太陽能膜蒸餾淡化水系統(tǒng)運行優(yōu)化

胡俊虎，郭 梟，楊曉宏,2，田 瑞,2

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太陽能膜蒸餾淡化水系統(tǒng)運行優(yōu)化

胡俊虎1，郭 梟1，楊曉宏1,2，田 瑞1,2※

（1. 內蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，呼和浩特 010051；2. 風能太陽能利用技術教育部重點實驗室，呼和浩特 010051）

該文旨在優(yōu)化太陽能膜蒸餾淡化水系統(tǒng)運行過程。采用試驗手段確定了該系統(tǒng)的最佳運行工況，測試了最佳工況下該系統(tǒng)的運行效果，說明了系統(tǒng)運行過程的電力平衡情況。測試結果表明：呼和浩特地區(qū)該系統(tǒng)光熱部分最佳循環(huán)流量為150 L/h；光伏光熱系統(tǒng)以連續(xù)跟蹤方式運行；熱工質加熱過程控制方法為，當輻照度低于500 W/m2時僅開啟光伏發(fā)電系統(tǒng)加熱熱工質，當輻照度介于500～700 W/m2時采用光伏光熱互補方式加熱熱工質，當輻照度大于700 W/m2時僅開啟光熱系統(tǒng)加熱熱工質；該系統(tǒng)于最佳工況運行時平均膜通量為14.92 kg/(m2·h)，且系統(tǒng)可維持電力平衡；該系統(tǒng)于優(yōu)化工況下運行時7組膜組件串聯(lián)即可滿足1個4口之家的飲水需求。系統(tǒng)于優(yōu)化工況下運行，單位產水量所需的膜面積為0.067 m2。該研究可為膜蒸餾淡化水系統(tǒng)應用研究提供一定參考。

優(yōu)化；膜；蒸餾；淡化水；光熱光電系統(tǒng)

0 引 言

水資源短缺及飲水安全問題已嚴重威脅人類的生活質量，目前水處理廠只能對物理污染和微生物污染進行凈化處理，而無法有效處理化學污染。所以，僅把水煮沸、燒開并不安全，提高水質是解決飲水安全問題的最直接方式。利用膜蒸餾淡化水技術獲取安全飲用水可在一定程度上解決以上問題，近年國內外諸多學者對太陽能利用技術、膜材料、膜組件及膜蒸餾系統(tǒng)運行性能做了諸多研究[1-6]，而將太陽能光伏光熱系統(tǒng)與膜蒸餾系統(tǒng)進行綜合研究的報道還所見不多。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭、清潔無污染的可再生綠色能源，已成為當前新能源利用的主要形式之一[7-12]。光電利用和光熱利用是太陽能利用的2種主要方式，當前已實現(xiàn)了廣泛應用[13-18]。太陽自動跟蹤系統(tǒng)與除塵裝置可有效提高光伏光熱系統(tǒng)運行效率[19-25]。顧明[26]將太陽能集熱器與海水淡化技術結合進行了綜合研究，結果表明：相同工況下平板集熱器的集熱量大于真空管集熱器，將平板集熱器與海水淡化系統(tǒng)結合更利于產水。王紅杰等[27]在研究真空膜蒸餾脫鹽時得出聚四氟乙烯具有良好的疏水性，化學和溫度穩(wěn)定性優(yōu)異，是膜蒸餾的理想材料。楊蘭等[28]對空氣隙膜蒸餾系統(tǒng)進行了大量研究，測試了待處理液流速、氣隙寬度和溫度等對膜滲透性能的影響。田瑞等[29-30]發(fā)明了一種新型高通量空氣隙膜蒸餾組件，該系統(tǒng)可提高傳熱傳質效率，冷熱腔間的空氣隙可減小膜面與冷壁的傳熱傳質阻力。

采用純電網電力驅動膜蒸餾淡化水系統(tǒng)運行時，不僅以間接消耗一次能源及產生環(huán)境污染為代價，而且比其它已普及的淡化水裝置能耗高。單獨將太陽能集熱器應用于膜蒸餾淡化水系統(tǒng)時，不僅需要配套大面積的太陽能集熱器加熱熱工質，還應輔助電網電力驅動冷熱工質循環(huán)，在一定程度上增加了系統(tǒng)初投資。將太陽能光伏光熱系統(tǒng)應用于膜蒸餾淡化水系統(tǒng)可保證系統(tǒng)離網運行，但不同的運行過程所對應的膜通量有很大差異，故存在最佳運行過程。因此，優(yōu)化系統(tǒng)運行過程可保證最大膜通量，對提高系統(tǒng)運行效率具有重要意義。

本文在自主設計太陽能膜蒸餾淡化水系統(tǒng)的基礎上進行了系統(tǒng)運行效果的試驗研究，將系統(tǒng)運行過程作為優(yōu)化對象，總結出了系統(tǒng)實用過程的最佳工況。本研究擬確定單位產水量所需的最小膜面積，實現(xiàn)以最小初投資獲取最大產水量，以推動膜蒸餾淡化水系統(tǒng)的實際應用進程。

1 太陽能膜蒸餾淡化水系統(tǒng)

1.1 太陽能膜蒸餾淡化水系統(tǒng)運行原理

太陽能膜蒸餾淡化水系統(tǒng)采用光伏光熱系統(tǒng)代替常規(guī)電能以驅動系統(tǒng)運行過程的各耗電負載。光伏發(fā)電系統(tǒng)產生220 V交流電驅動系統(tǒng)循環(huán)泵及輔助電加熱棒。光熱系統(tǒng)與儲熱水箱進行循環(huán)換熱以提供膜蒸餾系統(tǒng)熱工質所需的大部分熱量。膜蒸餾淡化水系統(tǒng)如圖1所示，熱工質經熱腔進水口進入熱外腔體后通過分水盤旋流通道以旋轉流動方式流入膜面附近，旋流后經熱內腔體通過出水口流出熱腔，旋轉流動可在一定程度上減輕膜污染；冷工質經冷腔進水口流入腔體，充滿腔體后經出水口連續(xù)流出；膜蒸餾淡化水系統(tǒng)以冷腔、熱腔、冷腔的序列串聯(lián)組成，冷熱腔間為5 mm的空氣隙，冷腔中流經循環(huán)冷工質，熱腔中流經循環(huán)熱工質，熱腔兩側為聚四氟乙烯疏水膜（孔徑0.1m，單塊膜面積0.01 m2），當熱工質流經熱腔膜面附近后水蒸氣在溫差驅動下透過疏水膜，隨后水蒸氣于冷腔鋁冷壁表面凝結為水珠，最后通過淡化水收集系統(tǒng)進行匯集。

1.出水口 2.熱內腔體 3.分水盤 4.熱外腔體 5.進水口 6.旋流通道 7.壓膜蓋 8.膜

1.Water outlet 2.Hot inside chamber 3.Water diversion tray 4.Hot external chamber 5.Water inlet 6.Swirl channel 7.Control membrane covering 8.Membrane

a. 熱腔結構圖

a. Hot chamber structure

1.出水口 2.冷外腔體 3.鋁冷壁4.進水口

1.Water outlet 2.Cold external chamber 3.Aluminum cold wally 4.Water inlet

b. 冷腔結構圖

b. Cold chamber structure

1.空氣隙 2.冷腔 3.熱腔

1.Air gap 2.Cold chamber 3.Hot chamber

c. 排列方式

c. Arrangement style

圖1 膜組件結構圖及其排列方式

Fig.1 Membrane modulesstructure and its arrangement

1.2 太陽能膜蒸餾淡化水運行性能測試系統(tǒng)

如圖2所示，測試系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、光熱系統(tǒng)及膜蒸餾淡化水系統(tǒng)3部分組成。測試過程中將光伏組件與平板集熱器安裝于太陽能雙軸自動跟蹤平臺，可確定該系統(tǒng)太陽能利用部分的最佳運行方式。太陽能自動跟蹤平臺6 m范圍內安裝有太陽輻射監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同步監(jiān)測輻照度變化規(guī)律及氣象參數(shù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)由2塊光伏組件串聯(lián)后輸出48～60 V直流電，直流電經太陽能充電控制器（48 V/30 A）穩(wěn)壓后儲存于4塊串聯(lián)蓄電池（12 V/150 Ah）中，直流電能表安裝于光伏組件和充電控制器之間，用于監(jiān)測光伏組件發(fā)電性能。根據(jù)負載情況將純正弦波逆變器（48 V/1500 W）連接在蓄電池組兩極，逆變器可將48 V直流電轉為220 V交流電以驅動負載運行，交流電能表安裝于逆變器和負載之間，用于監(jiān)測系統(tǒng)耗電量。該系統(tǒng)耗電負載包括：1只輔助電加熱棒（400 W），2臺循環(huán)泵（15 W），1臺增壓泵（90 W）。輔助電加熱棒安裝于保溫水箱（60 L）中部，循環(huán)泵用于驅動膜蒸餾淡化水系統(tǒng)冷熱工質循環(huán)，增壓泵用于驅動光熱系統(tǒng)換熱工質循環(huán)。光熱系統(tǒng)通過1塊2 m2的平板集熱器將所吸收的太陽輻射能轉換為熱能以加熱循環(huán)工質，循環(huán)工質通過銅制換熱盤管不斷加熱保溫水箱中的熱工質。于集熱器和增壓泵間安裝1只量程為1 000 L/h的浮子流量計，用于確定平板集熱器的最佳換熱流量。于流量計和保溫水箱間布置1臺增壓泵以驅動換熱工質循環(huán)，于增壓泵和膜組件間安裝一個保溫水箱為膜蒸餾淡化水系統(tǒng)提供熱工質。膜蒸餾淡化水系統(tǒng)由2個熱腔和3個冷腔串聯(lián)后分別與熱工質循環(huán)管路及冷工質循環(huán)管路連接。保溫水箱中的測溫熱電偶分別布置于距水箱頂部平面100、290、480 mm處，監(jiān)測值分別命名為上層溫度、中層溫度及下層溫度。該測試系統(tǒng)可根據(jù)不同研究內容隨時調節(jié)測溫熱電偶布置點。

1.雙軸跟蹤平臺 2.光伏組件 3.直流電能表 4.充電控制器 5.蓄電池 6.逆變器 7.交流電能表 8.產水量筒 9.冷水箱 10.泵1 11.冷工質進口 12.冷工質出口 13.冷腔 14.熱腔 15.熱工質進口 16.熱工質出口 17. 泵2 18.閥1 19.電加熱棒 20.蓄熱水箱 21.緩沖水箱 22.泵3 23.流量計 24.太陽能平板集熱器 25.閥2 26. 氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.Biaxial tracking platform 2.PV modules 3.DC power meter 4.Charge controller 5.Battery 6.Inverter 7.AC power meter 8.Water cylinder 9.Cold water tank 10.Pump 1 11.Cold refrigerant inlet 12.Cold refrigerant outlet 13.Cold chamber 14.Hot chamber 15.Hot refrigerant inlet 16.Hot refrigerant outlet 17. Pump 2 18.Valve 1 19.Electric heating rod 20.Heat storage tank 21.Buffer tank 22. Pump 3 23.Flowmeter 24. Solar flat plate collector 25. Valve 2 26.Meteorological data collection system

注：虛線代表導線，實線代表管道，泵用交流電

Note: Dotted line represents conductor, solid line represents pipeline, AC for pumps.

圖2 太陽能膜蒸餾淡化水系統(tǒng)運行性能測試系統(tǒng)圖

Fig.2 Performance test diagram of solar membrane distillation desalination system

2 太陽能膜蒸餾淡化水系統(tǒng)運行性能測試

2.1 試驗設備與測試儀器

本研究所涉及試驗設備包括1套太陽能雙軸自動跟蹤平臺（跟蹤精度為0.1°）、2塊光伏組件（峰值功率235 W、開路電壓36.8 V、短路電流8.35A）、1塊平板集熱器、1個保溫水箱、1只浮子流量計、2臺循環(huán)泵、1臺增壓泵、2組膜組件（3個冷腔與2個熱腔串聯(lián)組成）、9只K型點狀熱電偶、1塊太陽能充電控制器、4塊蓄電池、1塊光伏逆變器及1臺電子天平。

本研究所用測試儀器包括1套太陽輻射監(jiān)測系統(tǒng)、1臺TP700數(shù)據(jù)記錄儀、1塊直流電能表及1塊交流電能表。整個太陽輻射監(jiān)測系統(tǒng)由帶傳感器的支架、內置GPS的Solys2型太陽跟蹤器、荷蘭KIPPZONEN太陽輻射（直接輻射、散射輻射、總輻射、紫外輻射、長波輻射）監(jiān)測儀、各種傳感器（溫度、濕度、風速及風向傳感器）、美國SCI數(shù)據(jù)記錄儀組成。Solys2型太陽跟蹤器可實現(xiàn)全天360°全自動跟蹤觀測，跟蹤精度<0.1°，直接輻射表靈敏度為7～14V/(W/m2)，響應時間<5 s，傾斜響應<0.2%，零度偏移<7 W/m2，工作溫度為?40～80 ℃，非穩(wěn)定性<0.5%，非線性<0.2%。SCI數(shù)據(jù)記錄儀以CR3000數(shù)據(jù)采集器為核心構建，工作電壓為10～16 V，內部數(shù)據(jù)滾動存儲，具有4 M數(shù)據(jù)儲存內存且支持CF卡擴充，支持多種通訊方式；TP700數(shù)據(jù)記錄儀用于存儲系統(tǒng)各測點溫度變化數(shù)據(jù)，TP700數(shù)據(jù)記錄儀配置豐富，可接收多種類型的直流電流、電壓和電阻信號，可實現(xiàn)溫度、壓力、液面、流量等物理量的顯示、記錄、報表生成、數(shù)據(jù)通訊、信號變送以及流量累計等功能，測量、顯示基本誤差為±0.2% F·S；直流電能表測試電壓6.5～100 V，測試電流0～100 A；交流電能表額定電壓220 V，額定電流10 A，脈沖1 600 imp/kW。。

2.2 測試方案

膜蒸餾淡化水系統(tǒng)的膜通量主要受冷熱工質溫差影響，以提高熱工質溫度、降低冷工質溫度及恒定較大冷熱工質溫差等方式優(yōu)化系統(tǒng)膜通量。本系統(tǒng)以1個容量為60 L且自帶輔助電加熱的承壓式換熱水箱存儲熱工質，容量為150 L的敞口式自然散熱水箱存儲冷工質，系統(tǒng)冷熱工質均為自來水（源自內蒙古工業(yè)大學自備井地下水）。平板集熱器吸收太陽輻射能以加熱光熱系統(tǒng)循環(huán)水工質，被加熱后的水工質不斷經過保溫水箱換熱盤管以加熱系統(tǒng)熱工質，當平板集熱器不足以提高熱工質溫度時啟動水箱自帶電加熱棒進行輔助加熱，當熱水箱溫度低于設定值后電加熱自動開啟，高于設定值后電加熱自動停止。

該研究中膜蒸餾淡化水系統(tǒng)冷熱工質循環(huán)流量控制為480 L/h。由于測試熱電偶誤差較大，為提高試驗數(shù)據(jù)可靠性，首先對測試用熱電偶于0～90 ℃范圍內進行標定，使標定后各熱電偶誤差<0.1 ℃；其次，根據(jù)以往經驗值、增壓泵流量及揚程、循環(huán)管路直徑、平板集熱器換熱銅管直徑等條件于特定流量范圍內對集熱系統(tǒng)循環(huán)流量進行優(yōu)化；再次，為了獲得集熱系統(tǒng)最佳加熱量及實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量與耗電量的平衡，于跟蹤和非跟蹤狀態(tài)下測試保溫水箱的溫升程度，再于最佳跟蹤方式及循環(huán)流量下測試單獨電加熱、單獨集熱器加熱工況下的系統(tǒng)耗電量，光伏系統(tǒng)發(fā)電量取試驗期間連續(xù)5 d的平均值，確定系統(tǒng)熱工質加熱過程的最佳控制方式；最后，測試保溫水箱保溫性能后于最佳集熱系統(tǒng)換熱流量、最佳跟蹤方式、最佳控制方式下測試膜蒸餾淡化水系統(tǒng)膜通量的變化規(guī)律，同時監(jiān)測淡化水電導率，通過試驗結果計算預設產水量所對應的系統(tǒng)膜面積和系統(tǒng)運行時長。

2.3 試驗流程

本研究于2016年5月20日－6月25日在內蒙古呼和浩特地區(qū)進行測試，測試期間外部日平均環(huán)境溫度為21.78 ℃，平均風速為2.94 m/s，主風向為西北風。分析該地區(qū)太陽能資源對膜組件運行性能的影響規(guī)律，優(yōu)化系統(tǒng)運行過程。

1）試驗第1～2 天在50、100、150、200、250、300 L/h集熱系統(tǒng)循環(huán)流量下，于輻照基本穩(wěn)定且一致的不同時段內各選取10 min測試不同流量下保溫水箱的平均溫升值，測試時段間隔1 min記錄1次溫度數(shù)據(jù)，所選測試時段輻照度均于（800±3）W/m2范圍內波動變化，小范圍的波動可排除輻照度對保溫水箱溫度的影響，最后確定出該集熱循環(huán)系統(tǒng)的最佳流量；

2）試驗第3天于不同時段分別采用跟蹤與非跟蹤狀態(tài)太陽能光伏光熱系統(tǒng)，單獨開啟平板集熱器循環(huán)泵監(jiān)測保溫水箱平均溫度的變化趨勢，以確定系統(tǒng)最佳跟蹤方式，同時分析不同輻照區(qū)段所適宜的加熱方式；

3）試驗第4天測試保溫水箱的保溫性能，試驗第5 天于最佳集熱系統(tǒng)換熱流量、最佳跟蹤方式、最佳運行方式下測試膜蒸餾淡化水系統(tǒng)膜通量的變化規(guī)律，并監(jiān)測淡化水電導率。

3 結果與分析

3.1 集熱系統(tǒng)最佳循環(huán)流量確定

受換熱銅管中換熱工質流速的影響，單位時間內換熱工質通過換熱面吸收的熱量各異。小流量對應低流速，低流速時單位時間內流經吸熱管的換熱工質過少，故總吸熱量也較小。大流量對應大流速，過大流速時流經換熱面的工質未能完全吸收該時刻的太陽輻射能，導致熱損失過大，故此時總吸熱量也較小。綜上分析，流量過小或過大都將導致同一時長內總吸熱量減小，故存在一個最佳吸熱循環(huán)流量。由表1可知，10 min內保溫水箱溫升值隨循環(huán)流量的變化而各不相同。50 L/h所對應的溫升值最小，其值為1.2 ℃；100、200、250、300 L/h所對應的溫升值均較小，其值分別為1.6、1.5、1.6、1.5 ℃，溫升值于1.5 ℃和1.6 ℃之間波動變化。150 L/h所對應的保溫水箱溫升值為2.5 ℃，為各循環(huán)流量下的最大值，單位時間內隨換熱工質通過換熱面而吸收的熱量最多。綜上，集熱系統(tǒng)最佳循環(huán)流量為150 L/h。

表1 循環(huán)流量對集熱器集熱效果的影響

3.2 光伏光熱系統(tǒng)最佳跟蹤方式確定

太陽光線入射角直接影響光伏光熱系統(tǒng)運行效率，光線垂直入射可保證系統(tǒng)接收最大光能量，獲得較高的發(fā)電量及熱量。如圖3所示，保溫水箱各測溫點溫度變化趨勢一致，均以快速上升-小范圍波動-快速上升-小范圍波動的趨勢變化。由于循環(huán)工質溫度越高其密度越小，故同一時刻保溫水箱上層溫度、中層溫度、下層溫度依次降低。測試當天08:00－10:45及13:45－17:15時段太陽能光伏光熱系統(tǒng)處于跟蹤狀態(tài)，10:45－13:45時段太陽能光伏光熱系統(tǒng)處于非跟蹤狀態(tài)，整個測試階段僅開啟平板集熱器增壓泵進行換熱。跟蹤狀態(tài)下：16:15－17:15時段輻照度低于500 W/m2，此時段集熱水箱各測溫點平均溫度處于小范圍波動，各測溫點溫升值接近于0 ℃，集熱效果差；08:15－09:05與15:45－16:45時段輻照度于500～700 W/m2之間變化，此時保溫水箱各測溫點溫度平均升高1.7 ℃，集熱效果較差；09:05－10:45時段輻照度高于700 W/m2，此時集熱水箱各測溫點溫度平均升高14 ℃，集熱效果好。非跟蹤狀態(tài)下：10:45－13:45時段輻照度高于700 W/m2，該時段太陽光線入射角以每小時15°的速度增大，10:45－12:05時段入射角由0°增加至20°，此時集熱水箱各測溫點溫度平均升高5.6 ℃，該范圍內入射角偏差對集熱效果影響程度較小，12:05－13:45時段入射角繼續(xù)增大，入射角大于20°后集熱器溫升值急劇下降，保溫水箱各測溫點溫升值在0～0.4 ℃范圍內波動，集熱效果很差。綜上，輻照度高于500 W/m2工況下太陽能光伏光熱系統(tǒng)應采用連續(xù)跟蹤方式運行，輻照度低于500 W/m2時不宜采用光熱系統(tǒng)加熱熱工質，輻照度高于700 W/m2時集熱器單獨加熱既可驅動系統(tǒng)運行。

3.3 太陽能膜蒸餾淡化水系統(tǒng)運行性能分析

3.3.1 熱水箱保溫性能測試

加熱工況下保溫水箱溫度將發(fā)生不同程度的分層分布，循環(huán)有利于溫度場均勻化。如圖4所示，保溫性能測試時長為5 h，水箱各測溫點溫度隨時長增大而緩慢降低，5 h內降低約2 ℃，熱水箱中下層溫差隨測試時長呈負相關變化，測試后期水箱中下部溫度場逐漸趨于均勻，但水箱上中層溫差持續(xù)保持為8 ℃左右，該位置水箱溫度分層明顯，由于系統(tǒng)熱工質出水口布置于水箱上部，故上述現(xiàn)象于膜蒸餾淡化水系統(tǒng)運行時快速消失。綜上，系統(tǒng)熱水箱保溫性能良好，利于系統(tǒng)高效運行。

3.3.2 太陽能膜蒸餾淡化水系統(tǒng)運行優(yōu)化

熱工質加熱過程控制方案為：當輻照度低于500 W/m2時僅開啟光伏發(fā)電系統(tǒng)加熱熱工質，當輻照度介于500～700 W/m2時采用光伏光熱互補方式加熱熱工質，當輻照度大于700 W/m2時僅開啟光熱系統(tǒng)加熱熱工質。直流電能表監(jiān)測光伏發(fā)電系統(tǒng)的平均發(fā)電量為2.40 kW×h/d。由圖5分析， 09:00－17:50時段系統(tǒng)共耗電2.61 kW×h，12:50－17:50時段系統(tǒng)共耗電1.58 kW×h，系統(tǒng)產水測試時段耗電量為總耗電量的60.54%。故光伏發(fā)電系統(tǒng)可滿足膜蒸餾淡化水系統(tǒng)運行5 h/d。

如圖6所示，熱工質進出口溫度隨系統(tǒng)運行時間的變化規(guī)律基本一致，整體呈緩慢降低趨勢，溫差小于2.6 ℃；冷工質進出口溫度隨系統(tǒng)運行時間的變化規(guī)律也基本一致，整體呈緩慢上升趨勢，溫差小于2.4℃。由此，可選冷、熱工質的進口溫度進行溫差分析。由圖6可知，冷熱工質進口溫差隨系統(tǒng)運行時間的延長而緩慢降低。系統(tǒng)運行開始時刻（12:50）冷熱工質進口溫差接近37 ℃，系統(tǒng)運行4 h（16:50）后冷熱工質進口溫差降低為20 ℃，隨后冷熱工質溫差基本保持恒定。系統(tǒng)運行時段，膜通量由20 kg/(m2·h)變?yōu)?2 kg/(m2·h)后保持穩(wěn)定，與冷熱工質進出口溫差隨系統(tǒng)運行時間的變化規(guī)律相似。每次測試系統(tǒng)膜通量時均測試并記錄淡化水電導率，其值分別為5.9、5.7、6.3、6.1、6.0S/cm，淡化水電導率均于6S/cm附近波動，由于國家規(guī)定的純凈水標準值為10S/cm[31]，故系統(tǒng)產水水質優(yōu)良。測試當天，系統(tǒng)在優(yōu)化工況下運行時其平均膜通量為14.92 kg/(m2·h)，5 h可產水74.60 kg/m2。人體攝入水量平均為2.50 kg/d，1個4口之家攝入水量為10 kg/d，0.14 m2疏水膜于優(yōu)化控制方式下運行5 h即可產水10.44 kg，故7組本測試用膜組件即可滿足1個4口之家的飲水需求。優(yōu)化工況可使系統(tǒng)單位產水量所需的串聯(lián)膜組件數(shù)量保持為最小，系統(tǒng)于優(yōu)化工況下運行，單位產水量所需的膜面積最小為0.067 m2。

4 結 論

本研究自主設計了太陽能膜蒸餾淡化水系統(tǒng)運行性能測試裝置。對各運行參數(shù)優(yōu)化后進行了系統(tǒng)運行性能測試，得到以下結論：

1）呼和浩特地區(qū)平板集熱器最佳循環(huán)流量為150 L/h。輻照度高于500 W/m2工況下太陽能光伏光熱系統(tǒng)應采用連續(xù)跟蹤方式運行，太陽光線入射角大于20°后集熱器加熱速度急劇下降且接近于0 ℃；

2）熱工質加熱過程控制方案為：當輻照度低于500 W/m2時僅開啟光伏發(fā)電系統(tǒng)加熱熱工質，當輻照度介于500～700 W/m2時采用光伏光熱互補方式加熱熱工質，當輻照度大于700 W/m2時僅開啟光熱系統(tǒng)加熱熱工質；

3）最佳控制過程可維持系統(tǒng)電力平衡，最佳工況下系統(tǒng)平均膜通量為14.92 kg/(m2·h)，7組膜組件即可滿足1個4口之家的飲水需求。

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Running optimization of solar membrane desalination system

Hu Junhu1, Guo Xiao1, Yang Xiaohong1,2, Tian Rui1,2※

(1,010051,;2010051,)

In this paper, a test device of solar membrane desalination system through distillation is designed in order to optimize the running process of solar membrane desalination system through distillation. The device uses photovoltaic-thermal system instead of conventional power to drive the power load during the running process of the system. The best operation condition is determined by means of test. The running performance of the system is tested in Hohhot, Inner Mongolia Autonomous Region, under the optimized circulation flow circumstance; the optimal heat flow rate is determined, the running effect of membrane desalination system in the best condition is tested, and the power balance of the system during the operation is illustrated. During the test outside, the average daily temperature is 21.78 ℃, the average wind speed is 2.94 m/s, and the main wind direction is northwest. The results show that there is a best endothermic circulation flow rate, which makes the total heat absorption decrease if it is too small or too large. The best circulation flow rate of solar thermal and photovoltaic system is 150 L/h. Corresponding temperature of the heat water increases by 2.5 ℃, which is the maximum value under all the circulation flow rates. The amount of heat absorbed by the heat exchanger in the unit time is the largest; the solar thermal and photovoltaic system should adopt the continuous track to run. After the incident angle of the sun’s rays is greater than 20°, the heating rate of solar collector sharply declines and the temperature rise values at measuring points are close to 0 ℃. In the heating process, there are 3 kinds of control methods. When the irradiance is less than 500 W/m2, only the photovoltaic system is opened to heat the working medium; when the irradiance is 500-700 W/m2, the thermal and photovoltaic complementary mode is used to heat the working medium; when the irradiance is greater than 700 W/m2, the thermal system opens to heat the working medium. With the good thermal insulating performance of hot water tank, system runs efficiently. The average flux is 14.92 kg/(m2·h) after optimization. The single membrane area is 0.01 m2. The average human intake of water is 2.5 kg/d, and 10.44 kg water can be produced by 0.14 m2hydrophobic membrane which runs for 5 h in the optimized conditions. Seven groups of membrane modules in series can meet the drinking water needs of a family of four. The power consumption of electric heating is much larger than the total power consumption of 3 pumps. The power consumption during the whole test is 2.61 kW·h. The DC (direct current) meter shows that the average electrical energy generation by photovoltaic system is 2.4 (kW·h)/d. The membrane desalination system runs 5 h/d, which meets the demand of the photovoltaic system. The balance of electric power is maintained in the process of system operation. At last, this research can determine the minimum membrane area that per unit water production requires, get the maximum water production with the minimum initial investment, and promote the practical application of the membrane desalination system. The results provide a reference for the application of membrane distillation for desalination.

optimization; membrane; distillation; desalination water; solar thermal photovoltaic systems

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.022

TK513

A

1002-6819(2017)-06-0171-06

2016-09-27

2017-01-08

國家自然科學基金項目（51266007）；內蒙古科研創(chuàng)新項目(B20161012802Z)

胡俊虎，男（漢族），烏蘭察布市人，博士生，主要從事傳熱傳質強化和能源利用研究。呼和浩特內蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，010051。Email：guoxiao1196@163.com

田 瑞，男（漢族），呼和浩特市人，教授，博士生導師，主要從事傳熱傳質強化和能源利用研究。呼和浩特內蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，010051。Email：tianr@imut.edu.cn