太阳能与海水淡化

地球上的水资源总量很大，约为13.86 亿km3，其中海水占96.50%，陆地咸水占0.97%，淡水储量仅占2.53%，且大部分分布在南北两极地区的固体冰川。目前，人类比较容易利用的淡水资源主要是河水、淡水湖泊水及浅层地下水，而这些淡水储量只占全部淡水总量的约0.3%，占全球总水量的十万分之七，即全球真正有效利用的淡水资源每年约有9000 km3。

联合国环境规划署(United Nations Environment Programme，UNEP)报告显示，1970～2018 年，取水量增速尽管有所下降，其总量仍然由每年250 万m3 增加到了每年420 万m3。在过去100 年里，全球淡水用量增加了6 倍，20 世纪80 年代以来继续以每年约1%的速度增长。淡水用量的增长主要归因于人口增长、经济发展和消费模式的转变。联合国水发展报告中估计，全球用水量将继续以每年约1%的速度增长，到2050年，用水量将比目前增长20%～30%。

海水淡化是人类已知最早的水处理方式，也是解决淡水资源匮乏最可行且可持续的方案。

截至2020 年2 月中旬，全球海水淡化装机容量为9720 万m3/d，分别由20971 个项目提供，其中以海水为给水水源的装机容量为5540 万m3/d，占比约为57%。据统计，2010～2020 年，全球已安装的海水淡化装置容量以每年约7%的速度稳步增长。根据2021 年发布的《海水淡化利用发展行动计划(2021—2025年)》，到2025 年，全国海水淡化总规模达到290 万m3/d 以上，新增海水淡化规模达125 万m3/d 以上。

但由于海水含盐度高，海水淡化工艺耗能较高。历史上，海水淡化工艺因其投资和能耗很高，是商业应用中最贵的产生淡水的方式。

据估计，全世界每年生产淡水3.65 × 108t，需要消耗约8.78×106 桶当量原油的能量。2019 年底，我国已建成115 个海水淡化工程，日产淡水总量约1.574×106t，其中最大的海水淡化工程日产淡水20 万t，每吨淡水生产成本为5～8 元。

传统海水淡化过程中直接或间接消耗的是化石能源，而化石能源利用过程中会排放有害物质并产生温室效应。随着人类环保意识的增强以及对环保要求的提高，利用可再生能源淡化海水已成为海水淡化技术的发展趋势。目前，海水淡化技术已与多种可再生能源相结合，其中包括风能、地热能、海洋能、生物质能和太阳能等。

在所有的可再生能源中，太阳能的应用最广，因为凡是有人类生存的地方都有太阳能存在，而其他可再生能源受地域的影响比较大，只在某一特定地域存在，如地热能和潮汐能。风能存在地域也比较广，但与太阳能相比，风力大小及方向多变，不够稳定。截至2016 年，太阳能海水淡化就已经占领了海水淡化市场的四分之一，太阳能利用率也从最初的不到10%发展到接近50%，产水量也得到了大幅度提升。因此，发展太阳能与海水淡化技术结合是可再生能源与海水淡化技术结合的主要方向之一。经过长期发展，太阳能海水淡化已衍生出了多种技术方法。

▲ 太阳能海水淡化技术方法分类示意图

除了上图所示的太阳能海水淡化分类方法之外，如果从太阳能的转化方式分类，又可简单地分为光热利用法和光电利用法两类。光热利用法是将太阳能转化成热能，利用热能使海水蒸馏或使空气加湿生产淡水，光热利用法可简称为热法。光电利用法是将太阳能通过光伏电池转化为电能，再用电能驱动反渗透装置或其他联合装置生产淡水，该方法可简称为膜法。

在热法中，太阳能蒸馏法及太阳能加湿除湿(humidification-dehumidification，HDH)法是太阳能海水淡化中最常采用的方法，此外还有近些年发展较快的太阳能膜蒸馏法和太阳能局域热法。

▲ 新型翅片管式太阳能空气隙膜蒸馏系统工艺流程

在膜法中，采用的主要方法是太阳能反渗透 (reverse osmosis，RO)法，它是太阳能海水淡化的主要发展方向之一。此外，太阳能电渗析(electrodialysis，ED)法也有少量的应用。

▲ 反渗透技术海水淡化工艺流程图

西北工业大学张立琋长期从事太阳能与海水淡化技术的研究工作。《》（张立琋著．北京：科学出版社，2022.6）系统总结了作者近20年来在高效太阳能集热器、低温蒸馏海水淡化工艺与设备、加湿除湿太阳能海水淡化工艺与设备、鼓泡加湿过程机理、相变蓄热与强化传热等方面的理论分析、数值模拟及试验研究成果。全书共六章：

• 第1 章介绍海水的组成及性质，太阳能海水淡化技术的研究进展；

• 第2 章介绍几种太阳能集热器，包括集热器结构、数值模拟及集热性能试验；

• 第3 章介绍低温蒸馏法海水淡化工艺及主要设备；

• 第4章介绍加湿除湿法太阳能海水淡化工艺、装置等；

• 第5 章介绍鼓泡加湿的微观及宏观过程的数值模拟与可视化试验；

• 第6 章介绍以相变材料蓄热除湿器为研究背景的相变蓄热与强化传热的理论分析、数值模拟及试验研究。

▲ 翅片倾斜不同角度时不同时刻的石蜡流线图

石蜡熔化过程的试验研究与数值模拟

本文摘编自《太阳能与海水淡化技术》（张立琋著．北京：科学出版社，2022.6）一书“前言”“第1 章 绪 论”，有删减修改，标题为编者所加。

责任编辑：祝 洁 胡文治

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（本文编辑：刘四旦）

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