【正文】 算方法 ........................................................................................... 48 經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)總結(jié) ......................................................................... 50 系統(tǒng)的生態(tài)效益評(píng)價(jià) ................................................................................. 50 本章小結(jié) ....................................................................................................... 51 結(jié)論與展望 .................................................................................................................. 52 1 結(jié)論 .................................................................................................................. 52 2 創(chuàng)新點(diǎn) ............................................................................................................. 53 3 展望 .................................................................................................................. 53 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 54 致 謝 ...................................................................................................................... 58 附錄 A 攻讀學(xué)位期間獲得的成果 ....................................................................... 59 附錄 B 程序編程 ..................................................................................................... 60 附錄 C 主要設(shè)計(jì)部件附圖 .................................................................................... 61 碩士學(xué)位論文 I 摘 要 淡水資源是極其重要的生命資源，但是目前世界上 將近 四分之一人口還面臨著淡水供給不足，在我國的西北各省區(qū)缺水問題尤為突出。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 碩士學(xué)位論文 風(fēng)能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的小型苦咸水淡化系統(tǒng)研究 Study on the Smallscale Brackish Water Desalination System Driven by Combined Wind and Solar Power 蘭州理工大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 苦咸水淡化雖然是解決人類缺水的有效方法，但是傳統(tǒng)的苦咸水淡化技術(shù)，都需要消耗大量化石能源與電力，是典型的以不可再生能源換取水源的技術(shù)方法。 依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)， 在物理模型和數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上，對(duì)太陽能苦咸水淡化系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型計(jì)算。 系統(tǒng)大部分月份的性能系數(shù)都在 以上，可知系統(tǒng)在大部分月份都 有 較好的運(yùn)行效果 。 對(duì)系統(tǒng) 二氧化碳減排 等生態(tài)效益 進(jìn)行了分析， 結(jié)果 表明裝置具有良好 的生態(tài)效益 和環(huán)境友好度 。 此外， 本裝置可以完全應(yīng)用于這些地區(qū)的工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，且可以達(dá)到產(chǎn)水量穩(wěn)定高效及水質(zhì)優(yōu)良的效果。 the thermodynamics model is established which based on the first law of thermodynamics and the second law, and make energy analysis and exergy analysis。 Most of the region in China, the status quo of drinking water is shallow or the water in deep wells where the fluorine content is high, which is harm for people39。 Solar energy。地球表面2/3 被水覆蓋，水體總量達(dá)到 億立方千米，但海水等苦咸水占了其中 %以上，在余下的不足 %的淡水中，又有 87%是人類難以利用的兩極冰蓋、冰川和冰雪，人們實(shí)際可利用的淡水只占全球水總量的 %[1]。 我國被聯(lián)合國認(rèn)定為世界上 13 個(gè)最貧水的國家之一，淡水資源人均占有量僅為世界平均值的 l/4，位居世界第 109 位，而且水資源在時(shí)間和地區(qū)分布上很不均衡，有 10 個(gè)省、市、自治區(qū)的水資源已經(jīng)低于起碼的生存線，那里的人均水資源擁有量不足 500m3，據(jù) 專家估計(jì)，到 2030 年中國的缺水量將達(dá)到61011m3[3]。引流調(diào)水是水資源調(diào)劑和優(yōu)化配置的一種重要方式，是解決我國水資源空間分布不均的重要手段之一。但這種方式受水的時(shí)空分布和氣候變化的影響很大，并且還有蒸發(fā)、滲漏的損失與污染的威脅。因此，利用當(dāng)?shù)仫L(fēng)能、太陽能等可再生能源資源淡化苦咸水是解決淡水資源短缺的一種有效途徑。水雖然是人類生存最重要的物質(zhì)之一，但水又是價(jià)廉的物質(zhì)，所以淡化水的電能的消耗一直是限制太陽能苦咸水淡化技術(shù)的重要因素之一?？嘞趟?在世界范圍內(nèi)廣泛存在 ，海水 、咸水湖湖水 以及 內(nèi)陸淺井苦咸水或是深井的高氟水等都是典型的苦咸水 。膜法 苦咸水 淡化技術(shù)包含了反滲透法 (RO—Reverse Osmosis)和電滲析法，化學(xué)方法則由水合物法和離子交換法構(gòu)成。自 70 年代后期發(fā)展出第一座反滲透法 苦咸水 淡化廠以來，逐漸成為具有競爭力的 苦咸水 淡化技術(shù)之一 [11]。 多級(jí)閃蒸 (MSF) 圖 多級(jí)閃蒸淡化裝置流程示意圖 Flow chart of MSF 多級(jí)閃蒸 (MSF)技術(shù)，是 1957 年由英國學(xué)者 發(fā)明的一種苦咸水淡化方法，它在降低能耗及防結(jié)垢問題方面有獨(dú)到的優(yōu)越性。 多級(jí)閃蒸是針對(duì)多效蒸發(fā)結(jié)垢較嚴(yán)重的缺點(diǎn)而發(fā)展起來的，單機(jī)容量大，最大 的可達(dá)到 7~8 萬 t/d；產(chǎn)品水鹽度一般為 3~10mg/l。 MSF 裝置的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備單機(jī)容量大、使用壽命長 、出水品質(zhì)好、熱效率高。 增濕與去濕是指水蒸汽在空氣中含量的增加與減少，即濕空氣含濕量的增減。 增濕 去濕淡化法有三種不同的形式，第一、在同一空間內(nèi)自然對(duì) 流增濕 去濕；第二在同一空間內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流增濕 去濕；第三：蒸發(fā)和冷凝完全分離的增濕 去濕。為了克服這一缺點(diǎn)，人們將增濕器和冷凝器完全分離，即增濕過程和去濕過程分離。 引入流動(dòng)的空氣雖然可以加快苦咸水的蒸發(fā)，但勢必會(huì)帶走系統(tǒng)的一部分熱量，而且空氣的去濕程度也必然影響系統(tǒng)淡水的產(chǎn)量 ，所以增濕 去濕法目前尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段 。多效蒸餾法工作流程如圖 ，圖中 D蒸發(fā)器， E加熱器， G水泵， K冷凝器，即進(jìn)料苦咸水在冷凝器中預(yù)熱、脫氣之后分成兩股，一股排回大海，另外一股為進(jìn)料液。除第一效的加熱蒸汽來自鍋爐等外部熱源外，以后各效的加熱蒸汽均來自前一效產(chǎn)生的二次蒸汽。 國內(nèi)外 發(fā)展 及研究 現(xiàn)狀 苦咸水 淡化 發(fā)展 現(xiàn)狀 苦咸水淡化 是實(shí)現(xiàn)水資源利用的開源技術(shù)，也是世界各國競相開發(fā)的朝陽風(fēng)能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動(dòng) 的小型苦咸水淡化系統(tǒng)研究 8 產(chǎn)業(yè)。 圖 給出了世界苦咸水淡化規(guī)模的增長趨勢 [ 20]。當(dāng)今各種苦咸水淡化方法都向大型化發(fā)展，世界上最大的多級(jí)閃蒸（ MSF）苦咸水淡化裝置在阿聯(lián)酋，共有六臺(tái)裝置組成，每臺(tái)的造水容量達(dá)到 103m3/d，整個(gè)苦咸水淡化廠日產(chǎn)淡水 l03m3。在 20 世紀(jì)最后幾年，阿聯(lián)酋迪拜的 Jebel Ali 電站(G座 )發(fā)電 450MW， MSF與 RO聯(lián)合系統(tǒng)造水 28,8000m3/d，阿布扎比 （ Abu Dhabi）的水電部門建設(shè)裝機(jī)容量 732MW 的發(fā)電機(jī)組、 348,000m3/d 多級(jí)閃蒸 苦咸水 淡化廠。到 2021 年底，我國已建 苦咸水 淡化工程的產(chǎn)水能力已達(dá)到 105t/d，天津、青島、河北等沿海地區(qū)多個(gè)日處理 10~20 萬噸的大型 苦咸水 淡化項(xiàng)目相繼啟動(dòng)。部分技術(shù)如低溫多效 苦咸水 淡化技術(shù)、 苦咸水 循環(huán) 冷卻技術(shù)已躋身國際先進(jìn)水平。所以現(xiàn)有淡化容量的 70%仍然是使用蒸餾法，蒸餾法是最早采用的苦咸水淡化技術(shù) ， 是水淡化最主要的方法，其原理即：將苦咸水加熱蒸發(fā) ， 再使水蒸汽冷 凝得到淡水。世界上第一個(gè)大型的太陽能苦咸水淡化裝置，是 1874年在智利北部的 Las Salinas 建造的 [22]。 由于被動(dòng)式太陽能苦咸水淡化裝置沒有太陽能集熱器部件，工作溫度低 ，產(chǎn)水量不高 ， 也沒有泵的循環(huán)部件系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效果并不十分聯(lián)想，所以人們更關(guān)注的是主動(dòng)式太陽能苦咸水淡化裝置的研究。 圖 強(qiáng)迫空氣循環(huán)的增濕 /除濕太陽能 苦咸水 淡化裝置示意圖 Schematic diagram of Forced air circulation in the humidification / dehumidification solar desalination plant 錢強(qiáng)，朱躍釗，廖傳華等人分析了幾種太陽能苦咸水淡化裝置工作原 理、結(jié)構(gòu)和傳熱，指出要提高裝置的性能參數(shù)和產(chǎn)水率，除應(yīng)從加強(qiáng)傳熱、減少裝置中苦咸水熱容量等方面來考慮外，最主要的是提高太陽能蒸餾器提供熱源的溫度 [27]。但是，它的結(jié)構(gòu)通常都很復(fù)雜，運(yùn)行成本及固定資本的投入相對(duì)較高，使得這些系統(tǒng)通常只對(duì)大型的設(shè)備具有經(jīng)濟(jì)可行性。但是由于水平軸風(fēng)力機(jī)自身固有的一些特點(diǎn)，使得水平軸風(fēng)力機(jī)的制造成本和運(yùn)營維護(hù)成本較高。 80 年代中期，美國政府委托桑迪亞研究所（ Sandia）開始進(jìn)行的有關(guān)垂直軸風(fēng)力機(jī)的降低造價(jià)以及提高可靠性方面的研究； Sandia 研究人員在1988 年建成了高達(dá) 34m 的達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?[32]。為了克服 φ 型達(dá)里厄垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片不能調(diào)的缺點(diǎn)，國外一些學(xué)者，將垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片做成直葉片，并且采用標(biāo)準(zhǔn)的翼型如 NACA 系列翼型， 如圖 直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)， 利用機(jī)械或電子裝置控制葉片擺動(dòng)，以獲得較高的風(fēng)能利用率。 碩士學(xué)位論文 13 國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀總結(jié)及對(duì)本課題的啟示 國內(nèi)外關(guān)于 苦咸水淡化的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，主動(dòng)式太陽能蒸餾裝置產(chǎn)水量高，優(yōu)點(diǎn)突出被廣泛重視；但淡化水系統(tǒng)大多為大型設(shè)備，對(duì)于小型的苦咸水淡水系統(tǒng)的研究 很少 ；垂直軸風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)突出。所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)一由風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)的抽氣裝置，以加快蒸汽箱內(nèi)的空氣流動(dòng)，提高汽化效率；同時(shí)設(shè)計(jì)將蒸汽冷凝裝置分離設(shè)置。 （ 2）基于風(fēng)能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的苦咸水淡化系統(tǒng)的物理模型 和數(shù)學(xué)模型 ，依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行 設(shè)計(jì) 選型計(jì)算。 風(fēng)能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動(dòng) 的小型苦咸水淡化系統(tǒng)研究 14 研究 意義 海水和地下苦咸水在 我國分部廣泛；在我國的部分地區(qū)，人們的飲用水現(xiàn)狀是喝淺井的苦咸水或是喝深井的高氟水，長期飲用嚴(yán)重危害人民的身體健康；向海洋等苦咸水資源索取淡水，也逐漸成為世界沿海國家的共識(shí)。針對(duì) 上述問題 ， 結(jié)合西北地區(qū)風(fēng)能和太陽能資源豐富的能源分部特點(diǎn)， 本文 提出了 將太陽能集熱技術(shù)、風(fēng)能利用和傳統(tǒng)苦咸水淡化系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的風(fēng)能和太陽能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的苦咸水淡化 系統(tǒng) ，并采用橫管降膜蒸發(fā)的淡化 技術(shù) 。同時(shí)顯著地降低了空間高度，增加了傳熱的有效溫差。 橫管降膜蒸發(fā)基本原理如圖 所示，進(jìn)料 苦咸水 通過布液器均勻噴淋在橫管束的外壁面，在重力 作用下，形成液膜沿管外圓周向下流動(dòng) [ 35]。 加熱蒸汽 (或者前一效產(chǎn)生的二次蒸汽 )在管內(nèi)冷凝，管內(nèi)的凝結(jié)水排放到本蒸發(fā)器或下一效蒸發(fā)器的蒸汽室，少量凝結(jié)水會(huì)再次閃蒸成為蒸汽，其余凝結(jié)水成為苦咸水淡化裝置生產(chǎn)的淡水 (第一效蒸