新型高效太阳能聚光-半导体制冷膜蒸馏系统机理研究

At present, structure design of membrane module, Process flow optimization and integration methods of low grade energy system have been significant restraints to the development of membrane distillation technology. Because of the higher energy consumption caused by latent heat loss of phase change, this project aims to design a new membrane distillation coupling system including The solar-photothermal system, optoelectronic system and semiconductor refrigeration system, which is based on the new parallel type membrane module, and to develop the solar spotlighting technology used in low temperature field. This project intends to use the solar parabolic-groove spotlighting system to heating and power generation, and to lay pipe cooling on the photoelectric board for heat transfer preheating the heat side unprocessed working medium of membrane distillation system. The cold cavity of membrane distillation component uses semiconductor refrigeration which is low energy consumption. This project will analyse performance of the collector acted by the combination of multi-scale comprehensive factors such as flow characteristics, radiation characteristics, operation parameters, system structure parameters etc, to explore the intrinsic operation rules of solar collector system. Also, it will design cold cavity matched to the hot cavity of membrane module, and research the dynamic characteristics of thermoelectric pile such as thermal load of heat side of membrane, semiconductor arrangement, etc. With the bitter salt water in the west of China as working medium, this project will study the effect of bubble, aeration and rotating tangential watershed plate to heat transfer, mass transfer and membrane pollution, to obtain the optimum structure parameters. To provide a new way and a new model for the development of high efficiency and low cost solar powered membrane separation technology, this project will analyse the quantitative relationship of solar-thermal conversion of the system Energy Consumption of different levels of coupling system, and develop coupling system mechanism and optimization research.

膜组件结构设计、工艺流程优化与低品位能源系统集成方式是目前膜蒸馏技术发展的制约因素。由于其相变潜热损失造成耗能较高，本项目在新型并接式膜组件基础上，设计一种太阳能光热、光电-半导体制冷膜蒸馏耦合系统，开展太阳能聚光技术在低温领域的应用，拟采用太阳能抛物面槽式聚光供热并发电，并将光电板敷设冷却管道进行换热，为膜蒸馏的热端被处理工质预热，其膜蒸馏组件冷腔设计采用耗能低的半导体制冷。分析流动特性、辐射特性、运行参数、系统结构参数等多尺度综合因素组合作用的集热器性能，以揭示集热系统内在运行规律；设计与膜组件热腔匹配的冷腔，研究膜热端热负载、半导体布置方式等热电堆动态特性；以西部苦咸水为工质，开展鼓气、暴气和膜组件旋向分水盘对传热、传质及膜污染研究，获得优化结构参数。分析耦合系统不同层面系统能耗的光热转换定量关系，开展耦合系统机理及优化研究，为发展高效、低成本的太阳能膜分离提供新途径、新模式。

中国西部省区的地表水和浅井水等苦咸水是主要饮用水资源，海水及西北地区苦咸水淡化技术的应用，已成为解决我国沿海、西北干旱地区缺水问题重要手段。对于缺乏饮用水的地区通常太阳能资源丰富，人类居住分散，迫切需要设计一种小型高效、性能稳定、易于维护的太阳能淡化水系统，以满足西北地区饮用水的需要，以解决水资源短缺。. 项目设计制作了一套太阳能光热-光电膜蒸馏实验系统，实现了无常规能源的苦咸水淡化。系统由太阳能光热、光伏发电及热电制冷膜蒸馏组件组成，蒸馏所需的冷热端能量全部由太阳能提供。为研究太阳能光热与光伏发电与膜蒸馏系统的匹配运行，首先采集了呼和浩特地区太阳能辐射气象数据，以此为依据，开展太阳能光热-光电系统机理和实验研究。设计制作双面受热平面接收能量的同轴非完整型抛物面聚光槽、基于碟式聚光的带有反射圆锥的半球形腔式吸热器，研究不同形式的太阳能集热器光热转换机理，集热管传热过程的热效率。设计制作了光伏板背部加装冷却管且带有自动除尘的小型光伏发电系统，实验研究了光伏面板积灰量、透射率、总辐照度、安装倾角与输出功率的变化规律。设计制作了基于热电制冷的层叠式空气隙膜蒸馏组件，分析了热电制冷与膜蒸馏耦合机理及冷腔与热腔匹配可行性，理论研究了特定工况下制冷组件满足膜蒸馏汽化过程所需的制冷功率和制冷效率；实验研究了热电制冷冷腔的热电特性，研究单层热电制冷膜蒸馏组件的冷、热液温度、流量、电流，电压等对膜通量的影响，考察了组件运行的稳定性，采用正交实验方法获得最佳实验优化匹配方案。在提高传质膜通量方面，采用PIV和正交实验分析，以有效削弱温度极化和浓度极化为目标，在组件热腔设计了喷嘴和旋向分水盘，获得了不同结构参数的最优组合，使得膜通量有较大幅度的提升。项目最终以太阳能集热、膜蒸馏系统、半导体制冷的不同能级特性为基础，研究了集成系统藕合机理，建立藕合系统集成理论，并使得太阳能光热-光电膜蒸馏淡化水系统成功稳定运行，获得较高膜通量。. 通过研究太阳能聚光集热、光伏发电与膜蒸馏技术的耦合匹配，以改进的高效新型膜蒸馏组件为工艺模式，实现了太阳能膜蒸馏系统，针对呼和浩特地区太阳能辐射条件，在数值模拟和实验基础上研究太阳能集热系统动态数学模型，揭示了小型低温集热淡化水系统内在运行规律，建立系统不同层面能耗及能量匹配定量关系，为低品位能源膜蒸馏处理西部地区苦咸水奠定了工程应用基础。