摘要：為解決海水淡化技術投資高、能源消耗大、供能不足等問題，本文研究設計一種波浪能風能互補供能升膜海水淡化裝置。海水淡化系統由三個子系統組成：波浪能風能互補供能系統、蒸汽發生系統與海水淡化系統。該裝置通過波浪能風能互補發電供能，利用升膜多效蒸發裝置進行海水淡化。通過波浪能和風能的有機結合，輔以能量捕獲裝置、機械能轉化裝置和儲能裝置，為蒸汽發生系統與海水淡化系統提供能量，實現能源的多級利用，實現節能和環保。
關鍵詞：波浪能； 風能； 海水淡化；
前言
脫鹽技術一般可分為兩類，即蒸餾法和膜法。蒸餾方法通常采用多級閃蒸和低溫多效蒸餾，通常的膜法是電滲析和反滲透。自20世紀50年代以來，隨著水危機的加劇，海水淡化技術迅速發展，各種海水淡化技術在世界舞臺上蓬勃發展。60年代開發的多級閃蒸技術因為動力消耗大在我國應用較少，但由于技術成熟、運行可靠，在國際上仍有大量應用。由于低溫多效蒸餾技術更加節能，近年來發展迅速，設備規模不斷擴大，20世紀70年代，中國在西沙永興島建成了世界上最大的電解透析海水淡化站，但在20世紀80年代，中國的膜技術遠遠落后于美國。直到20世紀90年代后期，才開始逐步掌握反滲透膜的生產技術。與國外相比，中國在技術、產業規模、實施機制和示范投資方面存在較大差距，特別是在關鍵設備、零部件和材料的研發方面。
海洋中的波浪含著巨大能量，并且在20世紀70年代海浪發電裝置已經出現。之后，世界上許多發達國家相繼研究和試驗了波浪發電。目前風能轉化為熱能的技術和形式也已經多樣化[1],風力機實際效率可以達到理想效率的70%[2].波浪能風能互補供能具有可行性，結合升膜多效蒸發器，可以通過新的裝置實現海水淡化。
1 設計方案
綜合波浪能發電供能、風能發電供能、升膜多效蒸發裝置，研究設計一種波浪能風能互補供能升膜海水淡化裝置。
1.1 裝置結構概述
本裝置利用波浪能和風能構成一個科學的雙重小型供能系統，保證海水淡化能量供給。海水淡化系統由三個子系統組成：波浪能風能互補供能系統、蒸汽發生系統與海水淡化系統，裝置結構如圖1所示。波浪能風能互補供能系統運動方式為搖擺式，機械結構為水平旋轉軸，力量為風力和波力的結合，順風向時風力推動水平旋轉軸做功，逆風向擺動時波浪力推動水平軸做功，通過波風互補動力帶動發電機實現發電。蒸汽發生系統利用波風互補供能產生蒸汽提供給海水淡化系統。海水淡化系統由平行的管式立管蒸發器組成，海水可以依靠自身重力和各種效應之間的壓力差來實現逐流的流動。升膜蒸發器由中央循環管和加熱管組成，如圖2所示。由于中央循環管的直徑遠大于加熱管的直徑，因此中央循環管中溶液的密度高于周圍加熱管中劇烈沸騰的溶液的密度，形成自然循環。加熱管束是由一系列縮放管組成，在蒸發淡化海水上有很大的優勢，它可以在收縮段形成湍流，流速加快，沖刷壁面，使得殘留的腐蝕物和污垢得以清除，可以起到強化傳熱和高效阻垢的作用。
圖1 風能波浪能海水淡化裝置結構示意圖
圖2 升膜蒸發器簡圖
1.2 裝置運行
裝置運行圖如圖3所示，波浪能風能互補供能系統通過捕能裝置、機械能合成裝置和發電裝置實現海水淡化供能。能量收集裝置是由垂直軸風力渦輪機和垂直擺動浮子組成，垂直震蕩浮子通過浮子隨著波浪上下起伏而捕獲波浪能。機械能合成裝置首先將由能量收集裝置捕獲的風能和波浪能轉換成相對應裝置的機械能，然后，液壓能量轉換系統將不同形式的機械能轉換成液壓能。發電裝置主要由液壓馬達和直接驅動發電機組成。它以旋轉運動的方式向外輸出機械能并帶動直驅發電機發電。波浪能風能供能系統順風時風力起作用，逆風時波浪起作用，將波浪能和風能進行有機結合，然后再加上能量捕獲、機械能轉化、儲能裝置。將波浪能發電與風力發電有機結合，解決波浪能風能互補供能的技術難題，克服船舶海水淡化裝置技術投資高、能源消耗大的問題；利用波浪能風能為蒸汽發生系統與海水淡化系統供能，將淡水變成蒸汽，隨后將蒸汽的熱量傳遞給裝置里的海水，使海水蒸發后，冷卻冷凝形成蒸餾水，實現多級能量利用，達到節能環保的目的。
圖3 風能波浪能海水淡化裝置工作原理示意圖
2 產水量估算
本設計依據波浪周期為6s,根據文獻[3]數據波動總能量為6190.5J,則可得該裝置波浪能產生的熱量為：Qb=8.9×107J·d-1.
制熱用風力機迎風面積A為4m2,來流風速v為10m·s-1,風力發電機轉化為熱能的效率ηF為35%,風力發電機輸入的熱量為：Qw=0.5ηFρv3At=7.8×107J·d-1;式中：ρ為空氣密度，t為時間。
假設系統內進水量及溫度維持不變，進水溫度T1按照20℃計，蒸發1千克海水所需熱量為：qi=cP（Ts-T1）+qr=2.60×106J·kg-1;式中：cP為比熱容，qr為汽化潛熱，Ts為蒸發溫度。
根據能量守恒可得：（Qb+Qw）ηz=Qi+Qo,蒸餾器中的熱利用率ηz為60%,Qo為熱量損失，Qi為海水蒸發所消耗的熱量。若忽略裝置內的熱量損失Qo,可得日產水量為39kg.
3 結論
本文研究設計了一種新型波浪能風能互補供能升膜海水淡化裝置。該裝置降低了海水淡化能耗，同等條件下日產淡水量較高。使用的能源是可再生能源中的波浪能和風能，實現了波浪能風能高效利用、晝夜不間斷運行，使用高效傳熱上升膜蒸發裝置進一步降低了能源消耗。風能波浪能互補海水淡化系統，能夠充分保證海水淡化的能量供給，可以推廣應用解決船舶上淡水不足的問題，應用范圍非常廣泛，同時起到節能環保的作用，符合建設綠色節能社會的要求。
參考文獻
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[3]商赫，趙愛紅，葛繼明，尤守莉。太陽能波浪能航標燈的研究與設計[J].河南科技，2015（21）：22.
