摘要：近年來，我國的太陽能技術有了很大進展。本文分析了傳統(tǒng)太陽能海水淡化技術效率低下的原因，重點介紹利用增濕—除濕技術或膜蒸餾技術與海水淡化技術結合的新型海水淡化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可充分利用太陽能熱能實現(xiàn)能量的綜合利用;然后介紹了太陽能、風能或其他形式的能量在海水淡化過程中能量的耦合匹配問題及系統(tǒng)設計集成。

關鍵詞：海水淡化;太陽能;增濕—除濕;膜蒸餾

引言

太陽能作為一種可再生的新能源，具有清潔、環(huán)保、持續(xù)、長久等優(yōu)勢，已成為應對能源短缺、環(huán)境污染等問題的重要選擇之一，大規(guī)模采用太陽能可減少對化石燃料的使用，因此受到世界各國的廣泛關注。將太陽能應用到海水淡化系統(tǒng)中為系統(tǒng)供能進行海水淡化，是解決水資源短缺和能源危機的有效措施。

1太陽能海水淡化的分類

太陽能海水淡化主要是利用太陽能的熱能和光伏發(fā)電產生的電能進行海水淡化。在太陽能海水淡化與現(xiàn)代工業(yè)生產結合的過程中，太陽能蒸餾系統(tǒng)以其本身的優(yōu)勢條件逐漸發(fā)展為主流海水淡化系統(tǒng)，基于此Tiwari提出將太陽能蒸餾系統(tǒng)分為主動式和被動式2大類。被動式海水淡化系統(tǒng)不依靠外部附加部件，僅依靠太陽能光照時產生的熱量進行海水淡化;而主動式系統(tǒng)則是在被動式系統(tǒng)的基礎上增加輔助設備，有效地改善了系統(tǒng)內部的傳熱傳質過程，且對凝結過程中的潛熱進行回收利用，因此提升了產水量和系統(tǒng)效率。太陽能電驅動海水淡化主要指利用光伏發(fā)電原理將太陽能轉化為電能，然后用電能驅動高壓水泵壓縮海水進行反滲透來完成海水淡化。海水被高壓水泵送入到反滲透(RO)系統(tǒng)中，反滲透膜只能使淡水通過，而鹽分則會通過旁路系統(tǒng)排除，RO裝置能量回收率大于50%，脫鹽率可達到90%以上。雖然反滲透在操作方面有復雜的預處理和專業(yè)的知識，但反滲透處理的水價格更穩(wěn)定，因此在全球范圍內，反滲透項目呈逐年增長的趨勢。常規(guī)的太陽能膜法主要包括太陽能反滲透法和太陽能滲析法。常規(guī)的太陽能海水淡化系統(tǒng)主要有以下問題:(1)蒸餾過程中產生的蒸汽凝結潛熱未能得到有效利用，致使能量損失到大氣環(huán)境中;(2)常規(guī)的蒸餾裝置中循環(huán)海水量大，總熱容量大，削弱了蒸發(fā)的驅動力;(3)蒸餾系統(tǒng)中主要以自然對流為主要換熱模式，傳熱效率較低，限制了系統(tǒng)性能的提升;(4)太陽能集熱面積高，系統(tǒng)初投資太大，產水成本過高;(5)由于太陽能能量的低密度性和不穩(wěn)定影響系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運行，尤其是對系統(tǒng)產水方面的影響。

2太陽能海水淡化新技術

2.1太陽能增濕—除濕海水淡化

典型的太陽能增濕—除濕系統(tǒng)包括4個主要過程:太陽能集熱過程、海水加熱過程、淡水析出過程和空氣循環(huán)過程。按照太陽能供熱方式的不同一般可分為3類:加熱海水型、加熱空氣型和混合型，加熱海水型是目前多數(shù)系統(tǒng)采用的主要方式。首先進料海水經冷凝器進入太陽能集熱系統(tǒng)吸收太陽能被加熱后蒸發(fā)，汽化后的海水接著被送入加濕器噴淋加濕空氣，濃鹽水從后端排出。加濕除濕過程中，空氣在密閉腔體內循環(huán)。在冷凝器中，空氣冷凝去濕產生淡水收集到淡水箱;然后空氣再進入加濕器中增濕加熱后返回冷氣器，進入循環(huán)過程。與傳統(tǒng)的蒸餾方法相比，太陽能增濕—除濕技術具有裝置投資小，操作壓力多為常壓;操作溫度在70～90℃，容易利用太陽能集熱獲取;汽化過程溫和，設備結垢小，產水品質高等優(yōu)點。

2.2太陽能膜蒸餾海水淡化

目前太陽能膜蒸餾系統(tǒng)主要分為2種形式，一種是通過太陽能直接加熱海水再送入膜蒸餾組件中進行汽液分離，將通過膜組件的蒸汽冷凝為淡水收集起來的直接加熱型系統(tǒng);另一種采用中間換熱介質，先用太陽能加熱中間換熱介質，再將換熱介質與進料海水換熱，加熱后的海水再進行海水淡化，這類系統(tǒng)被稱為間接加熱型系統(tǒng)。太陽能膜蒸餾系統(tǒng)通常主要包括太陽能集熱器、膜組件、冷凝器和其他輔助設備，間接加熱型系統(tǒng)還需要海水加熱器和中間換熱介質。

2.3多能耦合海水淡化

2.3.1太陽能—風能耦合的海水淡化技術

太陽能與風能耦合集成可彌補太陽能夜間無法獲取的弊端。目前，風能與太陽能耦合用于海水淡化的主要方式有2種:一種是風能與太陽能互補發(fā)電，充分利用風電與光伏的發(fā)電優(yōu)勢，彌補兩者的不足，通過電能驅動反滲透進行海水淡化，常規(guī)風光互補反滲透如圖4所示;另一種是以太陽為熱源供熱加熱海水，用風能發(fā)電為系統(tǒng)提供電能，節(jié)省“太陽能—電能—熱能”的轉化過程，提高能量利用率。

2.3.2太陽能與其他形式新能源的耦合集成

海洋通過各種物理過程接收、儲存和散發(fā)能量，這種依附于海洋中的可再生能源稱為海洋能。利用海洋能進行海水淡化的主要形式有:潮汐能、波浪能、海流能、溫差能等。海水淡化的主要方式仍以熱法和膜法為主，通過轉化潮汐能、波浪能、海流能等產生機械能，再通過機械能驅動RO系統(tǒng)生產淡水;或者將溫差能轉化為熱能進行蒸餾或閃蒸。

3太陽能海水淡化技術發(fā)展展望

(1)建立大型太陽能海水淡化工程，提高系統(tǒng)效率，降低淡水成本，以滿足一定規(guī)?；鞘腥丝谒Y源的供求。(2)發(fā)展分布式太陽能海水淡化技術，通過政府補貼等方式為家庭安裝同時供給淡水和電能的太陽能海水淡化裝置，實現(xiàn)單位用戶水電資源的自給自足。(3)在太陽能利用過程中，主要是采用光伏發(fā)電和光熱供熱的方式，為避免能量的損失和浪費，進一步發(fā)展蓄電儲能和蓄熱儲能技術以實現(xiàn)太陽能的高效利用和設備的利用率，同時可提高熱電系統(tǒng)的可靠性和經濟性。(4)利用計算機全程監(jiān)控太陽能海水淡化系統(tǒng)，簡化系統(tǒng)的操控，實現(xiàn)系統(tǒng)的高效、精準、自動化運行。

結語

綜上所述，未來幾年太陽能蒸餾制水仍然是占主導地位，但滲析法的節(jié)能高效的特點決定著利用透過性膜來制取淡水是行業(yè)未來發(fā)展的趨勢；將太陽能與常規(guī)海水淡化結合，借助先進制造工藝與強化傳熱傳質技術，制水效果比較理想；太陽能收集器是系統(tǒng)的能量輸入口，要根據(jù)實際情況選擇并準確安裝才能達到效率與成本的雙平衡。