离网型风光互补膜法海水淡化系统的优化设计

摘要

近年来，世界各国为利用海洋资源，加快了沿海岛屿的开发进程。由于所开发的岛屿大都远离大陆，缺乏市电及淡水供应，现在大多采用船舶运送淡水或通过柴油机发电进行海水淡化来获得淡水，这不仅增加开发成本且污染岛屿环境。随着风能和太阳能等发电技术的日益成熟，利用可再生能源为海水淡化设备提供绿色电力，可解决偏远岛屿的淡水供应问题。
　　目前国内外许多科研机构正开展风能、太阳能与海水淡化相结合的研究，以期获得绿色电力和淡水供应的双重收益。由于风能和太阳能发电波动较大，通常将风能和太阳能所发的电量先储存到蓄电池内，再通过蓄电池为膜法海水淡化装置提供电力。由于膜法海水淡化装置功率较大，需配置大容量蓄电池组，这不仅增加了系统投资成本，且大容量蓄电池组充放电过程会产生大量的电力损耗，导致离网型风光互补膜法海水淡化系统效率低。
　　本文介绍水平式风力发电机和垂直式风力发电机的结构特点及其主要技术参数、太阳能光伏发电站的设计要点，为离网型风光互补膜法海水淡化系统供电模块的设计提供依据；阐述膜法海水淡化的工艺流程，分析膜法海水淡化装置各关键部件的技术参数，为膜法海水淡化装置的设计奠定基础。
　　根据厦门地区海水水质、风力和太阳能资源情况，对1t/d膜法海水淡化装置的预处理模块、高压泵、反渗透膜组件、后处理模块进行配置设计；分析1t/d膜法海水淡化装置的能耗，设计太阳能光伏发电模块和风力发电模块的容量；研制一款电力缓冲均衡控制器，实时监测发电装置的功率并调配小容量蓄电池的充放电，通过风光互补发电和小容量蓄电池供电，解决风光互补供电模块的电力波动问题，确保膜法海水淡化装置恒功率稳定运行。
　　搭建了1t/d风光互补膜法海水淡化系统测试平台，在不同气候条件下测试系统发电单元、电力缓冲均衡控制器、海水淡化装置的性能。经实验可知：通过电力缓冲均衡控制器可有效解决风光互补发电的电力波动，确保膜法海水淡化装置在各种气候条件下安全稳定运行，且减少了小容量蓄电池充放电次数；由于气候变化频繁，系统运行的时间无法固定，通过人工监控系统运行操作复杂；在未对膜法海水淡化的高压浓海水进行能量回收的情况下，系统产淡水的能耗较大。
　　本文针对实验过程中暴露的人工操控复杂的现状，根据膜法海水淡化工艺流程，对风光互补海水淡化系统测试平台进行自动化改造，实现了系统全自动运行；针对系统产淡水能耗大，对所排放的高压浓海水进行能量回收计算，提出在中型风光互补海水淡化系统中增加能量回收装置，有效降低产淡水的单位能耗。