太阳能光热-光电海水淡化装置设计开题报告

1.1、课题研究的目的和意义

当前，随着人类社会经济的不断发展，世界范围的淡水缺乏问题日益严峻，特别是沿海地段人口密集的国家和地区推动者海水淡化装置不断往大型化、高效率、低能耗和低成本的方向发展。另一方面，在内陆苦咸水地区、海岛和船舶等特殊的条件下，中小型的海水（苦咸水）淡化装置的应用也极为广泛。因为中小型的海水（苦咸水）一般有着结构简单和便于维护的优点，所以为一些特殊要求所制造的中小型海水淡化装置就会有比较好的发展方向和发展前景。同时海洋上小型移动载具（如救生艇）为了保证淡水储备和可持续性，开始在艇上配备海水淡化装置，而且由于能源匮乏的问题，现在的船舶开始往绿色能源的方向发展，那么在救生艇上的海水淡化装置通过利用太阳能来进行海水淡化就显得极具发展前景。

在海上获取淡水除了常规的措施之外，一条有效的途径就是进行海水的淡化。从海水中取出淡水或者去除盐分都可以达到海水淡化的目的。目前船用海水淡化装置多用蒸馏法和反渗透法。而在能源方面由于现在推行绿色能源，同时节约能源就是节约成本，船舶上使用多级闪蒸的海水淡化装置究其原因也是为了能够利用船上废热和蒸汽，以便节约能源。太阳能有其可独立运行，不受蒸汽、电力制约的现状，无污染、低能耗，运行安全稳定可靠，不消耗石油、天然气、煤炭的优点，而在救生艇这个能源更加匮乏的空间里，利用太阳能实现海水淡化就显得极为有意义。常见的太阳能利用方法多是利用太阳能光热进行蒸馏，但是通过现在的太阳能光伏发电可以看到，太阳能的光电也是极具前景，如果在救生艇上通过光热光电的结合提高太阳能的利用效率加快海水淡化产出淡水的速率，对于海上救生艇生存是极为有意义的。

为了保证海上救生艇的淡水充裕和人员存活率，加装小型海水淡化装置，提高海水淡化效率和质量是非常有意义的。那么利用太阳能的光热和光电效应建立一个无污染、低能耗，运行可靠的海水淡化装置就具有十分重要的现实意义。

1.2.国内外的研究现状

海水淡化是指将海水中的盐分除去，获得淡水的过程。近代，在西方航海的发展下，海水淡化装置出现了，到了19世纪，就有了利用明火直接加热的船用蒸馏器。然而到了20世纪50年代开始，陆续形成了蒸馏法、电渗析法和反渗透法等现代海水淡化技术。

一直到80年代中期，国外船用海水淡化装置全部采用的是蒸馏法。直到现在，民船市场还是蒸馏法的海水淡化装置作为主导产品。而在国内近几年反渗透海水淡化装置的组装技术相对成熟，更多的使用反渗透法的海水淡化装置进行装船[1]。

到了现在，由于全世界的能源匮乏，环保绿色、无污染这些概念越来越具有发展，所以绿色能源开始在船舶上兴起，其中最为常用的就是太阳能。而太阳能的海水淡化技术在我国也有良好的研究基础。早期的太阳能蒸馏系统主要为被动式太阳能蒸馏系统（盘式太阳能蒸馏器）。在上世纪整个80年代至90年代初期，这个阶段是中国太阳能海水淡化技术的起步阶段，当时的太阳能热的利用也是在起步状态，多用于太阳能热水器等，而太阳能海水淡化技术的研究基本集中在单级盘式太阳能蒸馏器上。到了上世纪90年代初到90年代末，开始认识到了单级盘式太阳能蒸馏器的缺陷，开始实验多级迭盘式太阳能蒸馏器以及其他回收水蒸气潜热的太阳能蒸馏器。到了现在，开始选择主动式（加有动力，如水泵或风机等）的太阳能蒸馏器。直接产生了多级闪蒸式和多级降膜多效回热式等许多新颖的太阳能海水淡化装置。

例如，在太阳能光热海水淡化系统应用研究[2]中，就有使用太阳能光热产蒸汽系统和海水淡化系统，将高温蒸汽和海水淡化装置在集成系统中加以融合，实现一种太阳能光热海水淡化系统，以风力发电作为辅助的系统。还有在太阳能与废热结合的渔船应用[3]中,设计了一种利用柴油机尾气废热与太阳能相结合的海水淡化装置，以太阳能集热预热海水，柴油机废热作为热源进行海水淡化。

而且在针对太阳能装置上也有不同的进展，如真空沸腾式太阳能海水淡化装置[4]，是一个由太阳能分体承压系统集热、供热的单级负压蒸馏系统，采用真空管集热器供热，光电组件供电，苦咸水或海水充当冷却水源，不使用任何常规能源和水源的装置。还有基于空气增湿-除湿海水淡化技术，有增湿-除湿太阳能海水淡化装置实验研究[5]和利用太阳能的小型海水苦咸水淡化装置的研究[6]以及结合太阳能空气集热器的海水淡化装置的研究[7]中，前者采用曝气管将热空气曝入到太阳能热水器水箱中的增湿方法以提高淡水产率，次者提出了一种结合平板型太阳能空气集热器和热管式真空集热管，利用热管式真空集热管组加热蒸馏器内的海水或苦咸水，也是通过曝气装置是热空气以微气泡的形式与海水进行换热，实现空气的增湿，后者就利用太阳能集热器中的热空气进行增湿-除湿，通过比较几种试验方案，确定了增湿除湿的方案的可行性。又有为了避免使用其它动力装置利用太阳能进行海水淡化，同时克服传统盘式蒸馏器海水厚度大、热容量大升温慢、潜热无重复利用等缺点，提出了多效竖板降膜蒸发太阳能海水淡化技术[8]。同时对于低温多效太阳能海水淡化装置的研究[9]和小型太阳能低温多效海水淡化的研究[10]，前者提出了四效塔式太阳能海水淡化装置，获得了生产成本确实优于电加热模式的结论，后者通过对所设计的五效低温多效海水淡化装置的组成部分进行建立数学模型，在参数上可以分析出顺流流程和并流流程的优劣情况。还有太阳能海水淡化装置性能研究[11]中，也通过对于太阳能四效蒸馏低温海水淡化装置的分析，获得在不同热水温度下，系统的运行情况。在传统的太阳能集热利用中，管式太阳能海水淡化装置的研究[12]和集约化多级回热式太阳能海水淡化装置[13]都是一个标准的集热方式，前者利用太阳能或者其它余热驱动进行海水淡化，后者设计了一种由多个集热单元组成的小型集约化多级回热来进行海水淡化。还有一些比较特殊的方法，如基于鼓泡蒸发和露点蒸发机理的鼓泡蒸发式太阳能海水淡化装置[14]。最后在太阳能—风能多级鼓泡增湿去湿海水淡化技术[15]中，更是将太阳能和电能（由太阳能和风能转化而来）进行供能，调整引风量等一些操作条件，从单效和多效两个方面进行研究，设计了一种多级鼓泡增湿去湿海水淡化装置。

但是，现在海水淡化方法并不是只有蒸馏法，还有许多在海水淡化的设计上利用了反渗透法，在能源设计上选择其它的废弃能源、清洁能源或者两者的结合使用。如在设计光伏反渗透海水淡化装置[16]中,设计了基于光伏供能与能量回收的低能耗海水淡化系统，并使用反渗透淡化技术可以有系统体积小和运行工艺简单的优点。还有小型风光互补反渗透海水淡化装置[17]和风光互补反渗透海水淡化系统[18]研究中，前者介绍了风光互补供电海水淡化装置原理并说明通过配置高效能量回收装置以及反渗透技术在小型装置上的良好运用可以用于为小集体提供必要的淡水，后者着重的详细的描述了完整的风光互补反渗透海水淡化系统的组成和工作原理，以实现系统功能的同时降低成本。

传统海水淡化装置在不依靠新能源的前提下，针对海水淡化装置的设计更多的就集中在结构和海水淡化技术的变化。如船用复合型海水淡化装置设计[19]，其中将船舶真空沸腾式制淡和反渗透膜制淡两种技术整合到一起，利用真空沸腾式产水含盐量少和反渗透法制淡产水量大，优势互补，设计了一种复合式海水淡化装置。同时在小型多功能热泵式海水淡化装置的设计[20]中，考虑到普通真空闪蒸在小型船只的淡水供应上有能耗问题，就通过热泵系统和真空系统的组合匹配，一方面利用热泵热回收低能耗造淡水，另一方面可以用来冷却食物，实现了功能多样化。在能耗问题上，抛开新能源，在小型海水淡化装置的设计[21]和船舶烟气余热海水淡化装置设计[22]中，都是在利用船舶的废气余热作为热源进行海水淡化，所以能源上的问题也基本上往节能环保方面发展。

在国外的新能源海水淡化装置的研究上，太阳能光热的利用在国外也是主要研究的方向，如在研究太阳能集热技术的方面，考虑到多级闪蒸、多效蒸馏、蒸汽压缩和反渗透法使用常规能源作为动力源既没有环保性也没有经济性，就利用太阳能集热作为动力源，而其中突出的方法就是使用吸收式热变换器[23]。而且还有在对于一些少量需求淡水的区域建立的低容量海水淡化系统，也是利用太阳能光热作为驱动源[24]。也有利用集成混合动力系统来进行海水淡化的，通过热能代替电能，降低电力需求，减少传统能源需求，结合太阳能光伏和四效吸收式制冷系统，形成一个高效的海水淡化系统[25]。还有空气加湿除湿海水淡化技术对于小容量水厂是一个比较良好的技术和可持续能源有效的整合可以在低温状态下有比较良好的操作性[26]。但是在小型移动载具上，太阳能光伏就必须要更加完全的利用，那么在研究太阳能的光热进行海水淡化的情况下，同时要将太阳能光电产生的电能完美的融合到其中，这样才能保证在小型移动载具上的海水淡化装置能够具有较好的经济性、高效性和环保性。

所以本文针对海上小型移动载具（救生艇）的空间狭小，能源匮乏的问题，提出了一种可以在救生艇上安装使用的海水淡化装置。该装置通过利用海上最为充足的太阳能作为动力源，利用光热进行集热的同时，利用光电加快整个装置海水转化的效率和质量，并且提高了太阳能整体的利用率，脱离其他的传统能源，简化救生艇上能源利用。保证这个装置的经济性和适用性。而且初期的小型化设计帮助在救生艇上可以良好的安装，并拥有其作为小型装置的结构简单便于维护管理的优点。在多个方面上，为保证海上淡水供应做出比较完善的措施。

2.1.研究内容

针对现在已有研究的现状，分析和设计利用太阳能光热光电的多级操作实现简单效率的海水淡化装置的设计。

（1）根据海水淡化装置的基本模型作为基础，研究适用于救生艇的小型太阳能海水淡化装置，并建立仿真模型。

（2）探究在救生艇上的海水淡化装置使用不同海水淡化方法的差异性，选择和分析最佳的方案，并且对不同的方案进行模拟。

（3）研究太阳能在光热部分以及光电部分的结构选择，比较和判断不同结构下的优异性，并对不同结构进行参数计算和三维建模，选定优质方案。

（4）综合选择光热和光电的最佳配比，通过数据和图形以及实物方案确定出在救生艇上最合适太阳能海水淡化装置的设计方案。

2.2.技术方案

（1）查阅相关资料，通过国内外文献基本了解海水淡化装置和太阳能技术的发展进程，并详细的学习太阳能光伏发电系统的原理，海水淡化的原理和海水淡化装置的基本结构特性。

（2）熟悉船舶海水淡化装置和陆地用海水淡化装置的结构原理，了解不同太阳能光热技术和光电技术的运行模式。并对不同的模式和原理进行总结比较。

（3）依据文献中不同的海水淡化装置，对所需求的海水淡化装置进行初步的原理性设计。学习CAD，通过计算和数据分析，建立海水淡化装置的完整的三维几何模型。

（4）根据CAD中的三维建模模型，设计并搭建出实物的太阳能光热—光电海水淡化装置。通过实物装置和三维模型的比较，进行初步的装置性能评价。

（5）依据实物装置，在太阳能光热的利用率、海水冷凝效率、太阳能光电加热效率等方面进行测试获得基本数据，以确定装置的基本性能。

（6）通过对太阳能光热-光电海水淡化实物装置的淡水产能、能耗、稳定性等方面进行详细测试和比较，调整装置，确定最终方案。

（7）通过对最终的方案的数据测试和性能测试，不断修改完善论文初稿，完成论文设计。

3.进度计划

第1-3周：完成开题报告；

第4-5周：完成英文参考文献的翻译；

第6-9周：深入了解光伏发电、电能控制和海水淡化装置的基本原理；

第10-12周：学习CAD仿真软件，设计太阳能海水淡化装置的总体框架并做出实物制作的具体方案；

第13－15周：整理完成论文和答辩。

4.参考文献

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