顶置加热面太阳能海水淡化装置设计理论及其应用

摘要 根据顶部加热表面太阳能海水淡化装置的结构特点和建筑材料性能，用透光率、光热转换效率、绝缘效率和回热效率量化各种因素对太阳能利用率的影响，推导出太阳能利用率的理论计算公式。在此基础上，创建了顶置加热面太阳能海水淡化装置的设计理论。因此，将同时回收的冷凝热与冷凝热总量的比率定义为回热效率。使用普通材料，太阳能利用率可达73％左右。突破引渤入疆工程瓶颈技术。顶置加热表面太阳能蒸发技术在海水淡化、污水处理、工农业生产等领域具有广阔的应用前景，具有大规模推广应用的技术经济条件。

1、引言

自太阳能海水淡化技术发展以来，太阳能利用率还没有超过50％可行技术。太阳能蒸发技术的顶部加热表面将打破这种僵局，实现技术飞跃。太阳能利用率可达73％左右。《被动太阳能海水淡化技术路线分析》阐明了顶置加热表面太阳能蒸发技术自上而下设置加热表面、蒸发表面和冷凝表面的优点；揭示了盘式太阳能海水淡化技术是整个过程的起点，太阳能界面蒸发技术是当前的研究热点，顶置加热面太阳能蒸发技术将是被动太阳能海水淡化技术的发展规律，开辟低成本的太阳能海水淡化技术路线[1]。中国发明[2][3][4]已在该技术领域注册。在该技术领域，已注册了多项中国发明[2][3][4]。利用太阳能的方法是将太阳通过透光材料在光热板上转化为热量，加热光热板下的水，使海水蒸发成蒸汽，冷凝成淡水。在这个过程中，阳光通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。这三种能量损失可以用透光材料的透光率、光热转换效率和绝缘效率来表达。顶置加热面太阳能海水淡化装置部分冷凝热通过海水罐壁加热海水回收利用，可提高太阳能利用率。将同时回收的冷凝热与冷凝热总量的比例定义为回热效率。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的综合作用。

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三个问题：光热转换、海水蒸发和蒸汽冷凝。太阳能利用率是评估和解决这三个问题的指标。太阳能利用率主要影响透光材料、光热材料和绝热材料的性能。材料性能参数可以量化其影响程度。例如，普通平板玻璃用于透光材料，透光率为82％至86％之间；光热材料采用黑色涂料，光热转换效率为90％超过5厘米厚的聚氨酯泡沫层可以保持不超过10厘米的传热损失％，也就是说，绝缘效率为90％以上。影响回热效率的主要因素是海水罐侧热交换器回收冷凝热加热海水。目前还没有量化回热效率数据。

设置太阳能利用率为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.相关类型(1)：

η=Tη1η2 （1 η3） （1）

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

3、太阳能海水淡化装置设计理论计算

顶部加热面太阳能海水淡化装置结构为平板玻璃、光热板、冷凝器内胆、保温层、海水罐、冷凝器底面，水平为海水罐、冷凝器内胆、保温层、冷凝器侧面。水箱侧面有横向布置的换热片。冷凝器底部有纵向布置的换热器。横向布置的换热器与纵向布置的换热器不接触。小角度倾斜平板玻璃布置。光热板冷凝器底面封闭冷凝器内胆两端。冷凝器中至少有一个海水罐[3]。相邻海水罐相距约1米。太阳通过平板玻璃在光热板上转化为热量，加热海水蒸发成蒸汽。蒸汽在水箱侧面的横向换热器或冷凝器底面的纵向换热器表面冷凝成淡水。冷凝热被海水回收或排放到大气中。上述光或热传递途径的光或热损失有三个环节：一是光通过平板玻璃的光损失，用透光率量化；二是光在光热板上转化为热损失，用光热转化效率量化；三是光热板和冷凝器内胆向外传热的损失，用绝缘效率量化。蒸汽冷凝中放置的冷凝热被海水回收利用，并以回热效率量化。太阳能海水淡化装置的设计步骤如下：

1、太阳能利用率根据平板玻璃的透光率、光热板的光热转换效率、光热板冷凝器内胆的绝热效率和回热效率计算。

2、光热板面积按照淡水产量、太阳能强度和太阳能利用率的设计计算。

3、根据光热板面积，海水罐数量按相邻海水罐距离1米、海水罐长度计算。

4、设计配套的海水供应和浓海水排放设施。

以光热板长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为例，按照上述设计步骤设计。

1、透光材料为普通平板玻璃，T为82％；采用炭黑作光热材料，η1取90％；保温层采用聚氨酯泡沫和封闭空气，η2取90％；保守估计海水罐侧换热器回收100％冷凝热，η3取10％。将上述数据代入关系(1)：

η=0.82*0.9*0.9 0.1）=0.73

太阳能利用率η为73％。太阳能利用率采用性能更好的材料η有一定的改进空间。

2、光热板作为试验样机，面积为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，成功制作了世界上台顶置加热面太阳能海水淡化装置样机。

4、展望应用前景

太阳能蒸发技术在海水淡化、污水处理、工农业生产等领域具有广阔的应用前景。

在岛上，建筑物顶部的海面可以建造固定或移动的太阳能海水淡化装置，有效利用土地资源。岛上建成了一套淡水生产供应基础设施。

在沿海地区，太阳能海水淡化装置可支撑在高架桥上安装，不严重影响原土地的使用。在生产淡水的同时，发展盐化产业，实现海水资源的综合利用。

在沙漠中，太阳能丰富，引入海水后使用太阳能稀释。用淡水发展当地的工业和农业，足以将沙漠转化为适合人类生存的地区。顶部加热表面太阳能蒸发技术的推广和应用，可以完全实现引入新疆的项目。引入新疆项目的瓶颈技术是大规模、低成本的太阳能海水稀释技术。

在水质缺水地区，利用太阳能将不符合饮用水标准的水处理成合格的饮用水。例如，在中国西北地区，阳光强，苦咸水丰富。太阳能海水淡化技术可以解决缺水问题。

在太阳能丰富的地区，工业废水、生活污水和油田水可以通过太阳能蒸发技术进行无害化处理。例如，新疆的油田水可以通过太阳能蒸发浓缩，以降低回注成本。

5、结论

透光材料、光热材料、保温材料、冷凝热回收方法根据顶置加热面太阳能海水淡化装置的结构特点和结构材料性能确定太阳能利用率。透光率、光热转换效率、绝热效率和回热效率量化表达了各种因素对太阳能利用率的影响。因此，推导出了太阳能利用率的理论计算公式。在此基础上，创建了顶置加热面太阳能海水淡化装置的设计理论。采用透光率82％光热转换效率90的普通玻璃％炭黑，保温效率90％，回热效率取10％，太阳能蒸发技术的太阳能利用率将达到73％。太阳能利用率从不超过50％到70％上述跨越。具备大规模推广应用的技术经济条件。

感谢南京大学徐伟超的帮助。

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］孔令斌是一种双冷凝器太阳能海水淡化装置［P］202年中国公报

［3］孔令斌是一种大型被动太阳能海水淡化装置［P］2022年中国公报

［4］孔令斌是一种太阳能海水淡化装置，具有蒸发室冷凝室［P］ 2022年中国公报

来源：个人投稿

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