頂置加熱面太陽能海水淡化裝置設計理論及其應用

摘要 根據頂置加熱面太陽能海水淡化裝置的結構特點和構建材料性能，用透光率、光熱轉換效率、絕熱效率、回熱效率量化表達了各因素對太陽能利用率的影響，推導出太陽能利用率理論計算公式。在此基礎上，創立了頂置加熱面太陽能海水淡化裝置設計理論。為此，將同一時間內被回收利用的冷凝熱量與冷凝熱總量的比率定義為回熱效率。采用普通材料，太陽能利用率就能達到73％左右。突破了引渤入疆工程的瓶頸技術。頂置加熱面太陽能蒸發技術在海水淡化、污水處理、工農業生產等領域有廣闊應用前景，具備了大面積推廣應用的技術經濟條件。

1、引言

太陽能海水淡化技術發展至今，還沒有太陽能利用率超過50％的可行技術。頂置加熱面太陽能蒸發技術將打破這種僵局，實現技術飛躍。采用普通光熱材料絕熱材料，太陽能利用率就能達到73％左右。《被動式太陽能海水淡化技術路線解析》闡明了頂置加熱面太陽能蒸發技術將加熱面、蒸發面、冷凝面自上而下依次設置的優越性；揭示了盤式太陽能海水淡化技術是全程起點，太陽能界面蒸發技術是當前研究熱點，頂置加熱面太陽能蒸發技術將是全程終點的被動式太陽能海水淡化技術發展規律；開辟了一種高效率低成本的太陽能海水淡化技術路線[1]。在該技術領域，已經注冊了多項中國發明專利[2][3][4]。太陽能的利用途徑是太陽光透過透光材料在光熱板上轉換成熱量加熱光熱板下面的水，使海水蒸發成蒸汽并冷凝成淡水。在此過程中，陽光透過透光材料有能量損失，光熱轉換有能量損失，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、光熱轉換效率、絕熱效率表述。頂置加熱面太陽能海水淡化裝置部分冷凝熱透過海水罐壁加熱海水得到回收利用，能提高太陽能利用率。將同一時間內被回收利用的冷凝熱量與冷凝熱總量的比率定義為回熱效率。太陽能利用率是透光材料透光率、光熱轉換效率、絕熱效率和回熱效率綜合作用效果的體現。

2、太陽能利用率理論計算公式

頂置加熱面太陽能蒸發技術妥善解決了太陽能海水淡化技術必須解決的光熱轉換、海水蒸發、蒸汽冷凝這三個問題。太陽能利用率是評價解決這三個問題的指標。透光材料、光熱材料、絕熱材料性能是太陽能利用率主要影響因素。其影響程度可用材料性能參數量化表達。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10％，也就是絕熱效率在90％以上。回熱效率的主要影響因素是海水罐側面的換熱片回收冷凝熱加熱海水狀況。回熱效率目前還沒有量化數據。

設太陽能利用率為η、玻璃透光率為T、光熱轉換效率為η1、絕熱效率為η2、回熱效率為η3，有關系式（1）：

η=Tη1η2 （1+η3） （1）

將一組玻璃透光率、光熱轉換效率、絕熱效率、回熱效率數據代入關系式（1），就計算出相應的太陽能利用率。

3、頂置加熱面太陽能海水淡化裝置設計理論計算

頂置加熱面太陽能海水淡化裝置結構，縱向自上而下是平板玻璃、光熱板、冷凝器內膽、隔熱層、海水罐、冷凝器底面；橫向由內到外是海水罐、冷凝器內膽、隔熱層、冷凝器側面。海水罐側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膽兩個端面。冷凝器內至少有一個海水罐[3]。相鄰海水罐相距1米左右。太陽光透過平板玻璃在光熱板上轉換成熱量加熱海水蒸發成蒸汽。蒸汽在海水罐側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環節：一是光透過平板玻璃的光損失，用透光率量化；二是光在光熱板上轉換成熱量的損失，用光熱轉換效率量化；三是熱量從光熱板和冷凝器內膽向外傳遞的損失，用絕熱效率量化。蒸汽冷凝所放冷凝熱被海水回收利用，用回熱效率量化。頂置加熱面太陽能海水淡化裝置設計步驟如下：

1、根據采用平板玻璃的透光率、光熱板的光熱轉換效率、光熱板冷凝器內膽的絕熱效率以及回熱效率，計算太陽能利用率。

2、根據設計淡水產量、太陽光照強度、太陽能利用率計算光熱板面積。

3、根據光熱板面積，按相鄰海水罐相距1米和海水罐長度計算海水罐數量。

4、配套的海水供給和濃海水外排設施設計。

作為實例，按照上述設計步驟設計一臺光熱板長0.9米寬0.4米面積0.36平方米的太陽能海水淡化裝置樣機。

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％；保守估計海水罐側面換熱片回收10％冷凝熱，η3取10％。將上述數據代入關系式（1）：

η=0.82*0.9*0.9（1+0.1）=0.73

太陽能利用率η為73％。采用性能更好的材料，太陽能利用率η有一定提升空間。

2、作為試驗樣機，光熱板面積取0.36平方米。

3、光熱板長0.9米寬0.4米厚0.001米，冷凝器內只有一個海水罐。冷凝器長1.0米寬0.5米高0.2米，冷凝器內膽長0.9米寬0.4米高0.12米。

根據上述數據，制作成功世界首臺頂置加熱面太陽能海水淡化裝置樣機。

4、應用前景展望

頂置加熱面太陽能蒸發技術在海水淡化、污水處理、工農業生產等領域有廣闊應用前景。

在海島，建筑物頂面海面可建設固定或移動的太陽能海水淡化裝置，土地資源高效利用。全島建成一套淡水生產供應基礎設施。

在沿海，曬鹽田、沙灘地、灘涂地及養殖業用地，在不嚴重影響原土地用途的前提下，可支高架安裝太陽能海水淡化裝置。在生產淡水的同時，發展鹽化產業，實現海水資源綜合利用。

在沙漠，太陽能豐富，將海水引入后利用太陽能淡化。用淡水發展當地工業農業，足以將沙漠改造成適宜人類生存的地區。推廣應用頂置加熱面太陽能蒸發技術，引渤入疆工程完全可以實現。引渤入疆工程的瓶頸技術就是大規模低成本太陽能海水淡化技術。

在水質性缺水地區，利用太陽能將不符合飲用水標準的水處理成合格飲用水。例如中國西北地區，太陽光照強，苦咸水豐富。采用太陽能海水淡化技術能解決缺水問題。

太陽能豐富地區，工業廢水、生活污水、油田水都可以通過太陽能蒸發技術實現無害化處理。例如新疆的油田水就可以用太陽能蒸發濃縮后回注地層，降低回注成本。

5、結論

根據頂置加熱面太陽能海水淡化裝置的結構特點和構建材料性能，透光材料、光熱材料、絕熱材料、冷凝熱回收方式決定太陽能利用率。透光率、光熱轉換效率、絕熱效率、回熱效率量化表達了各因素對太陽能利用率的影響。據此推導出太陽能利用率理論計算公式。在此基礎上，創立了頂置加熱面太陽能海水淡化裝置設計理論。采用透光率82％的普通玻璃，光熱轉換效率90％的炭黑，絕熱效率取90％，回熱效率取10％，頂置加熱面太陽能蒸發技術的太陽能利用率將達到73％。實現了太陽能利用率從不超過50％到70％以上的跨越。具備了大面積推廣應用的技術經濟條件。

致謝：感謝南京大學徐煒超的幫助。

參考文獻

［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能海水淡化裝置［P］中國專利公報2020

［3］孔令斌一種大型被動式太陽能海水淡化裝置［P］中國專利公報2022

［4］孔令斌一種具有蒸發室冷凝室的太陽能海水淡化裝置［P］ 中國專利公報2022

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