第1章太阳能海水淡化技术概论
1.1太阳能海水淡化技术
淡水资源和能源是人类经济社会发展必不可少的关键资源，其中，淡水是人类赖以生存和进化不可或缺的自然资源，是构成地球生态环境体系的重要元素，水资源更是基础性自然资源和战略性经济资源。有史以来，还没有像今天这样在全世界范围内对这两种大自然的馈赠给予广泛的关注和特别的忧虑。从经济学角度分析，淡水资源和能源有其内在的依赖关系，二者的相互依存关系随着人类文明的发展将会越来越紧密，联合国水资源发展报告指出，全球用水量在过去100年间增加了6倍，并继续以每年1%的速度增长[1]。为此，联合国有关机构指出“为了满足日益增加的能源需求，有必要寻找淡水使用和气候异常之间的关联性”[2]。人们很快就会意识到淡水危机远比石油危机对人类活动的影响深远。随着人口增长、经济发展、城镇化进程、气候异常等问题日益凸显，人类对安全充裕的淡水需求日益增加，再加上淡水资源分布不均、人类节水意识淡薄及工农业对淡水资源的污染，全球性的淡水匮乏危机已逐渐步入人类社会。有学者提出，21世纪的淡水就如同20世纪的石油，是决定一个国家富裕程度的指标[3]，有道是，现在争油，将来争水[4]。
1.1.1淡水资源之虞
地球表面积约为5.1亿km2，分布于其表面的海水资源储量非常丰富，海水面积占据地球表面积的70.8%，海洋的平均深度为3800m，所以地球上的总水量约为13.7亿km3[5]，若从人均占有水量来看，水资源十分丰富，人类似乎不存在缺水之虞。然而，由于含盐分或其他矿物质而不能直接饮用且灌溉的水体占据了总水量的97.2%，此外剩下2.8%的淡水分布极其不平衡，其中75%的储量被冻结在地球的两极和高寒地区的冰川中，剩余淡水中储藏在地下的远比地表的多，所以存在于河流、湖泊中可供人类直接利用的淡水已不足0.36%[6]。在地球上各种水资源的储量及占总水量的百分数如表1-1所示。
由表1-1可见，海水占地球总水量的比例非常大，但是从表1-2中可以发现，海水因其含盐量远超出人类和动物饮用水容许的杂质含量，所以不能直接饮用。而地球上可供人类饮用的淡水资源分布也不均匀，尤其是在荒漠和半荒漠地区，由于降水量偏少，形成了地表径流苦咸水，不适合人类长期饮用。同时，伴随着经济社会发展的工业污染，所以有限可饮用的淡水量变得越来越少，这进一步加剧了人类淡水供需的矛盾。据估计，平均每人每年需要淡水1500～1800m3(包括工农业用水)，到2025年，将有2/3的世界人口面临缺水危机[8]。
淡水资源短缺不仅表现在数量上，还表现在其分布上，世界上除欧洲因地理环境优越而水源充足外，其他各大洲都存在一定的淡水缺乏问题，最为明显的是非洲撒哈拉沙漠以南地区。许多国家不仅明显感到工农业生产所需淡水的短缺，而且很多地区已经难以找到符合饮用标准的水源。为了得到安全充足的淡水资源，某些国家之间甚至发生了冲突乃至战争。每年全球有近357.5万人死于和饮水卫生有关的疾病。由联合国教科文组织主持编写的《世界水资源开发报告(WWDR4)》指出，到2050年，全球农业用水量(包括旱地农业和灌溉农业)将增加约19%，人口预计将增长到63亿。据估计，得不到相对安全、清洁的供水和卫生设施的城市人口数量增长约20%，从而将面临“水-食物-能源”的艰难抉择。因此，淡水供应问题已成为人们必须要考虑的问题。
我国的水资源储量非常丰富，多年平均淡水资源总量为2.8万亿m3，其中地表水为2.7万亿m3，地下水为0.83万亿m3，但人均淡水资源占有量仅为2200m3/(人 年)，约为世界淡水人均占有量的28%[10]，位列世界人均水资源排序中第121位，联合国将我国列为13个水资源严重缺乏的地区和国家之一[11]。随着工农业用水需求增加、城镇化进程加速、异常天气频繁出现，我国居民不得不面临资源性缺水和水质性缺水的严峻形势。目前，有16个省、自治区的人均水资源量低于严重缺水线，有?6?个省、自治区(宁夏、河北、山东、河南、山西、江苏)人均水资源低于500m3，属于极度缺水地区。全国约670个城市中，有近400个城市供水不足，严重缺水城市有110多个，尤其是北方地区，几乎所有城市均严重缺水，其中不乏临海城市，如大连、青岛、烟台、天津等人均水资源量在200m3左右。同时，我国水污染带来的水质性缺水日益严重，据2012年中国环境状况公报报道，全国?198?个城市地下水监测点中，较差或极差水质监测点比例占57.3%[12]。
目前，我国城市缺水总量达60亿m3，尤其是人口占全国40%以上及经济总产值占全国60%的沿海地区城市，缺水数量占全国缺水总量的1/3以上，这已经严重制约了这些地区的经济和社会发展进程。水利部门研究指出，2030年全国用水总量将达到我国淡水储量的36%[13]。
1.1.2海水淡化技术及太阳能资源
面对日益严峻的淡水资源匮乏危机，人类也做了大胆尝试和不懈努力以减缓缺水带来的挑战：包括雨水收集再利用、实施跨流域调水工程、废水回收和节水措施等。但是上述措施只能改善对现有淡水资源的利用效率，无法有效增加淡水供应总量。从表1-1中不难看出，海水、苦咸水等含盐水储量丰富，完全可以利用脱盐技术使含盐水变为淡水，这项技术就是能够从根本上解决淡水短缺问题的海水淡化技术，又称海水脱盐技术，是通过物理方法、化学方法或物理化学方法分离海水中盐分和水的工艺。其实现的技术方法有两种：一是从海水中提取淡水，如蒸馏法、冷冻法、反渗透法、正渗透法、水合物法、溶剂萃取法等；二是从海水中分离盐分，如离子交换法、电渗析法[14]。其中，蒸馏海水淡化技术在所有海水淡化生产规模中的占比为50%，而多级闪蒸海水淡化的淡水生成量占蒸馏海水淡化生成量的84%[15]。目前，全球正在运行的海水淡化工程大约有18000个，日生产淡水量超过了0.87亿m3[16]，60%的海水淡化工程分布在中东地区[17]，大型海水淡化系统的运营为当地的公共服务和工业生产提供了必备的淡水，对经济发展起到了重要的作用。然而，这些海水淡化系统多由化石能源驱动，对供水管网等基础设施建设的要求高、需要专业技术人员操作维护、对系统选址有严格的要求，且其制水本质属于能源换水源，由此所产生的碳排放对环境造成了影响。
虽然海水淡化技术的应用使中东、北美、亚洲、非洲及澳大利亚等地区的淡水需求得到了满足[18]，但是淡水日产量1000m3的海水淡化工程需要消耗大约10000t原油[19]。这就表明，海水淡化工程属于高能耗生产单位，且能耗会随着海水浓度、预处理标准、淡水水质、生产能力等要求的提高而增大。据世界卫生组织报告，饮用水中盐分含量的上限为(TDS500mg/L)，特殊用途可以提高到(TDS1000mg/L)，而地球上多数水体的盐度超过了(TDS10000mg/L)，海水的盐度为(TDS35000～45000mg/L)[20]。随着盐度梯度的升高，对含盐水脱盐所需的能耗也呈梯度升高，低盐度水(TDS1000mg/L)淡化所需能耗为0.4～0.6kW h/m3，中盐度水(TDS1000～3000mg/L)淡化所需能耗为0.8～2.0kW h/m3，高盐度水(TDS3000～5000mg/L)淡化所需能耗为2.2～3.3kW h/m3[21]。尤其是对于一些海岛、偏远地区，建立大型海水淡化系统是不现实的，也是难以实现的。而这些地区又常拥有丰富的太阳能资源，因此利用先进的太阳能技术就地对海水或苦咸水进行分布式脱盐淡化的意义不言而喻。
太阳不停地向宇宙空间均匀地辐射着其内部核反应所产生的能量，其总量能够达到4.05×1026J。根据理论推算，地球大气层外所接受的太阳辐射能仅为其总辐射的二十二亿分之一，也就是说地球每秒可以接收到1.765×1017J之多，相当于600万t标煤[22]。该能量具有无上下游取能互斥、兼具光能和热能、转化为其他能量形式无需机械装置、分布区域相对稳定等特点，且风能、水能、波浪能、生物质能等也都属于太阳能的转化能源。地球上太阳能资源的分布随纬度、海拔、地理和气候的不同而变化。
虽然太阳能资源丰富，但在能源利用过程中也存在如下缺点：一是间歇性和不稳定性，由于受到昼夜更替及风雪云雨等气候自然条件的影响，太阳能供给具有间断性；二是分散性，相比其他能源而言，太阳能属于低品位能源，即使在太阳辐射强度最高的北回归线附近，夏季晴天正午时的太阳辐照度也仅为1.1～1.2kW/m2，而到了冬季太阳辐照度约为夏季时的一半[23]；三是对太阳能的高效捕获乃至转化为其他可用能源仍需要技术支持，能量利用效率也受限于转化技术和应用场景。
对太阳能的利用可以追溯到远古时代，随着科学技术的进步和人类社会的发展，对太阳能的开发和利用方式也发生了巨大的变化，尤其是对太阳能捕获和转化所付出的代价逐渐减小，其利用方式主要包括光热转化和光电转化。利用太阳能直接转化为热能的效率理论上最高可以达到100%[24]，这是太阳能光电转化无法达到的。自然界淡水循环就是太阳能光热利用的典型实例，海水表面接收到太阳辐射能而温升并生成水蒸气向上浮升，在海陆风的作用下漂移到陆地上空，以雨雪形式降落到陆地表面形成河流湖泊，最后汇聚于大海。此过程在人为设计的封闭空间内实现就是现有的热法太阳能海水淡化技术，其属于中低温盐水分离过程，与太阳能中低温供能在用能匹配上是相吻合的，而且是低品位能源之间的直接转化利用过程。
1.1.3太阳能海水淡化技术概述
人类利用太阳能对海水进行脱盐淡化的历史悠久。早在公元前4世纪，亚里士多德就描述将不清洁水蒸发后进行凝结能够生成可供饮用的淡水，他是描述该过程的第一人，并在其所著的一本气象学书籍中提到了冷凝淡水的口感甘甜，据此推测他所说的可能就是海水或苦咸水淡化[25]。然而，最早能够用文字证实的太阳能海水淡化方法是Mouchot在1869年报道的，该文讲述了1551年的阿拉伯炼金师对海水进行淡化的过程，他们利用抛光的大马士革镜对太阳光进行聚焦，然后将聚焦光线投射到盛满海水的玻璃瓶中，以此来得到淡水，同时还提到了用镀银和镀铝的玻璃反射镜来汇聚太阳光，并用在太阳能蒸馏工艺中[26]。著名科学家Della Porta利用放置在强烈日光照射下倒立的砂锅实现了水的蒸发，并通过放置于砂锅下方的花瓶来收集冷凝水，还在其专著Magiae Naturalis中提出了从空气中取水的方法，这正是今天发展起来的增湿除湿海水淡化方法的雏形[27]。
Lavoisier在1862年精心设计建造了一个装有大玻璃透镜的支架结构，将太阳光聚焦到装满水的蒸馏烧瓶中进行太阳能蒸馏[28]。之后很长时间太阳能海水淡化技术的发展一直处于停滞状态，直到工业革命后的1872年，瑞典工程师Carlos Wilson在智利的萨利纳斯地区建造了世界上第一座大型的太阳能苦咸水淡化工厂，该工厂以冶炼矿物剩下的浓卤水为原料进行淡化。该淡化装置从1874年开始运行，在此后的40多年间为制造硝酸钾和提炼白银的工人们提供饮用淡水，它占地7896m2，由多个宽1.14m和长61m的盘形蒸馏器组合而成，有效集热面积为4450m2，日产淡水为4.9L/m2[29]。
根据对太阳能的利用方式可以将太阳能海水淡化技术分为直接式和间接式两类。其中，间接式太阳能海水淡化技术按照是否使用分隔膜可分为膜法和非膜法，非膜法又包括太阳能多级闪蒸淡化法、太阳能低温多效蒸馏淡化法、太阳能蒸气压缩法及冷冻法等。鉴于冷冻法是去除冰晶中的热量，所以将其归到了热法太阳能海水淡化技术。直接式太阳能海水淡化技术是直接利用太阳热能，包括太阳能增湿除湿海水淡化技术、太阳能烟囱海水淡化技术和太阳能海水蒸馏淡化技术等，太阳能海水蒸馏淡化技术中的热能可由聚光集热技术提供，按照太阳能聚光集热方式可将其分为菲涅尔聚光、碟式聚光、塔式聚光和槽式聚光的太阳能海水淡化技术。应用最早的热法太阳能海水淡化装置是太阳能蒸馏装置(solar still)，该装置具有可直接转化太阳能、可就地取材、运行原理简单、投资成本低等特点，适用
