新型海水淡化系統的設計*④

張 敏　李雨龍　胡 狀　劉炳鍵　陳東生

(上海電力學院　上海　201400)

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新型海水淡化系統的設計*④

張 敏李雨龍胡 狀劉炳鍵陳東生

(上海電力學院上海201400)

在便攜的高效凹面聚光集熱裝置基礎上,通過綜合利用所獲得的太陽熱輻射能實現海水淡化蒸餾、溫差發電以及溫箱供暖，從而達到太陽能高效綜合利用的目的.同時，為海難及島礁等特殊情況、特殊環境下的海水淡化與供暖需求提供一種新途徑.

凹面聚光海水淡化溫差發電供暖

1　引言

眾所周知，海洋不僅是人類的資源寶庫，也是人們不可或缺的交通媒介，海洋運輸是國際貿易運輸中使用最廣泛的運輸方式.隨著海洋開發、海上運輸等活動日益頻繁，如何獲得更多的淡水資源成為一個倍受關注的問題.但巨大的海洋市場也帶來巨大的風險.每年因海難失去生命的人數不勝數[1].若發生事故，被困海上時，一個穩定的海上救援與淡水維持系統變得非常重要.首先，船上的救援物資是有限的，特別是淡水，很快就會消耗完；其次，船上的電也會用完，無法發送求救信號.本文將研究如何利用光熱蒸餾海水獲得淡水；利用光電和溫差發電系統為求救燈光提供電源等.

2　系統設計原理

本實驗裝置將利用光熱蒸餾海水獲得淡水；利用光電和溫差發電系統為求救燈光提供電源；利用光熱余熱導入保溫箱以供夜晚保暖；利用反光材料在白天反射求救光等.

2.1方案選擇

目前，相同功率的聚光系統有很多，常用的如表1所示.

表1　相同功率的海上聚光系統比較

考慮到海上的特殊地理環境等特點，最后綜合比較，選擇了槽式聚光系統.槽式聚光裝置利用拋物線的幾何特性將平行射入的太陽光進行反射聚焦于集熱管.聚光裝置主要包括反光鏡和支架兩部分，它們應具有良好的反射率、聚光性能、機械性能、抗腐蝕性能以及經濟性等特點[2].

2.2系統設計

因為真空管價格昂貴，所以選擇不銹鋼鐵皮管的(如圖1)中心光斑作為受熱部分.這樣雖然在集熱性能上存在一定損失，但是它的可塑性卻大大提高.本方案將在鐵皮管中完成淡水蒸發，以及熱水循環等功能.

反光材料采用了性價比高的鋁膜板，在兼顧價格的同時也獲得了良好的反光效果.在金屬管的上部開了兩個洞，一個洞是用來加水的，另外一個是用來排熱蒸汽的.兩邊的螺孔處在圓截面的中心位置，它是用來接金屬水管從而使得熱水循環.這種設計即使無水注入時，也可以保持管內的液位，從而防止干燒等破壞性情況的出現.

圖1　中心光斑受熱部分

整個系統共需要8塊溫差電池、兩個冷凝器、1個保溫水箱、1個電池盒、1個可卷的反光板、1個加熱管、管道以及導線若干.

設計原理是直接用加熱后的水流經冷凝器上的溫差電池，得到電力，同時完成循環水的操作，最后留下的熱水保存在保溫箱中，留給晚上海上防寒使用.而上部的蒸汽直接經過另外一個冷凝器，產生蒸餾水，然后被收集、飲用.同時，翻轉的槽式設計，在白天可以遮擋海上的烈日，當下雨時可以用來收集雨水，一舉兩得.最終的設計效果如圖2所示.

圖2　系統設計圖

2.3實驗系統測試

本實驗裝置基于圖3的拋物面模型[3].

圖3　拋物面模型

架設完成后的實物裝置如圖4所示.首先，觀察太陽的仰角以適時調整整個拋物面的弧度及對太陽光線的角度.已知反光板弧長L=2m, x軸方向長度為OH=0.40m.

圖4　系統實物圖

令y2=2px 由拋物線近似弧長公式[4]

Smon=

(1)

代入條件,得拋物面焦距F近似數值為0.342m.已知初始溫度為14.1℃；水體積0.7L.所得實驗數據如表2，曲線關系如圖5所示.

表2　加熱器溫度與時間關系

圖5　加熱器溫度與時間關系

86.2℃

(2)

m=Vρ=0.7kg

(3)

Q=c水mΔt

已知水的比熱容c=4 186J/(kg·℃)，將式(2)、(3)代入上式得

Q=252 583J

(4)

(5)

最后得到的功率是110W.而蒸餾水平均一個小時內有200mL的出水量.如果算一天內有8個小時的日照時間，就有1 600mL的淡水，基本滿足一個人一天的基本求生的水需求，同時在保溫箱中的熱水，也有60℃的溫度完全可以保證單人的保暖需求，此外，還有電力資源可以使用.

3　結論

這是一種新型的海上救援船的救援與維持系統，它解決了很多海上求生的難題，雖然有很多問題有待繼續研究，但是已經具備了一定的能力來維持海上的基本生存需求，并且它的溫差發電功能可以比較高效地利用太陽能，為求生帶來希望.21世紀是能源的世紀，聚光太陽能一定會得到長足的發展，而光熱與光電的互補混合系統是一個值得期待的技術方向！

1張民幸.槽式太陽能熱發電系統熱性能研究:[學位論文]. 北京：華北電力大學,2012.1～35

2熊玉學,劉慶照.計算拋物線及橢圓弧長的近似公式. 東北林業大學學報,1991(4): 1～16

3高文娟, 陳曉夫. 聚光式太陽灶光效率特性分析. 農業工程學報, 1988, 4(4): 53～61

4HankPrice,EckhardLupfert,DavidKearney,etal.AdvancesinParabolicTroughSolarPowerTechnology.JournalofSolarEnergyEngineering, 2002, 124:109～125

張敏(1992-)，女，在讀本科生． 指導教師：陳東生(1978-)，男，博士，副教授，研究方向為新能源發電技術，綜合性、設計性實驗的開發與研究等．

2015-12-23)

④上海市大學生科研創新、國家大學生科研創新基金資助.