頂置加熱面太陽(yáng)能海水淡化裝置設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用

摘要 根據(jù)頂置加熱面太陽(yáng)能海水淡化裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和構(gòu)建材料性能，用透光率、光熱轉(zhuǎn)換效率、絕熱效率、回?zé)嵝柿炕磉_(dá)了各因素對(duì)太陽(yáng)能利用率的影響，推導(dǎo)出太陽(yáng)能利用率理論計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)立了頂置加熱面太陽(yáng)能海水淡化裝置設(shè)計(jì)理論。為此，將同一時(shí)間內(nèi)被回收利用的冷凝熱量與冷凝熱總量的比率定義為回?zé)嵝?。采用普通材料，太?yáng)能利用率就能達(dá)到73％左右。突破了引渤入疆工程的瓶頸技術(shù)。頂置加熱面太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)在海水淡化、污水處理、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景，具備了大面積推廣應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件。

1、引言

太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)發(fā)展至今，還沒有太陽(yáng)能利用率超過(guò)50％的可行技術(shù)。頂置加熱面太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)將打破這種僵局，實(shí)現(xiàn)技術(shù)飛躍。采用普通光熱材料絕熱材料，太陽(yáng)能利用率就能達(dá)到73％左右?！侗粍?dòng)式太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)路線解析》闡明了頂置加熱面太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)將加熱面、蒸發(fā)面、冷凝面自上而下依次設(shè)置的優(yōu)越性；揭示了盤式太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)是全程起點(diǎn)，太陽(yáng)能界面蒸發(fā)技術(shù)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，頂置加熱面太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)將是全程終點(diǎn)的被動(dòng)式太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)發(fā)展規(guī)律；開辟了一種高效率低成本的太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)路線[1]。在該技術(shù)領(lǐng)域，已經(jīng)注冊(cè)了多項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專利[2][3][4]。太陽(yáng)能的利用途徑是太陽(yáng)光透過(guò)透光材料在光熱板上轉(zhuǎn)換成熱量加熱光熱板下面的水，使海水蒸發(fā)成蒸汽并冷凝成淡水。在此過(guò)程中，陽(yáng)光透過(guò)透光材料有能量損失，光熱轉(zhuǎn)換有能量損失，蒸汽冷凝前有傳熱損失。這三種能量損失程度可用透光材料透光率、光熱轉(zhuǎn)換效率、絕熱效率表述。頂置加熱面太陽(yáng)能海水淡化裝置部分冷凝熱透過(guò)海水罐壁加熱海水得到回收利用，能提高太陽(yáng)能利用率。將同一時(shí)間內(nèi)被回收利用的冷凝熱量與冷凝熱總量的比率定義為回?zé)嵝省Ｌ?yáng)能利用率是透光材料透光率、光熱轉(zhuǎn)換效率、絕熱效率和回?zé)嵝示C合作用效果的體現(xiàn)。

2、太陽(yáng)能利用率理論計(jì)算公式

頂置加熱面太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)妥善解決了太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)必須解決的光熱轉(zhuǎn)換、海水蒸發(fā)、蒸汽冷凝這三個(gè)問(wèn)題。太陽(yáng)能利用率是評(píng)價(jià)解決這三個(gè)問(wèn)題的指標(biāo)。透光材料、光熱材料、絕熱材料性能是太陽(yáng)能利用率主要影響因素。其影響程度可用材料性能參數(shù)量化表達(dá)。例如，透光材料采用普通平板玻璃，透光率在82％至86％之間；光熱材料采用黑色涂料，光熱轉(zhuǎn)換效率在90％以上；5厘米厚聚氨酯泡沫層能保持傳熱損失不超過(guò)10％，也就是絕熱效率在90％以上?；?zé)嵝实闹饕绊懸蛩厥呛Ｋ迋?cè)面的換熱片回收冷凝熱加熱海水狀況?；?zé)嵝誓壳斑€沒有量化數(shù)據(jù)。

設(shè)太陽(yáng)能利用率為η、玻璃透光率為T、光熱轉(zhuǎn)換效率為η1、絕熱效率為η2、回?zé)嵝蕿棣?，有關(guān)系式（1）：

η=Tη1η2 （1+η3） （1）

將一組玻璃透光率、光熱轉(zhuǎn)換效率、絕熱效率、回?zé)嵝蕯?shù)據(jù)代入關(guān)系式（1），就計(jì)算出相應(yīng)的太陽(yáng)能利用率。

3、頂置加熱面太陽(yáng)能海水淡化裝置設(shè)計(jì)理論計(jì)算

頂置加熱面太陽(yáng)能海水淡化裝置結(jié)構(gòu)，縱向自上而下是平板玻璃、光熱板、冷凝器內(nèi)膽、隔熱層、海水罐、冷凝器底面；橫向由內(nèi)到外是海水罐、冷凝器內(nèi)膽、隔熱層、冷凝器側(cè)面。海水罐側(cè)面有橫向布置的換熱片。冷凝器底面有縱向布置的換熱片。橫向布置的換熱片與縱向布置的換熱片不接觸。平板玻璃小角度傾斜布置。光熱板冷凝器底面封閉冷凝器內(nèi)膽兩個(gè)端面。冷凝器內(nèi)至少有一個(gè)海水罐[3]。相鄰海水罐相距1米左右。太陽(yáng)光透過(guò)平板玻璃在光熱板上轉(zhuǎn)換成熱量加熱海水蒸發(fā)成蒸汽。蒸汽在海水罐側(cè)面的橫向換熱片或在冷凝器底面的縱向換熱片表面冷凝成淡水。冷凝熱被海水回收利用或排到大氣中。上述光或熱傳遞途徑的光或熱損失有三個(gè)環(huán)節(jié)：一是光透過(guò)平板玻璃的光損失，用透光率量化；二是光在光熱板上轉(zhuǎn)換成熱量的損失，用光熱轉(zhuǎn)換效率量化；三是熱量從光熱板和冷凝器內(nèi)膽向外傳遞的損失，用絕熱效率量化。蒸汽冷凝所放冷凝熱被海水回收利用，用回?zé)嵝柿炕?。頂置加熱面太?yáng)能海水淡化裝置設(shè)計(jì)步驟如下：

1、根據(jù)采用平板玻璃的透光率、光熱板的光熱轉(zhuǎn)換效率、光熱板冷凝器內(nèi)膽的絕熱效率以及回?zé)嵝剩?jì)算太陽(yáng)能利用率。

2、根據(jù)設(shè)計(jì)淡水產(chǎn)量、太陽(yáng)光照強(qiáng)度、太陽(yáng)能利用率計(jì)算光熱板面積。

3、根據(jù)光熱板面積，按相鄰海水罐相距1米和海水罐長(zhǎng)度計(jì)算海水罐數(shù)量。

4、配套的海水供給和濃海水外排設(shè)施設(shè)計(jì)。

作為實(shí)例，按照上述設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)一臺(tái)光熱板長(zhǎng)0.9米寬0.4米面積0.36平方米的太陽(yáng)能海水淡化裝置樣機(jī)。

1、透光材料采用普通平板玻璃，T取82％；采用炭黑作光熱材料，η1取90％；采用聚氨酯泡沫和封閉空氣作隔熱層，η2取90％；保守估計(jì)海水罐側(cè)面換熱片回收10％冷凝熱，η3取10％。將上述數(shù)據(jù)代入關(guān)系式（1）：

η=0.82*0.9*0.9（1+0.1）=0.73

太陽(yáng)能利用率η為73％。采用性能更好的材料，太陽(yáng)能利用率η有一定提升空間。

2、作為試驗(yàn)樣機(jī)，光熱板面積取0.36平方米。

3、光熱板長(zhǎng)0.9米寬0.4米厚0.001米，冷凝器內(nèi)只有一個(gè)海水罐。冷凝器長(zhǎng)1.0米寬0.5米高0.2米，冷凝器內(nèi)膽長(zhǎng)0.9米寬0.4米高0.12米。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，制作成功世界首臺(tái)頂置加熱面太陽(yáng)能海水淡化裝置樣機(jī)。

4、應(yīng)用前景展望

頂置加熱面太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)在海水淡化、污水處理、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。

在海島，建筑物頂面海面可建設(shè)固定或移動(dòng)的太陽(yáng)能海水淡化裝置，土地資源高效利用。全島建成一套淡水生產(chǎn)供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施。

在沿海，曬鹽田、沙灘地、灘涂地及養(yǎng)殖業(yè)用地，在不嚴(yán)重影響原土地用途的前提下，可支高架安裝太陽(yáng)能海水淡化裝置。在生產(chǎn)淡水的同時(shí)，發(fā)展鹽化產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)海水資源綜合利用。

在沙漠，太陽(yáng)能豐富，將海水引入后利用太陽(yáng)能淡化。用淡水發(fā)展當(dāng)?shù)毓I(yè)農(nóng)業(yè)，足以將沙漠改造成適宜人類生存的地區(qū)。推廣應(yīng)用頂置加熱面太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)，引渤入疆工程完全可以實(shí)現(xiàn)。引渤入疆工程的瓶頸技術(shù)就是大規(guī)模低成本太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)。

在水質(zhì)性缺水地區(qū)，利用太陽(yáng)能將不符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)的水處理成合格飲用水。例如中國(guó)西北地區(qū)，太陽(yáng)光照強(qiáng)，苦咸水豐富。采用太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)能解決缺水問(wèn)題。

太陽(yáng)能豐富地區(qū)，工業(yè)廢水、生活污水、油田水都可以通過(guò)太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理。例如新疆的油田水就可以用太陽(yáng)能蒸發(fā)濃縮后回注地層，降低回注成本。

5、結(jié)論

根據(jù)頂置加熱面太陽(yáng)能海水淡化裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和構(gòu)建材料性能，透光材料、光熱材料、絕熱材料、冷凝熱回收方式?jīng)Q定太陽(yáng)能利用率。透光率、光熱轉(zhuǎn)換效率、絕熱效率、回?zé)嵝柿炕磉_(dá)了各因素對(duì)太陽(yáng)能利用率的影響。據(jù)此推導(dǎo)出太陽(yáng)能利用率理論計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)立了頂置加熱面太陽(yáng)能海水淡化裝置設(shè)計(jì)理論。采用透光率82％的普通玻璃，光熱轉(zhuǎn)換效率90％的炭黑，絕熱效率取90％，回?zé)嵝嗜?0％，頂置加熱面太陽(yáng)能蒸發(fā)技術(shù)的太陽(yáng)能利用率將達(dá)到73％。實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能利用率從不超過(guò)50％到70％以上的跨越。具備了大面積推廣應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件。

致謝：感謝南京大學(xué)徐煒超的幫助。

參考文獻(xiàn)

［1］ Ling Bin KongAnalysis of Passive Solar Desalination Technology Route Journal of Energy and Power Engineering 15 (2021) 16-19 doi: 10.17265/1934-8975/2021.01.003

［2］孔令斌一種雙冷凝器太陽(yáng)能海水淡化裝置［P］中國(guó)專利公報(bào)2020

［3］孔令斌一種大型被動(dòng)式太陽(yáng)能海水淡化裝置［P］中國(guó)專利公報(bào)2022

［4］孔令斌一種具有蒸發(fā)室冷凝室的太陽(yáng)能海水淡化裝置［P］ 中國(guó)專利公報(bào)2022