一、项目背景及研究意义
1.1 项目背景
我国有300万平方公里的海域，1.8万多公里的海岸线，岛屿众多，其中面积500平方米以上的海岛有7300个，小于500平方米的岛屿上万个，既有海洋捕捞、近海养殖和海洋资源开发基地，又有具有国防战略意义的海军基地及边防哨所。尤其一些偏远海岛，其独特的地理位置对国家海洋权益和资源具有极其重要的战略地位。无淡水海岛约占全国海岛总数92%，海岛驻军只能靠舰艇、船舶运送海水，耗费人力物力且易受恶劣气候影响而缺水，严重影响了国家的海上战略安全。
《国家海洋局关于促进海水淡化产业发展的意见》明确提出：“加大对海水淡化关键技术研发的支持力度，加快发展小型化、一体化海水淡化装备技术”。
图1 南海诸岛分布图2 海水淡化相关政策
海水淡化是目前解决淡水资源短缺问题的重要手段，相较地下水开采，海水淡化具有原水资源丰富、不
易引发环境问题等优点，被认为是最实用的可持续提供淡水来源的方法。目前全球海水淡化年产量约为9000×104m3，年消耗原油超过8.5亿m3。由于化石燃料紧缺和不可再生性及其开采造成的自然环境恶化等问题，发展新能源驱动海水淡化技术已成为国内外亟待解决的重大问题。
1.2 研究的目的和意义
图3 传统海水淡化装置工作
传统利用太阳能蒸馏法海水淡化装置如图3所示。阳光透入玻璃板输入太阳能使装置升温，海水受热蒸发，水蒸气上升在玻璃板内表面冷凝，淡水流入集水槽收集。但是该装置无其他集热设备，因此太阳能收集效果不佳。同时蒸气液化面位置不合理导致冷凝液滴影响光照辐射，冷凝潜热未回收，所以
淡水产出效率低，仅为0.3-0.4L/(m2·h)。然而传统装置具有简单实用的特点，值得借鉴。1.2.2 膜蒸馏法
图4 空气隙式膜蒸馏（AGMD）工作示意
膜蒸馏（Membrane Distillation, MD）是一种以多孔疏水膜为分离介质、膜两侧蒸气压力差为推动力的热驱动膜分离过程。多孔疏水膜起到热绝缘体和物理障碍的作用，水蒸气透过膜孔在冷测冷凝，而其他组分被疏水膜阻挡在热侧。
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近年来，尽管国内外也已开发多种新型海水淡化技术，如反渗透技术、多级闪蒸、冷冻法等，但反渗透技术需要较高的操作压力，预处理要求严格，设备复杂，且排放难以处理高浓度盐溶液，而多级闪蒸、冷冻法等其他新型海水淡化技术，工艺复杂，设备体量大，不能适用于小型海水淡化装置。膜蒸馏不仅可以弥补反渗透海水淡化技术难以处理高浓度盐溶液的缺陷，而且膜蒸馏还具有更高的水蒸馏石灰石粉
效率和纯度，可满足WHO饮用水1‰盐度标准，方便海岛居民和近海居
求是
民直接使用。此外，膜蒸馏时原液无需加热至沸点，60-90℃即可进行，因此可与太阳能等廉价能源相结合，解决居民的饮水和生活用水问题。
但是，膜蒸馏过程中，一旦料液与膜接触，由于溶质与膜之间相互作用而产生膜污染，使膜通量降低，产水效率下降。为防止膜污染，常见的预处理措施有：絮凝沉淀、微过滤器、改变流体的流态等，其中加絮凝剂和改变流态要求装置较复杂，实用性不强。针对此问题，本项目提出了一种可实现海水运输和预处理一体化的防膜污染方法，提高预处理在海水淡化过程中实现的实践性。
1.2.3 太阳能海水淡化
近年来，太阳能海水淡化成为国际研究热点。太阳能具有无限可再生、分布广泛、清洁无污染、相对稳定等优点，是可再生能源技术的首要发展方向之一。
在现有常用太阳能利用技术中，主动跟踪装置需根据所在地每一时刻太阳所在的方位，时时刻刻控制装置的采光角度，确保聚光装置的轴线与太阳光平行。主动跟踪装置不仅需外在能源驱动，而且要求保持较高精度，一旦精度出现偏差或机械发生故障，都需要人员维护，因此主动跟踪太阳能集热器的成本较高。而应用于海岛海水淡化时，装置工作环境较为开阔平坦且无高遮挡物，因此主动跟踪装置效益较低，需设计简易的被动太阳能收集装置。
1.2.3 研究目的和意义
海岛对小型海水淡化装置的需求大，但实际应用却较少，制约着小型海岛海水淡化装置推广的主要因素是运行费用高，由两个方面造成：（1）目前小型海水淡化装置采用工程化设计，没有形成一体化模块化装置，占地面积大，工程费用高，不适用于海岛居民简单的海水淡化需求；（2）缺乏适用的预处理设备。海水淡化工程的澄清池、无阀滤器等采用的土建结构，运输投资过大，不适于偏远海岛小型海水淡化。
基于当前国内小型海水淡化装置制水能耗高、部件昂贵、操作复杂的背景，本项目提出构建一种适应海岛环境和满足海岛居民需求的新型膜蒸馏海水淡化装置。针对传统太阳能海水淡化装置由于太阳能收集不佳、蒸气向上扩散影响能量往下输入导致的能耗高的问题，设计多层结构迫使蒸气向下扩散至底部冷凝，以特殊结构加强潜热回收用以预热海水等方式，尽可能减少热损耗，提高能量利用率；利用tracepro软件设计透镜组作为免跟踪太阳能集热器，提高太阳能收集
效率。针对膜污染问题，本项目提出了一种与装置一体化的预处理方式：利用纤维材料的毛细力在膜面上方切向运输海水，不仅避免海水与膜面完全接触，而且对海水进行了过滤处理，能够减轻膜污染、延长膜寿命、降低维护成本。该方式经济简单，适用于海岛居民小型海水淡化装置。
本项目针对目前海水淡化设备存在的问题，设计了结构简单、能耗低、海水转化率高、运行和降低维
护成本一种新型超疏水膜切向蒸馏海水淡化装置。项目成功实施将不仅可为海岛居民生活用水提供经济适用的淡水设备，而且可为我国海防建设和近海开发具有潜在的应用价值。
二、项目的创新之处
本项目提出了一种可实现太阳能集热与潜热回收的膜蒸馏海水淡化装置，其创新点体现在以下三个方面：
（1）针对传统太阳能海水淡化装置的高能耗问题，本项目提出了多层结构迫使蒸气向下扩散至底部冷凝，降低热损耗；在现有菲涅尔透镜的基础上，本项目提出了弧面与平面以一定角度组合成实现免跟踪的太阳能集热器，提高太阳能利用率。
（2）针对膜污染问题，本项目提出了海水供给与预处理一体化的方式：在膜面上方切向运输海水，避免与膜面接触，对海水预过滤，实现减轻膜污染、延长膜寿命、降低维护成本。
（3）针对常见装置冷凝效果差、潜热浪费问题，本项目提出了仿制草丛的铜丝簇结构，使蒸气在形成传热系数较高的滴状冷凝，以此高效回收凝结潜热用于海水预热，提高能量利用率。
三、项目的研究内容和研究目标
3.1 海水蒸发冷凝结构
蛋白酶体
传统装置水蒸气凝结位置不当，削弱光热转换面的光辐射强度，影响海水吸收太阳能。若想解决该问题，需满足以下条件：
（1）海水受热部位与水蒸气冷凝部位分离，即需要海水在光热转换层和冷凝面之间运输，才可能使太阳能输入—蒸发—冷凝过程单方向、自上而下完成。
（2）水蒸气扩散路径与光通道分离，即需要一种淡化方式能迫使水蒸气向下扩散至冷凝室液化。
陈和平
因此，本项目装置结构如图5，采用以下措施：玻璃外壳阻止水蒸气溢出到光热转换层上方，减少表面辐射、对流热损失；玻璃内板承接蒸馏膜，内部空腔设置蒸气冷凝室；纤维材料作为海水传输层经过光热转换层和蒸馏膜之间；利用膜蒸馏工作原理，即两侧蒸气压力差驱动水蒸气透过膜孔，同时超疏水膜作为热绝缘体，阻止热量耗散。
图5 海水淡化装置
3.1.1 免跟踪太阳能集热器
为研究适用于海岛小型海水淡化的太阳能收集装置，本项目参考现有平面菲涅尔透镜构成的聚光器，拟研究以下两个方面：
（1）研究弧面与平面两种透镜相接构成透镜组，其聚光性能和光斑均匀性。
（2）研究透镜组与地面最佳夹角，即太阳光强度最大时光线将垂直照射到中间弧面透镜。
根据太阳东升西落的自然规律，为保证免跟踪装置在固定的状态对太阳光长时间采集的效果，同时尽可能降低成本投入，本项目选用两块平面线性透镜以及一块弧面透镜。三块菲涅尔透镜按照东西方向以夹角θ相接排列，如图6所示。
由于一天内透镜组的聚光性能不易研究，本项目拟选取光强最大时刻进行研究，此时太阳光线将垂直照射中间的弧面透镜。此处θ预设为135°。
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