风能和太阳能联合驱动的小型苦咸水淡化系统研究

摘要

淡水资源是极其重要的生命资源，但是目前世界上将近四分之一人口还面临着淡水供给不足，在我国的西北各省区缺水问题尤为突出。
　　 苦咸水淡化虽然是解决人类缺水的有效方法，但是传统的苦咸水淡化技术，都需要消耗大量化石能源与电力，是典型的以不可再生能源换取水源的技术方法。而且，大部分淡水紧缺的地区都是能源资源相对缺乏的偏远地区以及海岛地区，交通、电力十分不便，淡水资源的获取不能以消耗不可再生的能源为代价。结合我国西北地区能源分布状况和能源利用现状，本文提出了将太阳能集热技术、风能利用和传统的苦咸水淡化系统有机结合的风能和太阳能联合驱动的苦咸水淡化系统，并建立了系统的物理模型和数学模型；依据系统设计目标，对系统进行了选型设计计算；基于热力学第一定律和热力学第二定律建立了系统的热力学模型，并对系统进行能分析和火用分析，随后，对系统的经济性能和生态效益进行评价。
　　 本课题的主要研究内容和成果如下：
　　 1、以横管降膜蒸发技术原理为基础，结合我国西北地区能源分布状况和能源利用现状，提出将太阳能集热技术、风能利用和传统苦咸水淡化系统有机结合的风能和太阳能联合驱动的苦咸水淡化系统装置的设计方案，并建立了系统的蒸发器、冷凝器和太阳能集热器的数学模型。
　　 2、依据系统的设计目标，在物理模型和数学模型基础之上，对太阳能苦咸水淡化系统的各个部件进行了设计选型计算。
　　 3、设定了日产水量、单位淡水热耗率、系统性能系数(COP)、火用效率和热力学完善度等系统性能评价指标，建立了基于热力学第一定律和热力学第二定律的热力学模型，对系统进行了热力性能分析，得到了太阳能辐射量对系统淡水产量、单位淡水热耗率等指标的影响，及系统及各部件的火用效率。
　　 研究表明：本文所设计系统在兰州地区太阳辐照条件下，1月至12月都可以有连续的淡水产出，日淡水产量和日辐照强度的变化趋势基本一致；在太阳辐射比较好的5、6、7和8月四个月，系统的产水率虽然非常高，产水率最高可达到2.0kg/m2.h，但浓缩比也很高。因此在这4个月份中，应适当增加苦咸水喷淋量，以减少结垢的形成，并可增加一定的淡水产量。系统大部分月份的性能系数都在0.5以上，可知系统在大部分月份都有较好的运行效果。
　　 对系统的黑箱模型火用分析显示，系统热力学完善度为34.7％，可见系统还是有很大的改进空间的；对系统的灰箱模型火用分析显示，系统的火用损失主要集中在蒸发器上，因此开发高效的蒸发器是系统效率提高的关键。
　　 3、采用动态经济分析方法对整个系统的经济性做出分析。通过计算本系统的的财务净现值NPV(i=10％)、内部收益率IRR、益本比和投资回收期这四项指标，验证本系统得经济可行性，分析结果表明四项评价指标均符合要求，动态投资回收期为4.5年，本套装置的推广可以产生良好的经济效益，具有很好的发展前景。
　　 4、对系统二氧化碳减排等生态效益进行了分析，结果表明装置具有良好的生态效益和环境友好度。
　　 本课题的创新点及意义：
　　 本课题所设计风能和太阳能联合驱动的小型苦咸水淡化系统，是一套供单户人家使用的小型、稳定、环保的，而且完全由可再生能源驱动运行的苦咸水淡化系统，这是在国内外的苦咸水淡化系统中还没有过的新的设计思想。
　　 海水和地下苦咸水在我国分部广泛；在我国的部分地区，人们的饮用水现状是喝浅井的苦咸水或是喝深井的高氟水，长期饮用严重危害人民的身体健康：向海洋等苦咸水资源索取淡水，也逐渐成为世界沿海国家的共识。本文设计的风能和太阳能联合驱动的苦咸水淡化系统，旨在结合西北地区能源分布状况及人力、财力等因素，实现由太阳能产生的低品位热能到高品质、低成本、无污染的淡水饮用水供应的提升。此外，本装置可以完全应用于这些地区的工业技术领域，且可以达到产水量稳定高效及水质优良的效果。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 苦咸水淡化技术概述

1.2.1 反渗透法(RO)

1.2.2 多级闪蒸(MSF)

1.2.3 增湿去湿(HD)

1.2.4 多效蒸馏(MED)

1.3 国内外发展及研究现状

1.3.1 苦咸水淡化发展现状

1.3.2 国内外研究现状

1.4 国内外研究发展现状总结及对本课题的启示

1.5 本课题研究的目标、内容和方法

1.5.1 研究目标

1.5.2 研究内容

1.5.3 研究意义

第2章 风能和太阳能联合驱动的小型苦咸水淡化系统

2.1 淡化技术原理

2.1.1 横管降膜蒸发

2.1.2 水蒸汽的发生过程

2.1.3 水蒸气发生过程中的能量关系

2.2 风能和太阳能联合驱动的苦咸水淡化系统物理模型

2.2.1 系统设计

2.2.2 系统优点

2.3 风能和太阳能联合驱动的苦咸水淡化系统数学模型

2.3.1 蒸发器的数学模型

2.3.2 冷凝器数学模型

2.3.3 太阳能集热器数学模型

2.4 本章小结

第3章 风能和太阳能联合驱动的小型苦咸水淡化系统装置设计

3.1 引言

3.2 冷凝器的设计选型

3.2.1 冷凝器的功率计算

3.2.2 冷凝器的结构参数计算

3.3 集孰器的设计选型

3.3.1 集热器的设计计算

3.4 蒸发器的设计造型

3.5 风力机的设计选型

3.5 本章小结

第4章 风能和太阳能联合驱动的苦咸水淡化系统性能分析

4.1 执力性能评价准则

4.1.1 基于孰力学第一定律的执力性能评价准则

4.1.2 基于执力学第二定律的执力性能评价准则

4.2 系统执力性能分析

4.2.1 基于热力学第一定律的执力性能分析

4.2.2 基于执力学第二定律的孰力性能分析

4.3 系统经济性能分析

4.3.1 投入效益

4.3.2 产出效益

4.3.3 计算方法

4.3.4 经济性能评价总结

4.4 系统的生态效益评价

4.5 本章小结

结论与展望

1 结论

2 创新点

3 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间获得的成果

附录B 程序编程

附录C 主要设计部件附图