新能源海水淡化技术

369新能源海水淡化技术北京中水科水电科技开发有限公司（监测）张金接、张俊娥、冯宾春、符平、莫为泽、赵卫全1调研背景概述本次调研是在2011年院水利水电动态调研《海岛非常规水资源开发》专题的基础上，结合部门研究特点以新能源海水淡化为题进行的更深层次的调研。本次调研查阅相关文献数百篇，最终参考82篇文献，其中包括专著；国际脱盐协会、国际能源机构、海水淡化与水再利用海水淡化西湖论坛等学术研讨会的会议论文；全国优秀博士、硕士学位论文；以及国内国外优秀期刊，刊名如下。国外期刊：Desalination，ProgressinEnergyandCombustionScience，SolarEnergyEngineering，RenewableEnergy，MarinePolicy，Energy，SolarEnergy.国内期刊：华北电力技术、水处理技术、水利水电技术、海洋学研究、净水技术、太阳能学报、华电技术、新材料产业、中国给水排水、真空、高科技与产业化、国外核新闻、海洋科学、海洋开发与管理、可再生能源、广东造船、能源与环境、膜科学与技术。2选择本专题进行调研的原因、必要性和意义随着社会经济的不断发展，全球对水资源的需求持续增长，但由于受自然环境和气候变化等因素的影响，区域淡水资源正变得越来越稀缺，尤其是干旱半干旱地区、沿海及海岛地区，缺水现象更加严重。为缓解水资源危机，我国在厉行节水的同时，积极开发利用海水等非常规水源。海水淡化是一种增加区域可利用水资源量的技术，可作为水资源的重要补充和战略储备（栾维新等，2010）。发展海水淡化产业，对缓解我国沿海缺水地区和海岛水资源短缺状况，优化用水结构，保障水资源可持续利用具有重要意义。然而，海水淡化产业是能耗密集型产业，利用传统能源370进行海水淡化难以维持其可持续性（Markusetc.,2007;Soterisetc.,2005）。一方面，随着能源消耗急剧增长，传统化石燃料出现了资源短缺、环境污染等问题；另一方面，一些偏远山区和海岛由于所处地理位置较远，本身就存在缺电现象，更无多余能源用于海水淡化。近年来，风电、太阳能、海洋能等新能源由于其可再生性、无污染等特点，受到世界各国研究机构的重视。随着相关技术研究的深入与突破，市场价格将会进一步下降，新能源将具有更大的竞争力。本文以新能源海水淡化技术为题进行动态跟踪调查，主要基于以下三个方面的原因。（1）国家战略需求。近年来，我国大力发展海水淡化技术与新能源开发。“十一五”期间，我国海水淡化产能年均增长超过60%，截止2010年底，国内建成海水淡化装置70多套，设计淡化水产能60万m3/d；在建装置5套，设计淡化水产能26万m3/d。《海水淡化产业发展“十二五”规划》中，规划到2015年，我国海水淡化产能达到220万m3/d以上，海水淡化对解决海岛新增供水量的贡献率达到50%以上，对沿海缺水地区新增工业供水量的贡献率达到15%以上。在新能源利用中，“十一五”期间，我国风电已进入规模化应用阶段，到2010年底，风电累计并网装机容量3100万kW；太阳能发电的国内市场也已启动，2010年光伏电池产量占到全球光伏电池市场的50%，效率也不断提高，晶硅组件效率达到15%以上，非晶硅组件效率超过8%；生物质能、地热能和海洋能也均有不同程度的发展。《可再生能源发展“十二五”规划》中，规划“十二五”期间，新增装机风电7000万kW，太阳能发电2000万kW，生物质发电750万kW。综合以上，目前国家对海水淡化产业化与新能源开发方面投入较大的政策支持，然而对海水淡化与新能源的发展主要存在两大方面的问题。一方面，将新能源与海水淡化联合的技术发展欠缺；另一方面，海水淡化技术最大的产业化发展壁垒是能耗较高，致使成本较高。利用沿海或海岛地区较丰富的风能、太阳能、海洋能等新能源替代传统能源进行海水淡化可在一定程度上减轻对常规化石燃料需求过高的压力，追踪了解国际新能源海水淡化技术发展动态，可为我国未来缓解能源短缺和水资源短缺的战略规划提供技术储备。（2）地区实际需求。改革开放以来，沿海地区已成为我国经济发展最具活力的地区，今后一个时期，我国还将进一步从海洋大国向海洋强国迈进。《我国国民经济371和社会发展“十二五”规划纲要》中明确阐述要科学规划海洋经济发展，加强海洋基础性、前瞻性、关键性技术研发，提高海洋科技水平，增强海洋开发利用能力；强化海域和海岛管理，推进海岛保护利用，扶持边远海岛发展。现阶段，我国东部沿海发达省市由于社会经济的快速发展，电力资源和水资源出现短缺的状况；偏远海岛由于所处地理位置远离大陆，水、电、交通等基础设施严重缺乏。新能源海水淡化技术的发展可以为缓解沿海发达地区的水资源短缺，解决偏远海岛居民生活用水、改善民生，提供有力的技术支撑。（3）单位发展需求。中水科技新能源事业部自成立以来一直积极参与新能源相关的研发、风电建设等关键技术研究。2008年，部门在院专项、公司专项、水利部行业专项支持下，同时自筹一部分资金开展了风能反渗透海水淡化技术研究，通过室内模拟与现场示范运行，已取得一定的研究经验和成果。但是目前我们的研究仍然处于起步阶段。近年来，国际上新能源开发与海水淡化技术两大课题均成为各国争相研究的热点，然而在应用上，利用新能源进行海水淡化的仅占全球海水淡化市场的1%（IEA-ETSAPandIRENA,2012），其中还存在很多技术难点需要攻克。通过本次新能源海水淡化技术动态调研跟踪，了解国内外研究现状的同时，也可以为部门今后的发展方向提供研究思路。3近年来本专题发展新动向和值得关注点目前来看，风能、太阳能、核能、波浪能、潮汐能等新能源是海水淡化技术中可利用的清洁能源（张海春等，2010）。近年来，我国新能源取得了很大的成绩，风电、光伏发电、太阳能热利用和生物质能高效利用均取得了明显进展，为调整能源结构、保护环境、促进经济和社会发展做出了重大贡献，其中以风力发电和光伏发电尤为突出（邓勇，2011）。近年来，在利用新能源进行海水淡化方面的研究也取得了很大的进展，但仍然存在很多问题，本专题首先综述新能源海水淡化的发展动态和值得关注点，并对目前的研究进行点评，最后结合部门需求提出本专题未来发展的若干建议。3.1发展新方向和值得关注点本专题研究人员通过多渠道的调研发现，近年来，多种新能源海水淡化方法中，372针对风能海水淡化、太阳能海水淡化、核能海水淡化以及各种形式的海洋能海水淡化方面的研究比较集中，以下将着重综述这几方面的研究动态和进展。3.1.1风能海水淡化风能海水淡化可以分为直接风能海水淡化和间接风能海水淡化两种。直接风能海水淡化是将风能转化的机械能直接用于驱动脱盐单元进行海水淡化的方法。间接风能海水淡化是先将风能转化为电能，然后再驱动脱盐单元进行海水淡化的方法。直接风能海水淡化的优点是省去了“机械能→电能→机械能”之间的转换，提高了能量利用效率，并简化了系统结构，但该技术方案每套装置自成一套系统，不适合大型海水淡化厂。其原因是海水淡化厂对海水质量要求较高，对海流、生态等也有一定要求。大型海水淡化厂往往需要几十台乃至几百台风力机组，延绵几十公里，每套装置的取水点相距较远，海水质量、海流条件和生态情况等很难同时满足每台机组的要求（宿俊山等，2009）。丹麦、荷兰等国家建造了风能直接驱动海水淡化装置，我国的余立群等设计了风能直接驱动的反渗透海水淡化装置（余立群，2004）。然而直接将风能用于海水淡化还存在一些问题，如风力波动则影响到泵的流量或压缩机的压缩稳定性等，因此这种直接利用风能的应用比较少。大多数情况下，可以先利用风能发电，之后用于海水淡化（冯宾春，2009）。间接风能海水淡化根据供电方式的不同又可分为离网型和并网型。离网型风力机单台装机容量约为100W~10kW，一般不超过15kW。可作为沿海缺电、缺水的海岛地区小型海水淡化的动力能源。风力发电能顺利并入一个地区或有电海岛电网的电量，主要取决于电力系统对供电波动反应的能力。风力发电机在并网和大小发电机切换时产生的瞬间电流，对电网会造成冲击，这种冲击随着风力发电机组单机容量的增大而增强。过大的冲击不仅引起电力系统电压的大幅下降，并且可能对发电机和机械部件（塔架、桨叶、增速器等）造成损坏。如果并网冲击时间持续过长，还可能使系统瓦解或威胁其它挂网机组的正常运行，影响电网的供电质量和稳定性。只有当电网的容量比发电机的容量大得多时（≥25倍），发电机联网时的冲击电流才可以忽略不计。因此，必须进一步提高风力机的并网技术，将并网冲击电流限制在允许的范围之内。（任曲勇，2009）风能海水淡化脱盐技术的选择主要取决于给水质量和产水质量要求、脱盐技术373特性、风力发电技术特性以及建设场地环境条件等因素。可行的与风力发电相匹配的海水淡化技术主要有反渗透（RO）、机械蒸汽压缩（MVC）和电渗析（ED）（冯宾春等，2009）。RO法能耗低，系统简单，由膜单元组成，适用于各种规模，目前应用也最为广泛。该方法可以通过关闭和启动部分反渗透处理单元，来适应风力发电能量的变化，同时维持处理单元的运行参数恒定。但RO法需要复杂的预处理系统，对操作人员要求较高，需要定期更换膜组件和添加化学药剂，所以对于偏远地区或孤立海岛运行维护的难度较大。MVC法能耗略高于RO法，适合于中、小规模海水淡化，比RO更适合于变化的能量消耗，同时产品水的水质要好于RO法，另外不需要更换膜组件，添加的药剂也少，对工人操作要求低，从这些方面看，它更适合偏远地区或孤立海岛。但对于没有混合能源提供持续稳定电力的孤立风电系统由于风速的变化，淡化单元需要经常地启动、关闭和长时间处于待机状态，MVC因为启动慢，并且容易结垢，需要经常进行耗时的维护，所以在这类场合就不适合应用。ED法能够适应能量消耗变化的运行方式，也能够适应快速启动与关闭。但因为直流电和交流电的切换易造成电谐波扰动，导致ED装置的电能消耗较高。ED法常用在含盐量不太高的中、小规模的海水淡化或苦咸水淡化工程中，其工艺简单，易于普及和实现自动化，比较适合于偏远地区或孤立海岛。但对不带电荷的物质如有机物、胶体、细菌等无脱除能力，出水品质较低（李杰等，2008）。风能的自然特点是风速时常变化，能量供应不稳定，具有间歇性、波动性，这不仅限制了风力发电的发展，也与海水淡化单元对于能量稳定供应的要求相矛盾。这一问题也是现存风能海水淡化存在的主要问题，解决的方法有两个方面，一是提高供电系统的稳定性；二是适当增加淡化水蓄水池容量，在无法实现持续稳定的电力供应时，可以通过海水淡化单元间歇运行来维持淡水供应。在提高风力发电系统稳定性方面，有并网条件的可以通过提高并网技术来避免冲击电流对电网产生的负面影响；对于独立电网系统，主要通过储能技术弥补风电的不稳定性，常用的方法有：蓄电池储能、飞轮储能、电解制氢储能、抽水蓄能、柴油发电互补、风光互补等。在众多能量存储的方式中，蓄电池的化学储能方式运用最为广泛。2009年福建省水产研究所在东山岛歧下海面浮筏平台上进行了独立风电海水淡化试验，采用风电—蓄电池—海水淡化模式，先将风机发的电全部存储到蓄电池，然后通过逆变为374海水淡化设备供电。然而，独立的风能发电方式受天气的影响较大，直接引起系统供电与负荷用电量的不平衡，常常导致蓄电池处于过充或过放状态，长期处于这种运行状态对蓄电池的使用寿命有很大的影响，而蓄电池的成本价格较高，造成独立系统的投资成本随之增加。西班牙加那利群岛上的独立风电海水淡化厂则是通过配备一定转动惯量的飞轮来抑制风机输出功率的快速波动对电网的冲击，即为飞轮储能，系统便可正常运行。在系统运行中，当风电输出过剩时，主要通过飞轮蓄能和调整迎风角来降低输出；当输出功率过低时，主要通过变桨增加输出功率和利用飞轮储能进行弥补；当飞轮转速降至电网最低频率时，则要关闭一组甚至多组RO系统。实验结果表明，采用以上运行策略的独立风电RO海水淡化系统在不进行能量回收情况下，单位产水耗电量为7.5kWh/m3。西班牙Carta等人自1999年以来，在欧盟JOULEIII的资助下，一直