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国内外太阳能光伏反渗透海水淡化装置研究进展

供稿人:瞿丽曼  供稿时间:2007-1-26   关键字:太阳能  光伏  反渗透  海水淡化  
由于陆地淡水资源的紧缺,海水淡化作为解决水资源短缺的重要途径,日益受到一些沿海国家的高度重视。近年来,海水淡化技术快速发展。目前世界上采用的海水淡化方法主要包括多级闪蒸、多效蒸发和反渗透,其中反渗透技术具有投资少、操作方便、建设期短等优点。反渗透技术最初用于苦咸水淡化,之后随着反渗透膜技术的进步和发展,1960年用来处理海水。上世纪80年代初,以太阳能电池为源的反渗透海水淡化装置开始在世界上运行。目前海水反渗透淡化技术在世界范围内的应用已相当广泛。
 
我国对太阳能海水淡化技术也有不少研究:上世纪80年代— 90年代初期,我国在该领域的研究基本集中在单级盘式太阳能蒸馏器上;上世纪90年代初—90年代末期间进行了改进,研制了多级迭盘式太阳能蒸馏器以及其他回收水蒸汽潜热的太阳能蒸馏器;上世纪90年代末至现在,出现了多级降膜多效回热式、多级闪蒸式等太阳能淡化装置等。近年来,我国虽然也出现了少量太阳能反渗透海水淡化装置的研究,但泵的驱动动力源采用蒸汽、风能等,目前未见采用光伏发电作为泵驱动动力的太阳能光伏海水淡化装置的报道;而国外自上世纪80年代即开始了太阳能光伏反渗透海水淡化系统的研究,并已得到较为广泛应用。本文主要介绍国际上太阳能光伏反渗透淡化系统的研究,为国内相关研究人员提供参考。
国内研究
对于太阳能反渗透海水淡化装置,近年来国内仅公开了少量以采用蒸汽、风能为动力源的相关研究,如2003年公开的中国专利CN02281876.6,研究了一种反渗透海水淡化设备,包括精滤器、反渗透膜组件,还包括太阳能集热器、贮热器和循环泵组成的产生蒸汽的太阳能部分,及具有自清洗过滤器、自动冲洗罐、汽轮泵的反渗透海水淡化部分,汽轮泵提供反渗透组件的进水流量和压力。太阳能反渗透海水淡化设备用太阳能产生的蒸汽直接驱动汽轮泵无须消耗电力,也避免了蒸汽转化为电力再驱动泵所造成的热效率的损失,既具有太阳能技术的节能和环保特点,又具有膜法海水淡化的优点。
 
2004年公开的中国专利CN200320105925.X,研究了一种风能直接驱动的反渗透海水淡化装置,包括由高压泵、反渗透膜组等构成的海水淡化设备、立轴式风力机,风力机包括至少两组垂直叶片,每组一对叶片通过垂直轴杆连接,每个垂直轴杆装有第一伞齿轮,与每个垂直轴杆分别传动连接的水平轴杆两端装有第二、三伞齿轮,水平轴杆一端通过第二伞齿轮与第一伞齿轮啮合,其另一端通过第三伞齿轮与风力机主轴一端的第四伞齿轮啮合,风力机主轴另一端连有导向电机,风力机主轴外侧装有水平轴杆带动绕风力机主轴旋转的外轴套,外轴套传递动力至高压泵。本实用新型采用风力直接驱动海水淡化设备中的高压泵,相对于以风力发电为基础的电力驱动装置,其风能利用率高,投资省、维护费用低。
国外研究
美国Water Serv.公司Boesch, William W.等1982年报道了世界第一家太阳能反渗透淡化厂,采用反渗透和太阳能光伏海水淡化系统,解决干旱地域的水生产。该系统操作不需其他后备能源,采用简单直流电阵列即可[1]。
 
加拿大Highquest Eng.公司Keefer, B. G.等年研究了太阳能光伏电源与反渗透淡化的最优匹配。其利用太阳能光伏反渗透淡化系统,海水淡化的能量消耗<4kWh/m3[2]。
 
日本日历造船工程有限公司Satone, Hiroyuki等研究了采用太阳能光伏反渗透法淡化海水,在过滤器中添加60ppm NaHSO3脱氧,添加1.5ppm NaOCl消毒,2ppm FeCl3絮凝。该系统的平均脱盐率为99.7%[3]。
 
西班牙Inst. Energ.Renovables的Gonzalez, A.等开发了位于西班牙台里发的海水淡化系统,采用100kW风能转换器和220组件光电发生系统,提供最大能源26.4kW。该反渗透厂在65-75kg/cm2下运作,日流量500m3/天,产生150m3新鲜水(总不溶固体<500ppm),脱盐率99.2%[4]。
 
英国拉夫堡大学Thomson, Murray等研究了一种成本效率高、无电池的光伏反渗透海水淡化系统,包括2.4KWp光伏阵列。在厄立特里亚(Eritrea)通过钻井海水,该系统全年中每日提供量为3m3/天。实践证明,光伏淡化系统通常利用铅酸电池,需要设备在固定流速下操作;然而在实际中,特别在炎热的气候下,电池会出现问题。而该系统能在可变流量下工作,可以有效利用自然变化太阳能,无需电池。该系统使用标准工业变换器,电动机和泵,提供了优良的能源和成本效率。采用作者开发的简单控制算法,可进行光伏阵列最大功率点跟踪[5]。
 
德国imb+frings watersystems GmbH的Lindemann, Johannes H.2004年报道了地中海、中东和海湾国家的风能和太阳能海水淡化应用。其中大加纳利岛的反渗透厂提供日产量0.8-3m3/d的饮用水。该厂包含一个4.8kWp光伏系统和60kWh电池储能[6]。
 
INST TECNOLOGICO CANARIAS SA 2006年公开的世界专利WO2006067240,公开了一种太阳能反渗透海水淡化系统,包括1.装油泵;2.配料设备;3.导管;4.供电网络;5.太阳能光伏电池;6.过滤装置;7.反渗透组件;8.高压泵;9.清洁泵;10.出口。具体结构示意图见下。每个工作日结束时,用清洁泵去除膜管中的盐水,提高膜的寿命[7]。
 
 
参考文献
1.Boesch, William W. World's first solar powered reverse osmosis desalination plant.Desalination 41(2),233-7(English)1982
 
2.Keefer, B. G.等.Optimized matching of solar photovoltaic power with reverse osmosis desalination.Desalination 1985,54 89-103
 
3.Satone,Hiroyuki.Solar-energy photoelectric reverse osmosis.Zosui Gijutsu 1986,12(3) 23-5 (Japanese)
 
4.Gonzalez, A.等.Wind and photovoltaic powered reverse osmosis seawater
desalination plant.Photovoltaic Sol. Energy Conf.,7th,1986 240-4 1987
 
5.Thomson, Murray等.A photovoltaic-powered seawater reverse-osmosis system without batteries.Desalination 2003,153(1-3) 1-8
 
6.Lindemann, Johannes H.Wind and solar powered seawater desalination: Applied solutions for the Mediterranean, the Middle East and the Gulf Countries. Desalination 2004,168(1-3) 73-80 (English)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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