第３４卷，总第１９７期 ２０１６年５月，第３期 《节能技术》 ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ Ｖｏ１．３４，Ｓｕｍ．Ｎｏ．１９７ Ｍａｙ．２０１６，Ｎｏ．３ 海岛小型太阳能海水淡化装置及产水量影响研究 周雷文。桂福坤，朱爱意，吴常文 （浙江海洋学院海洋科学与技术学院，浙江舟山３１６０００） 摘要：以所研制的可用于海岛景观生态修复的小型太阳能海水淡化装置为研究对象，通过实 地测量的方法，对装置性能及产水量影响因素进行了研究。结果表明：装置室内海水温度与透光面 板内壁面温度之差△ 是海水蒸发产水主要影响因素。在任何装置室内温度下，海水表面蒸发都 可进行，但只有当△ 为正值的时间段内，才可有效的产生淡水。装置内海水深度对产水效率具有 影响，在本研究中，水深较浅时，产水量差异不大，但水深较大时，随着水深的增加，产水量增加。装 置覆盖面板材质对产水量有一定影响，试验研究表明，相比普通玻璃面板，有机玻璃盖板有利于提 高产水量。装置内增加黑色海绵等吸热物质，将起到延缓池内水温下降的效果，有利于显著提高产 水量。 关键词：海岛；太阳能；海水淡化；产水量；影响因子 中图分类号：ＴＫ５１３．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—６３３９（２０１６）０３—０２７０—０５ Ｉｓｌａｎｄ ｂａｓｅｄ Ｓｍａｌｌ—ｓｉｚｅ ａｒ Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ Ｆａｃｔｏｒｓ ｏｎ ｉｔｓ Ｗａｔｅｒ Ｙｉｅｌｄ ＺＨＯＵ Ｌｅｉ—ｗｅｎ，ＧＵＩ Ｆｕ—ｋｕｎ，ＺＨＵ Ａｉ—ｙｉ，ＷＵ Ｃｈａｎｇ—ｗｅｎ （Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｏｃｅａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｏｕｓｈａｎ ３１６０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｉｓｌａｎｄ ｂａｓｅｄ ｓｍａｌｌ—ｓｉｚｅ ｓｏｌａｒ ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｓｅｖｅｒｌ ａｆａｃｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ｃｈｏｓｅｎ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅｉｒ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｎ ｉｔｓ ｗａｔｅｒ ｙｉｅｌｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｂｏａｒｄ ｉｓ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｆｏｒ ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ．Ｓｕｒｆａｃｅ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ Ｏｃｃｕｒｓ ａｔ ａｎｙ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｈｏｗｅｖ— ｅｒ，ｉｔ ｏｎｌｙ ｐｒｏｄｕｃｅｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ ｆｒｅｓｈ ｗａｔｅｒ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ａ Ｔ ｇｒｅａｔ ｔｈａｎ ｚｅｒｏ． Ｗａｔｅｒ ｄｅｐｔｈ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｙｉｅｌｄ ｗｉｔｈ ａ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ，ｎａｍｅｌｙ ｔｈｅ ｄｅｅｐｅｒ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｆｒｅｓｈ ｗａｔｅｒ ｗｉｌｌ ｂｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｙ－ ｅｒ ｂｏａｒｄｓ ａｌｓｏ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｙｉｅｌｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ Ｐｌｅｘｉｇｌａｓ ｃｏｖｅｒ ｂｏａｒｄ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｓｏｌｒ ａｄｅｓｌｉａ— ｎａｔｉｏｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｇｌａｓｓ ｃｏｖｅｒ ｂｏａｒｄ．Ｉｔ ｈｅｌｐｓ ｔｏ ｐｒｏｌｏｎｇ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｗｈｅｎ ｂｌａｃｋ ｓｐｏｎｇｅ ｗａｓ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ．Ｗａｔｅｒ ｙｉｅｌｄ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｓｌａｎｄ；ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ；ｓｅａ ｗａｔｅｒ ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ；ｗａｔｅｒ ｙｉｅｌｄ；ｉｎｆｌｕｅｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ 海岛景观生态修复是我国海岛整治与生态 修复 收稿日期２０１５—０７—１５ 修订稿日期２０１５—０９—０８ 基金项目：国家科技支撑计划（２０１２ＢＡＢ１６Ｂ０２）；国家海洋局公 益性专￣（２０１３０５ｏｏ９） 作者简介：周雷文（１９８９一），男，硕士研究生，主要从事海岛生 最为重要的内容之一，植被修复是海岛整治的 重要 手段之一…。然而海岛淡水却是限制海岛保 护与 开发利用的重要瓶颈 。如何低成本的解决 海岛 淡水问题，是海岛景观生态修复必须要面对 的问 态修复工程技术研究。 ·２７０· 题【 。 利用太阳能驱动海水淡化是解决淡水缺乏的重 要途径。郑宏飞 等设计了一种多级管式太阳能 海水淡化装置；王海江 等设计了一种多级迭盘结 构的主动式太阳能海水淡化装置；左潞ｌ 等研究了 盘式太阳能蒸馏器非稳态传热传质问题；郑宏飞＿８ Ｊ 等提出盘式太阳能蒸馏器是最简单、最基础的海水 淡化装置，其结构简单，制作、运行、维护都较容易， 在产水成本方面仍具有很大的优势，且在装置产水 性能上仍有很大的改进空间。 作者在上述研究的基础上，针对盘式太阳能蒸 馏器内自然对流过程传热传质慢等缺点，设计了一 种附带太阳能驱动的强制冷凝部件的新型海水淡化 装置，并对其基本影响因素进行研究，为后期将装置 应用在海岛景观生态修复工程上奠定基础。 １试验内容与装置介绍 １．１试验装置设计 太阳能蒸馏器试验装置如图１所示。水槽底部 由１２０ ｍｍ混凝土现场浇筑而成，侧边由石砖砌成， 厚１２０ ｍｍ。整个装置内壁用水泥进行粉饰，并用黑 色颜色涂黑。蒸馏器较低的内侧固定着搜集蒸馏水 的ｕ形集水器。水槽盖板有两种，分别为透光率 ８０％、厚４ ｍｍ普通透明平面玻璃和透光率９６％、 ４ ｍｍ透明有机玻璃。本套系统背部设计有基于太 阳能驱动的新型强制对流与热交换装置，但本次试 验以主要影响因素研究为主，装置后部的强制冷凝 装置暂时封闭。 该套装置结构简单，仅依靠太阳能驱动；另外装 置还设有雨水集流槽，在雨季时储备淡水，旱季时依 靠装置内部海水蒸发冷凝产水淡水，供海岛景观生 态修复所用。 １．２试验内容与数据处理 试验主要研究海水淡化产水的基本规律以及装 置内水深、盖板材质、填充物质三种因素对太阳能海 水淡化装置产水性能的影响。 试验过程中太阳能辐射瞬时值以及太阳能辐射 累计值的测量，采用ＱＴＳ一４型太阳能光照辐射计， 每２０ ｍｉｎ记录一次。环境温度、海水温度、装置室 内温度以及装置盖板温度的测量，采用ＺＴＲ—ｉ５００ 一Ｅ３Ｔ型多通道温度记录仪，每１５ ｍｉｎ记录一次； 装置产生的淡水由２５０ ｍＬ的量筒测量，每６０ ｒａｉｎ 测量一次，测完后回送水槽中，保持水槽中盐水的浓 度不变。 试验场地为舟山市东极青浜岛。试验时间从 １４ １３ 图１ 太阳能海水淡化装置示意图 １一太阳；２一海水进水管；３一浓盐水出水管；４一雨水集流槽； ５一淡水集流槽；６一盖板；７一海绵；８一海水；９一电动风扇；１０一 太阳能电板；１１一冷凝器；１２一淡水出ＶＩ；１３一出水管；１４一水槽 主体 ２０１４年９月ｌ Ｅｔ开始，到２０１４年９月２２日结束。 试验数据分析时，选择典型天气（天气晴或晴转多 云，无风或微风）作为代表性试验气象条件，试验数 据经处理后由Ｏｒｉｇｉｎ曲线给出。 ２试验结果与分析 ２．１装置的产水规律 图２是同一天装置各部分以及环境温度变化曲 线。装置内部海水温度上升所蓄积的热能来源于太 阳能。从图中曲线可以看出，海水温度、装置内部气 温以及盖板温度都保持着相似的变化趋势，这与太 阳能辐照度的变化是相同的。对比各部位温度达到 峰值的时间点，可以发现装置内部气温与盖板温度 基本在１２：００左右达到峰值，与太阳能辐照度的峰 值点基本一致，而海水温度在１５：００左右达到峰值， 比太阳能辐照度的峰值点延后了约３ ｈ，说明装置内 海水温度相对太阳能辐射值有滞后性，滞后时长与 装置内海水质量有关，水量越少滞后时间越短。 图３是海水与盖板的温度差△ 变化曲线。从 图中曲线看以看出，ＡＴ值在０：００—７：００之间逐渐 减小，在７：００左右，达到最低值；然后随时间的推 移，太阳能辐照度逐渐增大，环境温度逐渐上升，海 水温度与盖板温度之间的△ 值也逐渐增大，在 １２：ｏ０—１７：００左右保持较高水平，然后逐渐减小。 图４是装置每小时产水量以及累计产水量的变 化曲线。从图中可以看出，海水淡化装置在２４ ｈ内 都会连续生产淡水。在７：００左右，装置产水量会达 到最低值。然后产水量逐渐增大，在１２：００达到最 大值，且在１２：０Ｏ一１８：０ｏ之间保持较高的产水量。 ·２７】· 然后ｌ８：００以后产水量逐渐下降。 海水蒸发在任何温度下都能进行，但只有在△ 值 为正值的时间段内才会产生可观的淡水，这一结果 与文献 的结论相同。 ２．２海水深度对装置产水量的影响 图５是在三个相同的装置中，分别设置１ ｃｍ、 ２ ｃｍ、３ ｅｍ海水深度，其它条件保持相同，在不定期 的时间里运行所得到的日累计产水量变化曲线。从 图中曲线可以看出，在三种不同的海水深度情况下， 日累计产水量的差值并不明显。这是由于在相同辐 照度，海水量较少的情况下，海水提高的温度差距并 不明显，再加上装置之间的细微差异引起的误差，使 图２装置各部位温度变化曲线 得这三种不同的海水深度对装置产水量的影响并不 明显。 图３海水与盖板内侧温差△ 变化曲线 图５低水位装置日总产水量变化曲线 咖 童 ｛Ｌ ９月１７日９月ｌ８日９月１９日９月２０日９月２１日９月２２日 图４每小时产水量和Ｅｌ累计产水量变化曲线 时间 结合图３和图４可以看出，海水与盖板内侧温 度差△ 变化趋势与每小时产水量变化趋势基本保 图６高水位装置日总产水量变化曲线 持一致，当△ 值逐渐减小，在７：Ｏ０左右达到最低 图６是海水深度梯度分别设置为６ ｃｍ、８ ｃｍ、 值的时候，装置产水量也达到最低值；１２：Ｏ０—１７：Ｏ０ １０ ｃｍ，在相同的太阳辐照度情况下，所得到的日累 之间，ＡＴ一致保持较高水平，装置产水量变化与其 计产水量变化曲线。从图中可以看出，在同一天气 保持一致。这说明海水的蒸发冷凝过程是海水温度 条件下，装置日累计产水量差距明显增大，且日总产 和△ 共同作用的结果，海水温度与透光面板内壁 水量随着海水深度增大而变大。这是由于海水深度 面温度之差△ 温度差是海水蒸发的主要影响因 的增加，装置的热容量增大，白天在同样的太阳辐照 素，海水温度对海水表面的蒸发有着重要的影响。 度情况下，尽管海水深度越大，温度提高的幅度越 ．２７２． 小，但受环境温度变化的影响也越小，因此当夜间温 度下降后，海水温度与外界环境的温差变大，进而导 致装置产水量增加，如图７所示。 越 赠 图７不ｌ司海水深度Ｆ海水温度日变化曲线 ２．３ 黑色海绵对装置产水量的影响 、 赠 图８是黑色海绵对装置产水量影响曲线。从图 中可以看出，添加黑色海绵的装置产水量较未添加 的装置提升很大，提升率在７０％一９０％之间。设计 试验时，在装置内海水表面铺设黑色海绵，目的是借 助黑色海绵的吸热作用，提高装置内海水温度，增加 装置内外环境的温度差，进而提高产水量；但通过分 析同一海水深度下，两个装置内海水温度曲线，如 图９所示，在ｌ２：Ｏ０—１６：００时间段内，添加海绵的 装置内海水温度要高于添加黑色海绵的装置，而在 其他时间段内，添加了黑色海绵的装置内海水温度 都要高于另一装置，这说明，黑色海绵所起到作用是 保温，使装置在夜间保持较大的温差，进一步提高产 水量。 咖 童 ｛Ｌ 图８黑色海绵对装置产水量的影响曲线 ２．４不同盖板类型对装置产水量的影响 图１０是不同盖板对装置产水量的影响曲线。 从图中可以看出，与普通玻璃盖板对比，顶部为有机 图９ 两种装置内海水温度对比图 玻璃盖板的装置产水量要高于普通玻璃盖板的装 置。这是由于有机玻璃板的透光率和导热率都高于 普通玻璃。高透光率可以使更多的太阳辐射透过盖 板进入装置内部被海水吸收，有利于海水温度的提 高；而导热性能强则有利于在以盖板为隔板的外部 环境与装置内部之间形成较明显的温差。两种因素 的影响叠加，使得安装了有机玻璃盖板的装置产水 量有了明显的提升。 删 ｛Ｌ￣ 图１０不同盖板对装置产水量的影响曲线 ２．５装置的性能系数 性能系数Ｐ （Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｒａｔｉｏ）是评价装置性 能的重要参数，系数越大表明该系统性能越高。根 据能量的传递关系，该装置的性能系数由下式 计算 ＰＲ： 式中ｍ——装置在一天内累计产生的淡７］Ｌ／ｋｇ； ——水的汽化潜热／ｋＪ·ｋｇ～，取２ ３００ ｋＪ·ｋｇ～； Ｑ ——装置面板接受的太阳能辐射值／ ＭＪ·Ｉｎ～·ｄ。。。 光率和导热率，两种因素的作用明显提升装置的产 水量。 以９月５日添加黑色海绵组数据为例，该日累计 产淡水１．１７ ｋｇ，太阳能辐射值为２ｏ．４５ ＭＪ·Ｉｎ～·ｄ～， 盖板采光面积０．９６ ｍ ，则该装置当日的性能系数 为 一 ＝ ＝０．１３９ 本文研究结果可为设计实用的海岛小型化海水 淡化装置提供重要的参考依据，为海岛植被景观修 复提供淡水支撑。 参考文献 ［１］庄孔造，余兴光，朱嘉．国内外海岛生态修复研究综 述及启示［Ｊ］．海洋开发与管理，２０１０，２７（１１）：３４—４１． ［２］刘本同，钱华，何志华，等．我国岩石边坡植被修复 技术现状和展望［Ｊ］．浙江林业科技，２００４，２４（３）：４７—５４． 『３］Ａｙｂａｒ Ｈ Ｓ．Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ａｎ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｓｏ］ａｒ ｔ 同理，根据所测数据求得是否添加黑色海绵和 不同盖板两组实验过程中装置的平均性能系数如 表１所示。从表１可以看出，添加黑色海绵以及使 用有机玻璃作为装置盖板能大幅提高装置的性能 系数。 表１ 装置平均性能系数对比 装置 添加黑色海绵 ｗａｔｅｒ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，２００６，１９０（８）：６３— ７０． ［４］Ｊａｎａｒｔｈａｎａｎｂ，Ｃｈａｎｄｒａｓｅｋａｒａｎ Ｊ，Ｋｕｍａｒ Ｓ．Ｅｖａｐｏｒａ— 平均性能系数 Ｏ．１３ Ｏ．Ｏ８ Ｏ．１１ Ｏ．ｏ６ ｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｌｏｓｓ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒｎｓｆｅｒ ｆｏｒ ｏｐｅｎ—ａ—ａｎｄ ｃｌｏｓｅｄ——ｃｙｃｌｅ 未添加黑色海绵 有机玻璃盖板 普通玻璃盖板 ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ａ ｆｌｏａｔｉｎｇ ｔｉｌｔｅｄ ｗｉｃｋ ｓｏｌａｒ ｓｔｉｌｌ［Ｊ］．Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ， ２００５，１８０（４）：２９１～３０５． ［５］郑宏飞，郑子行．王海江，等．管式太阳能海水淡化 装置的实验研究［Ｊ］．北京理工大学学报，２０１２，１０（１０）： １０８６—１０８７． ３ 结论 本文研究设计了一种适用于海岛的小型化海水 淡化装置，并对装置的产水规律进行了研究，分析了 装置内水深、装置面板、填充物质对海水淡化产水量 的影响。研究取得以下基本结论： （１）海水蒸发是海水温度和ａＴ（装置室内海水 ［６］王海江，谢果，郑宏飞，等．一种新型家用太阳能海 水淡化装置［Ｊ］．节能技术，２０１１，２９（３）：２１４—２１６． ［７］左潞，郑源，周建华，等．太阳能蒸馏器非稳态传热 传质问题的研究［Ｊ］．太阳能学报，２０１０，３１（１２）：１５９１— １５９７． ［８］郑宏飞，何开岩，陈子乾．太阳能海水淡化技术 ［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，２００５． ［９］田禾，张于峰，江菊元，等．直热式太阳能海水淡化 系统试验研究［Ｊ］．水处理技术，２００９，６（３５）：５３—５６． ［１０］张旭朋，左然，丁刚，等．一种新型太阳能海水淡化 系统的实验研究［Ｊ］．节能技术，２０１０，１（２８）：５ｌ一５４． ［１１］Ｍａｔｔｈｅｕｓ Ｆ Ａ Ｇｏｏｓｅｎ，Ｓｈｙａｍ Ｓａｂｌａｎｉ，Ｗａｌｉｄ Ｓｈｙａ， ｅｔ ａ１．Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｓｏｌａｒ Ｄｅｓａｌｉ— 温度与面板内壁面温度之差）共同作用的结果，△ 是海水蒸发产水的主要决定因素，在任何温度下，海 水蒸发都可以进行。由于海水温度变化滞后于太阳 能辐照度，装置高峰产水区主要在中午到下午时 间段。 （２）在低水位情况下，海水深度对装置产水量 的影响并不明显，但在一定海水深度范围内，随着海 水深度的增加，装置产水量相应的增加；作者在现有 的实验条件下得到上述实验结果，装置的最适水深 以及实验结果的实际作用机制仍有待进一步研究。 ｎａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，２０００，１２９（１）：６３—８９． ［１２］Ｆａｗｚｉ Ｂａｎａｔ，Ｎｅｓｒｅｅｎ Ｊｗａｉｅｄ．Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ ｂｙ Ｓｍａｌｌ——Ｓｃａｌｅ Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｓｏｌａｒ——Ｐｏｗｅｒｅｄ １Ｗ６ｍｂｒｎｅ ａＤｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ Ｕｎｉｔｓ［Ｊ］．Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，２００８，２２０（１— ３）：５６６—５７３． （３）试验装置内海水表面铺设黑色海绵填充物 质，有利于装置产水量的提升，主要原因是黑色海绵 ［１３］左潞，郑源，周建华，等．太阳能蒸馏器非稳态传热 传质问题的研究［Ｊ］．太阳能学报，２０１０，３１（１２）：１５９１— １５９ｒ７． 在夜间具有保温作用，间接提高了装置内外的温度 差，延长了产水时间。 （４）有机玻璃相比于普通玻璃，具有更高的透 ·２７４·