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1、太阳能光热-光电空气隙膜蒸馏系统实验研究摘 要：针对传统苦咸水淡化中的高能耗问题，本实验利用自主设计的太阳能光热-光电空气隙膜蒸馏系统，研究了连续9小时和24小时两种运行工况下热电参数对膜通量的影响，计算了系统运行的稳定性和集热面积与膜面积的最优匹配情况。结果表明：系统白天连续9小时运行的最大膜通量为5.84kg/(m2h)，总产水量为1.8079kg，理论日产水量可达4.83kg/(m2h)，单位产水热耗为495.3 kwh/m3；连续24小时运行的最大膜通量为13.07 kg/(m2h)，总产水量为2.9931kg，理论日产水量为71.95 kg/(m2d)，单位淡水热耗为1095.1 k
2、wh/m3。依靠太阳能驱动膜蒸馏组件是稳定可行的，按照系统连续9小时的产水量，需要三套实验中的太阳能系统配备总面积为0.1248m2的平板膜，实际产水7.42L/d来满足3口之家6L日常饮用水的需求。关键词：太阳能光热-光电；空气隙膜蒸馏；光热参数；膜通量基金项目：风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室开放基金（No.51266007）0前言随着全球人口增长和生活水平的提高，人类对能源与淡水资源的需求不断增加，由于化石燃料不可再生且对环境造成污染，发展可再生能源成为新的趋势。太阳能作为一种清洁能源，可以为膜蒸馏系统提供动力以满足人类对淡水资源的需求。我国淡水资源匮乏，而中西部地区苦咸水资源
3、丰富，利用海水、苦咸水淡化技术获取淡水资源增加淡水总量，具有重要的社会经济效益。膜蒸馏是一种新型的海水、苦咸水淡化技术，利用跨膜温差导致的蒸汽压差推动热料液中的挥发性组分以蒸汽形式透过膜孔，实现料液分离 1-3。传统膜蒸馏系统冷端采用机械制冷方式提供冷量，热端采用电加热方式给料液提供热量，耗能高4-6。空气隙膜蒸馏系统具有热效率高、产品计量准确的特点7-11，在此组件中，跨膜蒸汽通过一层空气隙到达冷凝板或冷凝管后被冷流体间接冷凝下来，迁移过程中传热阻力大，导致热损减少。太阳能可以为膜蒸馏系统提供热能和电能，低温的太阳能集热装置即可达到膜蒸馏系统所需的温度，太阳能光伏装置可为膜蒸馏系统提供电能，
4、膜组件冷端采用循环冷却水的物理降温方式可降低能耗，与传统淡化水工艺相比，太阳能光热-光电空气隙膜蒸馏技术能耗低，不产生二次污染，可以达到降耗、环保的双重效益，对小规模的淡水供应模式尤其适用。目前，针对太阳能膜蒸馏淡化水技术的研究，已有学者建立了太阳能聚光型集热器结合气隙式膜蒸馏系统（膜总面积为2.8m2）的装置，其产水容量可达0.5-50m3/d。结果表明：以1gL-1和35gL-1的NaCl溶液作为进料液时，最大膜通量分别达到6.5 kg/(m2h)和5 kg/(m2h)，单位淡水热耗为2200-810 kwh/m3 12；澳大利亚学者使用0.05m3的太阳能集热器结合3m2的平板膜组件，其
5、产水量达17kg/(m2d)，热电消耗为55.6 kwh/m3 13；安装大型太阳能膜蒸馏系统用于处理红海沿岸的海水时，系统每天产水达600-800kg，热电消耗为200-250 kwh/m314-15。近年来，太阳能膜蒸馏技术处于小型的实际应用阶段16-19，本研究引入太阳能光热-光电膜蒸馏系统，以期解决太阳能膜组件产水量低、系统耗能高、成本高昂等问题 20。本实验以太阳能光热-光电耦合空气隙膜蒸馏系统为研究对象，整个实验系统的能耗均由太阳能系统提供。针对小型、结构紧凑的膜蒸馏产水系统，分析连续9小时和连续24小时两种运行方式下太阳能光热参数对膜通量的影响，并根据系统的热电消耗，分析太阳能系
6、统与膜蒸馏组件的稳定运行性和经济性，找到两者的最佳匹配，在实验膜组件总膜面积为0.0416m2的工况下，解决3口之家的饮用水需求，为太阳能膜蒸馏系统的大型应用提供实验参考。1太阳能空气隙膜蒸馏系统1.1 系统结构太阳能光热-光电空气隙膜蒸馏系统由热管式真空管集热器，空气隙膜蒸馏组件，光伏发电系统，管路系统组成。热管式真空管集热器为膜蒸馏系统中的热工质提供热量；光伏发电系统，使用带有自动除尘装置的多晶硅电池板为循环管路中的直流泵供电；空气隙膜蒸馏系统使用具有旋向入流分水盘结构的平板式膜组件；管路系统中的热循环管路连接集热器和膜组件热腔，冷循环管路连接冷却水箱和膜组件冷腔。循环管路系统中还包括两个
7、玻璃转子流量计以及两个直流泵，如图1所示。图1 太阳能光热-光电空气隙膜蒸馏系统Fig1 Solar thermal - photovoltaic air gap membrane distillation system 1.2 工艺流程热工质经过预处理后进入热管式真空管集热器中被加热，达到预定温度后，热工质经由流量计进入膜组件热容腔，膜组件中的热工质流体在温差作用下进行膜蒸馏过程，从热容腔出来的热工质经过阀门再由光伏系统驱动的直流泵作用下进入集热器再加热，进行热工质流体循环。从冷却水箱出来的冷却水经过流量计流入膜蒸馏组件的冷容腔，从冷容腔出来的冷却水在直流泵作用下回到冷水箱进行冷却水循环，冷
8、却水循环加大温差作用，增强传质推动力，利于产水。2实验方案2.1实验设备与测试本实验所用的实验设备包括“力诺瑞特”牌热管式真空管集热器，有效采光面积为1.89m2，储热水箱最大容积为150L。空气隙膜蒸馏组件，采用实验室具有分水盘结构的并接式平板膜组件，主要由热容腔和冷容腔构成，热容腔采用尼龙材料制作，尺寸为160mm50mm，如图2所示。分水盘由保温、耐腐蚀的塑料板加工而成，造价低、易于加工、清洗方便、便于安装拆卸，分水盘可以防止热工质直接冲刷膜面，破坏浓度和温度极化，有效增加膜通量。分水盘外径115mm，厚度为4mm，分水盘上开6个出水槽，槽长12mm，槽宽3mm，开槽角度为45，冷容腔与
9、热容腔尺寸相同。两个热腔包含4张平板膜，单张膜面积为0.0104m2，总膜面积为0.0416m2，空气隙间距为3mm。热容腔冷端采用冷水箱与膜组件冷腔相连接的喷淋自然冷却的物理降温方式，不消耗电能。由于本实验主要针对小型家用淡水系统，考虑经济性，采用由304不锈钢板焊接的体积为0.059535m3的冷却水箱，水箱顶部和侧面底部各有一个循环水的进出口，进出口圆孔直径为20mm。冷水箱入口处安装了一个旋转喷头，由旋转喷头喷出的冷却水先喷洒在冷水箱上部的散热板上，散热板选择价格低廉的不锈钢沥水器与不锈钢带孔平板焊接而成，散热板固定在水箱内壁的固定片上，有效为循环水散热，最大限度降低循环冷却水温度，节
10、能高效。图2膜组件热容腔结构图 Fig2 hot cavity structure of membrane光伏系统由光伏组件、自动除尘系统组成，光伏板的采光面积为1.64m2，输出功率为235W，光伏板与太阳能集热器并排布置，考虑呼和浩特地区的纬度和太阳角度等因素，为高效利用太阳辐射能，选择安装方向为南北方向，安装角度与水平面成50角。系统还包括电压50V，电流30A的充电控制器、功率转换器、充电电压范围14.4-15.0 V的蓄电池、功率为18W的直流泵、额定功率20A/2000W的电度表。实验室设计的光伏系统流程如图3所示。图3实验室光伏系统流程图 Fig3 PV system flow
11、chart of laboratory实验中所用到的测试仪器包括BSRN3000辐射观测系统，此系统由全紫铜太阳跟踪器，总辐射表，散射辐射表，直接辐射表，长波辐射表及数据采集器组成，跟踪精度0.1度，工作温度为-40度至50度，数据存储时间为3年，辐射响应时间5秒，精确度5W/m2，如图4所示。K型热电偶用于监测实验中工质的热腔进口温度、膜组件冷腔进、出口冷循环水的温度等，用TP700多路数据记录仪采集实验数据。利用玻璃转子流量计测量管路中循环工质的体积流量。图4 BSRN3000辐射观测系统Fig4 Radiation observing system of SRUN30002.2实验方案为
12、研究系统进出口温度与冷热端温差，实验共布置4处温度测试点，分别为：热腔进口测点1号、热腔出口测点2号、冷腔进口测点4号、冷腔出口测点3号，如图5所示。图5温度测点位置布置图Fig5 Relative location of temperature measurements系统连续9小时运行实验于2015年10月3日进行，当天实验工况为热工质流量250L/h，冷循环水流量300L/h，集热器内热工质起始温度为48.0，终止温度为55.5，冷循环水起始温度为18.9，终止温度为35.1。在此工况下观察太阳辐照度、热端进口温度、冷端出口温度，冷热端温差的变化，研究热端进口温度和冷热端温差随太阳辐照度
13、变化下系统的产水量，并记录直流泵的稳定运行情况。系统连续24小时运行于2015年10月30日10:30至10月31日10:30进行，实验工况为热工质流量为250L/h，冷工质流量为300L/h，热工质起始温度76.2，在此工况下研究系统的产水量，更主要观察系统运行的稳定性。其中，需对比上述两种运行方式的优劣性来确定太阳能集热器的集热面积与膜面积的最优匹配。3结果与分析3.1 白天运行光热参数对膜通量的影响系统白天连续9小时运行的膜通量随辐照度，热水进口温度及冷热温差的影响如图6-8所示。如图6所示，膜通量随着辐照度增大而逐渐增加，两者的增加速率基本一致。太阳辐照度的增加使集热器内温度升高，热能
14、增加，膜组件进口工质温度升高，膜组件热侧饱和蒸汽压也随着升高，增强了膜两侧的传质推动力，促使膜通量增加。由于传热过程延迟，当辐照度开始降低时，集热器温度仍然较高，热测进口温度保持高温状态，因此膜通量还是在缓缓增大。图6膜通量随随辐照度关系Fig 6 The relationship between membrane flux and irradiance如图7所示，在热腔进口温度最高时膜通量最大，因为进口温度最大时温差传质推动力强，所以膜通量最大，当辐照度开始下降，导致进口温度下降，膜通量下降。图7膜通量随热腔进口温度关系Fig 7 The relationship between the m
15、embrane flux and the inlet temperature of heat cavities如图8所示，当冷热端温差变化趋势为先减小后增大时，由于热腔温度升高速率不断上升，此期间的膜通量一直逐渐增大；而当热端温度降低，冷缺水温度升高，冷热端温差减小时，膜通量随之减小。图8膜通量随热、冷腔温差关系Fig8 The relationship between membrane flux and temperature difference of heat and cold cabities3.2 24小时运行方式光热参数对膜通量的影响系统连续24小时运行的膜通量随辐照度，热水进口温度及冷热温差的影响如图9-11所示。如图9所示，系统产水主要集中在白天辐照度较高时，夜晚系统产水量下降，经过一晚上运行之后，热工质温度仍然可以保证系统产水，但是温度逐渐下降时膜通量小，影响第二天热工质的初始运行温度。图9膜通量随辐照度关系Fig 9 The relationship between membrane flux and irradiance如图10和图11所示，系统的膜通量随热腔进口温度的降低不断降低，当进口温度降低，其热、冷端温差下降，传质推动力下降，膜通量随之下降。图10膜通量随热腔进口温度关系Fig 10 The relationship between the me
