毕业论文（设计）太阳能光热-光电空气隙膜蒸馏系统实验

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1、太阳能光热-光电空气隙膜蒸馏系统实验研究摘要：针对传统苦咸水淡化中的高能耗问题，本实验利用自主设计的太阳能光热-光电空气隙膜蒸馏系统，研究了连续9小时和24小时两种运行工况下热电参数对膜通量的影响，计算了系统运行的稳定性和集热面积与膜面积的最优匹配情况。结果表明：系统白天连续9小时运行的最大膜通量为5.84kg/(m2·h)，总产水量为1.8079kg，理论日产水量可达4.83kg/(m2·h)，单位产水热耗为495.3kw∙h/m3；连续24小时运行的最大膜通量为13.07kg/(m2·h)，总产

2、水量为2.9931kg，理论日产水量为71.95kg/(m2·d)，单位淡水热耗为1095.1kw∙h/m3。依靠太阳能驱动膜蒸馏组件是稳定可行的，按照系统连续9小时的产水量，需要三套实验中的太阳能系统配备总面积为0.1248m2的平板膜，实际产水7.42L/d来满足3口之家6L日常饮用水的需求。关键词：太阳能光热-光电；空气隙膜蒸馏；光热参数；膜通量基金项目：风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室开放基金（No.51266007）0前言随着全球人口增长和生活水平的提高，人类对能源与淡水资源的需

3、求不断增加，由于化石燃料不可再生且对环境造成污染，发展可再生能源成为新的趋势。太阳能作为一种清洁能源，可以为膜蒸馏系统提供动力以满足人类对淡水资源的需求。我国淡水资源匮乏，而中西部地区苦咸水资源丰富，利用海水、苦咸水淡化技术获取淡水资源增加淡水总量，具有重要的社会经济效益。膜蒸馏是一种新型的海水、苦咸水淡化技术，利用跨膜温差导致的蒸汽压差推动热料液中的挥发性组分以蒸汽形式透过膜孔，实现料液分离[1-3]。传统膜蒸馏系统冷端采用机械制冷方式提供冷量，热端采用电加热方式给料液提供热量，耗能高[4-6]。

4、空气隙膜蒸馏系统具有热效率高、产品计量准确的特点[7-11]，在此组件中，跨膜蒸汽通过一层空气隙到达冷凝板或冷凝管后被冷流体间接冷凝下来，迁移过程中传热阻力大，导致热损减少。太阳能可以为膜蒸馏系统提供热能和电能，低温的太阳能集热装置即可达到膜蒸馏系统所需的温度，太阳能光伏装置可为膜蒸馏系统提供电能，膜组件冷端采用循环冷却水的物理降温方式可降低能耗，与传统淡化水工艺相比，太阳能光热-光电空气隙膜蒸馏技术能耗低，不产生二次污染，可以达到降耗、环保的双重效益，对小规模的淡水供应模式尤其适用。目前，针对太阳

5、能膜蒸馏淡化水技术的研究，已有学者建立了太阳能聚光型集热器结合气隙式膜蒸馏系统（膜总面积为2.8m2）的装置，其产水容量可达0.5-50m3/d。结果表明：以1g·L-1和35g·L-1的NaCl溶液作为进料液时，最大膜通量分别达到6.5kg/(m2·h)和5kg/(m2·h)，单位淡水热耗为2200-810kw∙h/m3[12]；澳大利亚学者使用0.05m3的太阳能集热器结合3m2的平板膜组件，其产水量达17kg/(m2·d)，热电消耗为55.6kw∙h/m3[13]；安装大型太阳能膜蒸馏系统用于

6、处理红海沿岸的海水时，系统每天产水达600-800kg，热电消耗为200-250kw∙h/m3[14-15]。近年来，太阳能膜蒸馏技术处于小型的实际应用阶段[16-19]，本研究引入太阳能光热-光电膜蒸馏系统，以期解决太阳能膜组件产水量低、系统耗能高、成本高昂等问题[20]。本实验以太阳能光热-光电耦合空气隙膜蒸馏系统为研究对象，整个实验系统的能耗均由太阳能系统提供。针对小型、结构紧凑的膜蒸馏产水系统，分析连续9小时和连续24小时两种运行方式下太阳能光热参数对膜通量的影响，并根据系统的热电消耗，分析

7、太阳能系统与膜蒸馏组件的稳定运行性和经济性，找到两者的最佳匹配，在实验膜组件总膜面积为0.0416m2的工况下，解决3口之家的饮用水需求，为太阳能膜蒸馏系统的大型应用提供实验参考。1太阳能空气隙膜蒸馏系统1.1系统结构太阳能光热-光电空气隙膜蒸馏系统由热管式真空管集热器，空气隙膜蒸馏组件，光伏发电系统，管路系统组成。热管式真空管集热器为膜蒸馏系统中的热工质提供热量；光伏发电系统，使用带有自动除尘装置的多晶硅电池板为循环管路中的直流泵供电；空气隙膜蒸馏系统使用具有旋向入流分水盘结构的平板式膜组件；管路

8、系统中的热循环管路连接集热器和膜组件热腔，冷循环管路连接冷却水箱和膜组件冷腔。循环管路系统中还包括两个玻璃转子流量计以及两个直流泵，如图1所示。图1太阳能光热-光电空气隙膜蒸馏系统Fig1Solarthermal-photovoltaicairgapmembranedistillationsystem1.2工艺流程热工质经过预处理后进入热管式真空管集热器中被加热，达到预定温度后，热工质经由流量计进入膜组件热容腔，膜组件中的热工质流体在温差作用下进行膜蒸馏过程，从热容腔