淺談海水淡化暨多功能發(fā)電系統(tǒng)的可行性

余雯羨

摘 要：進(jìn)入21世紀(jì)，由于化石能源與水資源短缺，世界面臨的資源壓力越來越大。解決水資源短缺的有效途徑之一便是海水淡化，在海水淡化的同時(shí)，將其他形式能量（溫差能、鹽差能、太陽能）轉(zhuǎn)化為電能，電能一方面可供海水淡化過程使用，另外可供附近居民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用。相對(duì)于現(xiàn)有的海水淡化系統(tǒng)，本系統(tǒng)充分體現(xiàn)了節(jié)能減排的理念，具有一定優(yōu)勢(shì)，有較好的市場(chǎng)推廣前景。

關(guān)鍵詞：海水淡化；鹽差發(fā)電；溫差發(fā)電；多級(jí)閃急蒸餾

中圖分類號(hào)： P747 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）11-160-2

1 研制背景

由于海水淡化技術(shù)存在著成本高、能耗高等問題，所以未能全面推廣，但海洋是巨大的能源庫(kù)，海水中的含鹽量為3.5%，我國(guó)沿海鹽差能理論功率約為1.25×108kW。海洋溫差能是海洋能中密度較高的一種能量，它主要分布在熱帶與亞熱帶海域，太陽注入地球表面用于加熱海面表層海水的能量換算為電功率約為678 kW， 1000m及以下的深層海水與表層海水之間存在著大于20℃的溫差，若用這種溫差發(fā)電的話，將大大節(jié)約能源[1]。現(xiàn)有的多級(jí)閃蒸海水淡化裝置，不經(jīng)預(yù)處理即可直接處理高含鹽量海水（35000～40000mg/L），簡(jiǎn)化了水處理系統(tǒng)。

2 工作原理

首先通過抽水泵抽取海水經(jīng)過過濾到多級(jí)閃急蒸餾室進(jìn)行蒸餾，蒸餾的淡水經(jīng)冷凝儲(chǔ)存在淡水收集池，析出的鹽溶液流至高濃度鹽水池；同時(shí)海水在反滲透作用下產(chǎn)出淡水，流至淡水收集池；蒸餾室利用太陽能日照升溫，高溫水蒸氣的溫度與抽水泵抽出的深層冷海水溫度相比，溫差較大，在各段的溫差發(fā)電室進(jìn)行溫差發(fā)電，發(fā)電效率比單純海洋表面海水和海底海水高[6]；類似，高濃度鹽水池中的鹽水與淡水池中的淡水的濃度差增大，可提高鹽差發(fā)電的發(fā)電效率；在本系統(tǒng)空余空間裝設(shè)太陽能發(fā)電裝置，充分利用裝置的空間和新能源。本系統(tǒng)發(fā)出的電能可供海水淡化使用，剩余電能可供附近居民生產(chǎn)生活實(shí)用；蒸餾淡化過程產(chǎn)生的鹽及礦物離子提供生產(chǎn)生活所需。

3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 淡水產(chǎn)出率

如圖1[3]所示，給出2、5點(diǎn)處的溫度和壓強(qiáng)，可以查得對(duì)應(yīng)流體的熱力學(xué)參數(shù)值：

3.2 溫差發(fā)電

為了方便計(jì)算輸出功率，我們做了以下假設(shè)：①輸出電流為穩(wěn)恒電流；②半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的側(cè)面絕熱；③忽略輻射和冷熱端之間的空氣對(duì)流的影響；④半導(dǎo)體溫差發(fā)電片內(nèi)部導(dǎo)熱系數(shù)不變。由此解得輸出功率為：

p=（SKTK-SCTC）I-τIΔT-I2R （式1）[3]

式（1）中，τ為湯姆遜系數(shù)；R表示器件總電阻；等號(hào)的右端（SKTK-SCTC）為帕爾帖熱，I2R為焦耳熱，τIΔT為湯姆遜熱。

功率匹配條件：RL=R，得出最大輸出功率：

PMAX=（SKTK-SCTC）2/4R （式2）[3]

一般情況下，海平面以下500米的深層海水溫度與經(jīng)過加熱之后的表層海水溫度，兩者相差70～80℃左右，而熱帶海洋的溫差則更為明顯。以溫差為20℃，效率3%來計(jì)算，可得出每升海水含有的凈有用能量為80×3%×4.18×1000=10kJ（即產(chǎn)生10kw的發(fā)電功率需每秒抽取一升海水）現(xiàn)以每秒取0.047立方米的海水為例，通過計(jì)算可知發(fā)出的功率為119.4kw，而且該過程是連續(xù)發(fā)電，并在發(fā)電的同時(shí)，生產(chǎn)出24kg/kWh的淡水，經(jīng)轉(zhuǎn)換可得119.4kw的發(fā)電功率，每小時(shí)可以同時(shí)生產(chǎn)出2.82噸的淡水（即1000m3的海水產(chǎn)生1.52×105kW·h）

3.3 鹽差發(fā)電發(fā)電量

在不考慮噴嘴效率、機(jī)械效率以及蒸汽阻力等影響因素的理想條件下。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子達(dá)到平衡時(shí)，理論發(fā)電量的計(jì)算公式為：

P=mih2-2m0h5=2×m（c-c） （式3）[2]

將m=mi（m0為噴嘴出口流體的質(zhì)量流），cn=rω-帶入式（3）得：

P=mi（h2-h5）=m（c-）2 （式4）[2]

其中，mi為發(fā)電機(jī)入口海水質(zhì)量流，Pa是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa，N是噴嘴轉(zhuǎn)速，r/min，cn為噴嘴線速度m/s，c為噴嘴出口海水相對(duì)速度m/s

由式（3）可以看出，在理想條件下系統(tǒng)的電能與海水的動(dòng)能由海水的焓降轉(zhuǎn)化而來，因此應(yīng)盡量減少海水那部分的動(dòng)能，從而獲得更多的電能，即盡量使c=cn。若取mi=0.1kg/s，同時(shí)將典型熱力學(xué)值帶入式（4）得每秒最大發(fā)電量：

Pm=0.1×（313.93-298.15）=1.578kW

即發(fā)電量為5680.8kW·h/m3，100噸水通過鹽差發(fā)電可發(fā)出5.68×108kW·h的電。

隨著太陽光照射海水表面，海水溫度急劇上升，淡水產(chǎn)出率和發(fā)電量也成比例上升。淡水生成率與熱海水溫度關(guān)系基本與理論結(jié)果一致成線性關(guān)系，并且要略高于理論值。

3.4 多級(jí)閃急蒸餾能耗

從熱力學(xué)可知，恒溫狀態(tài)時(shí)，從滲透和反滲透現(xiàn)象圖可得化學(xué)位μ（Δp）公式：

μ（Vp）=μ0（Vp）+RT1nα （式5）[4]

式中Δp是加在膜一側(cè)的壓力，R是氣體常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，α為溶液活度。滲透壓ΔΠ公式由滲透平衡可推導(dǎo)出：

ΔΠ=1nα≈nRT （式6）[4]

V—偏摩爾體質(zhì)，n—稀溶液的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從溶液一側(cè)向溶劑側(cè)傳遞純水體質(zhì)ΔV時(shí)需要做功Δ W，從而我們可以推出任意濃度的溶液分離所需的最小能量為：

dW=ΔW=-ΔΠΔV=-ΔΠdV （式7）[4]

綜上所述，在恒溫情況下海水淡化最低能耗為0.7kW·h/m3左右。以100噸淡水為單位時(shí)，需消耗70000度電。

3.5 太陽能發(fā)電系統(tǒng)

系統(tǒng)裝機(jī)容量為25MW，實(shí)際年平均日照約8小時(shí)，除去系統(tǒng)損耗等，得系統(tǒng)總效率約為80%。根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算，得出系統(tǒng)年平均發(fā)電量為：25×8×365×80%=5.84×107度。

4 應(yīng)用及前景

海水淡化暨多功能發(fā)電系統(tǒng)可提供附近地區(qū)居民的飲用水需求及電能需求，特別對(duì)于海島、沿海地區(qū)和沙漠地區(qū)的居民，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)生活淡水與電能的自給自足，可實(shí)現(xiàn)在海島進(jìn)行農(nóng)作物種植，使沙漠成為綠洲；此外，海水淡化過程中可以提取大量的鎂、溴、碘等離子，可供化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)使用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 封光，鐘爽.海洋溫差發(fā)電的研究現(xiàn)狀與展望[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（02）.

[2] 胡以懷，紀(jì)娟.海水鹽差能發(fā)電技術(shù)的試驗(yàn)研究[J].能源工程，2009（05）.

[3] 張鵬，曾狄根，黃學(xué)章.半導(dǎo)體溫差發(fā)電在工業(yè)余熱利用中的可行性分析[J]，2009（12）.

[4] 詹紅菱.反滲透（SWRO）海水淡化高壓[J].中國(guó)建設(shè)信息（水工業(yè)市場(chǎng)），2009（10）.

[5] 楊歡.多級(jí)閃蒸技術(shù)在海水淡化中的應(yīng)用[D].武漢大學(xué)土建學(xué)院，2006.

[6] 李相發(fā).反滲透海水淡化遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].杭州電子科技大學(xué)，2012.