中低温太阳能集热海水/苦咸水淡化系统实验研究

摘要

能源与淡水资源是社会生存与发展的物质基础，海水/苦咸水淡化是解决淡水资源缺乏的有效途径。太阳能海水淡化采用可持续能源，不造成环境污染，是解决缺少能源与电力供应的偏远地区淡水问题的可行性方法。太阳能有聚光和非聚光两种利用，聚光太阳能主要吸收太阳直射辐射，通常太阳能聚光装置都是反射镜或菲涅耳透镜跟踪，较大的整体式反射镜面和菲涅耳透镜制造困难、成本较高，并且跟踪系统复杂，所需能耗高;非聚光太阳能有平板和真空管集热器，主要应用于供热、采暖及海水淡化等，但未见太阳能热水与纯水联产一体化的利用研究。另外，多级闪蒸、多效蒸馏、反渗透和蒸气压缩等传统的海水淡化都是针对大型的淡化工程，而偏远缺水地区由于技术条件及成本问题，适合运行简单、成本不高的太阳能增湿减湿的小中型淡化系统。以此为背景，本文提出了两种新型的中低温太阳能集热海水/苦咸水淡化系统，构建太阳能双真空热管热水纯水一体化联产系统模型，双真空热管低温与固定条形镜面反射聚光中低温耦合两级加热的多效增湿减湿淡化系统模型。使两种太阳能集热系统在各自最佳温度工况下运行，集热性能得以优化及较好改善，以湿空气为载气梯次增湿减湿，回热得以循环利用及耦合分配。对于沿海、海岛、苦咸水区域等风力较大地区海水/苦咸水淡化民用化及工业应用的推广，本文研究为其提供设计依据和技术支持。
　　本文构建了固定条形镜面反射聚光集热系统，对系统的聚光光学性能、热学性能进行了研究，同时搭建了实验系统。固定条形镜面反射聚光是对圆柱面聚光镜的离散化近似，随着太阳光线的偏转，聚光装置中各单元反射镜面的入射角、光照面积时刻变化。首先建立系统的计算模型，利用矢量分析方法得到固定条形镜面聚光系统任一单元反射镜面的入射角计算公式、光照面积及几何聚光比;其次利用软件编程对聚光装置各个倾斜的条形反射镜面吸收的太阳直射辐射、反射镜场的实时辐射通量，以及整个系统在工作时段的累积辐照量进行数值计算。然后对南向倾斜纬度角安装及年调整一次倾角安装的两种聚光方式进行分析比较，得出年调整一次倾角安装，开口宽度1800mm的聚光系统单位长度接受的辐照量比固定倾斜纬度角安装提高了6.53％，全年增量为65.78GJ/m。
　　本文提出了三种不同的吸收器，梯形槽吸收器、玻璃-金属真空管吸收器、腔体式玻璃-金属真空管吸收器，分别进行了实验对比研究。建立固定条形镜面反射聚光的腔体式玻璃-金属真空管吸收器三维模型，利用蒙特卡洛光线追迹法模拟，得出不同偏转角度时聚光吸收器面上的光线统计数据、光学效率、光学损失及能流分布。当反射率0.92、吸收率0.9时，聚光系统在太阳直射光线偏转0～40°内，光线吸收率为74.08％～98％，光学效率为56.97％～73.65％。随着偏转角增大，系统的光学效率降低，吸收器上能流分布不均匀。另外，通过模拟分析与实验测试，发现腔体式玻璃-金属真空管吸收器的光学及热学性能优于梯形槽吸收器和玻璃-金属真空管吸收器。相似的测试条件下，腔体式玻璃-金属真空管吸收器比梯形槽吸收器的热效率与火用效率（exergy efficiency）都有所增加。集热温度从76.7℃升高到99.6℃，腔体式玻璃-金属真空管吸收器热效率由46.93％降至39.98％，仅降低5.95％，集热温度对系统热性能影响较小。
　　建立固定条形镜面聚光增湿减湿海水/苦咸水淡化系统，通过测试的太阳辐射及气象环境数据，对固定条形镜面聚光集热器、双真空管集热器、增湿器、减湿器的热性能分别进行了研究。对开环水开环空气(Open air open water, OAOW)、空气加热系统的两种配置方式进行了模拟及性能比较。得出固定条形镜面聚光增湿器后的湿空气加热比双真空管增湿器前的湿空气加热性能较好，其产水性能系数(Gained output ratio，GOR)提高2.162。系统11月～次年2月间性能系数较小，3月份～9月份之间性能系数较大、变化平稳。
　　本文构建了双真空管集热-固定条形镜面聚光增湿减湿海水/苦咸水的闭环空气开环水(Close air open water, CAOW)、水加热的淡化系统模型，分别对两种集热器、增湿器、减湿器的热性能、产水量及性能系数进行了理论与实验研究。研究不同喷淋温度对系统性能的影响，得到系统增湿器、减湿器随温度、流率的变化特性。结果得到一级冷凝器，随着增湿器水的进口温度升高，冷凝器进、出口的湿空气温度、湿度相应增加;流率增大，冷凝器产水量增加。由于湿空气是经过两次冷凝后进入一级冷凝器，湿空气温度湿度较低，因此，其产水量及性能系数增加幅度较小。流率从1.5kg/min变化到3kg/min时，对于二级冷凝器，二级增湿喷淋温度从60℃升高到76℃时，产水量从1.5882kg/h增加到11.964kg/h;三级冷凝器，三级增湿器喷淋水温度从80℃升高到96℃时，产水量从4.11kg/h增加到62.436kg/h，水气流率比偏小时增加较小，流率比匹配时产水量随着温度升高增加幅度十分显著。其次，利用太阳能双真空超导热管与固定条形镜面聚光集热作为热源，在不同时况和环境下对系统进行了实验。环境温度26.1～30.7℃，太阳总辐射596～837W/m2、直射辐射517～761W/m2工况下，双真空管集热温度55.1℃～80.9℃，集热效率46.71％～57.32％;固定条形镜面聚光集热温度64.3℃～94.3℃，集热效率为37.78％～46.74％，分级梯次加热有利于集热器的热性能改善，系统得到优化。另外，太阳辐射较大的时段系统产水量也较高，10分钟二级冷凝器的产水量为1.13kg、三级冷凝器产水量2.08kg，性能系数为2.2383，系统运行6小时总产水量为74.23kg，产水回复率(Recovery ratio，RR)为10.31％。实验研究表示，淡水产量随着热水温度升高而增加，然而淡水产量对应水气流率比增加有个最大临界值，增加流率增加水汽混合，提高增湿效率，但过大流率比由于较大的显热负载，导致蒸发、增湿效率及性能系数降低。
　　本文另外构建了太阳能集热的热水纯水联产系统的能量转化与传递模型，使太阳能集热蒸发、冷凝与蓄热耦合一体化。对太阳能热水纯水联产的热性能及产水性能分析研究，对回热蓄热式耦合系统进行优化，太阳能集热的热量得到良好的分配利用。采用双真空超导热管集热，设计蒸发、冷凝及蓄热水箱，搭建了φ58mm×1.8m×24根双真空热管集热的实验系统。运用Matlab软件数值运算并与实验对比，得出定量蓄热工况下，蓄热温度由50℃升到60℃时，系统产水率与性能系数增加，60℃后则减小;其次，对相同蓄热温度不同蓄热方式测试比较，得到60℃定温蓄热比60℃定量蓄热日产水量高950mL，系统总性能系数增加0.102，产水率增加0.056。最后对不蓄热工况下的系统性能进行了测试，不蓄热工况比60℃定温蓄热系统性能系数低0.1979，产水率小0.219。实验研究表明，系统性能系数随蓄热温度升高先增大，而后减小;相同蓄热温度，定温蓄热比定量蓄热性能优越;不蓄热工况下，由于增发冷凝温差较小，性能系数降低。
　　最后依据《生活饮用水水源水质标准》CJ3020-1993及《生活饮用水卫生标准》GB5749-2010，对系统的所产淡水水质进行了采样检测，对水质的感官性指标、化学指标、细菌学指标、毒理指标等27项进行全面检测，结果显示产水水质完全符合饮用标准。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 能源资源紧张

1．1．2 淡水资源危机

1．2 海水淡化的研究进展

1．2．1 反渗透海水淡化

1．2．2 电渗析海水淡化

1．2．3 多级闪蒸海水淡化

1．2．4 多效蒸馏海水淡化

1．2．5 蒸气压缩海水淡化

1．3 太阳能利用与海水淡化技术的研究现状

1．3．1 槽式聚光太阳能集热

1．3．2 塔式聚光集热

1．3．3 线性菲涅耳反射聚光

1．3．4 抛物蝶式反射暴光

1．3．5 太阳能聚光海水淡化利用

1．3．6 太阳能蒸馏海水淡化

1．3．7 太阳能增湿减湿海水淡化

1．4 本文的研究目的及主要内容

1．5 本章小结

第2章 固定条形镜面反射聚光镜场特性研究

2．1 固定条形聚光镜面光学设计

2．2 系统设计参数分析

2．2．1 固定条形镜面聚光入射角

2．2．2 太阳光线与系统法向平面偏转角

2．3 系统聚光性能分析

2．3．1 单元镜面间距的变化

2．3．2 倾斜角对系统光照面积及聚光比的影响

2．3．3 倾斜角对系统直射辐射量的影响

2．4 本章小结

第3章 固定条形镜面聚光性能分析与实验研究

3．1 实验装置

3．1．1 集热装置与测试分析

3．1．2 吸收器装置与分析

3．2 吸收器光学性能分析

3．2．1 镜面反射光学性能

3．2．2 镜面太阳辐射能流分析

3．3 吸收器热性能分析

3．3．1 梯形槽吸收器热性能测试与分析

3．3．2 腔体式玻璃-金属真空管吸收器性能测试

3．3．3 不同进口温度吸收器效率分析

3．3．4 真空管及固定条形镜面两级加热系统

3．4 本章小结

第4章 固定条形镜面聚光增湿-减湿淡化热性能分析

4．1 工质热物理特性分析

4．1．1 湿空气物理特性

4．1．2 海水热物理特性

4．2 闭环空气开环水循环系统热性能分析

4．2．1 系统质量平衡方程

4．2．2 换热器效能

4．2．3 减湿器

4．2．4 增湿器

4．2．5 系统的产水性能

4．2．6 系统性能分析

4．3 开环空气开环水循环系统热性能分析

4．3．1 开环空气开环水循环系统热性能

4．3．2 系统性能分析

4．4 本章小结

第5章 中低温耦合加热回热式增湿减湿淡化实验研究

5．1 系统设计与原理

5．1．1 系统设计

5．1．2 系统原理

5．2 回热式多级增湿减湿淡化装置实验设计与安装

5．2．1 增湿器设计与安装

5．2．2 减湿器设计与安装

5．2．3 集热器匹配选型

5．3 实验方案与测量方法

5．3．1 实验方案

5．3．2 测量方法

5．4 实验测试性能分析

5．4．1 增湿器海水不同进口温度对增湿，冷凝效果的影响

5．4．2 双真空管及固定条形镜面两级加热淡化系统

5．4．3 产水水质检测

5．5 本章小结

第6章 太阳能热水纯水联供系统分析与实验研究

6．1 系统结构与分析

6．1．1 实验装置

6．1．2 实验设计与方法

6．1．3 系统组件分析

6．1．4 实验设备及测试

6．2 能量转化模型

6．2．1 集热蒸发水箱能量分析

6．2．2 冷凝水箱能量分析

6．2．3 系统的性能系数

6．3 性能结果分析

6．3．1 蓄热温度对热性能影响

6．3．2 相同温度下蓄热性能测试与分析

6．3．3 不蓄热工况热性能测试与分析

6．3．4 产水水质检测

6．4 本章小结

第7章 全文总结和展望

7．1 全文总结

7．2 创新点

7．3 建议和展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要成果

ENGLISH PAPERS

Paper：Ⅰ Design and performance experiment of fixed mirror solar concentrator

Paper Ⅱ：Design and performance experiment of solar hot water and pure water co-production system