潮汐能直接驱动海水淡化方法的优势分析

为解决能源紧缺问题和淡水资源紧缺问题，潮汐能利用技术和反渗透海水淡化技术引起了更多学者的关注.目前有超过140座潮汐电站在法国、俄罗斯和印度等13个国家运行、在建、设计[1].利用电驱动的海水淡化技术生产能力已达到日产量约8.6×107 m3，其中反渗透海水淡化技术处于主导地位，为缓解水资源紧缺问题发挥了重要作用[2-3].由于反渗透海水淡化技术需要消耗大量燃料或电能，使淡水生产成本居高不下.基于此，本课题组提出利用可再生能源潮汐能直接驱动反渗透海水淡化的方法，过程中不经过电能转化，直接生产淡水[4-5].通过熵分析法和分析法从理论上证明了此方法可以直接将低水头海水变为高压海水[6]，并搭建了潮汐能直接驱动反渗透海水淡化系统的实验平台，验证了此方法的可行性[7].也有学者对波浪能进行类似研究，Berg J L[8]设计了一种波浪能收集装置，将波浪能直接作用于高压泵上，输出理想蒸汽压，通过外部转换器输送给反渗透海水淡化系统.Kobashikawa A[9]设计了一种波浪能转换装置，将波浪能直接用于反渗透海水淡化系统中海水加压的过程.

利用可再生能源潮汐能直接生产淡水，可以节约现有水资源，减缓能源短缺危机和气候变暖现象，且不经过电能转化，可减少过程中的能源转换损失.本研究从潮汐能利用率和能源利用效率两方面分析潮汐能直接驱动反渗透海水淡化方法的能效优势和成本优势.

1 能效优势分析

1.1 潮汐能利用率

以单库双向潮汐发电运行方案为例分析潮汐能间接驱动反渗透海水淡化方法中潮汐能的利用.如图1所示，可看出，在涨潮和落潮一个周期内，经历：等候、反向发电、充水、等候、正向发电、泄水6个工况.

方才的交手，令天葬师对此人多出了几分谨慎。他不敢怠慢，飘然起身，脚踏天葬台，手握天葬刀，与敌方战在一处。那天葬台高三尺三寸，他站在其上，仍比蜘蛛矮着一些，但攻防已不成问题。那天葬刀在他的手中，红芒闪耀，上下翻飞，刀柄骷髅迎风发出鬼笑，仿佛带着勾魂摄魄的力量，令闻者心慌意乱。

利用潮汐能发电时，为了满足用户需求，需要控制水轮机的输出功保持稳定不变，因水轮机的输出功由潮汐水位与水库水位的水位差和作功海水流量共同决定，故水轮发电机必须配备调速机构.当水位差高于设计水头时，调小作功海水流量，保证电能质量和电力系统的稳定运行[10].假设水轮机在不同水位差下作功特性变化不大，可认为利用潮汐能发电时，不同水位差下可利用的潮汐能均等于设计水头下可利用的潮汐能.

  

图1 单库双向潮汐发电示意图

假设潮汐电站可以利用水位差大于等于0.9 m的潮汐能量，即设计水头H0为0.9 m，设计流量为QVl，m3/s.

潮汐能间接驱动反渗透海水淡化系统时，一天内可利用的潮汐能为Wn，可用公式表示为：

 

(1)

式中：ρ为海水密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；t为时间，h.

潮汐能直接驱动海水淡化系统，此时负载是反渗透海水淡化系统，不用发电，故不要求输出稳定转速，可使水轮机任意时刻都以最大海水流量来作功.此时一天内可利用的潮汐能为Wm，可用公式表示为：

 

(2)

式中：Hi为瞬时水位差，m.

以福建省宁德市三沙湾2012年9月17日单库双向潮汐发电运行方案为例[11]，如图2所示.拟合图2中潮汐水位HTi和水库水位HRi与时间t的函数变化关系，可分别表示为：

如图3所示，潮汐水库中储存的水冲击水轮机涡轮，涡轮转动，将势能转化为机械能.机械能经过变速箱后将能量传递给发电机转化为电能，电能经过整流并网设备上传电网.电动机利用电能，转化为机械能，最终输送至高压泵，将低压海水变为高压海水.高压海水经过蓄能稳压器后进入反渗透海水淡化系统制取淡水.

Φ=(Wm-Wn)/Wn

(3)

为比较两个系统的潮汐能利用优势，定义潮汐能利用相对提高率为：

HTi=3.233 3 cos (-0.509 5t+36.628 1)+0.650 8

(4)

HRi=-3.887 9 cos(0.511 1t+3.806 0)+0.833 0

(5)

由式(4)和(5)联立可求得水位差Hi与时间t的函数，如下式所示：

潮汐能间接驱动反渗透海水淡化方法是先利用潮汐能发电，后利用电能驱动反渗透海水淡化系统生产淡水.可用图3的流程图体现.

(6)

  

图2 三沙湾2012年9月17日单库双向潮汐发电运行方案

联立式(1)、(2)、(3)和(6)，得潮汐能直接驱动反渗透海水淡化系统相对潮汐能间接驱动反渗透海水淡化系统可提高46.35%的潮汐能利用率.

1.2 能量转化过程的能源利用效率

Hi=HRi-HTi=-3.887 9 cos(0.511 1t+3.806 0)-3.233 3 cos(-0.509 5t+36.628 1)+0.182 2

  

图3 潮汐能间接驱动反渗透海水淡化系统流程图

关于工作场所侵犯行为的类型方面得到公认的是Baron、Neuman等(1999)的研究结论[5]。他们通过员工回答问卷方式描述了工作场所内40种侵犯行为发生在自己身上的频率进行探索性因素分析的结果显示其中的33种侵犯行为落在三个区间内，因此形成了工作场所侵犯行为的三个维度：一是敌意表达(Expressions of hostility)；二是蓄意阻挠(Obstructionism)；三是工作场所暴力行为(Workplace violence)。

由于波特一致性系数只是给出了总体的一致性比较，为了分别在内容主题维度和认知层次维度上对大纲标准和7套试卷中的数学学科知识题进行比较，研究者在下文将矩阵的数据信息，绘制为条状图，从而在图中可以清晰的看出被研究者在内容上的侧重主题与认知上的侧重水平，呈现更为明确的信息.

潮汐能间接驱动反渗透海水淡化方法的能源利用效率ηsys1可表示为：

ηsys1=ηtηgbηgηrηeηhpηs/M

(7)

式中：ηt为水轮机效率，%；ηgb为变速箱效率，%；ηg为发电机效率，%；ηr为整流并网效率，%；ηe为电动机效率，%；ηhp为高压泵效率，%；ηs为蓄能稳压器效率，%；M为电动机选择时需要根据IS05199加上一安全余量，称为电动机余度系数M>1[12].

马国平思索到这里，猛地一拍倪二泉的肩：“此战消灭日本鬼子后，我们全连官兵为你过一个热闹的生日；我再批假你回汉探亲，与你的菊花相会！”

  

图4 潮汐能直接驱动反渗透海水淡化系统流程图

如图4所示，潮汐水库中储存的水冲击水轮机涡轮，涡轮转动，将潮汐势能转化为机械能.机械能经过变速箱调速后直接传递给高压泵，将低压海水变为高压海水.后高压海水经蓄能稳压器稳定后进入反渗透海水淡化系统制取淡水.

对比图3，可知这个过程明显减少了发电环节，整流并网环节，电驱动环节等三个能量转化环节，故利用此方法可减少这三个环节的能量转化损失.此时潮汐能直接驱动反渗透海水淡化系统的能量利用效率ηsys2可表示为：

潮汐能直接驱动反渗透海水淡化方法相较于潮汐能间接驱动反渗透海水淡化方法，可以减少两次能源转化过程，有效减少制淡过程中的能源损失.可用图4的流程图体现.

ηsys2=ηtηgbηhpηs

(8)

为比较两个系统的能效优势，定义系统能效提高率为：

各个医院的计算方法不完全一样，定的标准也不一样，有的医院正常值标准是“小于1/270”，有的则是“小于1/380”。染肝炎病毒，也可能是胎儿先天愚型的诱因。

从式(10)可知，潮汐能直接驱动反渗透海水淡化系统相对潮汐能间接驱动反渗透海水淡化系统的能效提高率取决于ηg、ηr、ηe和M的取值，如表1所示.

Δ=(ηsys2-ηsys1)/ηsys1=ηsys2/ηsys1-1

(9)

即：

Δ=M/ηgηrηe

(10)

去年11月，津巴布韦总统埃默森·姆南加古瓦就职，提出新的经济复苏计划——“新经济秩序”(New Economic Order)，其中包含特别农业生产计划(SAPP)，被称为“命令农业”(Command Agriculture)。SAPP计划实施目的为改善和扩展国内农业推广服务、对疾病和病虫害进行防治、提供有银行贷款租约，并对土地使用权进行保障、在灌溉服务和农业机械化等方面给予支持。

 

表1 能效相对提高率

  

效率M=1．1M=1．125M=1．15ηg、ηr、ηe=85%79．12%83．18%87．26%ηg、ηr、ηe=90%50．89%54．32%57．75%ηg、ηr、ηe=95%28．30%31．22%34．14%

从表1中可以看出，发电机、整流并网和电动机三个设备的效率越低，电动机安全余量越高，能效相对提高率越高.以三个设备效率均为95%，电动机余度系数为1.125为例，潮汐能直接驱动反渗透海水淡化系统相对潮汐能间接驱动反渗透海水淡化系统的能效可提高31.22%.

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1.3 总能效优势

潮汐能间接驱动反渗透海水淡化方法的输出功可表示为：

Wnout=Wnηsys1

(11)

潮汐能直接驱动反渗透海水淡化方法的输出功可表示为：

Wmout=Wmηsys2

(12)

相较于潮汐能间接驱动反渗透海水淡化方法，定义潮汐能直接驱动反渗透海水淡化方法的总能效提高率为Ψ，表示为：

⑨Raimo Tuomela，A Theory of Social Action，D．Reidel Publishing Company，1984，p．1．

Ψ=(Wmout-Wnout)/Wn

(13)

以日产万吨淡水为例，潮汐能间接驱动反渗透海水淡化系统中潮汐能利用率ηsys1为45%[13]，联立式(3)、(9) 、(11) 、(12)和式(13)可知，相较于潮汐能间接驱动反渗透海水淡化方法，潮汐能直接驱动反渗透海水方法的总能效可提高41.42%.

2 成本优势分析

潮汐能直接驱动反渗透海水淡化方法，不经过电能转化过程，系统可省去发电机、整流并网设备和电动机设备，且系统中的水轮机不再需要调速机构.故此方法可以降低系统的复杂性，这不仅能使设计简单化，大幅度降低系统设备成本，更可有效地控制系统的可靠性.

电驱动反渗透海水淡化系统中，能耗成本占淡水成产中成本1/2～2/3[14].假设反渗透海水淡化系统的能耗成本占淡水生产成本的50%，根据潮汐能直接驱动反渗透海水淡化方法可提高41.42%的能效优势可知，相比潮汐能间接驱动反渗透海水淡化方法，潮汐能直接驱动反渗透海水淡化方法可降低20.71%的能耗成本.

3 结论

本研究从潮汐能利用率和能源利用效率两方面对潮汐能直接驱动反渗透海水淡化方法的能效优势和成本优势进行了分析，得出以下结论：

1)潮汐能直接驱动反渗透海水淡化系统，不需要控制调速机构，可提高46.35%的潮汐能利用率.

2)潮汐能直接驱动反渗透海水淡化系统，省去两次能源转化过程，可提高31.22%的能源利用效率.

3)潮汐能直接驱动反渗透海水系统的总能效优势可提高41.42%.

4)潮汐能直接驱动反渗透海水淡化方法节省设备成本的同时，可降低能耗成本20.71%.

参考文献：

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