Введение

Опреснение с использованием солнечной энергии

Солнечное опреснение – это технология опреснения, работающая на солнечной энергии. Два распространенных метода – прямой (термический) и косвенный (фотоэлектрический).

История

Солнечная дистилляция используется на протяжении тысячелетий. Древние греческие моряки и персидские алхимики производили как пресную, так и лекарственную дистилляты. Солнечные дистилляторы стали первым методом, применённым в широком масштабе для преобразования загрязнённой воды в пригодную для питья. В 1870 году первый патент США на устройство для солнечной дистилляции был выдан Норману Уилеру и Уолтону Эвансу. Два года спустя в Лас-Салинас (Чили) шведский инженер Чарльз Уилсон начал строительство солнечной дистилляционной установки для обеспечения пресной водой рабочих соляной и серебряной шахты. Она работала непрерывно в течение 40 лет, перегоняя в среднем 22,7 м³ воды в день, используя сточные воды горнодобывающих операций в качестве исходной воды. Солнечная десалинация в Соединенных Штатах началась в начале 1950-х годов, когда Конгресс принял Закон о преобразовании солёной воды, что привело к созданию Управления по опреснению солёной воды (OSW) в 1955 году. Основной функцией OSW было управление финансированием для исследований и разработок в области опреснения. Один из пяти демонстрационных заводов располагался в Дейтона-Бич, штат Флорида. Многие проекты были направлены на решение проблемы нехватки воды в отдалённых пустынных и прибрежных районах. Из оцениваемых 22 миллионов м³ пресной воды, производимой ежедневно в мире посредством опреснения, менее 1% использует солнечную энергию. В связи с недорогими способами доставки пресной воды и обилием доступных и недорогих энергетических ресурсов, солнечная дистилляция считается экономически невыгодной и непрактичной. Солнечные дистилляторы этого типа описаны в руководствах по выживанию, входят в комплекты для морского выживания и используются на многих небольших опреснительных и дистилляционных установках. Производство воды пропорционально площади солнечной поверхности и углу падения солнечных лучей, а средняя оценочная эффективность может быть увеличена до 45% за счёт использования двойного наклона или дополнительного конденсатора.

Вик все еще

В дистилляторе с фитилем подающая вода медленно протекает через пористый радиационно-поглощающий материал. Это требует нагрева меньшего объема воды и упрощает изменение угла наклона к солнцу, что экономит время и позволяет достичь более высоких температур.

Распространение продолжается

Диффузионный куб состоит из горячего резервуара для хранения, соединенного с солнечным коллектором и дистилляционной колонной. Нагрев осуществляется за счет тепловой диффузии между ними.

Повышение производительности

Повышение внутренней температуры за счет внешнего источника энергии может увеличить продуктивность.

Ограничения

Прямые методы используют тепловую энергию для испарения морской воды в процессе двухфазного разделения. Такие методы относительно просты и занимают немного места, поэтому обычно применяются в небольших установках. Однако из-за низкой рабочей температуры и давления они характеризуются невысокой производительностью и подходят для систем с объемом производства до 200 м³/сутки.

Косвенно

Для косвенного опреснения используется массив солнечных коллекторов, состоящий из фотоэлектрических и/или тепловых коллекторов на жидкостном теплоносителе, и отдельная традиционная опреснительная установка. Однофазное опреснение использует фотоэлектрические элементы для выработки электроэнергии, приводящей в действие насосы. Фазовое (или многофазное) солнечное опреснение не использует мембранные технологии.

Косвенные однофазные

Непрямые солнечные системы опреснения воды, использующие фотоэлектрические (ФЭ) панели и обратный осмос (RO), применяются с 2009 года. Производительность к 2013 году достигла в час на систему и в день на квадратный метр ФЭ-панели. Атолл Утирик в Тихом океане снабжается пресной водой таким способом с 2010 года. Одноступенчатые процессы опреснения включают обратный осмос и мембранную дистилляцию, в которых мембраны фильтруют воду от загрязнений. Насосы прокачивают соленую воду через модули RO под высоким давлением. Пресную воду можно получать четырьмя методами мембранной дистилляции (МД): прямого контакта (DCMD), воздушного зазора (AGMD), продувки газом (SGMD) и вакуумной дистилляции (VMD). Энергопотребление варьируется от 200 до 300 кВтч/м3.

Косвенные многофазные

Фазовое (или многофазное) солнечное опреснение включает многоступенчатую вспышку, многоэффектную дистилляцию (MED) и сжатие тепловых паров (VC). Температуры фазового перехода в MSF составляют 80–120 °C, для VC – 40–100 °C, а для метода MED – 50–90 °C. В процессе опреснения морская вода нагревается и подвергается серии вспышек, или быстрому понижению давления, на нескольких ступенях. Каждая ступень состоит из ряда теплообменников и камер вспышки. Процесс обычно включает следующие этапы:

Предварительный нагрев: Морская вода предварительно нагревается для снижения энергозатрат на последующие стадии. Затем предварительно нагретая морская вода поступает на первую ступень системы MSF. Вспышка: На каждой ступени предварительно нагретая морская вода проходит через камеру вспышки, где ее давление быстро снижается. Это резкое падение давления приводит к мгновенному испарению воды, оставляя после себя концентрированный рассол с высоким содержанием соли. Конденсация: Образовавшийся в камере вспышки пар конденсируется на поверхности труб теплообменника. Конденсация происходит при контакте пара с более холодной морской водой или с трубами, по которым течет охлажденная пресная вода из предыдущих ступеней. Сбор и отбор: Сконденсированная пресная вода собирается в качестве продукта. Затем она отбирается из системы для хранения и распределения, а оставшийся рассол удаляется и утилизируется надлежащим образом. Повторный нагрев и рециркуляция: Рассол с каждой ступени повторно нагревается, обычно паром, отбираемым из турбины, приводящей процесс в действие, и затем подается на следующую ступень. Этот процесс повторяется на последующих ступенях, количество которых определяется требуемой производительностью пресной воды и общей эффективностью системы. Многоступенчатый метод вспышки (MSF), известный своей высокой энергоэффективностью благодаря использованию скрытой теплоты парообразования в процессе вспышки, обеспечивал примерно 45% мировых мощностей опреснения и доминировал в 93% тепловых систем по данным на 2009 год. Производительность солнечной дистилляции MSF составляет 6–60 л/м²/день по сравнению со стандартной производительностью солнечного дистиллятора – 3–4 л/м²/день.

Косвенная солнечная опреснение путем увлажнения/обезвлажнения

В теплице с морской водой применяется косвенная солнечная дистилляция, основанная на принципе увлажнения-деувлажнения.

Замораживание

Хотя этот метод применялся только в демонстрационных проектах, этот косвенный метод, основанный на кристаллизации соленой воды, обладает преимуществом в виде низких энергозатрат. Поскольку удельная теплота плавления воды составляет 6,01 кДж/моль, а удельная теплота парообразования при 100 °C – 40,66 кДж/моль, он должен быть более экономичным с точки зрения стоимости энергии. Кроме того, риск коррозии также ниже. Однако существует недостаток, связанный с трудностями механического перемещения смесей льда и жидкости. Процесс пока не получил коммерческого распространения из-за стоимости и сложностей с холодильными установками. Наиболее изученным способом применения этого процесса является замораживание с использованием холодильного цикла. Холодильный цикл используется для охлаждения потока воды с образованием льда, после чего эти кристаллы отделяются и плавятся для получения пресной воды. Существуют недавние примеры процессов, работающих на солнечной энергии: установка, построенная в Саудовской Аравии компанией Chicago Bridge and Iron Inc. в конце 1980-х годов, которая была закрыта из-за своей неэффективности. Тем не менее, недавнее исследование соленой подземной воды показало, что установка, способная производить 1 миллион галлонов в день, будет производить воду по цене 1,30 доллара за 1000 галлонов. Если это действительно так, то это будет устройство, конкурентоспособное по стоимости с установками обратного осмоса.

Проблемы с тепловыми системами

В проектах солнечного теплового опреснения существуют принципиальные конструктивные проблемы. Прежде всего, эффективность системы определяется конкурирующими процессами тепло- и массопереноса при испарении и конденсации.

Солнечная увлажнениеобезвлажнение

Процесс солнечной увлажнения-дегидратации (HDH) (также называемый многоэффектным процессом увлажнения-дегидратации, солнечным многоступенчатым циклом конденсации-испарения (SMCEC) или многоэффектным увлажнением (MEH)) имитирует естественный круговорот воды в более сжатые сроки посредством дистилляции воды. Тепловая энергия производит водяной пар, который конденсируется в отдельной камере. В усовершенствованных системах потери тепла минимизируются за счет сбора тепла от конденсирующегося водяного пара и предварительного подогрева поступающей воды.

Однофазная солнечная опреснение

В непрямом, или однофазном, солнечном опреснении объединяются две системы: система сбора солнечной энергии (например, фотоэлектрические панели) и система опреснения, такая как обратный осмос (RO). Основные однофазные процессы, как правило мембранные, включают обратный осмос (RO) и электродиализ (ED). Однофазное опреснение преимущественно осуществляется с использованием фотоэлектрических установок, вырабатывающих электроэнергию для работы насосов обратного осмоса. Во всем мире эксплуатируется более 15 000 опреснительных установок. Около 70% из них используют обратный осмос, обеспечивая 44% от общего объема опресненной воды. Ведутся разработки альтернативных методов, использующих солнечные тепловые коллекторы для получения механической энергии, необходимой для работы насосов обратного осмоса.

Обратная осмоса

Обратный осмос (ОО) является наиболее распространенным процессом опреснения благодаря своей эффективности по сравнению с термическими системами опреснения, несмотря на необходимость предварительной подготовки воды. Экономические и надежностные аспекты являются основными проблемами при совершенствовании систем опреснения обратным осмосом с питанием от фотоэлектрических элементов (ФЭ). Однако, снижение стоимости ФЭ-панелей делает опреснение с использованием солнечной энергии более целесообразным. Опреснение с использованием солнечной энергии часто применяется на демонстрационных установках благодаря модульности и масштабируемости как ФЭ-, так и RO-систем. Экономический анализ, исследовавший стратегию оптимизации опреснения обратным осмосом с питанием от ФЭ, показал благоприятные результаты. ФЭ преобразует солнечное излучение в постоянный ток (DC), который питает установку обратного осмоса. Переменчивость солнечного света и его изменяющаяся интенсивность в течение дня затрудняют прогнозирование эффективности ФЭ и ограничивают опреснение в ночное время. Аккумуляторы могут накапливать солнечную энергию для последующего использования. Аналогично, системы аккумулирования тепловой энергии обеспечивают стабильную работу после захода солнца и в пасмурные дни. Аккумуляторы обеспечивают непрерывную работу. Исследования показали, что прерывистая работа может усилить обрастание. Аккумуляторы остаются дорогостоящими и требуют регулярного обслуживания. Кроме того, хранение и извлечение энергии из аккумулятора снижает эффективность. В электродиализе (ЭД) к электродам прикладывается электрическое поле; катионы перемещаются к катоду, а анионы – к аноду. Ионообменные мембраны пропускают только свой тип ионов (катионы или анионы), поэтому в такой конфигурации разбавленные и концентрированные солевые растворы помещаются в пространство между мембранами (каналами). Конфигурация этой установки может быть горизонтальной или вертикальной. Исходная вода проходит параллельно через все ячейки, обеспечивая непрерывный поток пермеата и концентрированного рассола. Хотя это хорошо известный процесс, электродиализ не подходит для опреснения морской воды, поскольку он может использоваться только для солоноватой воды (TDS < 1000 ppm). Базовый процесс ЭД может быть модифицирован и преобразован в реверсивный электродиализ (RED), в котором полярность электродов периодически меняется, изменяя направление потока через мембраны. Это ограничивает отложение коллоидных веществ, что делает этот процесс самоочищающимся и почти исключает необходимость химической предварительной обработки, делая его экономически привлекательным для солоноватой воды. Использование систем ЭД началось в 1954 году, а RED был разработан в 1970-х годах. Эти процессы используются более чем на 1100 установках по всему миру. Основным преимуществом ФЭ на опреснительных установках является их пригодность для небольших установок. Одним из примеров является Япония, на острове Осима (Нагасаки), которая работает с 1986 года с 390 ФЭ-панелями, производящими 10 м³/день с содержанием растворенных твердых веществ (TDS) около 400 ppm.