可再生能源與反滲透海水淡化技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用研究

0海水淡化負(fù)荷選擇預(yù)計(jì)，世界淡水需求將達(dá)到2000年的1.55倍。海水淡化系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，淡水生產(chǎn)成本受電價(jià)分布的影響非常大，將生產(chǎn)每立方米淡水消耗的能量降至最低并不等于將運(yùn)營(yíng)成本降至最低隨著可再生能源的迅猛發(fā)展，可再生能源在用電低谷期產(chǎn)生的過(guò)剩電能也隨之增加在我國(guó)東北地區(qū)，隨著電力市場(chǎng)的進(jìn)一步放開(kāi)，具有電儲(chǔ)熱特征的可控負(fù)荷可以參與到調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)中為了應(yīng)對(duì)可再生能源迅猛發(fā)展而造成電能過(guò)剩的情況，本文建議使用海水淡化負(fù)荷來(lái)消納富余可再生能源。具體而言，首先討論了海水淡化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了反滲透海水淡化系統(tǒng)的技術(shù)原理、成本分布以及能耗情況；隨后，對(duì)現(xiàn)有可再生能源驅(qū)動(dòng)海水淡化的技術(shù)分類(lèi)總結(jié)，梳理國(guó)內(nèi)外的研究成果；最后，針對(duì)海水淡化系統(tǒng)的靈活運(yùn)行特性進(jìn)行剖析，挖掘海水淡化負(fù)荷參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)的潛力，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)狀對(duì)利用海水淡化消納可再生能源提出一些建議和思考。1海水處理技術(shù)的發(fā)展1.1中國(guó)對(duì)淡水的需求為了衡量某地區(qū)的淡水供應(yīng)壓力，文獻(xiàn)結(jié)合文獻(xiàn)1.2等效電能與能耗對(duì)比海水占地球可用水資源總量的97%表1列舉了“膜法”和“熱法”在海水淡化過(guò)程中的理論最低能耗和實(shí)際最低能耗。表1中，“熱法”所需要的熱能乘以33%轉(zhuǎn)換為等效電能，以便于將兩類(lèi)方法的能耗進(jìn)行對(duì)比自1980年以來(lái)，全球海水淡化廠的總建設(shè)規(guī)模幾乎成倍增長(zhǎng)。在2000年至2015年期間，海水淡化廠的產(chǎn)能每天增加約6×10我國(guó)海水淡化工程的主要用途主要為工業(yè)用水、生活用水和其他用水。國(guó)家自然資源部公布的最新數(shù)據(jù)顯示我國(guó)海水淡化市場(chǎng)中的主導(dǎo)技術(shù)為反滲透技術(shù)，相比其它海水淡化技術(shù)，反滲透技術(shù)具有建設(shè)成本低、能耗低及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到廣泛使用1.3海水處理技術(shù)的原理和能源消耗1.3.1海水側(cè)乳液高度反滲透海水淡化技術(shù)起始于20世紀(jì)40年代，基本原理如圖2所示。穩(wěn)態(tài)情況下，由于海水與淡水之間存在滲透壓，海水側(cè)液面高度會(huì)維持在圖2(a）所示狀態(tài)。通過(guò)在海水側(cè)施加一定的壓力，海水側(cè)的水分子透過(guò)滲透膜被壓入淡水側(cè)，而固體顆粒物被滲透膜阻擋在海水側(cè)，從而淡水側(cè)液面高度上升，如圖2(b）所示1.3.2能耗下降,耗水產(chǎn)低自從反滲透海水淡化技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，技術(shù)上的持續(xù)進(jìn)步使得生產(chǎn)淡水的能耗不斷下降。反滲透海水淡化技術(shù)主要的創(chuàng)新包括研發(fā)滲透性能更好的膜圖4為典型反滲透海水淡化技術(shù)的操作流程1.3.3海水淡化最低理論能耗理想情況下，淡化海水所需的最低能量等于鹽溶解在純水中時(shí)產(chǎn)生的能量，如式（2）所示：式中：w為鹽溶解在純水中時(shí)產(chǎn)生的能量；g為常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；a為水的活度。對(duì)于溫度為25°C太平洋海水，海水淡化的最低理論能耗為0.7kWh/m實(shí)際情況中，海水淡化的能耗會(huì)受到海水溫度、能量回收率以及操作條件等因素的影響，因此實(shí)際海水淡化所需要的能量會(huì)大于理論最小閥值。表2為反滲透海水淡化技術(shù)歷年最低能耗的變化情況2海水淡化技術(shù)相互匹配機(jī)理常規(guī)海水淡化廠的運(yùn)營(yíng)成本較高，而且發(fā)電廠為海水淡化廠提供電能的過(guò)程中，相關(guān)發(fā)電過(guò)程會(huì)排放的大量溫室氣體，尋找廉價(jià)、環(huán)保的可替代能源迫在眉睫。然而，很難為海水淡化廠確定最有效的可再生能源類(lèi)型，能夠在消耗最少電能的同時(shí)最大化淡水生產(chǎn)率。這主要是由于海水淡化技術(shù)和可再生能源種類(lèi)繁多，諸如海水淡化廠的規(guī)模、位置、進(jìn)水壓力等許多參數(shù)會(huì)影響可再生能源的選擇?？稍偕茉纯梢砸噪娔堋崮芎蜋C(jī)械能的形式用于海水淡化，可再生能源與海水淡化技術(shù)的正確組合是經(jīng)濟(jì)、高效且環(huán)境友好地滿(mǎn)足電力需求和淡水需求的關(guān)鍵，圖5總結(jié)了不同類(lèi)型的可再生能源與海水淡化技術(shù)之間潛在的相互匹配關(guān)系。太陽(yáng)能，風(fēng)能，波浪能和潮汐能受天氣影響較大，發(fā)電具有很強(qiáng)的不確定性，這種不確定性是影響可再生能源為海水淡化系統(tǒng)供電的最大困擾在眾多海水淡化技術(shù)中，由于反滲透海水淡化技術(shù)的能耗最低，因此可再生能源與反滲透海水淡化技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用最為廣泛。其中，風(fēng)能和光伏與反滲透海水淡化技術(shù)的結(jié)合分別占該領(lǐng)域的19%和32%，如圖6所示目前電能的大量存儲(chǔ)仍然是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，而淡水可以大量存儲(chǔ)在水庫(kù)或儲(chǔ)水罐中，因此，當(dāng)可再生能源的發(fā)電量超過(guò)電力系統(tǒng)負(fù)荷需求時(shí)，可以將可再生能源發(fā)電余量用于供給生產(chǎn)淡水，淡水需求低谷時(shí)期將淡水存儲(chǔ)起來(lái)，淡水需求高峰將存儲(chǔ)的淡水提供給用水單元。可再生能源發(fā)電與海水淡化系統(tǒng)相結(jié)合是一種經(jīng)濟(jì)、高效的能量存儲(chǔ)備選方案。然而，海水淡化廠必須要建立在沿海地區(qū)，海水淡化廠的建設(shè)地點(diǎn)不一定適合安裝可再生能源系統(tǒng)。這就需要將遠(yuǎn)離海水淡化廠的可再生能源系統(tǒng)通過(guò)并網(wǎng)以后為海水淡化廠提供電能，澳大利亞的南方海水淡化廠（SouthSeawaterDesalinationPlant,SSDP）就是通過(guò)這種方式供電。其中，并網(wǎng)的可再生能源包括Geraldton附近的Mumbida風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)（包含22臺(tái)風(fēng)力渦輪機(jī)，容量為55kW）和格林納夫河10MW太陽(yáng)能光伏電站（包含15萬(wàn)塊光伏面板，建設(shè)面積為8×102.1風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的海水淡化技術(shù)風(fēng)能是最便宜的可再生能源之一，近年來(lái)得到越來(lái)越多相關(guān)從業(yè)人員的關(guān)注風(fēng)能在海水淡化中的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代初期目前的研究集中于將反滲透海水淡化技術(shù)與風(fēng)能的集成上，使用風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的海水淡化廠必須具有足夠的運(yùn)行靈活性，以應(yīng)對(duì)由于風(fēng)能劇烈波動(dòng)而導(dǎo)致的定期關(guān)閉和啟動(dòng)操作。Carta等學(xué)者對(duì)加納利島未安裝任何儲(chǔ)能設(shè)備的直接風(fēng)能驅(qū)動(dòng)反滲透海水淡化系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了分析Loutatidou等學(xué)者研究了阿拉伯地區(qū)低風(fēng)速運(yùn)行的風(fēng)力渦輪機(jī)在反滲透海水淡化系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，研究表明，風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的反滲透海水淡化系統(tǒng)比當(dāng)前使用常規(guī)能源供電的“熱法”海水淡化系統(tǒng)性能更好2.2海水淡化系統(tǒng)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化太陽(yáng)發(fā)出的熱能和光能均可用于驅(qū)動(dòng)海水淡化系統(tǒng)。一方面，太陽(yáng)發(fā)出的熱能，可以直接用于多級(jí)閃蒸和低溫多效等海水淡化技術(shù)，也可以在太陽(yáng)能熱電廠中轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，以驅(qū)動(dòng)反滲透、機(jī)械蒸汽壓縮等海水淡化系統(tǒng)太陽(yáng)能是全球范圍內(nèi)最豐富的可再生能源。由于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能或熱能的靈活性，太陽(yáng)能一直是可再生能源驅(qū)動(dòng)海水淡化研究的熱點(diǎn)。中東和北非的許多地區(qū)平均每個(gè)晴天能夠受到5—7kWh的日照，這些地區(qū)大多數(shù)富含海水，但缺乏足夠的淡水，因此非常適合太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的海水淡化技術(shù)目前光伏驅(qū)動(dòng)的反滲透海水淡化系統(tǒng)常見(jiàn)并網(wǎng)和離網(wǎng)2種形式，典型并網(wǎng)光伏驅(qū)動(dòng)反滲透海水淡化系統(tǒng)如圖8所示2.3經(jīng)長(zhǎng)期研究的并需持續(xù)研究的問(wèn)題利用可再生能源驅(qū)動(dòng)海水淡化系統(tǒng)已經(jīng)引起廣泛研究。將單個(gè)可再生能源技術(shù)用于海水淡化時(shí)，由于其發(fā)電不穩(wěn)定性和間歇性，將導(dǎo)致供電可靠性低文獻(xiàn)3海水淡化負(fù)荷的需求與電網(wǎng)的配合可以實(shí)現(xiàn)能耗3.1電網(wǎng)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性隨著可再生能源在我國(guó)電網(wǎng)配置資源中占比急速增長(zhǎng)，電網(wǎng)需要大量的存儲(chǔ)容量和靈活負(fù)荷來(lái)解決可再生能源發(fā)電的不確定性，能夠根據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)調(diào)整需求的動(dòng)態(tài)負(fù)荷是電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的寶貴資源3.2反滲透海水淡化系統(tǒng)低碳排放響應(yīng)面優(yōu)化盡管已充分認(rèn)識(shí)到需要使用海水淡化來(lái)解決淡水缺乏的重要性，但其高昂的耗電成本仍然是阻礙海水淡化廣泛應(yīng)用的主要因素在設(shè)計(jì)反滲透海水淡化系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)更高效率地生產(chǎn)淡水時(shí)，除了改進(jìn)滲透膜和提升能量回收裝置的效率之外，還可以?xún)?yōu)化生產(chǎn)淡水各個(gè)階段的耗電成本。盡管這并不能減少生產(chǎn)淡水的能耗，但是由于電價(jià)在用電高峰和低谷時(shí)期的差額較大，通過(guò)“錯(cuò)峰運(yùn)行”方式可以有效減少海水淡化的能耗成本，同時(shí)能夠提升電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。4海水淡水處理負(fù)荷的積極消除所需能源的應(yīng)用前景4.1水和電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能源和水是人類(lèi)發(fā)展的重要資源，不能完全分開(kāi)，在規(guī)劃一種資源的開(kāi)發(fā)時(shí)需要考慮另一種資源的合理使用傳統(tǒng)上，水和電力系統(tǒng)被設(shè)計(jì)和運(yùn)行為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。但是，實(shí)際上，這些系統(tǒng)之間具有顯著的相互依賴(lài)關(guān)系4.2谷時(shí)段用電我國(guó)東北地區(qū)電力市場(chǎng)建設(shè)初期，可中斷負(fù)荷定義為具有電儲(chǔ)熱設(shè)施并主要在電網(wǎng)低谷時(shí)段用電，能夠在負(fù)荷側(cè)為電網(wǎng)提供調(diào)峰輔助服務(wù)的用電負(fù)荷項(xiàng)目。隨著電力市場(chǎng)政策的進(jìn)一步放寬，具有電儲(chǔ)熱設(shè)施的可中斷負(fù)荷可以參與到調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)中本質(zhì)上講，海水淡化廠與儲(chǔ)水庫(kù)的結(jié)合通過(guò)蓄水儲(chǔ)能的方式，參與到調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)中5海水淡化負(fù)荷側(cè)靈活性可黨性分析利用海水淡化負(fù)荷消納富余可再生能源是當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措。反滲透是海水淡化的主導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)，風(fēng)能和太陽(yáng)能是用于驅(qū)動(dòng)反滲透海水淡化應(yīng)用最廣泛的可再生能源。海水淡化負(fù)荷的靈活運(yùn)行特性能夠有效適應(yīng)可再生能源發(fā)電的不確定性。目前，反滲透