淡水资源短缺是全世界面临的一个重大问题。随着世界人口的激增和人均收入的提高，世界淡水资源的短缺问题逐渐凸显。若不采取节水措施，2050 年全球对淡水的需求将增长两倍，淡水供应将面临巨大压力。为了缓解淡水危机，一些发达国家投入大量的精力对海水淡化进行研究，海水淡化已经逐渐成了当今世界竞相研究的高新技术，美、法、日、以色列等国已形成海水淡化产业。我国的在蒸馏淡化、反渗透两大技术领域，已经具有丰富的经验。但是，由于人们对海水淡化技术的掌握还不全面，国家投资少，所以无法很快发展这项技术。

                  在海水淡化过程中，除设备耗材外，能源消耗是直接决定成本的关键。本文为了解决能耗问题，设计了一套风光互补发电系统向海水淡化系统提供电能，利用风能和太阳能资源的互补性，可以提供比较稳定的输出，使得系统有较高的稳定性和可靠性。

                     1. 系统设计及选型

                     1.1 当地自然条件

                     瓜 皮 岛（38.28 ° S，122.58 ° E） 属 于 辽 宁 省 大 连市长海县管辖，在长海县广鹿岛东 12.7km 海域。国家能源局相关数据显示，我国辽东半岛及附近岛屿风能密度可达 200W/m2， 其 中 大 于 等 于 3m/s 和 6m/s 的 风 速 全 年累 计 时 数 分 别 为 5000h~7000h 和 3000h； 当 地 的 太 阳能资源也属于我国较丰富带，年辐射总量可达 3780MJ/m2~5040MJ/m2，年平均辐照度达 120W/m2~160W/m2。

                    1.2 风光互补发电系统的结构设计

                    风光互补发电系统包括风力发电机组、光伏组件、整流器、风光互补控制器、逆变器、负载等部分构成。风力发电机利用叶轮吸收风能，将风能转换为机械能，再通过风力发电机将机械能转换成为电能；光伏阵列主要利用光伏效应，将太阳光辐射的光能转换为电能；将光伏阵列发出的直流电逆变成交流电，与风力发电机发出的交流电进行汇流，实现并网。在系统正常运行时，可将多余的电能输送给电网，解决当地电能紧张的问题，在连续阴雨天气导致风光互补发电系统无法正常运行时，可以从电网调取电能，保证系统的正常运行。系统设备组成如图 1 所示。

                     1.3 风光互补系统设备配置参数

                     根据用户的用电量需求，对系统进行合理配置。在系统正常运行下，风光互补发电系统发出的电为海水淡化系统提供必要的电能，多余的电量并入电网，当连续恶劣天气导致风光互补系统无法正常工作时，则海水淡化系统通过岛上的电网提供工作所需的电网。

                      1.3.1 风力发电机组的设计

                     风机型号 FD10.0-20kW，主要参数如表 1 所示。启动风速为 3m/s，可以在低风速下实现额定功率输出；风轮具有较高气动效率和强风失速保护特性；风机尾舵采用了预偏设计，可自动精确地对准迎风方向。

                     1.3.2 光伏电池组的设计

                       计划建设容量为 60kW 光伏电场，采用四川熙阳能源科技有限公司生产的 90kW 单晶硅电池，其主要参数如表 2 所示。

                       1.3.3 逆变器的选型

                        采 用 P0L60KW-PVI 工 业 用 并 网 逆 变 器， 三 相 380V电压并网，效率发电高，运行可靠，智能运维。该机型具备过载、过压、过流、过热保护等功能。主要参数如表 3 所示。

                         1.4 海水淡化系统的结构设计

                         海水淡化即海水脱盐生产淡水，是通过物理、化学或物理化学方法从海水中取得淡水的过程。海水淡化一般有两种途径：一种是从海水中提取盐，另外一种是从海水中提取水。反渗透的原理是利用水分子和其他分子大小不同，用半透膜将淡水和海水分离，水分子将从淡水一侧通过半透膜向海水一侧扩散，使得海水一侧的液面压力平衡。向海水一侧施加压力，海水中的水分子通过半透膜逆转向淡水的一侧反渗透，盐等物质被膜阻隔在海水中，得到淡水。本系统的控制电路是通过将海水处理的结果进行反馈从而达到控制电泵的运行。本系统对海水的淡化是分级进行淡化，首先海水提水泵从海中提水，通过海水供水泵为海水淡化系统供水，高压泵电机为反渗透膜加压淡化海水，最后通过淡水输送泵把淡化完的海水运送给当地居民。完成这些步骤后，通过控制系统对海水淡化情况的反馈信号，从而控制海水泵的工作状态，以此形成一个闭环控制过程。

                        1.4.1 工艺流程设计

                         反渗透海水淡化装置由反渗透膜组件、缓冲器、低压泵、保安过滤器、电气控制箱、管道阀门、预过滤器、运行参数显示控制仪表及高压泵箱组成。中国每人每天用水大约160L，瓜皮岛上生活了 500 人，考虑到以后的旅游开发，所以每天至少需要净化 100m3 的水。

                       1.4.2 引水工程设计

                        引水工程包括对海水淡化设施的投资、建筑标准、在海水淡化过程中对水质的要求等。供水设施设计的重点是优化海水预处理的供水方式，如果不充分考虑这些因素，工作量会增加还会降低安全过滤器和防渗膜的输送效率。在选定取水方式时，考虑到以下因素 :取水位置的选择、去水泵的选择、系统间送水方式方法等。系统要求总进水量为 7.4m3/h，设计选用单级离心泵IND50-32-140， 最 大 流 量 为 每 小 时 12.5m3/s， 扬 程 为25m，工作电压 220V，额定功率 3kW。为了解决对反渗透膜保证反渗透进水浊度小于 1.0NTU，采用一台机械过滤器，正常出水时每小时流量 7.4m3/s，运行流速为每小时 9m。

                       1.4.3 预处理工程设计

                     对于小型海水淡化装置，在满足流入反渗透系统水质要求的前提下，采用以下两种预处理工艺：

                   （1）砂或袋式过滤处理：适用于海水受污染少、清洁的情况。

                   （2）混凝或多介质过滤处理：适用于海水为污染较重的近岸海水的情况。

                    1.4.4 反渗透工程设计

                    反渗透工程设计是根据海水水质确定反渗透膜的类型和数量，根据产水量确定膜组件的布置和反渗透装置的回收率，从而确定高压泵及反渗透相关的辅助设备。反渗透工程设计主要由高压泵和反渗透组件组成。反渗透膜的选择核心是根据不同的原水水质决定反渗透膜的水回收率。反渗透系统，一般可以做到 30%~50% 的回收率。本系统选用的是美国陶氏 SW30-4040 小型海水淡化反渗透膜，属于芳香族聚酞氨卷式膜。由于反渗透膜的最大产水量为 7.4m3/h，但在系统设计通常前几个膜元件的产水流量接近最大值，其他元件的产水量随水流方向递减。

                      由表 4 知，反渗透膜的工作压力为 5.5MPa，根据压力关系换算关系即可得出高压泵的扬程为 :

                       H=P×100=5.5×100=550m 　　　（2.1）

                       式中，H 是高压泵的扬程，单位为 m，P 是反渗透膜的工作压力，单位 MPa。

                      高压泵单位产水功率：

                              式中，P 是产水功率，单位为 kW，ρ 是水的介质密度，单位为 kg/m3，g 是重力加速度，单位为 m/s2，Q 是流量，单位为 m3/s，H 是扬程，单位为 m，η 是效率。取安全裕量，本设计中选择功率为 7.5kW 的高压泵电泵机。

                           1.4.5 后处理工程设计

                              反渗透海水淡化装置所淡化的海水应该符合国际饮用水标准。在保证淡化后的水质达标的前提下，要对系统的产水装置进行一定的调节 pH、消毒杀菌等处理。本文结合了瓜皮岛上的工程需要，过渡水箱为淡水水箱，水箱含水量达到预定值（3m3）时，即启动设备向储水池输送。反渗透海水淡化首先提取海水，降低浊度，防止细菌和微生物的繁殖，然后用高压泵对反渗透膜加压，经过反渗透膜处理后的海水盐分大幅减少，变成了淡水，经过消毒净化后即可供使用。由此可总结出反渗透海水淡化系统结构如图 3 所示。综上，海水淡化系统设备选型如下表 5 所示。

                         2. 建设成本分析

                          2.1 海水淡化系统建设成本分析

                         海水淡化系统的建设成本主要表 7 所示。

                        2.2 风电场建设成本分析

                       风电场建设成本主要包括项目前期费用、设备购置费、风机安装费用、外部接入费用和其他费用组成，其建设成本如表 8 所示。

                         2.3 光伏电场建设成本分析

                          光伏电场建设成本主要包括土建费用、安装检测费用、电气设备费用、其他费用等，其建设成本如表 9 所示。

 

                      3. 可行性分析

                      3.1 负载日耗电量

                       由表 6 知系统最大功率为：

                      P=1500+1100+7500+750+100=11kW （3.1）

                      这 里 取 其 余 量 4kW， 则 海 水 淡 化 系 统 总 功 率P=15kW，由于海岛居民日用水量 100m3，系统每小时产水量 7.4m3，则系统每天工作时数为：

                     系统日耗电量为：

                      W-PT=210kW·h （3.3）

                       式中 W 是系统耗电量，单位 kW·h，T 是系统每天工作时数，单位为 h。

                     3.2 风 - 光互补发电量计算

                     根据瓜皮岛风、光能资源相关资料知，一天当中有效风力 T1=12h，有效光照时长 T2=8h。风力机组日均发电量为：

                      式中，W1 表示风电机组的日发电量，P1 表示风力发电机组的额定功率，T1 表示机组有效工作时数，η1 机组的发电效率。

                     光伏组件日均发电量为：

                       式中，W2 表示光伏组件的日发电量，P2 表示光伏组件的额定功率，T2 表示光伏组件有效工作时数，η2 光伏组件的发电效率。

                         由以上数据可以得出，风光互补发电系统日均发电量 为（168+180）kW·h=348kW·h， 海 水 淡 化 系 统日 均 耗 电 量 为 210kW·h， 系 统 每 天 产 生（348-210）kW·h=138kW·h 用 来 并 网， 假 设 并 网 效 率 为 95%，则 日 并 网 电 量 为 138kW·h×95%=131kW·h。 根 据新能源上网电价 0.4 元 /kW·h，则日均余电上网收益为131×0.4=52.4 元，假设一年当中有 300 天风光互补发电系统可以正常工作，则年并网电量预计收入 52.4×300=15720元；65 天无法正常工作，需要通过市电为负载供能（市电价 格 为 1.0 元 /kW·h），210÷0.95×65×1.0=14368元。 该 系 统 一 年 的 收 益 为：15720-14368=1352 元。年 淡 化 的 淡 水 100×365=36500m3， 淡 水 售 价 4.5 元 /m3， 年 收 益 365×100×4.5=160200 元， 年 净 利 润160200+1352=161552 元， 需 要 1023000÷161552=6.3年回本。

                        4. 总结

                        本文根据辽宁省瓜皮岛的气象和当地居民的用水情况，设计了一套风光互补海水淡化系统，对相关的主要设备进行选型和计算，并进行可行性分析，结果表明，采用该方法可以解决传统海水淡化所需的能耗问题，可以大幅度降低建设投资成本，并且，前期的投入成本可在七年内实现回本。

海水淡化问题将会是未来全世界面临的一个重要问题，反渗透海水淡化技术也在不断地成熟，生成物的纯度也十分接近100%。但是，风光互补系统对季节的依赖性较高、产生的电能不稳定等，以及反渗透膜的寿命和抗污染能力有限，需定期更换反渗透膜；反渗透膜、高压泵等重要配件需进口，成本高等一些问题都成为制约该系统发展的主要原因，随着技术的不断进步，若上述问题能够得到有效的解决，那么该系统具有很好的发展前景。

                        原标题：风光互补海水淡化系统配置

                        原作者：王世龙 罗 京 刘志鹏 陶 磊