可再生能源海水淡化各新能源比重

　　圖0-4 2005年不同海水淡化技術(shù)與可再生能源結(jié)合情況

　　可再生能源海水淡化技術(shù)的選擇取決于裝機(jī)容量、海水濃縮比、市政電網(wǎng)和可再生能源的形式等因素。太陽能是可以同時(shí)解決能源和淡水短缺的最有前途的新能源[3]。截止到2007年，太陽能海水淡化的裝機(jī)容量僅是海水淡化總裝機(jī)容量的0.006%[4]，可見太陽能海水淡化還有很大空間和潛力。

　　1 太陽能海水淡化技術(shù)

　　1.1太陽能海水淡化方法

　　根據(jù)太陽能集熱模塊和海水淡化模塊是否集中設(shè)置，太陽能海水淡化方法分為直接、間接法兩種。直接法的典型代表是太陽能蒸餾器，間接法包括太陽能多效蒸發(fā)、太陽能多級(jí)閃蒸、太陽能反滲透、太陽能增濕去濕，太陽能驅(qū)動(dòng)機(jī)械壓縮，太陽能吸附等。

　　根據(jù)驅(qū)動(dòng)太陽能海水淡化的能源是否全部來自太陽能，太陽能海水淡化方法可以分為全太陽能海水淡化和部分太陽能海水淡化兩種。Soteris[5]指出，由于太陽能集熱系統(tǒng)的昂貴和太陽能夜間不復(fù)存在，僅僅使用太陽能來淡化海水是不經(jīng)濟(jì)的。Glueckstern[6]分別分析并對(duì)比了20000m3/d的全太陽能海水淡化系統(tǒng)和200000m3/d的部分太陽能海水淡化系統(tǒng)，只有在土地成本很低和高電價(jià)條件下，全太陽能海水淡化比部分太陽能海水淡化更有競爭力。

　　1.2 太陽能海水淡化技術(shù)進(jìn)展

　　太陽能可以轉(zhuǎn)化成熱能或者電能，=可以與幾乎所有淡化技術(shù)組合來淡化海水。不同的太陽能海水淡化技術(shù)根據(jù)地理位置、容量等因素有各自的優(yōu)點(diǎn)，世界各地的學(xué)者都在研究太陽能海水淡化技術(shù)：

　　Ali[7]和Tzen[1]都認(rèn)為最有前途的太陽能海水淡化方法是太陽能光伏電滲析和反滲透、太陽能熱多效蒸發(fā)和多級(jí)閃蒸。Sagie[8]比較了太陽能多效蒸發(fā)和化石燃料反滲透驅(qū)動(dòng)的裝機(jī)容量為100000 m3/d海水淡化廠，只有電力成本高于$0.071kWh-1時(shí)，太陽能多效蒸發(fā)的制水成本才會(huì)低于化石燃料驅(qū)動(dòng)的反滲透制水成本，可見太陽能多效蒸發(fā)是優(yōu)勢。

　　Glueckstern[6]提出一個(gè)綜合考慮地域、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)的評(píng)價(jià)大型太陽能海水淡化系統(tǒng)制水成本的方法，并用此方法對(duì)比分析了太陽池多效蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的20000m3/d淡化系統(tǒng)和太陽能多效蒸發(fā)和市政電力反滲透混合驅(qū)動(dòng)的200000m3/d的淡化系統(tǒng)，并認(rèn)為有合適的地理?xiàng)l件存在時(shí)，太陽池淡化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)且更具潛力;

　　Hoffman[9]對(duì)四種太陽能海水淡化技術(shù)組合(太陽能熱發(fā)電低溫多效蒸發(fā)，太陽池低溫多效蒸發(fā)，中溫拋物面集熱器熱力壓縮器和太陽能熱發(fā)電反滲透)驅(qū)動(dòng)的100000m3/d太陽能海水淡化系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究和制水成本比較。他的研究表明，隨利率、太陽池成本和造水比等變化，制水成本本約為0.67-1.44$/m3。其中，太陽池與低溫多效蒸發(fā)組合是唯一不需要儲(chǔ)熱設(shè)備且制水成本最廉價(jià)，為0.67$/m3;

　　有研究人員[5][10]也認(rèn)為多效蒸發(fā)能耗最低、最廉價(jià)且海水前處理最簡單，是間接太陽能海水淡化系統(tǒng)中最經(jīng)濟(jì)的。并指出低溫多效蒸發(fā)器中，MES(塔式多效蒸發(fā)器)自身能夠適應(yīng)0~100%變負(fù)荷運(yùn)行，而且能夠適應(yīng)驅(qū)動(dòng)蒸汽負(fù)荷變化而不產(chǎn)生其他損失，是最好的低溫多效蒸發(fā)器。

　　Said[11]認(rèn)為，研究各種太陽能集熱系統(tǒng)和傳統(tǒng)淡化技術(shù)的組合目的是為了降低淡化的制水成本。在所有太陽能電廠和海水淡化系統(tǒng)的組合中，以槽型拋物面太陽能集熱器為熱源的熱法海水淡化技術(shù)(比如MED)是最有前途的;而且當(dāng)?shù)�化容量相�?duì)較小時(shí)(大于90m3/d)，太陽能增濕去濕淡化技術(shù)(Solar HD)以其低投資和低運(yùn)行成本，可以取代其他太陽能淡化技術(shù);

　　Zamena[12]以降低制水成本為目標(biāo)，對(duì)太陽能模塊和增濕去濕模塊進(jìn)行了數(shù)學(xué)程序優(yōu)化，認(rèn)為系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行工況點(diǎn)不是產(chǎn)水量最大時(shí)，且太陽能增濕去濕技術(shù)非常適合偏遠(yuǎn)干旱地區(qū)，尤其適合分散式地供給淡水。

　　Mathioulakis[13]總結(jié)了大量的文獻(xiàn)，玻璃蓋板熱損失過大導(dǎo)致太陽能蒸餾器效率低，但小社區(qū)如果以獲得淡水為唯一目的，太陽能蒸餾器是最適合的;另外，對(duì)太陽能驅(qū)動(dòng)的小容量淡化廠，太陽能增濕去濕相對(duì)其他技術(shù)來說更加高效，是最有前途的淡化技術(shù);

　　Karen[14]對(duì)太陽能蒸餾進(jìn)行了總結(jié)，太陽能蒸餾器易于建造和維護(hù)，在缺少電網(wǎng)和技術(shù)人員的地區(qū)，太陽能蒸餾器非常適合小規(guī)模淡化(一升~幾十升/天)。

　　以上研究者所處地域不同，經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)和分析前提也不同，但可得出這樣的結(jié)論：增濕去濕和太陽能蒸餾器對(duì)中小容量的太陽能海水淡化來說是最好的選擇;大容量太陽能海水淡化，多效蒸發(fā)經(jīng)濟(jì)性更好，且如果有合適地理資源時(shí)，太陽池低溫多效技術(shù)是最好的選擇;在太陽能熱電聯(lián)供海水淡化領(lǐng)域，槽形拋物面集熱器與多效蒸發(fā)是最好的組合。

　　1.3 太陽能海水淡化的制水成本

　　太陽能海水淡化系統(tǒng)中投資占比例最大，高額的投資導(dǎo)致制水成本居高不下。很多研究人員關(guān)注太陽能海水淡化的制水成本，表1-1列出了一些太陽能海水淡化系統(tǒng)的制水成本。

　　表1-1 太陽能海水淡化系統(tǒng)的制水成本

　　類型成本(/m3)特性描述文獻(xiàn)

　　多級(jí)太陽能蒸餾器$50容量7m3/d，考慮管道安裝，泵功，控制設(shè)備，操作維護(hù)等費(fèi)用[15]

　　太陽能蒸餾器$13.5~23017種太陽能蒸餾器，淡水成本最低和最高分別是金字塔形蒸餾器、自動(dòng)跟蹤太陽型蒸餾器[16]

　　SP+LT-MED(太陽池+低溫多效蒸發(fā))$0.52~1.59容量大于100000m3/d[9]

　　PTC+MED(槽型拋物面+多效蒸發(fā))$2裝機(jī)容量大于72m3/d，利用吸收式熱泵[17]

　　PTC+MED/熱泵€2.36, €3.3西班牙運(yùn)行的PSA海水淡化廠，容量72 m3/d，成本分別對(duì)應(yīng)有和無熱泵聯(lián)合運(yùn)行[18]

　　從他們的研究可以看出，太陽能海水淡化系統(tǒng)的制水成本變動(dòng)比較大，甚至難以給出一個(gè)確切的成本范圍。Said[11] 、Ioannis[19]和Mohamed[20]認(rèn)為，太陽能海水淡化系統(tǒng)制水成本計(jì)算取決于不同的淡水容量、地理位置、能源種類等條件，目前的經(jīng)濟(jì)性分析不能夠確定各種淡化技術(shù)的可行性，這使得比較和評(píng)價(jià)各種淡化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性變的很困難。

　　2 降低太陽能海水淡化的制水成本

　　高昂的太陽能海水淡化制水成本和日益緊張的能源與環(huán)境問題，使得降低制水成本成為燃眉之急。降低制水成本的方向還是很明確的：

　　1)使用儲(chǔ)熱設(shè)備，提高集熱系統(tǒng)的性能

　　盡量多的收集太陽能而盡量少的損失能量無疑會(huì)降低制水成本。Holst[21]建造的0.5 m3/d多級(jí)太陽能增濕去濕淡化系統(tǒng)，因?yàn)槭褂脙?chǔ)熱水箱降低制水成本50%以上。

　　2)太陽能海水淡化系統(tǒng)良好的運(yùn)行與維護(hù)

　　Nashar[22]分析了迪拜真空管集熱多效蒸發(fā)120 m3/d海水淡化廠，由于塵土積累當(dāng)真空管透光率降低到0.6，淡水產(chǎn)量降低到40%，可見集熱管的塵土對(duì)系統(tǒng)的性能影響很大。

　　3)太陽能集熱系統(tǒng)和海水淡化系統(tǒng)的匹配優(yōu)化

　　4)與化石燃料或其他能源實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)行[5][2]，并拉長產(chǎn)業(yè)鏈條[23]。

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