浅谈海水淡化暨多功能发电系统的可行性

余雯羡

摘 要：进入21世纪，由于化石能源与水资源短缺，世界面临的资源压力越来越大。解决水资源短缺的有效途径之一便是海水淡化，在海水淡化的同时，将其他形式能量（温差能、盐差能、太阳能）转化为电能，电能一方面可供海水淡化过程使用，另外可供附近居民生活、工农业生产使用。相对于现有的海水淡化系统，本系统充分体现了节能减排的理念，具有一定优势，有较好的市场推广前景。

关键词：海水淡化；盐差发电；温差发电；多级闪急蒸馏

中图分类号： P747 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）11-160-2

1 研制背景

由于海水淡化技术存在着成本高、能耗高等问题，所以未能全面推广，但海洋是巨大的能源库，海水中的含盐量为3.5%，我国沿海盐差能理论功率约为1.25×108kW。海洋温差能是海洋能中密度较高的一种能量，它主要分布在热带与亚热带海域，太阳注入地球表面用于加热海面表层海水的能量换算为电功率约为678 kW， 1000m及以下的深层海水与表层海水之间存在着大于20℃的温差，若用这种温差发电的话，将大大节约能源[1]。现有的多级闪蒸海水淡化装置，不经预处理即可直接处理高含盐量海水（35000～40000mg/L），简化了水处理系统。

2 工作原理

首先通过抽水泵抽取海水经过过滤到多级闪急蒸馏室进行蒸馏，蒸馏的淡水经冷凝储存在淡水收集池，析出的盐溶液流至高浓度盐水池；同时海水在反渗透作用下产出淡水，流至淡水收集池；蒸馏室利用太阳能日照升温，高温水蒸气的温度与抽水泵抽出的深层冷海水温度相比，温差较大，在各段的温差发电室进行温差发电，发电效率比单纯海洋表面海水和海底海水高[6]；类似，高浓度盐水池中的盐水与淡水池中的淡水的浓度差增大，可提高盐差发电的发电效率；在本系统空余空间装设太阳能发电装置，充分利用装置的空间和新能源。本系统发出的电能可供海水淡化使用，剩余电能可供附近居民生产生活实用；蒸馏淡化过程产生的盐及矿物离子提供生产生活所需。

3 理论设计计算

3.1 淡水产出率

如图1[3]所示，给出2、5点处的温度和压强，可以查得对应流体的热力学参数值：

3.2 温差发电

为了方便计算输出功率，我们做了以下假设：①输出电流为稳恒电流；②半导体温差发电片的侧面绝热；③忽略辐射和冷热端之间的空气对流的影响；④半导体温差发电片内部导热系数不变。由此解得输出功率为：

p=（SKTK-SCTC）I-τIΔT-I2R （式1）[3]

式（1）中，τ为汤姆逊系数；R表示器件总电阻；等号的右端（SKTK-SCTC）为帕尔帖热，I2R为焦耳热，τIΔT为汤姆逊热。

功率匹配条件：RL=R，得出最大输出功率：

PMAX=（SKTK-SCTC）2/4R （式2）[3]

一般情况下，海平面以下500米的深层海水温度与经过加热之后的表层海水温度，两者相差70～80℃左右，而热带海洋的温差则更为明显。以温差为20℃，效率3%来计算，可得出每升海水含有的净有用能量为80×3%×4.18×1000=10kJ（即产生10kw的发电功率需每秒抽取一升海水）现以每秒取0.047立方米的海水为例，通过计算可知发出的功率为119.4kw，而且该过程是连续发电，并在发电的同时，生产出24kg/kWh的淡水，经转换可得119.4kw的发电功率，每小时可以同时生产出2.82吨的淡水（即1000m3的海水产生1.52×105kW·h）

3.3 盐差发电发电量

在不考虑喷嘴效率、机械效率以及蒸汽阻力等影响因素的理想条件下。在发电机转子达到平衡时，理论发电量的计算公式为：

P=mih2-2m0h5=2×m（c-c） （式3）[2]

将m=mi（m0为喷嘴出口流体的质量流），cn=rω-带入式（3）得：

P=mi（h2-h5）=m（c-）2 （式4）[2]

其中，mi为发电机入口海水质量流，Pa是标准大气压，Pa，N是喷嘴转速，r/min，cn为喷嘴线速度m/s，c为喷嘴出口海水相对速度m/s

由式（3）可以看出，在理想条件下系统的电能与海水的动能由海水的焓降转化而来，因此应尽量减少海水那部分的动能，从而获得更多的电能，即尽量使c=cn。若取mi=0.1kg/s，同时将典型热力学值带入式（4）得每秒最大发电量：

Pm=0.1×（313.93-298.15）=1.578kW

即发电量为5680.8kW·h/m3，100吨水通过盐差发电可发出5.68×108kW·h的电。

随着太阳光照射海水表面，海水温度急剧上升，淡水产出率和发电量也成比例上升。淡水生成率与热海水温度关系基本与理论结果一致成线性关系，并且要略高于理论值。

3.4 多级闪急蒸馏能耗

从热力学可知，恒温状态时，从渗透和反渗透现象图可得化学位μ（Δp）公式：

μ（Vp）=μ0（Vp）+RT1nα （式5）[4]

式中Δp是加在膜一侧的压力，R是气体常数，T是绝对温度，α为溶液活度。渗透压ΔΠ公式由渗透平衡可推导出：

ΔΠ=1nα≈nRT （式6）[4]

V—偏摩尔体质，n—稀溶液的溶质质量分数

从溶液一侧向溶剂侧传递纯水体质ΔV时需要做功Δ W，从而我们可以推出任意浓度的溶液分离所需的最小能量为：

dW=ΔW=-ΔΠΔV=-ΔΠdV （式7）[4]

综上所述，在恒温情况下海水淡化最低能耗为0.7kW·h/m3左右。以100吨淡水为单位时，需消耗70000度电。

3.5 太阳能发电系统

系统装机容量为25MW，实际年平均日照约8小时，除去系统损耗等，得系统总效率约为80%。根据系统计算，得出系统年平均发电量为：25×8×365×80%=5.84×107度。

4 应用及前景

海水淡化暨多功能发电系统可提供附近地区居民的饮用水需求及电能需求，特别对于海岛、沿海地区和沙漠地区的居民，可实现生产生活淡水与电能的自给自足，可实现在海岛进行农作物种植，使沙漠成为绿洲；此外，海水淡化过程中可以提取大量的镁、溴、碘等离子，可供化学工业生产使用。

参 考 文 献

[1] 封光，钟爽.海洋温差发电的研究现状与展望[J].东北电力大学学报，2011（02）.

[2] 胡以怀，纪娟.海水盐差能发电技术的试验研究[J].能源工程，2009（05）.

[3] 张鹏，曾狄根，黄学章.半导体温差发电在工业余热利用中的可行性分析[J]，2009（12）.

[4] 詹红菱.反渗透（SWRO）海水淡化高压[J].中国建设信息（水工业市场），2009（10）.

[5] 杨欢.多级闪蒸技术在海水淡化中的应用[D].武汉大学土建学院，2006.

[6] 李相发.反渗透海水淡化远程集中监控系统的研究[D].杭州电子科技大学，2012.