太阳能蒸馏海水淡化技术回顾

太阳能蒸馏海水淡化技术回顾

摘要：回顾了太阳能蒸馏海水淡化技术的发展历程。针对最古老的盘式蒸馏器产水量较低的问题，各国学者不断改进设计，提出了许多效率较高的太阳能蒸馏器。本文对各种装置的工作过程以及产水能力进行了简单的介绍，分析总结了包括太阳辐照、海水温度、海水与凝结面温差、海水热容量、环境温度和风速等影响产水量的各种因素，得出结论认为应采用反射镜等措施改变太阳辐照的方向以增强装置换热面布置的灵活性，多次利用蒸汽凝结潜热，减小海水热容量以提高太阳能蒸馏器的产水能力和热利用效率。

关键字：太阳能蒸馏；海水淡化；产水量；影响因素

1. 引言

随着世界人口的增长以及工农业发展速度的加快，人类对于淡水的需求越来越大，然而可供人类直接使用的淡水量却很小，并且分布极不均衡，98.8%的淡水被冻结在地球的南北两极和高寒地带的冰川之中，存在于河流、湖泊和地下水等可直接利用的淡水已不足地球上淡水总量的0.36%，而与此相对的海水储量却占据着地球上总水量的97%以上（1）。因此，发展海水淡化技术已成为解决淡水问题的主要选择。目前已经成熟应用的海水淡化技术主要有多级闪蒸法（MSF），多效蒸馏法（MED）以及反渗透法（RO）等。这三种技术装机容量大，产水量高，适用于大型或超大型化海水淡化基地。然而，对于偏远地区，人烟稀少，动力缺乏，没有能力也没有必要发展大型海水淡化基地。凑巧的是，在这些偏远缺水地区，往往太阳能资源相当丰富，非常适宜于发展小型化分布式海水淡化技术。因此，结构简单、成本低廉的太阳能蒸馏器应运而生。太阳能蒸馏海水淡化技术一直备受关注，广大学者对其进行了大量的研究，致力于提高装置的产水量和热利用效率，发展各种蒸馏装置的传热传质理论分析模型为优化设计提供理论基础。

2. 蒸馏装置的发展历程

自19世纪70年代，世界上第一台太阳能蒸馏器出现之后，这种形式简单的海水淡化装置一直备受关注。如图1（a）所示，装置上部的太阳辐射，大部分透过玻璃盖板被底面深色涂料吸收转化为热，用于加热储存在盆底的薄海水层，使其温度升高并部分海水蒸发，水蒸气与空气混合形成饱和湿空气上升，湿空气中的水蒸汽在玻璃顶盖上凝结成淡水后滑落至玻璃盖低端的淡水收集槽中，完成海水淡化过程。这种蒸馏器结构简单，制作、运行和维护都比较方便，产水量相

对较低。根据Tayeb（2）的实验结果，蒸发面积0.24m2、冷凝面积0.267m2，典型的天气条件下（图1（a）所示装置）日产水量313ml，日平均效率21.8%。在同一篇文章中（2），他还公布了另外几种蒸发面积相同玻璃顶盖形状不同的蒸馏器的运行情况，有半球形图1（b），双层半球形图1（c）以及弓球形图1（d）的，其日产水量分别为258ml、286ml、206ml（2）。基于这种最简单的盘式蒸馏器，各国学者为了提高日产水量以及日平均效率，对装置进行了不断的改进。

(a) (b) (c) (d)

图1 不同顶盖的盘式蒸馏器（2）

2.1 增加太阳辐照吸收面积或改变辐照方向

太阳能蒸馏器的驱动力来自太阳的辐射，增加采光面积可以在相同的时间内接受更多的辐射，然而也不可避免的增加了装置的容量，文献（3）（如图2）在不改变装置容量的同时，依靠安装内部反射镜以及外部竖直平面反射镜来增加盆底受热面单位面积的辐照量，在相同的时间内提供更多的热量。内部反射镜在一年四季都能提高装置的产水量，尤其在冬季太阳高度角很低时，改进以后的装置产水量可提高70%-100%；外部竖直反射镜在春秋两季能较高的提高淡水产量，但其安装角度若能随月份的改变而改变，则在一年四季中对于产水量的提高都有显著的效果（4）。

文献（5）提出采用热管集热器结合一定数量垂直平行板的太阳能蒸馏装置，并对其进行了理论分析计算，理论日产水量在日照辐射为22.4MJ/m2时高达21.8kg/m2。几年后，Hiroshi Tanaka将理论付诸实验，在文献（6）中公布了实验结果，作者将采光面完全由平面反射镜来承担，通过平面反射镜改变太阳的辐照方向，将传统的水平受热面改为竖直受热面，通过巧妙的设计实现多效蒸馏，无论产水量还是热效率都大大的提高。每一面竖壁都同时充当冷凝面和蒸发面，由平面反射镜反射的太阳辐照落在第一面竖壁上，竖壁另一侧上的海水膜吸收热量发生蒸发，产生的蒸汽在第二面竖壁上凝结成淡水，淡水在重力作用下滑落至底部的淡水收集槽中，而蒸汽在凝结过程释放的潜热却被竖壁另一侧的海水膜吸收，促使其蒸发，如此依次将能量传递至最后一面竖壁，实现能量的多效利用。每一面竖壁充当能量利用的一效。在水平面太阳日辐照量13.4MJ/m2，玻璃日辐照量20.2MJ/m2，每效间隔5mm时，日产水量最高可达13.4kg/m2。

图2 带外部反射镜的蒸馏器（3）图4 带反射镜的多效蒸馏器（6）

图3 结合热管的多效蒸馏器（5）

2.2 在流动中加热海水

正如我们所知，太阳辐射相当稀薄，仅仅靠增加采光面积来提高产水量并不是最佳选择。在热法海水淡化过程中，我们靠促使海水蒸发来达到盐水分离的目的，换句话说，我们希望消耗少量热量的同时产生最多的蒸汽，从而能收集最多的淡水。因此，学者们通过减小海水热容量来促进海水蒸发而不是将吸收的热量储藏在海水的显热当中。

B.Janarthanan（7）等设计了如图5所示的倾斜式带芯海水流动型太阳能蒸馏器（floating cum titled-wick type solar still），海水在吸液芯的毛细作用下缓慢流

经倾斜面，由于吸液芯的存在，海水在倾斜面上保持为较薄的液膜，由于液膜具有更小的热容量，所以更加容易蒸发，另外由于在玻璃顶盖上也有冷海水流动，降低了玻璃温度，增强了蒸汽凝结效果，淡水产量有所提高。

图5 倾斜式带芯海水流动型蒸馏器（7）

Farshad Farshchi Tabrizi（8）等设计了如图6所示级联太阳能蒸馏器（cascade solar still），给水进入蒸馏器后依次沿着阶梯往下流，每一级阶梯水平和竖直壁上涂有吸收性材料吸收太阳辐照，当海水流经阶梯时吸收热量，温度升高，并部分蒸发。这种设计增加了日照辐射的吸收面积，在每级阶梯上总是一层相对较薄的海水，减小了海水的热容量，促进了海水的蒸发。由于海水处于流动状态，也减少了结垢的可能性。

图6 级联蒸馏器（8）