Реферат Опреснение с помощью ядерных установок и солнечное опреснение. Опреснение с помощью ядерных установок. Опреснение с помощью ядерных установок и солнечного опреснения
 Скачать 0.52 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»  13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» Тема: Опреснение с помощью ядерных установок и солнечного опреснения
Томск – 2021 Содержание Введение 2 Опреснение с помощью ядерных установок 4 История метода 4 Метод обратного осмоса 10 Варианты метода опреснения на АЭС 12 Солнечное опреснение 15 История метода 15 Основные методы 16 Виды косвенного солнечного опреснения 18 Многофазное опреснение 20 Проблемы с тепловыми системами 23 Однофазное солнечное опреснение 25 Заключение 29 Список литературы 30 ВведениеНашу планету населяет уже более 7 миллиардов человек и еще огромное множество других живых организмов, которые нуждаются в постоянном источнике чистой пресной воды. Но запасы питьевой воды лишь убывают, а количество тех, кто в ней нуждается, наоборот, прибывает. Обеспечить всех достаточным объемом воды является одной из важнейших проблем современности. Ухудшение климата и негативное антропогенное влияние на природу лишь делает положение дел все хуже и хуже. Если лучшие умы человечества не придумают эффективные способы опреснения соленой воды, то катастрофы неизбежны. На земле находится 1,39 млрд км3 воды, но лишь малая часть из этого пригодна для питья, основная часть - это соленая вода океанов. Уже давно человечество заинтересовано в вопросе преобразовании этой воды в чистую путем очистки ее от солей и различных примесей. Это проблемой занято множество людей и стран из сферы политики и не только. Интерес к превращению соленой воды в чистую возник еще издавна, когда мореплаватели, что долго не видели сушу, думали о том, как сделать морскую воду пресной, чтобы не возить собой сотни галлонов с жидкостью, что занимали много места, да и к тому же портились. Но лишь в 60-ых года прошлого столетия проблема была официально признана в Соединенных Штатах. Одними из современных способов очистки являются опреснение с помощью ядерный установок и солнечное опреснение. История этих методик берет свое начала во второй половине 20-го столетия, и их развитие продолжается по сей день. К тому же очищенная вода является теплоносителей в большинстве видов атомных станций. И применяется в парогенераторе. Она «снимает» тепло с первого контура, но не соприкасается с водой внутри него. Этого тепла достаточно, чтобы образовался пар. Пар поступает на турбину, где заставляет вращаться лопасти (это вращение и становится электричеством в генераторе). Далее пар поступает в конденсатор, где остывает и снова поступает в парогенератор. Вода необходима в энергетике как любому живому организму воздух, и не использовать опреснительные установки просто невозможно. Опреснение с помощью ядерных установокИстория методаИстория опреснения воды с помощью ядерных установок неразрывно связана историей всей атомной промышленности и берет свое начало вместе с первыми атомными станциями в 20-ом веке. Ведь львиная доля станций помимо множества реакторов и прочих установок практически всегда имеет свою собственную опреснительную установку с тепловым опреснительным оборудованием, а также батареи по производству питьевой воды из опресненной. Опреснение представляет собой одну из наиболее перспективных альтернатив для снабжения питьевой водой, и АЭС могли бы сыграть в этом важную роль. Мировая суммарная мощность опреснительных установок в последние десятилетия постоянно росла, и можно ожидать продолжения этой тенденции в следующем столетии. При этом растет и число стран, проявляющих интерес к использованию ядерной энергии для опреснения морской воды. Доводы, выдвигаемые в пользу применения ядерной энергии для производства электричества, вполне применимы в отношении ее потенциального использования для опреснения морской воды. В число этих доводов входят, например, экономическая конкурентоспособность в районах, испытывающих недостаток дешевой гидроэнергии или запасов ископаемого топлива, диверсификация источников энергоснабжения, сохранение ресурсов ископаемого топлива, разработка и внедрение новых технологий и защита окружающей среды, поскольку ядерная энергия позволяет избежать выбросов в атмосферу веществ — загрязнителей воздуха и парниковых газов. Международное агентство по атомной энергетике изучало возможность использования ядерной энергии для опреснения морской воды еще в 60-х и 70-х гг. Но тогда интересы были направлены в основном на ее использование для производства электричества и тепла в бытовых и промышленных целях. Однако начиная с 1989 г. вновь наблюдается интерес государств — членов Агентства к проблемам ядерного опреснения, о чем свидетельствует принятие ряда резолюций по этой теме. Опираясь на данные резолюции, все больше государств — членов МАГАТЭ и международных организаций принимают участие в совещаниях и оказывают соответствующую экспертную помощь и материальную поддержку. Помощь и поддержка более 20 государств-членов включала предоставление услуг экспертов и финансовых средств. В дополнение к этому МАГАТЭ провело ряд исследований по оценке технического и экономического потенциала ядерных реакторов для опреснения морской воды. Одно из таких исследований — "Потенциал ядерного опреснения как источника дешевой питьевой воды в Северной Африке" — было завершено в 1996 г. и выпущено в виде технического документа (IAEA TECDOC-917). В нем проведен анализ потребностей в электричестве и питьевой воде в сопоставлении с наличием энергетических и водных ресурсов в пяти странах: Алжире, Египте, Ливийской Арабской Джамахирии, Марокко и Тунисе. Исследование охватывает выбор наиболее подходящих площадок, анализ различных комбинаций источников энергии и опреснительных процессов применительно к каждой площадке, экономические факторы, финансовые аспекты, использование местных возможностей, требования к инфраструктуре, а также административные и экологические аспекты. В других исследованиях того же рода, описанных в публикации МАГАТЭ (TECDOC-666), рассматриваются затраты на различные типы проектов. Эти оценки показали, что ядерное опреснение морской воды могло бы быть технически и экономически осуществимо. Последние мероприятия МАГАТЭ в этой области нацелены на оказание помощи странам в оценке экономической целесообразности использования ядерных установок для опреснения. Разработаны методики, позволяющие давать экономическую оценку применительно к определенной площадке. Страны могут воспользоваться компьютерной программой для таких анализов, и уже подготовлен ряд специалистов по ее применению. Предусматривается разработка более детальной компьютерной программы для распределения расходов на установки двойного назначения и определения их оптимального соединения. В 1995 г. в МАГАТЭ было созвано совещание консультативной группы экспертов для обзора мирового опыта соединения АЭС и систем теплоснабжения, например теплоцентралей, с процессами опреснения. В 12 странах накоплено около 500 реакторо-лет опыта эксплуатации ядерных установок двойного назначения и чисто тепловых реакторов. Ядерная энергия применяется для опреснения морской воды в Японии и Казахстане. Если в Японии опреснительные установки в основном используются для водоснабжения на месте, то опреснительный комплекс Актау в Казахстане снабжает водой близлежащий город. Хотя большинство промышленно развитых стран для удовлетворения своих потребностей отдают предпочтение крупным АЭС, в ряде государств-членов наблюдается рост интереса к реакторам меньшей мощности (SMR). Такие установки более пригодны для менее крупных и менее мощных электросетей и лучше могли бы соответствовать темпам прогнозируемого роста спроса на энергию. Большинство стран, испытывающих нехватку питьевой воды, располагают электросетями, для которых в целях производства электроэнергии и опреснения морской воды целесообразно выбирать реакторы меньшей мощности. В обзоре реакторов меньшей мощности МАГАТЭ, опубликованном в техническом документе TECDOC-881, приводятся данные о разработке многих различных типов реакторов SMR. Эти реакторы предлагаются для продажи в качестве возможных вариантов в целях соединения с процессами опреснения. В соответствии с резолюциями Генеральной конференции МАГАТЭ Агентство далее сосредоточило усилия на определении вариантов ядерного опреснения и демонстрации опреснительной технологии. Цель демонстрационной программы — создать уверенность в том, что при надлежащем проектировании, строительстве, эксплуатации и содержании соответствующих установок ядерное опреснение может быть технически и экономически осуществимо с соблюдением установленных критериев безопасности и надежности. Для ее достижения была начата двухгодичная Программа определения вариантов (ПОВ) с участием представителей заинтересованных государств членов. Задачей ПОВ является отбор из широкого спектра возможных систем нескольких наиболее практически пригодных для демонстрации вариантов опреснительных технологий и типов реакторов. Выбор варианта для демонстрации базируется на реакторных и опреснительных технологиях, которые сами по себе легко доступны и не требуют дальнейшего совершенствования во время демонстрации. В процессе определения практических вариантов для демонстрации был проанализирован перечень существующих реакторов и выявлен ряд наиболее приемлемых из них. В качестве фильтра при отборе применялась система критериев, определенных на основе конструкции и лицензионного статуса установок. С их помощью были идентифицированы реакторные технологии, которые либо уже внедрены, либо могли бы быть реализованы за период примерно в десять следующих лет. Затем были введены дополнительные факторы отбора и в результате отсеяны несколько вариантов технологий. Среди них — различные проекты реакторов, которые не предлагаются для коммерческой реализации; реакторы с жидкометаллическим охлаждением и высокотемпературные установки с газовым охлаждением, которые, скорее всего, в ближайшее время не достигнут уровня коммерческой реализации; крупные реакторы, вряд ли пригодные для включения в электросети большинства стран, испытывающих нехватку воды; реакторы малой мощности, которые кажутся экономически менее конкурентоспособными в настоящее время (хотя они могут оказаться пригодными в местах, где спрос на воду невелик и где альтернативные системы производства питьевой воды так же дорогостоящи); и реакторы на кипящей воде, для которых, вероятно, требуется установка дополнительных систем в целях предотвращения попадания радиоактивности в системы теплосъема. Были рассмотрены также опреснительные технологии, пригодные для соединения с ядерным реактором. Наиболее перспективными методами опреснения — благодаря относительно низким энергопотреблению и инвестиционным затратам, а также высокой степени надежности — представляются обратный осмос (OO) и многоцелевая дистилляция (МИ Д) Первоначально в качестве возможного варианта рассматривался процесс многоступенчатого сброса (МСС). Однако, поскольку при реализации процесса МЦД потребляется меньше энергии, оборудование менее подвержено коррозии и образованию окалины, и он обладает большей гибкостью в отношении частичной загрузки по сравнению с МСС, последний был исключен из списка возможных вариантов из-за отсутствия у него каких-либо изначально присущих ему преимуществ по сравнению с МЦД. Нет необходимости демонстрировать опреснительные процессы на уровне крупномасштабного коммерческого производства. Два или три состава сцепленных установок или несколько отдельных агрегатов могли бы обеспечить демонстрацию проектных и эксплуатационных характеристик, дающих полное представление о крупных производственных комплексах, которые отличаются лишь количественно, имея больше составов или отдельных агрегатов, задействованных параллельно. В ходе отбора при определении сочетания ядерного реактора и опреснительного процесса с целью получения интегрированной установки учитывалась их совместимость, а также рассматривались такие факторы, как время, требуемое для строительства, наличие инфраструктуры и потребности в инвестициях, играющие важную роль при выборе практически осуществимых демонстрационных вариантов. В результате отбора для практической демонстрации ядерного опреснения были рекомендованы три варианта. Во всех этих вариантах используются хорошо зарекомендовавшие себя реакторы с водяным охлаждением и опреснительные технологии.  Рис. 1 Схема атомной электростанции Метод обратного осмосаБольшинство опреснительных установок, что работают при ядерных реакторах делают воду пригодной, благодаря методу обратного осмоса. Обратный осмос относится к наиболее перспективным и широко применяемым методам очистки и подготовки воды. Установка обратного осмоса способна удалять из воды частицы с размерами 0,001-0,0001 мкм. В этот диапазон попадают соли жёсткости, сульфаты, нитраты, ионы натрия, малые молекулы, красители. Для более эффективной работы рекомендуется применение предварительных ступеней очистки (механическая очистка и микро-, ультра- или нанофильтрация), удаляющих более крупные частицы. Для получения пресной воды из морской требуется давление, превышающее создаваемое морской водой осмотическое давление. Эта величина достаточно высока — существующие установки развивают давление в 10—12 атм. В системах очистки воды обычно используются синтетические полупроницаемые мембраны. Мембрана задерживает высокомолекулярные загрязнители, но пропускает низкомолекулярные вещества, например, такие газы, как кислород, хлор, углекислый газ и пр. Некоторые газы могут определять вкус воды. Очищенная вода может иметь слабокислую реакцию (pH<7) из-за наличия растворённого углекислого газа. Свойство практически полностью очищать воду от всех её важных микроэлементов (если они в ней были до опреснения). Поэтому добавление необходимых солей в опреснённую воду — следующий шаг в производстве качественной питьевой воды. Вода же для технических нужд, например, для полива и мойки, может быть сразу получена на более простых и дешевых мембранах удалением лишь 95 % солей. В отличие от перегонки, в процессе обратного осмоса вода практически не нагревается, энергия тратится только на работу насоса, который не только перекачивает воду (малая доля энергозатрат), но и преодолевает высокое осмотическое давление (основные энергозатраты). Промышленная установка обратноосмотического опреснения включает обычно следующее оборудование: фильтр тонкой очистки воды, система реагентной подготовки, насос высокого давления, блок фильтрующих модулей, датчики и приборы управления. Основной элемент установки обратного осмоса — полупроницаемая обратноосмотическая мембрана, помещённая в корпус. В неё поступает исходная вода, а отводится два потока — очищенная и обессоленная, которая называется пермеатом, и вода с концентрированными примесями, называемая концентратом, которая сливается. Продавливание воды через мембрану ведётся при высоком давлении, которое создает насос, обычно центробежный многоступенчатый или роторный. Для замедления образования нежелательных отложений на мембранах применяется дозирование ингибитора осадкообразования. Для снятия осадков с поверхности мембран используется система химпромывки. Для контроля качества очистки и pH — проточные измерители солесодержания и рН-метры. Для контроля расхода пермеата и концентрата — проточные расходомеры. Управление системой обратного осмоса можно осуществлять в полуавтоматическом и автоматическом режиме. Проверить качество работы обратноосмотической мембраны можно TDS-метром. Примером бытовой очистки воды мембраной обратного осмоса может служить фильтр, имеющий 3 картриджа — грубой (механической) очистки, мембрану обратного осмоса, фильтр угольный. Такие фильтры получили широкое применение в Америке, Европе и Азии. Интересны также последние модели компактных фильтров обратного осмоса, имеющих ряд нововведений, а именно, автоматический клапан отключения воды при обнаружении утечек, насос, сменные фильтры с быстроразъёмными фитингами.  Рис. 2 Схема метода обратного осмоса Варианты метода опреснения на АЭСВариант первый: опреснение методом обратного осмоса в комбинации с ядерным реактором, находящимся в процессе строительства или на продвинутой стадии проектирования, когда его строительство ожидается в скором времени. Предпочтителен реактор среднего диапазона мощности. Для демонстрации потребовались бы два или три состава 0 0 мощностью по 10 тыс. куб. м в день для каждого из них. Реактор новой постройки лучше обеспечил бы полную интеграцию систем ОО и реактора, включая нагрев поступающей воды и оптимизацию конструкции системы. Такая демонстрация могла бы быть легко экстраполирована на возможности более крупных коммерческих производственных установок. Вариант второй: опреснение методом осмоса, как и в первом варианте, в комбинации с действующим реактором. Могут потребоваться некоторые незначительные изменения конструкции на периферии используемой ядерной системы. Преимущества такого варианта включают короткий период реализации, широкий выбор мощностей реактора и наличие ядерной инфраструктуры. Предпочтение отдается реактору среднего диапазона мощности, поскольку это позволяет обеспечить создание системы, которая представляется наиболее подходящей для использования в коммерческих производственных установках. Вариант третий: опреснение методом МЦД в комбинации с реактором малой мощности. Этот вариант мог бы использоваться для демонстрации установки ядерного опреснения мощностью до 80 тыс. куб. м ежедневно. Вариант четвертый: использование ториевых реактор для получение водорода в промышленных масштабах для опреснения воды. В настоящее время основой атомной энергетики является уран-238. Торий, запасов которого больше, чем урана, в качестве сырья для производства ядерного топлива не применяется, хотя у него есть ряд преимуществ перед ураном, например, долгий срок службы, отсутствие необходимости в заводах по изотопному обогащению, возможность создания небольших реакторах установок. Кроме того, ториевые реакторные установки можно будет использовать в тех районах, где нет больших водоемов и рек, наличие которых является обязательным условием для строительства классического реактора. Например, их можно будет применять в засушливых местностях, а также на севере - в отдаленных районах Сибири и в Арктике. Солнечное опреснение История метода Солнечное опреснение является еще одним современным и перспективным вариантом опреснения воды. Методы солнечной дистилляции использовались человечеством на протяжении тысячелетий. От первых греческих моряков до персидских алхимиков эта базовая технология использовалась для производства пресноводных и лечебных дистиллятов. Солнечные установки были фактически первым методом, широко используемым для обработки загрязненной воды и преобразования ее в питьевую форму. В 1870 году Норману Уиллеру и Уолтону Эвансу был выдан первый патент США на устройство для солнечной дистилляции. Два года спустя в Лас-Салинасе, Чили, Чарльз Уилсон, шведский инженер, начал строительство дистилляционной установки, работающей на солнечной энергии, для снабжения пресной водой рабочих на селитре и серебряном руднике. Он работал непрерывно в течение 40 лет и производил в среднем 22,7 м 3 дистиллированной воды в день, используя сточные воды от горных работ в качестве питательной воды. Солнечное опреснение морской воды и солоноватых грунтовых вод в современных Соединенных Штатах восходит к началу 1950-х годов, когда Конгресс принял Закон о конверсии соленой воды, который привел к созданию Управления соленой воды (OSW) в 1955 году. Основная функция OSW заключалась в управлять средствами на исследования и разработки проектов по опреснению воды. Одна из пяти построенных демонстрационных установок была расположена в Дейтона-Бич, Флорида, и была посвящена исследованию методов солнечной дистилляции. Многие из проектов были направлены на решение проблем нехватки воды в отдаленных пустынных и прибрежных районах. В 1960-х и 1970-х годах на греческих островах было построено несколько современных солнечных установок с производительностью от 2000 до 8500 м3 / сутки. В 1984 году в Абу-Даби был построен завод MED с производительностью 120 м3 / сутки, который работает до сих пор. В Италии Габриэле Диаманти разработал проект с открытым исходным кодом под названием «Eliodomestico» для личного использования по цене 50 долларов на строительные материалы. Из примерно 22 миллионов м3 пресной воды, производимой в день с помощью процессов опреснения во всем мире, менее 1% производится с использованием солнечной энергии. Преобладающие методы опреснения, MSF и RO, энергоемки и в значительной степени зависят от ископаемого топлива. Из-за недорогих методов доставки пресной воды и обилия дешевых энергоресурсов солнечная дистилляция до сих пор рассматривалась как дорогостоящая и непрактичная. Подсчитано, что опреснительные установки, работающие на обычном топливе, потребляют эквивалент 203 миллионов тонн топлива в год. По мере приближения (или прохождения) пика добычи нефти цены на ископаемое топливо будут продолжать расти по мере того, как эти ресурсы сокращаются; в результате солнечная энергия станет более привлекательной альтернативой для удовлетворения мировых потребностей в опреснении воды Основные методыВ прямом методе солнечный коллектор соединяется с дистилляционным механизмом, и процесс выполняется в одном простом цикле. Солнечные установки этого типа описаны в руководствах по выживанию, входят в комплекты для выживания на море и используются на многих небольших опреснительных и дистилляционных установках. Производство воды прямым методом солнечной дистилляции пропорционально площади солнечной поверхности и углу падения и имеет среднее расчетное значение 3–4 литра на квадратный метр (0,074–0,098 галлона США / кв. Фут). Из-за этой пропорциональности и относительно высокой стоимости собственности и материалов для строительства прямой метод дистилляции имеет тенденцию отдавать предпочтение установкам с производственной мощностью менее 200 м3 / день (53 000 галлонов США / день). Непрямое солнечное опреснение использует две отдельные системы; солнечная система сбора, состоящая из фотоэлектрических и / или тепловых коллекторов на основе жидкости, и отдельная обычная опреснительная установка. Производство косвенным методом зависит от эффективности предприятия, и стоимость единицы произведенной продукции обычно снижается за счет увеличения масштаба. Теоретически проанализировано, экспериментально испытано и в некоторых случаях установлено множество различных устройств установки. Они включают, но не ограничиваются ими, многократное увлажнение (MEH), многоступенчатую мгновенную дистилляцию (MSF), многоступенчатую дистилляцию (MED), многократное кипячение (MEB), увлажнение-осушение (HDH), обратный осмос (RO), и перегонка с замораживанием. Системы косвенного солнечного опреснения с использованием фотоэлектрических (PV) панелей и обратного осмоса (RO) коммерчески доступны и используются с 2009 года. Производительность к 2013 году составит до 1600 литров (420 галлонов США) в час на систему и 200 литров (53 доллара США). галлонов) в день на квадратный метр фотоэлектрической панели. Планируются системы муниципального масштаба. Атолл Утирик в Тихом океане снабжается пресной водой с 2010 года. В теплицах с морской водой используется косвенное солнечное опреснение путем увлажнения или осушения.  Рис. 3 Устройство солнечного опреснения Виды косвенного солнечного опресненияБольшие солнечные опреснительные установки обычно управляются косвенными методами. Процессы косвенного солнечного опреснения для извлечения воды подразделяются на однофазные процессы (на основе мембран) и процессы с фазовым переходом (на основе немембранных). В однофазном опреснении используются фотоэлектрические элементы из солнечной опреснительной установки для выработки электроэнергии, приводящей в действие насосы. Фазовое (или многофазное) солнечное опреснение представляет собой немембранную систему непрямого опреснения. Процессы однофазного опреснения включают обратный осмос и мембранную дистилляцию , когда для протекания воды требуются мембраны. Обратный осмос (RO) составляет около 52% всех методов непрямого солнечного опреснения. Насосы проталкивают соленую воду через модули обратного осмоса, выбранные в зависимости от концентрации соленой воды, под высоким давлением. Системы обратного осмоса работают в зависимости от перепада давления. Чем выше рабочее давление, тем больше энергии требуется для перекачивания воды. Для фильтрации морской воды требуется давление 55-65 бар. Для работы крупномасштабной установки обратного осмоса обычно требуется в среднем 5 кВтч / м3 энергии. Мембранная дистилляция (MD) использует разницу давлений с двух сторон микропористой гидрофобной мембраны. Пресная вода может быть извлечена четырьмя методами MD: прямым контактом (DCMD), воздушным зазором (AGMD), продувочным газом (SGMD) и вакуумом (VMD). Ориентировочная стоимость воды в размере 15 долларов США / м3 и 18 долларов США / м3 генерируется для средних солнечных электростанций. Энергопотребление методами MD составляет 200-300 кВтч / м3. В настоящее время изучаются экспериментальные методы использования солнечного теплового сбора для обеспечения этой механической энергии. Фазовое (или многофазное) солнечное опреснение представляет собой тепловую немембранную систему косвенного опреснения. Это включает в себя многоступенчатое мгновенное испарение, многоступенчатую дистилляцию (MED) и термическое сжатие пара (VC). Это достигается за счет использования материалов с фазовым переходом (PCM) для максимального накопления скрытой теплоты и высоких температур. Диапазон температур фазового перехода MSF составляет 80–120 ° C, 40–100 ° C для VC и 50–90 ° C для метода MED. Метод многоступенчатой вспышки (MSF) является вторым по величине фактором опреснения после RO. Для процессов MSF требуется, чтобы морская вода проходила через серию вакуумированных реакторов, в которых последовательно понижалось давление. К морской воде добавляется дополнительное тепло для улавливания скрытой теплоты пара. Когда морская вода протекает через разные реакторы, собирается пар, который затем конденсируется для получения пресной воды. При многоэтапной дистилляции (MED) морская вода проходит через последовательно последовательно расположенные сосуды низкого давления и повторно использует скрытую теплоту для испарения морской воды для конденсации. Опреснение MED требует меньшего энергопотребления по сравнению с MSF из-за более высокой эффективности термодинамической скорости переноса  Рис. 4 Доля используемых методов Многофазное опреснениеПрямые методы многофазного солнечного опреснения - это те, которые используют тепловую энергию солнца, собранную для нагрева морской воды и получения испарения, необходимого для этого двухфазного разделения. Такие методы относительно просты и занимают мало места, поэтому обычно используются в небольших производственных системах. Однако у них низкая производительность из-за низкой рабочей температуры и давления, поэтому они полезны в местах, где потребность в пресной воде ниже 200 м 3 / день. Одинарный эффект солнечной энергии Это простое устройство, которое работает с использованием того же естественного процесса производства естественных осадков. Под прозрачной крышкой находится поддон, в который наливается соленая вода. Последний улавливает солнечную энергию внутри корпуса, нагревая морскую воду и испаряя ее. На внутренней поверхности наклонной прозрачной крышки образуется конденсат, а все соли, неорганические и органические компоненты и микробы остаются. Прямой метод, который до сих пор использует солнечная энергия, имеет низкую производительность, достигая значений 4-5 л / м 2 / день и эффективности 30-40%. Было изучено несколько методов улучшения этой технологии. Чаще всего используется тип бассейна, но есть и другие улучшения: КПД можно повысить до 45% за счет использования двойного ската или дополнительного конденсатора. В фитильном аппарате питательная вода медленно проходит через пористую поглощающую излучение подушку. Это требует меньшего объема воды для нагрева и легче изменить угол по направлению к солнцу, что ускоряет его использование и может быть достигнуто более высоких температур. Диффузионный дистиллятор Он состоит из двух частей: одного резервуара для хранения тепла, соединенного с солнечным коллектором, и дистилляционной установки. Нагрев осуществляется за счет тепловой диффузии между этими двумя блоками. Повышение внутренней температуры за счет использования другого внешнего источника энергии может повысить производительность. Это единственный прокомментированный активный метод, все вышеупомянутые пассивные устройства. Многофазное опреснение. Косвенные методы Многоступенчатая флэш-дистилляция (MSF) Основная статья: Многоступенчатая флэш-дистилляция Многоступенчатая мгновенная перегонка - один из распространенных традиционных методов опреснения с фазовым переходом. На его долю приходится примерно 45% мировых мощностей по опреснению воды и 93% всех тепловых методов. В Маргарите-де-Савойя , Италия, есть завод MSF производительностью 50–60 м3/день с солнечным прудом с градиентом солености, обеспечивающим его тепловую энергию и емкость. В Эль-Пасо, штат Техас, действует аналогичный проект, производящий 19 м3/сутки. В Кувейте был построен объект MSF с использованием коллекторов с параболическими желобами для обеспечения необходимой солнечной тепловой энергии для производства 100 м3 пресной воды в день. А в Северном Китае существует экспериментальная, автоматическая, беспилотная операция, в которой используются 80 м 2 вакуумных трубчатых солнечных коллекторов в сочетании с ветряной турбиной мощностью 1 кВт (для приведения в действие нескольких небольших насосов) для производства 0,8 м 3 / день. Производственные данные показывают, что солнечная дистилляция MSF имеет производительность 6-60 л /м 2/ день по сравнению со стандартной производительностью 3-4 л /м 2/ день солнечной установки. MSF испытывает очень низкую эффективность во время запуска или периодов низкого потребления энергии. Для достижения максимальной эффективности MSF требует тщательно контролируемых перепадов давления на каждой ступени и постоянного энергопотребления. В результате солнечные установки требуют некоторой формы хранения тепловой энергии, чтобы справиться с помехами облаков, изменяющимся солнечным режимом, работой в ночное время и сезонными изменениями температуры окружающего воздуха. По мере увеличения емкости аккумуляторов тепловой энергии может быть достигнут более непрерывный процесс, а производительность приблизится к максимальной эффективности. Замораживание Несмотря на то, что он использовался только в демонстрационных проектах, этот косвенный метод, основанный на кристаллизации соленой воды, имеет преимущество, заключающееся в низком потреблении энергии. Поскольку скрытая теплота плавления воды составляет 6,01 кДж / моль, а скрытая теплота парообразования при 100 ° C составляет 40,66 кДж / моль, это должно быть дешевле с точки зрения затрат на энергию. Кроме того, снижается риск коррозии. Однако имеется недостаток, связанный с трудностями механического перемещения смесей льда и жидкости. Он еще не поступил в продажу из-за стоимости и трудностей с холодильными системами. Наиболее изученным способом использования этого процесса является холодильная заморозка. Холодильный цикл используется для охлаждения водяного потока с образованием льда, после чего кристаллы отделяются и плавятся для получения пресной воды. Есть несколько недавних примеров этого процесса с использованием солнечной энергии: установка, построенная в Саудовской Аравии компаниями Chicago Bridge и Iron Inc. в конце 1980-х годов, которая была остановлена из-за своей неэффективности. Тем не менее, недавнее исследование засоленных грунтовых вод показало, что завод, способный производить 1 миллион галлонов в день, будет производить воду по цене 1,30 доллара за 1000 галлонов. Если это правда, это будет устройство, конкурентоспособное по стоимости с устройствами обратного осмоса. Проблемы с тепловыми системамиЛюбой проект по тепловому солнечному опреснению сталкивается с двумя проблемами, присущими проектированию. Во-первых, эффективность системы определяется предпочтительно высокими скоростями тепло- и массообмена при испарении и конденсации. Поверхности должны быть правильно спроектированы в соответствии с противоречивыми целями эффективности теплопередачи, экономичности и надежности. Во-вторых, тепло конденсации ценно, потому что требуется большое количество солнечной энергии для испарения воды и генерации насыщенного паром горячего воздуха. Эта энергия по определению передается на поверхность конденсатора во время конденсации. В большинстве видов солнечных перегонных станций это тепло конденсации выбрасывается из системы в качестве отработанного тепла. Задача, которая все еще существует в этой области сегодня, заключается в достижении оптимальной разницы температур между паром, генерируемым солнечными батареями, и конденсатором, охлаждаемым морской водой, максимальном повторном использовании энергии конденсации и минимизации инвестиций в активы. Решения для тепловых систем В эффективных системах опреснения используется рекуперация тепла, позволяющая за счет того же количества подводимого тепла обеспечивать в несколько раз больше воды, чем при простом процессе испарения, таком как солнечные колонны. Одним из решений барьера, создаваемого высоким уровнем солнечной энергии, необходимой для солнечного опреснения, является снижение давления внутри резервуара. Это может быть выполнено с помощью вакуумного насоса и значительно снижает температуру тепловой энергии, необходимой для опреснения. Например, вода под давлением 0,1 атмосферы закипает при 50 ° C (122 ° F), а не при 100 ° C (212 ° F). Солнечное увлажнение – осушение Основная статья: Солнечное увлажнение Процесс солнечного увлажнения-осушения (HDH) (также называемый многоэтапным процессом увлажнения-осушения, солнечным многоступенчатым конденсационным испарительным циклом (SMCEC) или многоэтапным увлажнением (MEH)) - это метод, который имитирует естественный водный цикл на более короткой за счет испарения и конденсации воды для отделения ее от других веществ. Движущей силой в этом процессе является тепловая солнечная энергия для производства водяного пара, который затем конденсируется в отдельной камере. В сложных системах сброс тепла сводится к минимуму за счет сбора тепла от конденсирующегося водяного пара и предварительного нагрева входящего источника воды. Эта система эффективна для малых и средних систем опреснения в удаленных местах из-за относительной дешевизны солнечных тепловых коллекторов. Однофазное солнечное опреснениеПри непрямом или однофазном опреснении с использованием солнечной энергии объединяются две различные технологические системы: система сбора солнечной энергии (например, с использованием фотоэлектрических панелей) и проверенная система опреснения, такая как обратный осмос (RO). Основные однофазные процессы или мембранные процессы состоят из обратного осмоса (RO) и электродиализа (ED). Однофазное солнечное опреснение преимущественно достигается за счет использования фотоэлектрических элементов, вырабатывающих электричество для привода насосов, используемых для опреснения обратным осмосом. В настоящее время в мире насчитывается более 15 000 опреснительных заводов, из которых почти 70% используют метод обратного осмоса, что делает процессы обратного осмоса ответственными за 44% производственных мощностей по опреснению воды во всем мире. Тем не менее, изучаются альтернативные экспериментальные методы, в которых используется сбор солнечного тепла для обеспечения механической энергии для запуска процесса обратного осмоса. Обратный осмос на солнечной энергии В системах опреснения обратным осмосом давление морской воды поднимается выше естественного осмотического давления, вытесняя чистую воду через поры мембраны в сторону пресной воды. Обратный осмос (RO) является наиболее распространенным процессом опреснения с точки зрения установленной мощности из-за его более высокой энергоэффективности по сравнению с системами термического опреснения, несмотря на необходимость обширной предварительной обработки воды. Кроме того, часть потребляемой механической энергии может быть регенерирована из концентрированного солевого раствора с помощью устройства рекуперации энергии. Опреснение с помощью солнечных батарей является обычным явлением на демонстрационных установках из-за модульности и масштабируемости как фотоэлектрических (ФЭ), так и систем обратного осмоса. Подробный экономический анализ и тщательная стратегия оптимизации обратного опреснения с использованием фотоэлектрических систем были проведены с благоприятными результатами. Экономические соображения и соображения надежности являются основными проблемами при совершенствовании систем опреснения обратного осмоса с фотоэлектрическим приводом. Тем не менее, быстро падающие цены на фотоэлектрические панели делают опреснение с помощью солнечной энергии еще более осуществимым. Этот тип систем (PV-RO) преобразует солнечное излучение в электричество постоянного тока (DC), которое питает установку RO. Хотя прерывистый характер солнечного света, и его переменная интенсивность в течение дня затрудняют прогнозирование эффективности фотоэлектрических систем и затрудняют опреснение в ночное время, существует несколько решений. Например, батареи, которые обеспечивают энергию, необходимую для опреснения в часы без солнечного света, могут использоваться для хранения солнечной энергии в дневное время. Помимо использования обычных батарей, существуют альтернативные методы хранения солнечной энергии. Например, системы хранения тепловой энергии решают эту проблему хранения и обеспечивают постоянную производительность даже в часы без солнечного света и в пасмурные дни, повышая общую эффективность. Тем не менее, можно указать на некоторые плюсы и минусы использования батарей в системе PV-RO. С одной стороны, как упоминалось выше, использование батарей - это решение, которое нацелено на равномерность работы системы, поддерживая желаемую уставку при изменении солнечного света в течение дня в качестве буфера. Исследования показывают, что периодические операции могут увеличить биообрастание. Все-таки использование батареек имеет некоторые недостатки, как цена. Батареи дороги, и они увеличивают объем инвестиций и обслуживания PV-RO установки из-за периодического обслуживания, необходимого для батарей. Кроме того, когда электрическая энергия от фотоэлектрической панели преобразуется в химическую энергию в батарее и направляется в насосы системы обратного осмоса, энергия теряется. Следовательно, использование батарей может снизить эффективность установки. Заявленная средняя стоимость опреснения морской воды с помощью обратного осмоса составляет 0,56 долларов США / м 3, а при использовании возобновляемых источников энергии эта стоимость может возрасти до 16 долларов США / м 3. Хотя затраты на использование возобновляемых источников энергии выше, перспективы их использования в опреснительных системах возрастают из-за экологических проблем и доступности ископаемого топлива в будущем. Кроме того, экономический анализ малых установок PV-RO показывает, что они могут быть решением для снабжения пресной водой удаленных районов, конкурируя с обычными методами опреснения. Электродиализ на солнечных батареях И электродиализ (ED), и обратный электродиализ (RED) основаны на принципе селективного переноса ионов через ионообменные мембраны (IEM) из-за влияния разницы концентраций (RED) или электрического потенциала (ED). В электродиализе (ЭД) к электродам прикладывается электрическая сила; катионы движутся к катоду, а анионы - к аноду. Обменные мембраны допускают прохождение только своего проницаемого типа (катион или анион), поэтому при таком расположении разбавленные и концентрированные солевые растворы помещаются в пространство между мембранами (каналами). Конфигурация этой трубы может быть либо горизонтальной, либо вертикальной, и питающая вода проходит параллельно через все ячейки, обеспечивая непрерывный поток пермеата и рассола. Хотя это хорошо известный процесс, электродиализ коммерчески не подходит для опреснения морской воды, его можно использовать только для солоноватой воды (TDS <1000 ppm), и из-за сложности моделирования явлений переноса ионов в каналах выполнение процесса может быть влияет на неидеальное поведение обменных мембран. Базовый процесс ЭД можно изменить и превратить в КРАСНЫЙ, который работает почти так же, как ЭД, за исключением того факта, что полярность электродов периодически меняется, меняя направление потока через мембраны. Из-за этого осаждение коллоидных веществ очень затруднено, что делает этот процесс самоочищающимся, почти исключающим необходимость химической предварительной обработки, а также делая этот тип очистки экономически привлекательным процессом для солоноватой воды. Система использования ED не нова, она использовалась с 1954 года, а RED была разработана в 70-х годах. Сегодня эти процессы используются более чем на 1100 заводах по всему миру, а также процесс PV-ED. Основные преимущества использования фотоэлектрической технологии в опреснительных установках связаны с возможностью строить небольшие установки, которые подходят для удаленных районов и без наличия ископаемого топлива. ЗаключениеОпреснение воды с помощью ядерных установок и солнечное опреснение являются одними из самых современных и эффективных способов опреснение воды. Объем непригодной или соленой воды, который опресняется с каждым годом увеличивается и в первую очередь та доля, что опресняется с помощью этих двух методов. Зачастую в ядерной энергетике применяется метод обратного осмоса, а атомная станция там играет роль источника энергии для работающего насоса, которому приходится преодолевать огромное осмотическое давление. В солнечном опреснение используется гораздо больше методов очистки воды. Многие из них имеют место быть и не уступают другим современным методам очистки воды. Проблема с нехваткой чистой воды, действительно, является одной из важнейших проблем современности, что требует эффективных и действенных решений. Возможно в будущем мы найдем еще более эффективные способы очистки воды, т.к. сфера деятельности в этом направлении быстро развивается и в ближайшее время не планирует останавливать свое развитие. Список литературыПрименение ядерной энергетики: Опреснение морской воды // www.iaea.org/ URL: https://www.iaea.org/sites/default/files/39205982629_ru.pdf Томские учёные разработали метод опреснения воды в промышленном объёме // www.atomic-energy.ru/ URL: www.atomic-energy.ru/news/2018/02/02/82968 Солнечное опреснение // teployug.ru/ URL: www.teployug.ru/vodosnabzhenie-chastnogo-doma/solnechnoe-opresnenie.html Гибридные технологии Росатома как экспортный потенциал отрасли // www.ng.ru URL: www.ng.ru/energy/2017-02-14/15_6928_atom.html Использование атомной энергетики для решения проблем дефицита пресной воды // smutc.ru/ URL: www.smutc.ru/rosatom/dvakontura23.html Ядерное опреснение // geoenergetics.ru/ URL: www.geoenergetics.ru/2017/02/20/yadernoe-opresnenie Опреснение воды обратным осмосом: интересная технология // vagner-ural.ru/ URL: vagner-ural.ru/o_kompanii/stati-po-vodoochistke/opresnenie-vody-obratnym-osmosom/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||