一種新型太陽能、風(fēng)能聯(lián)合海水淡化裝置

陳暉++葉舟++高偉

摘要： 淡水資源短缺已成為一個(gè)世界性問題，我國(guó)也不例外.為了加大淡水供應(yīng)，一條現(xiàn)實(shí)的途徑就是充分利用我國(guó)豐富的海水資源，以及西北內(nèi)陸地區(qū)的苦咸水（統(tǒng)稱海水）進(jìn)行淡化.提出了一種海水淡化裝置，該裝置利用溫室效應(yīng)原理和風(fēng)能致熱原理，可充分利用太陽能與風(fēng)能進(jìn)行海水淡化.與現(xiàn)有海水淡化裝置相比該裝置具有利用清潔能源、對(duì)環(huán)境無污染、適應(yīng)性強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn).理論計(jì)算結(jié)果表明，該裝置每小時(shí)產(chǎn)水量約為普通盤式太陽能海水淡化裝置在晴天工作時(shí)的2倍.

關(guān)鍵詞：海水淡化； 太陽能； 風(fēng)能

中圖分類號(hào)： TK 89文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

淡水是人類賴以生存和發(fā)展的基本物質(zhì)之一.目前，全世界大約三分之一的人口生活在缺水地區(qū).到2025年，這個(gè)數(shù)字將會(huì)增加到三分之二.我國(guó)水資源總量2.7～2.8萬億m3，居世界第6位，而人均水占有量2 292 m3，僅為世界平均水平的25%，被聯(lián)合國(guó)列為13個(gè)水資源缺乏國(guó)家之一.我國(guó)水資源在時(shí)間、空間和地區(qū)上分布不均，其中10個(gè)省市（遼寧、山西、江蘇、河南、河北、山東、寧夏、北京、上海和天津）年人均水占有量約為1 000 m3，已達(dá)到國(guó)際公認(rèn)的水資源緊張限度值.我國(guó)640個(gè)城市中有300多個(gè)缺水，北京人均水占有量為世界平均水平的7.8%.

預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)人口將達(dá)16億，人均水占有量將降至1 760 m3，屆時(shí)我國(guó)將成為水資源十分緊缺的國(guó)家[1-2].因此，根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況，充分利用我國(guó)狹長(zhǎng)海岸線對(duì)海水進(jìn)行淡化，以及對(duì)西部區(qū)湖泊、井水中的苦咸水進(jìn)行淡化，無疑都是緩解我國(guó)缺水現(xiàn)狀較為可行的途徑.

1國(guó)內(nèi)外研究背景

1.1盤式太陽能海水淡化裝置

太陽能海水淡化主要借助太陽所產(chǎn)生的熱能或電力，使具有一定濃度的海水重新組合.盤式太陽能海水淡化裝置采用熱能驅(qū)動(dòng)海水發(fā)生相變并進(jìn)行分離，再對(duì)分離后的水蒸氣進(jìn)行冷凝產(chǎn)生淡水.由于沒有外部集熱系統(tǒng)，該裝置屬于被動(dòng)式太陽能蒸餾系統(tǒng).

被動(dòng)式海水蒸餾系統(tǒng)于1872年由瑞典工程師Wilson[3]在智利北部建成使用，晴天每天可產(chǎn)淡水23 t.該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，綜合成本低，不需要專業(yè)人員維護(hù)，但也有產(chǎn)水量受天氣影響較大、夜晚不能工作以及單位采光面積產(chǎn)水量較低等缺點(diǎn).

張小艷等[4]對(duì)多級(jí)迭盤式太陽能蒸餾器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，利用多級(jí)迭盤結(jié)構(gòu)對(duì)凝結(jié)潛熱進(jìn)行重復(fù)利用，強(qiáng)化冷凝效果.通過比較單級(jí)、兩級(jí)、三級(jí)的單位能耗產(chǎn)水率發(fā)現(xiàn)，在較高溫度段（>70℃）運(yùn)行時(shí)性能更理想.Velmurugan等[5]在傳統(tǒng)太陽能海水蒸餾盤中安裝了肋片，使吸收太陽能的有效面積增大，加快了海水溫升速度，提高了系統(tǒng)產(chǎn)水率.經(jīng)過理論與實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，安裝肋片后的系統(tǒng)產(chǎn)水率增加了45.5%.Kabeel[6]將太陽能蒸餾器底盤設(shè)計(jì)成半球形，在半球形底盤內(nèi)鋪設(shè)被涂成黑色的棉質(zhì)材料，利用毛細(xì)管效應(yīng)盡可能減少盤內(nèi)海水容量，減小海水熱惰性，增加了海水蒸發(fā)有效面積，并將玻璃蓋板設(shè)計(jì)成金字塔形，由四面傾角為45°的玻璃蓋板組成，增大了海水的光能吸收能力，避免了太陽移動(dòng)形成的陰影對(duì)海水蒸餾器產(chǎn)生不利影響.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)晴天平均產(chǎn)水率為4.1 L·m-2，系統(tǒng)最大瞬時(shí)效率為45%.

1.2風(fēng)能致熱裝置

近年來風(fēng)能利用技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展.由貝茲極限可知，理想風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用效率為59.3%，而實(shí)際應(yīng)用的風(fēng)力機(jī)效率一般僅為理想風(fēng)力機(jī)效率的70%[7].通常風(fēng)力機(jī)提水時(shí)的效率只有16%左右，發(fā)電時(shí)的轉(zhuǎn)換效率一般為30%，而風(fēng)力機(jī)致熱時(shí)由于把高品位的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為低品位的熱能，故而效率較高.風(fēng)能致熱裝置的風(fēng)能利用率最高可達(dá)45%，一般在40%左右.目前風(fēng)能轉(zhuǎn)化為熱能的方法有三種[8]：一是風(fēng)力發(fā)電，再通過電熱器發(fā)熱；二是由風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成空氣壓能，從而獲得熱能；三是將風(fēng)能直接轉(zhuǎn)化為熱能.其中，將風(fēng)能直接轉(zhuǎn)化為熱能的方法因其較高的效率和較好的適應(yīng)性，成為通常采用的方式.風(fēng)能致熱主要有液體攪拌致熱、液體擠壓致熱、固體摩擦致熱和渦電流法致熱等四種致熱方式.其中，由于液體攪拌致熱裝置容易制造，無易磨損件，對(duì)載熱介質(zhì)無嚴(yán)格要求，且在整個(gè)工作過程中幾乎將投入的能量全部轉(zhuǎn)化為熱能，能夠較好地與風(fēng)力機(jī)輸出功率特性相匹配，功率系數(shù)較大，因此為人們所喜愛[7].

2設(shè)計(jì)方案

綜合盤式太陽能海水淡化裝置與風(fēng)能致熱裝置的特點(diǎn)，為了更大限度地利用太陽能、風(fēng)能資源，本文提出了一種新型太陽能、風(fēng)能聯(lián)合海水淡化裝置.

2.1裝置結(jié)構(gòu)概述

圖1為新型太陽能、風(fēng)能聯(lián)合海水淡化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖.該系統(tǒng)配備有供電風(fēng)力機(jī)，可將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存在與其相連的蓄電池中.蓄電池用于為該系統(tǒng)控制部分提供電能.圖1中抽吸泵、濃鹽水排出泵以及凈水收集泵均由該蓄電池供電.抽吸泵與海水相連，并添加Y型濾網(wǎng)過濾水中雜質(zhì)；凈水收集泵與凈水收集罐相連，用于收集淡水；濃鹽水排出泵用于排出濃鹽水，也可將濃鹽水收集并進(jìn)行深加工.垂直軸風(fēng)力機(jī)穿過蒸餾室，下部與攪拌加熱器相連，構(gòu)成整個(gè)液體攪拌致熱系統(tǒng).需要指出的是，系統(tǒng)配備有可改變攪拌葉片位置的裝置，可通過改變載荷解決垂直軸風(fēng)力機(jī)自啟動(dòng)問題.為了更大限度地利用太陽能，蒸餾室頂部為雙層玻璃，外殼采用塑料制成，內(nèi)膽使用不銹鋼并在外層添加保溫材料.該裝置所有管路均使用UPVC塑料，進(jìn)水管穿過外殼后在內(nèi)膽上纏繞2～3圈再穿過內(nèi)膽.

2.2裝置運(yùn)行

新型海水淡化系統(tǒng)工作流程如圖2所示.該系統(tǒng)使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)為蓄電池蓄電以驅(qū)動(dòng)小型水泵，使海水通過Y型濾網(wǎng)后進(jìn)入密閉溫室中.密閉溫室內(nèi)層為蒸餾室.根據(jù)溫室效應(yīng)原理，照射到裝置頂部的太陽輻射能大部分透過透明的玻璃蓋板，小部分被玻璃蓋板反射或吸收.透過玻璃蓋板的太陽輻射能除小部分被水面反射外，其余大部分被進(jìn)入蒸發(fā)室的海水吸收，使海水溫度升高.同時(shí)，垂直軸風(fēng)力機(jī)致熱系統(tǒng)也會(huì)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)一步提升蒸發(fā)室溫度，加速海水蒸發(fā).海水蒸發(fā)后，一部分水蒸氣與蒸發(fā)室頂部的雙層玻璃相接觸.因玻璃蓋板吸收的太陽輻射能很少，且直接向大氣散熱，故頂蓋溫度低于水蒸氣溫度，因而水蒸氣會(huì)在頂蓋下表面處凝結(jié)并放出汽化潛熱.只要頂蓋有一合適的傾角，凝結(jié)水就會(huì)在重力作用下順頂蓋流入夾層中.這也是盤式太陽能海水淡化裝置的原理.還有一部分水蒸氣會(huì)和進(jìn)水管壁接觸，水蒸氣在管壁處釋放汽化潛熱，以達(dá)到預(yù)熱進(jìn)口海水和收集蒸發(fā)淡水的雙重作用.夾層中設(shè)有水位計(jì)，在適當(dāng)水位時(shí)啟動(dòng)凈水收集泵收集淡水.內(nèi)膽中設(shè)有鹽度傳感器，當(dāng)海水鹽度過高時(shí)，啟動(dòng)濃鹽水排出泵，將其中的濃鹽水排出，收集后也可進(jìn)一步加工.

2.3系統(tǒng)控制

圖3為該系統(tǒng)控制框圖.該系統(tǒng)設(shè)有控制部和存儲(chǔ)部.存儲(chǔ)部存儲(chǔ)海水水位閾值、淡水水位閾值

以及鹽度閾值；控制部分別與第一水位計(jì)、第二水位計(jì)以及鹽度傳感器連接，分別用于采集海水水位、淡水水位以及高濃度鹽水的鹽度.控制部還分別與抽吸泵、凈水收集泵以及濃鹽水排出泵連接.控制部可通過比較采集得到的海水水位和海水水位閾值控制抽吸泵補(bǔ)充水；還通過比較淡水水位和淡水水位閾值控制凈水收集泵進(jìn)行淡水的收集，以及通過比較鹽度和鹽度閾值控制濃鹽水排出泵進(jìn)行高濃度鹽水的排放.

調(diào)節(jié)推拉部中的沒入控制部分別連接測(cè)速編碼器、調(diào)節(jié)構(gòu)件以及沒入存儲(chǔ)部.沒入存儲(chǔ)部通過比較測(cè)速編碼器采集得到的轉(zhuǎn)速和沒入存儲(chǔ)部中的轉(zhuǎn)速閾值，控制調(diào)節(jié)構(gòu)件，從而通過驅(qū)動(dòng)軸改變攪拌片的沒入深度.

蓄電池分別與控制部、抽吸泵、凈水收集泵、濃鹽水排出泵、測(cè)速編碼器、沒入控制部以及調(diào)節(jié)構(gòu)件連接，用于供電.

3產(chǎn)水量估算

為估算該系統(tǒng)日產(chǎn)水量，假設(shè)：① 蒸餾前、后蒸餾器內(nèi)水量及溫度均無變化，水溫為20℃；② 蒸餾室尺寸為5 m×2 m×2 m，致熱用風(fēng)力機(jī)迎風(fēng)面積為6 m2（2 m×3 m）；③ 風(fēng)力機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)化為熱能的效率CP為35%，太陽能輻射吸收率為80%，來流風(fēng)速V為10 m·s-1，蒸餾器內(nèi)熱量利用率η為60%.

根據(jù)能量守恒原理可得

Qr+QW=Qi+Qo（1）

式中：Qr為太陽能所產(chǎn)生的熱量；QW為風(fēng)力機(jī)輸入熱量；Qi為海水蒸發(fā)所消耗的熱量；Qo為熱量耗散.

根據(jù)國(guó)家氣象中心發(fā)布的1981—2000年《中國(guó)氣象輻射資料年冊(cè)》[9]整理可得到各地太陽月平均輻照量.由此可得出上海市全年最大太陽輻照量為3.6 kW·h·m-2·d-1，則可求得該裝置可吸收太陽能為Qr=1.04×108 J·d-1.

風(fēng)力機(jī)輸入的熱量為

QW=12CPρV3At（2）

式中：ρ為空氣密度；A為迎風(fēng)面積；t為時(shí)間.

將該裝置相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2），可求得QW=1.17×108 J·d-1.

蒸發(fā)1 kg 20℃海水所需熱量

q=c（T0-T1）+qr（3）

式中：c為比熱容；qr為汽化潛熱；T0為蒸發(fā)溫度，此處為100℃；T1為水溫，此處為20℃.

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3）則可求得q=2.60×106 J·kg-1.

將以上結(jié)果代入式（1）可得平均日產(chǎn)水量為85 kg.與同樣大小的盤式太陽能蒸餾器相比，日產(chǎn)水量提高了一倍.

4結(jié)論

本文提供了一種新型太陽能、風(fēng)能聯(lián)合海水淡化裝置.該裝置可充分利用我國(guó)狹長(zhǎng)海岸線的海水與西北內(nèi)陸地區(qū)的苦咸水進(jìn)行淡化處理，無疑是一種緩解我國(guó)缺水現(xiàn)狀的可行途徑.該裝置具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）使用的能源為太陽能與風(fēng)能，均為可再生能源，且可自給自足，不需要外界輸入能源.

（2）由于該裝置所需的能源為太陽能和風(fēng)能，具有普遍存在性，故而可在各種環(huán)境下使用.既可用于我國(guó)西北地區(qū)苦咸水的淡化處理，也可用于我國(guó)沿海地區(qū)的淡水制備，還可用于四面環(huán)海的孤島制備淡水，甚至可用于深海漂浮式產(chǎn)水，應(yīng)用范圍特別廣泛.

（3）通常而言，陽光充足時(shí)風(fēng)力較小，而風(fēng)速較高時(shí)陽光較弱.該裝置實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光互補(bǔ)，克服了一般太陽能海水淡化裝置夜晚無法工作的缺點(diǎn)，使得產(chǎn)水量大大提升.

（4）該裝置可大可小，可根據(jù)實(shí)際需要定制.

（5）海水淡化的成本主要包括能耗、固定資產(chǎn)折舊和日常維護(hù)費(fèi)用.通常而言，能耗成本約占55%，折舊約占24%[10].由于該裝置不需要外界輸入能源，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，節(jié)約了能源成本和人力成本，使得淡水制備成本大大降低.

參考文獻(xiàn)：

[1]何梓年.太陽能熱利用[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

[2]李乃勝.當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展前沿[M].北京：中國(guó)海洋大學(xué)出版社，2004.

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[9]劉卓昶.光伏/風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電在高層建筑上的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].上海電力，2009（3）：196-201.

[10]高玉屏.我國(guó)現(xiàn)有技術(shù)條件下海水淡化成本構(gòu)成分析[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2013，21（1）：36-38.

2.3系統(tǒng)控制

圖3為該系統(tǒng)控制框圖.該系統(tǒng)設(shè)有控制部和存儲(chǔ)部.存儲(chǔ)部存儲(chǔ)海水水位閾值、淡水水位閾值

以及鹽度閾值；控制部分別與第一水位計(jì)、第二水位計(jì)以及鹽度傳感器連接，分別用于采集海水水位、淡水水位以及高濃度鹽水的鹽度.控制部還分別與抽吸泵、凈水收集泵以及濃鹽水排出泵連接.控制部可通過比較采集得到的海水水位和海水水位閾值控制抽吸泵補(bǔ)充水；還通過比較淡水水位和淡水水位閾值控制凈水收集泵進(jìn)行淡水的收集，以及通過比較鹽度和鹽度閾值控制濃鹽水排出泵進(jìn)行高濃度鹽水的排放.

調(diào)節(jié)推拉部中的沒入控制部分別連接測(cè)速編碼器、調(diào)節(jié)構(gòu)件以及沒入存儲(chǔ)部.沒入存儲(chǔ)部通過比較測(cè)速編碼器采集得到的轉(zhuǎn)速和沒入存儲(chǔ)部中的轉(zhuǎn)速閾值，控制調(diào)節(jié)構(gòu)件，從而通過驅(qū)動(dòng)軸改變攪拌片的沒入深度.

蓄電池分別與控制部、抽吸泵、凈水收集泵、濃鹽水排出泵、測(cè)速編碼器、沒入控制部以及調(diào)節(jié)構(gòu)件連接，用于供電.

3產(chǎn)水量估算

為估算該系統(tǒng)日產(chǎn)水量，假設(shè)：① 蒸餾前、后蒸餾器內(nèi)水量及溫度均無變化，水溫為20℃；② 蒸餾室尺寸為5 m×2 m×2 m，致熱用風(fēng)力機(jī)迎風(fēng)面積為6 m2（2 m×3 m）；③ 風(fēng)力機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)化為熱能的效率CP為35%，太陽能輻射吸收率為80%，來流風(fēng)速V為10 m·s-1，蒸餾器內(nèi)熱量利用率η為60%.

根據(jù)能量守恒原理可得

Qr+QW=Qi+Qo（1）

式中：Qr為太陽能所產(chǎn)生的熱量；QW為風(fēng)力機(jī)輸入熱量；Qi為海水蒸發(fā)所消耗的熱量；Qo為熱量耗散.

根據(jù)國(guó)家氣象中心發(fā)布的1981—2000年《中國(guó)氣象輻射資料年冊(cè)》[9]整理可得到各地太陽月平均輻照量.由此可得出上海市全年最大太陽輻照量為3.6 kW·h·m-2·d-1，則可求得該裝置可吸收太陽能為Qr=1.04×108 J·d-1.

風(fēng)力機(jī)輸入的熱量為

QW=12CPρV3At（2）

式中：ρ為空氣密度；A為迎風(fēng)面積；t為時(shí)間.

將該裝置相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2），可求得QW=1.17×108 J·d-1.

蒸發(fā)1 kg 20℃海水所需熱量

q=c（T0-T1）+qr（3）

式中：c為比熱容；qr為汽化潛熱；T0為蒸發(fā)溫度，此處為100℃；T1為水溫，此處為20℃.

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3）則可求得q=2.60×106 J·kg-1.

將以上結(jié)果代入式（1）可得平均日產(chǎn)水量為85 kg.與同樣大小的盤式太陽能蒸餾器相比，日產(chǎn)水量提高了一倍.

4結(jié)論

本文提供了一種新型太陽能、風(fēng)能聯(lián)合海水淡化裝置.該裝置可充分利用我國(guó)狹長(zhǎng)海岸線的海水與西北內(nèi)陸地區(qū)的苦咸水進(jìn)行淡化處理，無疑是一種緩解我國(guó)缺水現(xiàn)狀的可行途徑.該裝置具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）使用的能源為太陽能與風(fēng)能，均為可再生能源，且可自給自足，不需要外界輸入能源.

（2）由于該裝置所需的能源為太陽能和風(fēng)能，具有普遍存在性，故而可在各種環(huán)境下使用.既可用于我國(guó)西北地區(qū)苦咸水的淡化處理，也可用于我國(guó)沿海地區(qū)的淡水制備，還可用于四面環(huán)海的孤島制備淡水，甚至可用于深海漂浮式產(chǎn)水，應(yīng)用范圍特別廣泛.

（3）通常而言，陽光充足時(shí)風(fēng)力較小，而風(fēng)速較高時(shí)陽光較弱.該裝置實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光互補(bǔ)，克服了一般太陽能海水淡化裝置夜晚無法工作的缺點(diǎn)，使得產(chǎn)水量大大提升.

（4）該裝置可大可小，可根據(jù)實(shí)際需要定制.

（5）海水淡化的成本主要包括能耗、固定資產(chǎn)折舊和日常維護(hù)費(fèi)用.通常而言，能耗成本約占55%，折舊約占24%[10].由于該裝置不需要外界輸入能源，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，節(jié)約了能源成本和人力成本，使得淡水制備成本大大降低.

參考文獻(xiàn)：

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[8]郭新生，趙知辛，唐桂華.風(fēng)能-流體升壓節(jié)流致熱效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2004，25（2）：157-161.

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[10]高玉屏.我國(guó)現(xiàn)有技術(shù)條件下海水淡化成本構(gòu)成分析[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2013，21（1）：36-38.

2.3系統(tǒng)控制

圖3為該系統(tǒng)控制框圖.該系統(tǒng)設(shè)有控制部和存儲(chǔ)部.存儲(chǔ)部存儲(chǔ)海水水位閾值、淡水水位閾值

以及鹽度閾值；控制部分別與第一水位計(jì)、第二水位計(jì)以及鹽度傳感器連接，分別用于采集海水水位、淡水水位以及高濃度鹽水的鹽度.控制部還分別與抽吸泵、凈水收集泵以及濃鹽水排出泵連接.控制部可通過比較采集得到的海水水位和海水水位閾值控制抽吸泵補(bǔ)充水；還通過比較淡水水位和淡水水位閾值控制凈水收集泵進(jìn)行淡水的收集，以及通過比較鹽度和鹽度閾值控制濃鹽水排出泵進(jìn)行高濃度鹽水的排放.

調(diào)節(jié)推拉部中的沒入控制部分別連接測(cè)速編碼器、調(diào)節(jié)構(gòu)件以及沒入存儲(chǔ)部.沒入存儲(chǔ)部通過比較測(cè)速編碼器采集得到的轉(zhuǎn)速和沒入存儲(chǔ)部中的轉(zhuǎn)速閾值，控制調(diào)節(jié)構(gòu)件，從而通過驅(qū)動(dòng)軸改變攪拌片的沒入深度.

蓄電池分別與控制部、抽吸泵、凈水收集泵、濃鹽水排出泵、測(cè)速編碼器、沒入控制部以及調(diào)節(jié)構(gòu)件連接，用于供電.

3產(chǎn)水量估算

為估算該系統(tǒng)日產(chǎn)水量，假設(shè)：① 蒸餾前、后蒸餾器內(nèi)水量及溫度均無變化，水溫為20℃；② 蒸餾室尺寸為5 m×2 m×2 m，致熱用風(fēng)力機(jī)迎風(fēng)面積為6 m2（2 m×3 m）；③ 風(fēng)力機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)化為熱能的效率CP為35%，太陽能輻射吸收率為80%，來流風(fēng)速V為10 m·s-1，蒸餾器內(nèi)熱量利用率η為60%.

根據(jù)能量守恒原理可得

Qr+QW=Qi+Qo（1）

式中：Qr為太陽能所產(chǎn)生的熱量；QW為風(fēng)力機(jī)輸入熱量；Qi為海水蒸發(fā)所消耗的熱量；Qo為熱量耗散.

根據(jù)國(guó)家氣象中心發(fā)布的1981—2000年《中國(guó)氣象輻射資料年冊(cè)》[9]整理可得到各地太陽月平均輻照量.由此可得出上海市全年最大太陽輻照量為3.6 kW·h·m-2·d-1，則可求得該裝置可吸收太陽能為Qr=1.04×108 J·d-1.

風(fēng)力機(jī)輸入的熱量為

QW=12CPρV3At（2）

式中：ρ為空氣密度；A為迎風(fēng)面積；t為時(shí)間.

將該裝置相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2），可求得QW=1.17×108 J·d-1.

蒸發(fā)1 kg 20℃海水所需熱量

q=c（T0-T1）+qr（3）

式中：c為比熱容；qr為汽化潛熱；T0為蒸發(fā)溫度，此處為100℃；T1為水溫，此處為20℃.

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3）則可求得q=2.60×106 J·kg-1.

將以上結(jié)果代入式（1）可得平均日產(chǎn)水量為85 kg.與同樣大小的盤式太陽能蒸餾器相比，日產(chǎn)水量提高了一倍.

4結(jié)論

本文提供了一種新型太陽能、風(fēng)能聯(lián)合海水淡化裝置.該裝置可充分利用我國(guó)狹長(zhǎng)海岸線的海水與西北內(nèi)陸地區(qū)的苦咸水進(jìn)行淡化處理，無疑是一種緩解我國(guó)缺水現(xiàn)狀的可行途徑.該裝置具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）使用的能源為太陽能與風(fēng)能，均為可再生能源，且可自給自足，不需要外界輸入能源.

（2）由于該裝置所需的能源為太陽能和風(fēng)能，具有普遍存在性，故而可在各種環(huán)境下使用.既可用于我國(guó)西北地區(qū)苦咸水的淡化處理，也可用于我國(guó)沿海地區(qū)的淡水制備，還可用于四面環(huán)海的孤島制備淡水，甚至可用于深海漂浮式產(chǎn)水，應(yīng)用范圍特別廣泛.

（3）通常而言，陽光充足時(shí)風(fēng)力較小，而風(fēng)速較高時(shí)陽光較弱.該裝置實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光互補(bǔ)，克服了一般太陽能海水淡化裝置夜晚無法工作的缺點(diǎn)，使得產(chǎn)水量大大提升.

（4）該裝置可大可小，可根據(jù)實(shí)際需要定制.

（5）海水淡化的成本主要包括能耗、固定資產(chǎn)折舊和日常維護(hù)費(fèi)用.通常而言，能耗成本約占55%，折舊約占24%[10].由于該裝置不需要外界輸入能源，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，節(jié)約了能源成本和人力成本，使得淡水制備成本大大降低.

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