顶置加热面太阳能海水淡化装置设计理论及其应用

摘要 根据顶置加热面太阳能海水淡化装置的结构特点和构建材料性能，用透光率、光热转换效率、绝热效率、回热效率量化表达了各因素对太阳能利用率的影响，推导出太阳能利用率理论计算公式。在此基础上，创立了顶置加热面太阳能海水淡化装置设计理论。为此，将同一时间内被回收利用的冷凝热量与冷凝热总量的比率定义为回热效率。采用普通材料，太阳能利用率就能达到73％左右。突破了引渤入疆工程的瓶颈技术。顶置加热面太阳能蒸发技术在海水淡化、污水处理、工农业生产等领域有广阔应用前景，具备了大面积推广应用的技术经济条件。

1、引言

太阳能海水淡化技术发展至今，还没有太阳能利用率超过50％的可行技术。顶置加热面太阳能蒸发技术将打破这种僵局，实现技术飞跃。采用普通光热材料绝热材料，太阳能利用率就能达到73％左右。《被动式太阳能海水淡化技术路线解析》阐明了顶置加热面太阳能蒸发技术将加热面、蒸发面、冷凝面自上而下依次设置的优越性；揭示了盘式太阳能海水淡化技术是全程起点，太阳能界面蒸发技术是当前研究热点，顶置加热面太阳能蒸发技术将是全程终点的被动式太阳能海水淡化技术发展规律；开辟了一种高效率低成本的太阳能海水淡化技术路线[1]。在该技术领域，已经注册了多项中国发明专利[2][3][4]。太阳能的利用途径是太阳光透过透光材料在光热板上转换成热量加热光热板下面的水，使海水蒸发成蒸汽并冷凝成淡水。在此过程中，阳光透过透光材料有能量损失，光热转换有能量损失，蒸汽冷凝前有传热损失。这三种能量损失程度可用透光材料透光率、光热转换效率、绝热效率表述。顶置加热面太阳能海水淡化装置部分冷凝热透过海水罐壁加热海水得到回收利用，能提高太阳能利用率。将同一时间内被回收利用的冷凝热量与冷凝热总量的比率定义为回热效率。太阳能利用率是透光材料透光率、光热转换效率、绝热效率和回热效率综合作用效果的体现。

2、太阳能利用率理论计算公式

顶置加热面太阳能蒸发技术妥善解决了太阳能海水淡化技术必须解决的光热转换、海水蒸发、蒸汽冷凝这三个问题。太阳能利用率是评价解决这三个问题的指标。透光材料、光热材料、绝热材料性能是太阳能利用率主要影响因素。其影响程度可用材料性能参数量化表达。例如，透光材料采用普通平板玻璃，透光率在82％至86％之间；光热材料采用黑色涂料，光热转换效率在90％以上；5厘米厚聚氨酯泡沫层能保持传热损失不超过10％，也就是绝热效率在90％以上。回热效率的主要影响因素是海水罐侧面的换热片回收冷凝热加热海水状况。回热效率目前还没有量化数据。

设太阳能利用率为η、玻璃透光率为T、光热转换效率为η1、绝热效率为η2、回热效率为η3，有关系式（1）：

η=Tη1η2 （1+η3） （1）

将一组玻璃透光率、光热转换效率、绝热效率、回热效率数据代入关系式（1），就计算出相应的太阳能利用率。

3、顶置加热面太阳能海水淡化装置设计理论计算

顶置加热面太阳能海水淡化装置结构，纵向自上而下是平板玻璃、光热板、冷凝器内胆、隔热层、海水罐、冷凝器底面；横向由内到外是海水罐、冷凝器内胆、隔热层、冷凝器侧面。海水罐侧面有横向布置的换热片。冷凝器底面有纵向布置的换热片。横向布置的换热片与纵向布置的换热片不接触。平板玻璃小角度倾斜布置。光热板冷凝器底面封闭冷凝器内胆两个端面。冷凝器内至少有一个海水罐[3]。相邻海水罐相距1米左右。太阳光透过平板玻璃在光热板上转换成热量加热海水蒸发成蒸汽。蒸汽在海水罐侧面的横向换热片或在冷凝器底面的纵向换热片表面冷凝成淡水。冷凝热被海水回收利用或排到大气中。上述光或热传递途径的光或热损失有三个环节：一是光透过平板玻璃的光损失，用透光率量化；二是光在光热板上转换成热量的损失，用光热转换效率量化；三是热量从光热板和冷凝器内胆向外传递的损失，用绝热效率量化。蒸汽冷凝所放冷凝热被海水回收利用，用回热效率量化。顶置加热面太阳能海水淡化装置设计步骤如下：

1、根据采用平板玻璃的透光率、光热板的光热转换效率、光热板冷凝器内胆的绝热效率以及回热效率，计算太阳能利用率。

2、根据设计淡水产量、太阳光照强度、太阳能利用率计算光热板面积。

3、根据光热板面积，按相邻海水罐相距1米和海水罐长度计算海水罐数量。

4、配套的海水供给和浓海水外排设施设计。

作为实例，按照上述设计步骤设计一台光热板长0.9米宽0.4米面积0.36平方米的太阳能海水淡化装置样机。

1、透光材料采用普通平板玻璃，T取82％；采用炭黑作光热材料，η1取90％；采用聚氨酯泡沫和封闭空气作隔热层，η2取90％；保守估计海水罐侧面换热片回收10％冷凝热，η3取10％。将上述数据代入关系式（1）：

η=0.82*0.9*0.9（1+0.1）=0.73

太阳能利用率η为73％。采用性能更好的材料，太阳能利用率η有一定提升空间。

2、作为试验样机，光热板面积取0.36平方米。

3、光热板长0.9米宽0.4米厚0.001米，冷凝器内只有一个海水罐。冷凝器长1.0米宽0.5米高0.2米，冷凝器内胆长0.9米宽0.4米高0.12米。

根据上述数据，制作成功世界首台顶置加热面太阳能海水淡化装置样机。

4、应用前景展望

顶置加热面太阳能蒸发技术在海水淡化、污水处理、工农业生产等领域有广阔应用前景。

在海岛，建筑物顶面海面可建设固定或移动的太阳能海水淡化装置，土地资源高效利用。全岛建成一套淡水生产供应基础设施。

在沿海，晒盐田、沙滩地、滩涂地及养殖业用地，在不严重影响原土地用途的前提下，可支高架安装太阳能海水淡化装置。在生产淡水的同时，发展盐化产业，实现海水资源综合利用。

在沙漠，太阳能丰富，将海水引入后利用太阳能淡化。用淡水发展当地工业农业，足以将沙漠改造成适宜人类生存的地区。推广应用顶置加热面太阳能蒸发技术，引渤入疆工程完全可以实现。引渤入疆工程的瓶颈技术就是大规模低成本太阳能海水淡化技术。

在水质性缺水地区，利用太阳能将不符合饮用水标准的水处理成合格饮用水。例如中国西北地区，太阳光照强，苦咸水丰富。采用太阳能海水淡化技术能解决缺水问题。

太阳能丰富地区，工业废水、生活污水、油田水都可以通过太阳能蒸发技术实现无害化处理。例如新疆的油田水就可以用太阳能蒸发浓缩后回注地层，降低回注成本。

5、结论

根据顶置加热面太阳能海水淡化装置的结构特点和构建材料性能，透光材料、光热材料、绝热材料、冷凝热回收方式决定太阳能利用率。透光率、光热转换效率、绝热效率、回热效率量化表达了各因素对太阳能利用率的影响。据此推导出太阳能利用率理论计算公式。在此基础上，创立了顶置加热面太阳能海水淡化装置设计理论。采用透光率82％的普通玻璃，光热转换效率90％的炭黑，绝热效率取90％，回热效率取10％，顶置加热面太阳能蒸发技术的太阳能利用率将达到73％。实现了太阳能利用率从不超过50％到70％以上的跨越。具备了大面积推广应用的技术经济条件。

致谢：感谢南京大学徐炜超的帮助。

参考文献

［1］ Ling Bin KongAnalysis of Passive Solar Desalination Technology Route Journal of Energy and Power Engineering 15 (2021) 16-19 doi: 10.17265/1934-8975/2021.01.003

［2］孔令斌一种双冷凝器太阳能海水淡化装置［P］中国专利公报2020

［3］孔令斌一种大型被动式太阳能海水淡化装置［P］中国专利公报2022

［4］孔令斌一种具有蒸发室冷凝室的太阳能海水淡化装置［P］ 中国专利公报2022