Применение солнечных коллекторов для опреснения воды

Теги: 

Нехватка питьевой воды создает большие проблемы в засушливых регионах мира, где пресная воды становится все более дефицитной и дорогой. Увеличение роста населения мира вместе с развитием промышленности и сельского хозяйства приводит к истощению и загрязнению ресурсов пресной воды. В природе солнечное опреснение производит дождь, когда солнечное излучение поглощается морем и заставляет воду испаряться. Испарившаяся вода поднимается над поверхностью моря и перемещается ветром. После этого пар остывает до точки росы, и пресная вода возвращается обратно на землю в виде дождя. Этот же принцип используется во всех созданных человеком системах для дистиллирования воды с использованием альтернативных источников тепла и охлаждения. Опреснение требует большого количества энергии, чтобы выделить часть чистой воды из морской. Соленая вода подается в систему и в результате мы получаем 2 отдельных потока: поток чистой воды и сточные воды с высоким содержанием соли. Производство 1000 м3 в сутки пресной воды требует 10.000 тонн нефти в год. Это существенные величины и к тому же данное потребление топлива является регулярным. Немного стран, которые остро нуждаются в пресной воде, могут позволить себе такие затраты. Крупные коммерческие предприятия по опреснению воды с использованием ископаемого топлива работают в богатых нефтью странах. Люди во многих других районах мира не имеют ни денег, ни нефтяных ресурсов, чтобы действовать аналогичные образом. Проблемы, имеющие отношение к использованию ископаемого топлива, в частности, могут быть решены путем рассмотрения возможности использования возобновляемых ресурсов, таких как солнечная энергия, биомасса, ветер, геотермальная энергия. Часто случается, что географические зоны, где остро необходима вода, хорошо обеспечены возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ). Таким образом, естественным является использование этих источников заводами по опреснению воды. Такие источники могут использоваться непосредственно даже в удаленных и изолированных районах на малых и средней мощности заводах. По оценкам всемирной организации здравоохранения более миллиарда человек не имеют доступа к очищенной питьевой воде и подавляющее большинство это люди, живущие в сельских районах с низкой плотностью населения, где установка традиционных дистилляторов очень сильно усложняется. В последнее время значительное внимание было уделено вопросу об использовании возобновляемых источников энергии для опреснения, особенно в отдаленных районах и на островах, по причине высокой стоимости ископаемого топлива, трудности его добычи и получения, попытки сохранить ископаемое топливо, заинтересованности в снижении загрязнения воздуха, и нехватки электроэнергии в отдаленных районах. В связи с диффузным характером солнечного излучения, эффективность крупного завода по производству дистиллята, работающего на солнечной энергии, будет невысокой, но при этом требуются большие площади. Однако, данные технологии оправдывают себя на малогабаритных производствах. Солнечная энергия может использоваться для опреснения воды прямо или косвенно. Солнечные системы, использующие для получения дистиллята солнечный коллектор, имеет название косвенной системы. В косвенных системах солнечная энергия используется для получения тепла с целью опреснения и/или генерации электричества, необходимого для работы опреснительных установок.

Косвенное солнечное опреснение

Непрямое солнечное опреснение включает две отдельные системы: система аккумуляции солнечной энергии в солнечных преобразователях и собственно система опреснения. Опреснение с использованием тепловых процессов (фазовый переход) может быть выполнено с использованием многоступенчатой однократной перегонки, эффекта многократного испарения, сжатия пара, или заморозкой.

1.1. Многоступенчатая однократная перегонка (МОП). Данный метод был внедрен на нескольких заводах среднего масштаба для опреснения воды. Было обнаружено, что один солнечный коллектор может производить 6-60 л/(м2дн). Один из наиболее популярных типов солнечных аккумуляторов - солнечные пруды, которые применили на таких заводах, как Margarita de Savoya, Италия с мощностью 50-60 м3/сутки и El Paso, штат Техас с мощностью от 19 м3/сут. Другой часто встречающийся тип аккумуляторов это солнечные параболические коллекторы, который используется на опреснительном МОП заводе в Кувейте для производства 100 м3/сут. Использование солнечных прудов для опреснения испытывалось в основном в США. В продаже имеются маломощные установки, которые сочетают МОП процесс с параболическими коллекторами для получения пара. Типичный завод использует 48 кВт для получения в три этапа 450 л/день. Площадь коллекторов около 45 м2

1.2. Эффект многократного испарения. По всему миру были построены многие заводы средней мощности, работающие по принципу эффекта многократного испарения с питанием от солнечной энергии. Примером является завод, работающий уже 13 лет, максимальной мощностью 120 м3/сутки. Теплопередающим элементом выступает вакуумный трубчатый солнечный коллектор площадью 1862 м2 с водой в качестве теплоносителя. Бак-аккумулятор 300 м3. Удельный расход тепла завода 43,8 ккал/кг с коэффициентом преобразования (performance ratio) 12,4. Благодаря наличию бака-аккумулятора испаритель может работать 24 часа в сутки давая 85 м3/сут пресной воды. Всего морской воды требовалось 42,5 м3/ч. Основной проблемой является поддержание насосов, т.к. крайне необходимы очистка от кислот и удаление соли для лучшей производительности.

Простым прототипом маломощных солнечных системы опреснения на основе эффекта многократного испарения является башня с колонной поддонов для создания эффекта многократного испарения и плоских солнечных коллекторов с маслом в качестве теплоносителя. Масло циркулирует за счет естественной конвекции между солнечным коллектором и первый поддоном. Пар после первого этапа конденсируется на нижней стенке второго поддона, выделяя теплоту. Горизонтальные размеры каждого поддона 0,8х0,8 м2, а расстояние между поддонами 0,1 м. Площадь поверхности солнечного коллектора 2 м2, средняя тепловая эффективность 0,5. Количество воды на каждом этапе 25 л, всего этапов - 6. Результаты численного моделирования показали, что производительность может достигать до 25 л/м2 в сутки или 4,8 Вт*час/м2 за день солнечного излучения (COP 3,5). В Fiorenza, США (2003) была подсчитана цена воды опресненной из морской с применением солнечного излучения. Результаты, полученные для заводов производительностью от 500 до 5000 м3/сут, показали, что стоимость произведенной воды может быть уменьшена c увеличением мощности завода: 3,2 $/м3 при мощности завода 500 м3/сутки и 2 $/м3 при 5000 м3/сут.