摘 要:针对目前太阳能海水淡化技术和太阳能烟囱发电技术在经济或技术上存在的问题,提出了太阳能烟囱综合利用海水系统,在利用太阳能烟囱进行海水淡化的同时,以制取的淡水进行水力发电。首先以天津汉沽地区的气象数据对综合系统的性能进行了初步估算;其次建立并优化小型实验系统,获取不同冷凝方式的实验结果。通过实验与理论估算结果的对比来分析该综合系统的理论和经济可行性。理论和实验研究结果表明:采用间壁冷凝换热方式,所提出的综合设计方案具有可行性,并同时推动太阳能烟囱技术和海水淡化技术的发展。
关键词:太阳能烟囱;集热棚;海水淡化;综合系统
0 引 言
在淡水资源日益匮乏的今天,利用太阳能进行海水或苦咸水的淡化,已愈来愈受到重视。太阳能淡化海水有不消耗常规能源、不产生二次污染、运行费用最省、所得淡水纯度高等优点。此技术中能量的利用方式有两种:一是利用太阳能产生热能以驱动海水相变过程(蒸馏)[1~2];二是利用太阳能发电以驱动渗析过程。虽然两种利用方式在技术上基本成熟,但在经济上仍不能和传统的海水淡化技术相比拟。斯图加特大学的j•schlaich教授在1978年提出了太阳能烟囱发电技术[3],认为建造太阳能烟囱是解决广大发展中国家由于缺乏电力致使经济长期处于停滞状态问题的好办法。这种电站不像其他太阳能电力系统,它不需要高技术的设备和人才,而且维修简便。1982年西班牙建成了一座高200m、直径10•3m的太阳能烟囱发电站,1986~1989年进入长期完全自动化运行,为太阳能烟囱发电技术提供了许多宝贵的经验。随后许多国家对太阳能烟囱发电及相关技术开展了一系列研究,二十多年间国内外发表了多篇关于太阳能烟囱发电的文章[3~13]。虽经过多年的深入研究,理论研究已经比较成熟,但是此技术在实施上存在如超高烟囱的防风防震的安全问题以及与普通的风力机相比,大结构的太阳能烟囱内的涡轮发电机在经济上不合算[13]等问题。本文在国内外多年太阳能烟囱和海水淡化的研究工作基础上,提出了太阳能烟囱综合利用海水系统,简述了它的主要组成部分及功能。以天津汉沽的气候条件对系统进行了性能的初步估算,并基于冷凝部分的实验及优化结果指出了综合系统进一步发展的可行性。
1 太阳能烟囱综合利用海水系统的提
出
1•1 太阳能烟囱综合系统基本结构及各部分功能
太阳能烟囱综合系统主要由大型海水储槽、太阳能集热棚、多孔材料、烟囱、高效冷凝装置和水力涡轮机组6个基本部分组成。具体结构如图1所示,海水储槽中的盐水可以弥补太阳辐射不连续的缺点使热量昼夜持续供应,从而解决储能问题。集热棚由透明或半透明的棚顶和支撑结构组成,它可以使约80~90%的阳光透过并阻止盐池以长波辐射的方式向外散发热量。多孔材料的加入使空气流至大棚出口时达到饱和,并吸附盐池中结晶的盐分。烟囱的作用是产生压力差,为具有一定风速的湿热空气提供动力。采用高效的换热装置,使湿热空气达到充分的冷凝,高效的冷凝装置是整个系统中又一关键环节。最终产生的淡水通过水力涡轮机进行发电。
1•2 系统工作原理
集热棚选在太阳辐照度较好的地理位置上建造。当阳光照射集热棚时,集热棚下面的海水吸收透过覆盖层的太阳辐射能,并加热海水和集热棚之间的空气,使集热棚内空气温度升高、密度下降。冷空气从集热棚入口进入系统,沿着集热棚流入烟囱形成气流,由于棚内具有足够的空间,当集热棚内的气流到烟囱底部时,将形成强大的气流。如图1所示,多孔材料的使用使气体在流动过程中被强化增湿至饱和。上升的饱和湿空气到达烟囱顶部时,在高效的换热装置中与由于压力差从外部进来的冷空气进行换热冷凝出大量淡水,具有高位能的冷凝水通过水力涡轮机进行发电。在整个系统中产生3个能量转换过程:太阳能转化为盐水和空气的内能、湿热空气内能转变为动能、淡水的势能转化为电能。
2 系统性能估算
以天津汉沽的气象条件为基准(气候数据来源),以集热大棚在此地理位置的年平均日辐射能为标准,在不考虑系统热量损失的条件下,即辐射能全部用来加热海水、棚内空气和提供海水汽化潜热,用matlab编写程序,计算不同半径和高度的烟囱中空气的质量流量和冷凝淡水量。
2•1 系统性能估算
1)根据能量守恒和质量守恒定律建立系统的能量平衡式和质量平衡式;
2)根据烟囱入口处风速的计算公式及烟囱的半径计算空气流量;
3)根据冷凝实验部分的结果估算烟囱的产水量计算结果如表1所示。通过上面对系统的估算可以看出,当烟囱的高度达1000m,直径为64m时,在选取的气候条件下,每秒可得到3t多的淡水,这是相当可观的。因为1000m高度的淡水具有很大的势能,因此具有转化为大量电能的潜力。但是建造1000m高的烟囱面临很大的困难,因此我们可以降低烟囱的高度,增大烟囱的直径使系统达到相同的气流量,在大棚内部的气流可以采取强化措施使其升温增湿至饱和。结构参数h=500m、d=76m、ф=1700m的系统淡水产量可以突破105t/d,水力发电量达到兆瓦级,加上烟囱基部强大气流的能量、浓缩海水的收益及系统潜在的旅游开发价值,表明了系统有较好的经济收益。
2•2 系统优势
综合系统结合了几项成熟的技术进行了创新性应用。利用太阳能进行海水淡化并结合水力发电是环境友好的技术。目前,无论是在海水淡化还是水力发电方面都不存在技术上的困难,而且通过以上论述,综合系统达到传统的发电或海水淡化的规模
3 系统性能的实验验证
通过上面的简述可看出,冷凝是综合系统中的关键部分。由于冷凝装置建在高空,传统的冷凝换热方式基本上是不可行的,因此我们采用了冷空气直接冷凝和间壁冷凝的两种方案。考察了不同冷热空气流量比的条件下,系统实际与理论的冷凝水量。
3•1 实验装置
实验装置主要由5部分组成:进气装置、加热空气装置、换热装置、淡水收集装置、保温装置。整个系统的空气通过两台气泵分别进入转子流量计,其中一股冷空气通过水箱底部鼓泡器进入加热装置,到水箱中水体的顶部时形成饱和的湿热空气,由智能仪表控制电加热棒使水温维持在60℃左右;饱和的湿热空气与冷空气在外层被保温的装置中经两种换热方式后,产生的淡水流入量筒。其中,一种方式为直接冷凝方式:冷空气直接进入填料装置和饱和的湿热空气进行充分混合;另一种为间壁冷凝方式:取出直接冷凝换热装置中的填料,在管内中间位置固定一个具有高导热系数的铜管,然后冷空气在两管之间的空隙中和铜管内部的湿热空气相向流动换热。
3•2 结果与讨论
3•2•1 实验结果
在实验过程中:控制湿热空气的流量约为1m3•h-1,首先以直接冷凝的方式使冷空气的流量从零增至2m3•h-1,然后以间壁冷凝的方式使冷空气的流量从2m3•h-1增至4m3•h-1。表2给出了直接冷凝的实验数据。间壁冷凝的淡水产量受冷空气流量的变化影响很小,约为90g•h-1。实验过程中空气的一些数据(比容、湿度、相对湿度等)是通过湿焓图软件
1•3•5查得。
3•2•2 理论计算
1)质量衡算
mho+mco=mmix+mt(1)
①比容:
查软件id-diagram1•3•5得到的空气比容是在
标准大气压下的值,需要根据实际测量的压力进行
换算:
ν=ν′×101•3/p(2)
②密度的计算:
ρ=[1kg(a)+1kg(a)×d]/[1kg(a)×ν] (3)
③湿热空气的流量和各自的水含量:
mtot=qair×ρ(4)
mh2o=mtot×d(5)
m′=mtot+mair(6)
mt=mho+mco-mmix(7)
2)能量衡算
在冷热空气混合的过程中,假设热空气和冷空气在填料中混合的瞬间温度就达到一致,并在此温度下冷凝出淡水。给出能量衡算方程,即焓衡算方程:
iho+ico=imix+iwat(8)
①空气的焓值:
i=(1•01+1•88×d)×t+2490×d(9)
②理论和实验中热、冷空气中水蒸气的焓值变
化:
δi=1•88×mt×δt(10)
δi′=1•88×m1×δt(11)
③在填料装置中系统的热损:
q热损=(m1-mt)×r(12)
3•2•3 直接冷凝实验中实验数据和理论计算结果给出了理论计算的水量和实验过程中所得
的水量,虽经过保温处理,但由于装置与外界的热传导和热对流的作用,使实验产量大于理论产量。在图4中我们可以看出:系统中混合空气温度较高时,通过管壁的热传导损失的热量比冷空气升温需要的热量大的多。在冷空气量逐渐加大、混合空气温度不断降低的过程中,冷空气升温需要的热量逐渐增大并大于系统热量损失。同时冷、热空气的焓变也在不断增大,因此在传导过程中由于温差的减小使混合装置的热量损失不断的减小,同时由于冷空气量的增加使其达到饱和需要的水分也在不断增加。
3•2•4 实验数据与理论计算结果的分析
1)直接冷凝方式
在直接冷凝实验装置中:不通入冷空气直接通过热传导散热时获的水量最多。随着冷空气流量的逐渐加大水量在不断减小,直到当冷空气的流量达到热空气流量8倍左右时水量几乎为零。通过理论分析表明,直接冷凝方式仅可获取少量的冷凝淡水的原因有两个方面:①空气的热容小而蒸汽的相变热量大,因此冷凝效率低;②冷空气在和热空气混合过程中也吸收湿热空气中的水分增湿至饱和。
2)间壁冷凝方式
淡水产量基本维持不变的主要原因是冷空气同时通过外层管壁与环境进行间壁散热。间壁冷凝方式的实验,得到淡水量是直接冷凝过程中最大量的两倍,其主要原因是热空气与冷空气进行换热时冷空气保持一定流速且通过外层管壁与环境进行换热,同时与直接冷凝实验相比冷空气不吸收湿热空气中的水分,因此大大提高了冷凝效率。因此在综合系统中我们采用间壁冷凝的方式。
4 结 论
1)基于国内外研究多年的太阳能烟囱发电技术提出了太阳能烟囱海水综合利用系统,简述了系统的基本结构和工作原理;
2)以天津汉沽气象条件为例对系统的性能进行了初步估算,参考h=500m、d=76m、ф=1700m的系统指出综合系统的淡水产量突破105t/d、水力发电达到兆瓦级、加上浓缩海水的收益、烟囱基部强大气流的能量和系统潜在的旅游效益,表明了综合系统可获得巨大的经济收益;
3)对系统的关键部分冷凝装置进行了初步实验模拟,指出由于空气的热容小、水蒸汽相变热大,导致了直接冷凝方式效率低下;而采用间壁冷凝方式得到两倍于直接冷凝水量,取得了较理想的实验结果,从而验证了综合系统的可行性。符号表
d 空气的含湿量,kg/kg(a);
d 烟囱的直径,m;
h 烟囱的高度,m;
ico 冷空气的焓值,kj/h;
iho 热空气的焓值,kj/h;
imix 混合空气的焓值,kj/h;
iwat 冷凝淡水的焓值,kj/h;
m 烟囱顶部气流的通过冷凝装置的淡水产量,kg/s;
m1 实验过程中冷凝的水量,g;
mair 冷、热空气和混合空气中绝干空气的质量流量,
kg/h;
mt 理论计算得到的水量,kg;
mco 冷空气中含有的水蒸气,kg/h;
mho 热空气中含有的水蒸气,kg/h;
mmix 混合空气中含有的水蒸气,kg/h;
mh2o 湿、热空气中含有的水蒸气,kg/h;
mtot 冷、热空气的总质量流量,kg/h;
p 冷、热空气的压强,pa;
q 烟囱中气体的体积流量,m3/s;
qair 实验中冷热空气的流量,m3/h;
q热损 冷凝装置中的热量损失,kj/h;
r 水的汽化潜热,kj/kg;
t 空气的干球温度,℃;
tw 空气的湿球温度,℃;
v 烟囱入口处的空气流速,m/s;
ν 实际压力下空气的比容,m3湿空气/(kg•a) ;
ν′ 标准压力下空气的比容,m3湿空气/(kg•a);
δt 冷凝装置内外的温差,℃;
w 烟囱顶部冷凝淡水具有的能量,w;
希腊字母:
集热大棚的直径,m;
ρ 冷热空气的密度,kg/m3。
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