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太阳能海水淡化发展史：

    人类利用太阳能淡化海水，已经有了很长的历史。人类最早有文献记载的太阳能淡化海水的工作，是15世纪由一名阿拉伯炼丹术士实现的。这名炼丹术士使用抛光的大马士革镜进行太阳能蒸馏。世界上第一个大型的太阳能海水淡化装置，是于1874年在智利北部的Las Salinas建造的。它由许多宽1．14米， 长6l米的盘形蒸馏器组合而成，总面积47000米 。在晴天条件下，它每天生产2．3 万升淡水(4．9升／米 ·天)。这个系统一直运行了近40年。

　  人类早期利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行蒸馏，所以早期的太阳能海水淡化装置一般都称为太阳能蒸馏器。早期的太阳能蒸馏器由于水产量低，初期成本高，因而在很长一段时间里受到人们的冷落。第一次世界大战之后，太阳能蒸馏器再次引起了人们极大的兴趣。当时不少新装置被研制出来，比如顶棚式、倾斜幕芯式、倾斜盘式以及充气式太阳能蒸馏器等等，为当时的海上救护以及人民的生活用水解决了很大问题。

　　太阳能蒸馏器的运行原理是利用太阳能产生热能驱动海水发生相变过程，即产生蒸发与冷凝。运行方式一般可分为直接法和间接法两大类。顾名思义，直接法系统直接利用太阳能在集热器中进行蒸馏，而间接法系统的太阳能集热器与海水蒸馏部分是分离的。但是，近20 多年来， 已有不少学者对直接法和间接法的混合系统进行了深人研究，并根据是否使用其他的太阳能集热器又将太阳能蒸馏系统分为主动式和被动式两大类。

被动式太阳能蒸馏系统

　　被动式太阳能蒸馏系统的例子就是盘式太阳能蒸馏器，人们对它的应用有了近150年的历史。由于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。目前对盘式太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用上。目前，比较理想的盘式太阳能蒸馏器的效率约在35％ ，晴好天时，产水量一般在 3～4kg／m 左右。如果在海水中添加浓度为 172．5ppm 的黑色萘胺， 蒸馏水产量可以提高约 30％ 。

主动式太阳能蒸馏系统

　　被动式太阳能蒸馏系统的一个严重缺点是工作温度低，产水量不高，也不利于在夜间工作和利用其它余热。为此，人们提出了数十种主动式太阳能蒸馏器的设计方案，并对此进行了大量研究。

　　在主动式太阳能蒸馏系统中，由于配备有其它的附属设备，使其运行温度得以大幅提高，或使其内部的传热传质过程得以改善。而且，在大部分的主动式太阳能蒸馏系统中，都能主动回收蒸汽在凝结过程中释放的潜热，因而这类系统能够得到比传统的太阳能蒸馏器高一至数倍的产水量。

太阳能海水淡化技术：

     传统的海水淡化技术投资高，能源消耗过大，所耗能源主要来自石油和煤炭等化石燃料，因而导致海水淡化技术无法推广。有个别研究表明淡水日产量l000m3的海水净化系统每年耗费10000t石油。对于缺乏化石燃料资源的地区，特别某些人口密度低、没有大规模连接电网的偏远地区，很难建立传统的海水淡化装置。如在最缺乏淡水的西北部地区和海岛也恰恰是缺乏常规能源供应的地区。因此，利用无处不在的太阳能淡化海水(苦咸水)成为唯一的选择。

太阳能海水淡化的优点与方式：

     显而易见，太阳能海水淡化系统与现有海水淡化利用项目相比有许多优点：

    (l)可独立运行，不受蒸汽、电力等条件限制，无污染、低能耗、运行安全、稳定可靠，不消耗石油、天然气、煤炭等常规能源，对能源紧缺、环保要求高的地区更有突出的应用价值。

    (2)生产规模可有机组合，适应性好，投资相对较少，生产淡水成本低，具备淡水供应市场的竞争力。

太阳能海水淡化系统实际上是太阳能利用装置和传统的海水淡化装置的结合，用太阳能代替传统能源供给海水淡化装置所需能量。比较有前途的结合方式如表1。

    现有淡化技术中，蒸馏淡化技术最成熟、运行安全性高、适用范围广、单机规模大。太阳能直接平板蒸馏法虽然成本低廉，但效率太低，占地面积过大;而使用太阳能直接加热海水，通过多效蒸发、多级闪蒸等技术使其淡化，能源利用率显著高于使用太阳能直接蒸馏。太阳能利用效率的提高意味着单位面积产水量的提高，这对于土地面积有限的海岛地区有着重要的意义。常见的海水淡化技术对比如表2。

太阳能闪蒸法海水淡化技术

    利用太阳的热能作为海水淡化系统的热源是近年来海水淡化中研究较多的课题，但多数方案受到传统的集热性能的限制，只能获得温度较低(70—90℃)的热源。因此，采用的多效蒸馏法(MED)、多级闪蒸法效率都较低，同时，增加了许多额外的热交换的设备，并消耗了大量附加电能，系统的整体效益始终得不到提高。

    槽式太阳能热系统具有规模大、寿命长、成本低等特点，是目前最成熟的大规模太阳能热利用技术。近年来，世界许多科研机构都致力于研发直接用水作吸热介质的DSG(DireetStreamGeneration)系统，并成功商业化。如美国南加州的SEGslx电站，西班牙PSA的DISS项目以及由西班牙一德国能源合资公司投资的INDrrEP电站也都是采用DSG技术，并已取得良好的运行记录。总体来说，DSG技术具有效率高、投资低的优点，太阳能海水淡化的系统可借鉴DSG系统的结构，其介质温度的降低将进一步提高系统的效率，降低成本。

槽式太阳能海水淡化产生蒸汽的方式主要有以下三种。

(l)闪蒸法:  加压的海水在集热管中被加热，然后在独立的气室中闪蒸为蒸汽。海水在集热管内由于压力较高保持单相流动(图1)。

(2)直接蒸发法:  海水在集热管内直接加热最终产生蒸汽，通过汽水分离装置得到蒸汽。这种方法会在集热管内产生汽一水两相流动(图2)。

(3)间接蒸发法:  传热流体在集热管中循环，海水在另一个不与集热器直接接触的容器内，通过热交换器被加热并产生蒸汽(图3)。

     相关研究表明:直接蒸发法可能有运行稳定性的问题，流动不稳定性会导致受影响管段的流动损耗，甚至造成集热管过热和选择性吸收涂层的永久损坏。对于间接蒸发法，系统的主要缺点在于大部分导热流体难以制取、可燃、易分解等特殊性质。而闪蒸系统可有效避免上述缺陷，且具有结构简单、运行稳定、效率较高、建造成本低等优点。因此闪蒸系统适宜作为研究开发对象。 

槽式太阳能闪蒸法海水淡化基本原理和结构

    在槽式太阳能闪蒸法海水淡化系统(图4)中，海水在集热管内流动、吸热，最后通过节流阀喷出进人闪蒸容器，闪蒸为蒸汽。不断加人预处理的给水以保持闪蒸容器内的水位，同时过冷水在集热管内再循环。为了防止在集热管内沸腾，海水被加压到合适压强，这个压差由循环水泵提供。通过选择合适的给水速度和海水淡化系统的给气压力，可以大大减小水泵的耗能。实验表明:集热管的出口水温适宜选择在130℃左右。这个温度不会导致集热管在过高的温度下运行，造成过大的热损失，同时只需要给水泵提供两个标准大气压以阻止海水的沸腾。

     从图4中可以看出，整个系统包括两个回路。回路1:海水在通过砂子流入水井的过程中被过滤，经过滤器后直接通人蒸发器最后一级来冷却上一级产生的蒸汽，同时产生蒸汽，部分海水作为热盐水排回海中，部分进入回路2作为给水。回路2:经预处理的海水直接通人蒸发器，通过槽式抛物面的镜场加热到达130℃，然后通过闪蒸分离器得到蒸汽，最后被回路1中的海水冷凝。这两条回路必须互相远离，防止潜在的流体混合问题。备用的蒸发器可以在低日照的白天和晚上运行，以提高系统的可靠性。MED蒸发器的运行情况可以通过一个布置在闪蒸分离器前的恒温器控制，所以整个系统不需要非常复杂的控制设备。

     整个海水淡化系统包括两个部分:槽式太阳能聚光一集热子系统和传统的海水淡化子系统。槽式太阳能聚光一集热系统是整个太阳能海水

    淡化的核心部件，包括抛物面反射镜、支架、追踪传动装置以及直通式真空集热管。传统的海水淡化子系统包撬闪蒸分离器、蒸发器、海水预处理系统和浓盐水排放系统。

核心部件特性

    槽式太阳能聚光集热海水淡化系统的技术难点在于聚光集热子单元，国内目前在太阳能热水器上得到广泛应用的集热管仅能在低温下运行，用于太阳能海水淡化效率较低，而能承受中高温和一定压力的槽式太阳能真空集热管，制造难度较高，仅有极少厂商能够生产。

(l)槽式太阳能聚光一集热子系统

      抛物槽式太阳能聚光一集热系统是整个太阳能海水淡化的核心部件，主要由真空集热管、聚光镜、支架，追日装置，以及各连接管路组成。

奇威特槽式集热器实景图

①集热器

    抛物面槽式集热器需要具有:较好的光学性能;良好的聚光性能;足够的刚度和强度;良好的抗疲劳能力;良好的抗沙尘、冰雹等非正常气候破坏的能力;良好的抗腐蚀能力;良好的运动性能及运行可靠性;良好的保养、维护、运输性能。

奇威特太阳能槽式集热器特点

1、 光热转化效率高，占地面积小

（1） 采用先进的玻璃加工专用设备，聚光镜形状精确，反光精度高，所选用太阳能专用银镜性能优越，表面易清洗、清洁度易保持，聚光能力强；

（2） 真空管吸收率≥92%，发射率＜9%；光利用效率高；

（3） 先进、灵活的控制系统，追踪精度高。

2、 集热器寿命长、安全性高

（1） 坚实、稳定的机架，精确、专业的设计，精密、优质的材料；

（2） 独特的抗风沙、抗雪设计，特殊的抗冰雹处理，及灵活的自动规避控制装置。

②真空集热管

    槽型抛物面反射镜为线聚焦装置，阳光经聚光器聚集后，在焦线处成一线型光斑带，真空集热管放置在此光斑上，用于吸收聚焦后的阳光，加热管内的工质。所以集热管必须满足以下条件:吸热面的宽度要大于光斑带的宽度，以保证聚焦后的阳光不溢出吸收范围;具有良好的吸收太阳光性能、良好的导热性能和保温性能;在高温下具有较低的辐射率。

  传统的高温真空集热管是一根表面带有选择性吸收涂层的金属管(吸收管)，外套一根同心玻璃管，玻璃管与金属管(通过可伐过渡)密封联接;玻璃管与金属管夹层内抽真空以保护吸收管表面的选择性吸收涂层，同时降低集热损失。

③追踪一传动装置

      为使集热管、聚光器发挥最大作用，聚光集热器应跟踪太阳。槽型抛物面反射镜根据其采光方式，分为东西向和南北向两种布置形式。东西放置只作定期调整;南北放置时一般采用单轴跟踪方式。跟踪方式分为开环、闭环和开闭环相结合三种控制方式。南北向放置时，除了正常的平放东西跟踪外，还可将集热器作一定角度的倾斜，在倾斜角度达到当地纬度时，效果最佳，聚光效率提高达65%。

  综上分析，用于海水淡化的槽式太阳能聚光集热系统与热发电系统中的系统结构相似，主要区别在于:聚光比减小，聚光器宽度与集热管管径相应减小;真空集热管的工作温度降低，效率增加，成本降低;整个系统的管路受海水腐蚀严重。

(2)闪蒸分离器(flashvessel)

     闪蒸分离器的两个主要作用是:气水分离和储水箱。闪蒸分离器接在闪蒸阀后面，在系统中起到使气水分离和储水的作用。集热管中的高压水，在经过闪蒸阀后，压力骤降，迅速沸腾，变为气水混合物，进入闪蒸分离器。其中气态水通过闪蒸分离器顶部的出口排向蒸发器;液态水(含较多盐分)留在闪蒸分离器内。闪蒸分离器内的水不断排向增压泵;同时，经过初步过滤的海水和经过汽水分离的液态水不断补充进来，保持闪蒸分离器中水位在一定范围内。析出的盐分和其他杂质沉积在闪蒸分离器底部，排向大海或用于海盐制造工业。

      闪蒸分离器设计的关键参数亮截面积(不宜过小，否则气流速度过快)、气流速度(过快则阻碍水滴下落)、闪蒸分离器高度、入水口位置。

(3)管路材料与抗腐蚀

     海水中浓度大于lmg/kg的阳离子有Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Sr2+五种，阴离子有Cl-、SO4-、Br-、HCO3-(CO23-)和F-五种，还有以分子形式存在的H3BO3，其总和占海水盐分的99.9%。其中，Cl-，SO4-对管路系统的腐蚀极为严重，槽式太阳能海水淡化系统中易遭到海水腐蚀的部件主要有集热管中的金属吸收管、各种阀门、给水泵、热交换器等，必须选用特殊的材料防止严重腐蚀。

     在选择抗腐蚀金属时，可以参考以高温熔盐为工质的槽式集热管所选用的防腐材料。此外，铜合金可以通过在表面生成一层氧化亚铜保护膜而提高铜管的耐蚀性;钦及钦合金自身有稳定的钝化膜也具有良好的抗腐蚀性;其他特种不锈钢如哈氏合金也适合，但这些特种金属价格都相对昂贵。对于无热交换的管路，按不同工艺及环境条件，海水工况分为原水取水、原水预处理、浓海水的排放工况等，可以选择不同的塑料以满足其耐腐蚀的要求。

太阳能海水淡化技术展望

     随着海水淡化技术的日趋成熟和完善、成本的降低，海水淡化将逐步被国人所接受，海水淡化必然成为沿海城市和地区解决淡水资源短缺的有效方案。能源利用是海水淡化能否发展的关键，利用太阳能等清洁能源是海水淡化的方向。太阳能海水淡化系统具有无污染、低能耗、运行安全、稳定可靠等优势，具有广阔的发展前景。将太阳能海水淡化系统和常规的现代海水淡化技术紧密结合，借鉴其先进制造工艺和强化传热传质方面的成果，与太阳能本身的优势实现互补，可取得较理想的效果。太阳能海水淡化技术，在近期内仍将以蒸馏方法为主，鉴于传统蒸馏装置的缺点，联合太阳能热发电、取暖、海水淡化、海盐生产等系统综合，形成太阳能热利用综合系统，不失为好的发展方向。

产品认证

太阳能热水（发明专利）

国家能源科技进步奖

国家知识产权局实用新型专利（专利号：ZL 2010 2 0192200.9）

太阳能空调鉴定证书—山东省科技厅

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