Solar distillation: a promising alternative for water provision with free energy, simple technology and a clean environment

Abstract

Solar distillation presents a promising alternative for saline water desalination that can partially support humanitys needs for fresh water with free energy, simple technology and a clean environment. The development of solar distillation systems has demonstrated their suitability for the desalination process when the weather conditions are favorable and the demand is not too large, i.e., less than 200 m3/d. The problem of low daily productivity of the solar stills triggered scientists to investigate various means of improving still productivity and thermal efficiency in order to reduce water production cost. This paper presents an overall review and technical assessment of the various and up-to-date developments in single and multi-effect solar stills. The development in still configurations, the problems encountered with units during the course of operation as well as the impact on the environment are addressed.

Keywords: Solar energy; Desalination

1. Introduction

Where the demand for fresh water exceeds the amount that fresh water sources can meet, desalination of lower quality water provides a reasonable new fresh water source. Desalination (desalting) of brackish water and seawater to provide the needed drinking water fulfills a basic social need and, in general, it does this without any serious impact on the environment. As a result, there has been a dramatic worldwide increase in the number and capacity of desalination processes and plants. A diversity of desalination technolshy; ogies are being used to separate fresh water from saline water; including multi stage flash (MSF), multiple effect (ME), vapor compression (VC), reverse osmosis (RO), ion exchange, electroshy; dialysis, phase change and solvent extraction. These technologies are expensive, however, for the production of small amount of fresh water. On the other hand, the use of conventional energy sources (hydrocarbon fuels) to drive these technologies has a negative impact on the environment.

Solar distillation, on the other hand, provides a promising alternative desalting process that can partially support humanitys needs for fresh water with free energy, simple technology and a clean environment. The development of solar distillation has demonstrated its suitability for saline water desalination when the weather conditions are favorable and the demand is not too large, i.e., less than 200 m3/d. The problem of low daily productshy; ivity of the solar stills triggered scientists to investigate various means of improving still productivity and thermal efficiency for minimum water production cost. These means include various passive and active methods for singleshy; effect stills. Several workers have also tried to condense the produced water vapor externally (in additional condensing surfaces). On the other hand, the wasted latent heat of condensation was also recovered so as to increase the production of the distillate water and improve system efficiency. This was carried out in two or more stages, generally referred to as a multi-effect solar distillation system.

This paper presents an overall review and technical assessment of the various and up-to-date developments in single- and multi-effect solar stills. The developed still configurations, the various problems encountered with the units during the course of operation as well as the impact of solar distillation technology on the environment are addressed. The developments in single-effect stills, the various problems encountered with units during the course of operation and a typical economic break-down will be presented and discussed in Section 2, while the development in the multiple-effect stills will be presented in Section 3. The characteristics of solar distillation concentrates disposal and concerns on the environment will be addressed in Section 4.

2. Developments in single effect stills

The thermal efficiency and the daily production per m2 of the single effect solar still (Fig. 1) can be increased by various passive methods such as lowering depth of water in the basin, injecting black dye in the water mass, and reducing side/ bottom heat losses. It could also be improved through active methods of integrating the still with either a solar heater or solar concentrator. The classification of these development techniques are shown in Fig. 2. These techniques are addressed and summarized below.

1. Modifications using passive methods

Different techniques and configuration modifications and developments have been introduced in literature to passively improve the single-effect stills. These techniques, configuration modifications and developments are enormous and will, therefore, be highlighted and briefly discussed:

Fig. I. Single-effect basin still.

Fig. 2. Classifications of developments for single-effect solar stills.

2.1.1. Basin stills

1. Single-slope vs double-slope basin stills: Comparison of the two configurations of basin type stills, single slope and double slope, shows that on the basis of motion of the sun, in different seasons and locations, the maximum radiation may be higher in double-slope stills and the perforshy; mance may be better. On the other hand, single slope has less convection and radiation losses, and the shaded region may be utilized for additional condensation as will be seen below. On the basis of yearly performance data for Delhi climatic conditions, Tiwari and Yadav [l] concluded that a single slope still gives better performance than a double slope for cold climatic conditions. For summer climatic conditions the double slope gives better performance.

2. Still with cover cooling: Evaporation rate can be increased if the difference in tempera

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附录A 外文翻译

太阳能蒸馏：有前景的供水替代技术，使用免费的能源，技术简单，清洁

Hassan E.S.Fath

埃及，亚历山大，亚历山大大学机械学院工程系

摘要：太阳能蒸馏为盐水淡化提供了一种替代技术，它使用免费的能源、技术简单、清洁，为人类提供所需的部分淡水。太阳能蒸馏系统的发展已经证明：当天气情况良好，并且需求不太大时，比如少于200立方米／天，它在海水淡化过程中有一定的适用性。太阳能蒸馏器的产量低这个问题迫使科学家研究许多提高蒸馏器产量和热效率，以此来降低产水的费用。本文对许多最新发展的单效和多效太阳能蒸馏器进行了整体评论和技术评估。同时，对蒸馏器构造的发展、各部件在运行过程中出现的问题、对环境的影响也进行了阐述。

关键词：太阳能；海水淡化

1. 简介

在淡水需求超出了淡水资源所能满足的量的地方，对低质量的水进行去盐处理是一种合适的淡水来源途径。对盐水或海水脱盐处理取得淡水满足了社会基本的需求。一般说来，它不会对环境造成严重的损害作用。因此，进行海水淡化的工序和工厂在数量上和能力上都有了巨大的进步。许多不同的海水淡化技术被用来从盐水中分离淡水，包括有：多级闪蒸（MSF）、多效（ME）、蒸汽压缩(VC)、反渗透（RO）、离子交换、电渗析、相变和溶剂萃取。但是，这些技术只能产生少量的淡水，因而是昂贵的。另一方面，用来驱动这些技术的传统能源也会对环境产生消极的作用。

而太阳能蒸馏为盐水淡化技术提供了一种有前途的替代处理过程，它使用免费的能源，技术简单，清洁，并能为人类提供所需的部分淡水。太阳能蒸馏系统的发展已经证明：当天气情况良好，并且需求不太大时，比如少于200立方米／天，它在海水淡化过程中有一定的适用性。太阳能蒸馏器的产量和热效率，以此来最小化产水费用。这些方法中包括被动的和主动的单效蒸馏器。一些工作者也曾试图都产生的水蒸气在外部凝结（在额外的凝结表面上）。另一方面，浪费的凝结潜热也被利用，从而增加馏出水的产量和提高效率。这种方法要通过两个或多个阶段实现，一般叫做多效太阳能蒸馏系统。

本文对许多最新发展的单效和多效太阳能蒸馏器进行了整体评论和技术评估。同时，对蒸馏器构造的发展、各部件在运行过程中出现的问题、对环境的影响也进行了阐述。单效蒸馏器的发展、各部件在运行过程中出现的问题和典型的经济性不好问题将会在第2部分得到阐述和讨论。多效蒸馏器的发展会在第3部分进行阐述。太阳能蒸馏冷凝处理特征和对环境的作用将会在第4部分得到阐述。

2.单效蒸馏器的发展

单效太阳能蒸馏器的热效率和每平方米的日产量可以通过许多被动的方法进行提高，见图1，比如：降低水在盘中的深度，在盘底涂黑色图层，减少盘壁和盘底的散热损失，它也可以通过主动的方法提高效率和日产量：把蒸馏器同一个太阳能加热器或一个太阳能集中器组合为一个整体。这些发展的技术的分类见图2。这些技术在下面会被阐述和归纳。

图1 单效盘状蒸馏器

图2单效太阳能蒸馏器分类

2.1.使用被动的办法修改

不同的技术、结构修改和发展被引入论文以便对蒸馏器进行积极的改善。这些技术、结构的修改和发展是巨大的，并且将被重视起来。下面进行简单的讨论：

2.1.1.盘状蒸馏器

1.单斜面和双斜面盘状蒸馏器：比较单斜面和双斜面盘状蒸馏器，可以看出：在太阳运动的基础上，在不同的季节和地区，双斜面的盘状太阳能蒸馏器的最大辐射热吸收量要高，并且运行的比较好。另一方面，单斜面的有较少的对流和辐射损失，而且，遮光区可进行额外的凝结。根据德里气候条件下得到的年运行数据，Tiwari和Yadav得出这样的结论：在较冷的天气条件下，单斜面得比双斜面的运行的好。在夏天较热的天气条件下，双斜面得比单斜面的运行的好。

2.带冷凝板的蒸馏器：如果盘（热源）和玻璃板（集热板）的温差变大时，蒸发率也就提高。这可以通过提高盘的温度和降低盖板的温度或两者兼有而达到。两种布置冷板的方法已经被提出，都是使用双层玻璃板。这两种被称作回流和对流，见图3。结果显示：冷却板提高了蒸发器的产量，而且使用回流时比使用对流是提高的多，这是因为部分被冷却板得到显热在回流过程中被利用。

图3 通过回流（a）和对流（b）冷却玻璃盖板

3.带处理过表面的盖板的蒸馏器：Baladori和Eldin说：用矽酸钠或氢氟酸处理玻璃盖板的内表面可以增加它的可湿性和减少允许板的最低斜度，从水平降到1.5°。从而可以增加蒸发器的产量。但是，额外的处理盖板的费用使蒸发器的初期投资增加。

4.附加冷凝器的蒸发器：Fath和Elsherbiny在单边润湿的蒸发器的遮光区域装了一个被动式冷凝器，见图4。作者指出：把蒸汽从蒸馏器赶到附加冷凝器的一个功能，蒸馏器的效率提高了45%。通过自然循环来提高蒸馏器的效率，最高可达75%，这取决于循环流动的阻力的大小。

图4 带被动冷凝器的单边润湿蒸馏器

5.带黑色图层或里面有浑浊水的蒸发器：Lawrence等人指出：（a）涂层对蒸馏器的运行有非常重要的作用，特别是对较深的水。（b）黑色涂层比紫色和红色涂层所起的作用要好。

浑浊的水使放射线不能穿透过，所以入射的太阳辐射大多在最上层被吸收掉。Onyegebu从带泥的池塘蒸发器所做的结果显示：（关于日产量）浊水和清水产生相同的馏出产物。但是对于被污染了的浊水，还没有足够的可用信息，对于被污染了的一些地区，这可能是唯一的饮用水来源。

2.1.2.幕芯式蒸馏器

事实已经证明：降低蒸馏器盐水的深度可以提高产量，这取决于更高的盘的温度。幕芯式的优点是可以保持盐水尽可能的浅（在低热容下），从而防止干涸。

1.单幕芯式蒸馏器：安装在智利法尔巴拉索的一个带塑料盖板的这种类型的蒸馏器显示：产率在3.8-4.4l/㎡/d的这种蒸馏器的运行效率达到40%-46%。Moustafa等人制造了一种改善了的幕芯型带收集器-蒸发器的蒸馏器，测试表明：产量和运行效率都有所提高。

2. 多幕芯式蒸馏器：Tiwari等人提议了一种双冷凝器的多幕芯蒸馏器。过量的蒸汽可以在其他的表面上被冷却，从而减少玻璃板的热负荷，降低玻璃板的温度，从而增加蒸发量。实验结果表明：相较于简单得多幕芯蒸馏器，产量可以增加20%。图5示出了1981年安装在印度德里的双斜面多幕芯式蒸馏器的横截面和结构布置图。它的装置容量为85l/d。

3.多幕芯与盘式蒸馏器：由于忽略了多幕芯盘式蒸馏器中水的热容，多幕芯盘式蒸馏器的产量总是高于常规的盘式蒸馏器。Tiwari和Yadav指出：多幕芯盘式蒸馏器用于中规模设备的经济性较好。对于大规模的蒸馏水供给系统，盘状蒸馏器更受好一些，因为它简单、费用低。

4. 多幕芯与盘式结合的蒸馏器：Minasian和AI-Karaghoul把传统的盘式蒸馏器（安装在阴暗处且有一个不透明盖板）和一个幕芯式太阳能蒸馏器连接起来，因此，原来被浪费了的热盐水从幕芯式供水管中直接直接流入到盘式蒸馏器中，使盘式蒸馏器盖板被冷却，结合的蒸馏器具有比两个蒸馏器分开要高的热效率，并且年蒸馏水产量比盘式的要高出85%，比幕芯式的高出43%。

图5 双斜面的多幕芯蒸馏器

上面：横截面图 下面：蒸馏器结构布置图

5.经济分析：Tiwari和Yadav给出了多幕芯太阳能蒸馏器的经济分析，综合参考了各种因素，即系统寿命、系统利用价值、利率和维修费用。这种装置的费用分析说明见表1。

表1太阳能蒸馏器装置的费用分析表

6.运行中存在的问题：Tiwari和Yadav报告了系统（4年）在运行过程中出现的各种各样的问题，它们是：

●盐水在蒸馏器的贮水池中分布不均匀。这是由蒸馏器间的连接管道直径太小引起的。从而导致空气泡的形成，阻碍了盐水流的均匀一致，而且蒸馏器的支架是倾斜的，因此，太阳能蒸馏器不能安装在同一水平上。

●镀锌的铁片出发生腐蚀、盐水中MS都能导致系统泄露。

●由于贮水池中盐水分布不均匀，蒸馏器中的纤维降解了。

●黑色聚乙烯片和蒸馏器边上的泡沫材料易被鸟类损坏，需要经常更换材料。

●由于蒸馏器底部是由镀锌的铁片做成，导致传导散热损失，从而会明显减少产量。

●由于贮水池满溢有可能使蒸馏水和盐水混合。因为（a）容器的溢出物使盐水只稍低于蒸馏水管道；（b）竖直墙太小，因此蒸馏水管道和多余水出口处有一小段缺口。

●由于使用铝做管道，使得蒸馏水的纯度下降。

●由于玻璃盖板和管道之间不合适的密封，使得蒸馏水会在玻璃板边缘较低处泄露。

●多出的水对产量有明显的影响。

●给纤维棉染色时，大量染料被浪费。

为了解决以上这些问题，一种新设计的100l/d的强纤维塑料蒸馏器已经被提出，目的在于提高装置寿命。

2.1.3扩散式蒸馏器

基本的扩散式蒸馏器和盘式蒸馏器的比较：Fath和Elsherbing提出：在埃及的气候条件下，扩散式蒸发器的日产量可以在0.5㎏／㎡之间多种多样。在相同的设计参数、运行参数和环境参数条件下，Elsayed从数量上比较了单效扩散式蒸馏器和盘式蒸馏器，并且指出：运用扩散式蒸馏器可在产量和效率两方面都提高。

2.1.4其他结构形式的蒸馏器

本文涉及的其他结构形式的蒸馏器包括：竖直多微孔蒸发蒸馏器和串级太阳能蒸馏器。

2.2.有外部加热（主动式）的蒸馏器

为了提高蒸发速率和得到更高的蒸馏物产量，盘与盖板的温差必须加大。通过外界加热可以提高盘的运行温度。较大的温度运行范围可以通过把蒸馏与下列部件整合而得到：(1)太阳能加热器；（2）太阳能集中器；（3）废热利用系统。与加热器或集中器整合的蒸馏器通常叫作主动式太阳能蒸馏系统。加热器或集中器里的循环可以通过自然环流（热管）或流动装置（泵）来得到。在浓缩器加热系统中，有可能有气泡形成和两相流，它们能影响循环，应该被列入考虑之列。

从外部集热器得到的热量可以直接供给蒸馏器来提高蒸发速率，也可以通过热交换器供给蒸馏器。由于供热温度降低和更多的热损失掉，整个系统的效率会降低。但是，这种间接的太阳能集热系统可以保护集热器不会因为盐水而被腐蚀或产生大量沉淀。其他的蒸馏器结构包括使用涂层和冷却板或者其他形式的太阳能加热器。

2.2.1连接太阳能集热器的蒸馏器

图6a画出了Rai和Tiwari提出的这种整合系统。水在一个小型泵的协助下在蒸馏器和集热器之间循环。从集热器中得到热量直接供给蒸馏器提高其蒸发速率。比起没有连接集热器的装置，这种系统的 日产量可提高24%。图6b画出了自然循环系统的构想。这种蒸馏器可被放置到足够高的地方以产生热管流所需要的足够的压力。

图6连接平板集热器的蒸馏器

（a）强迫循环 （b）自然循环

最近，Sinha等人评估了带集热器辅助的太阳能蒸馏系统作为太阳能热水系统的投资替代品。两个系统在相同的经济环境和考虑相同的容量的条件下，技术经济分析已经得出：从蒸馏系统得到的能量的费用远远低于从热水器中得到的能量的费用，并且，热水器的年运行费用高于太阳能蒸馏器的年运行费用。这是因为前者（热水器）的初期投资较高。

2.2.2连接太阳能集中器的蒸馏器

相对比于集热器，连接外部加热系统的太阳能蒸馏器的运行状况可以通过用集中器代替集热器而得到改善。由于它的表面积较小，所以它的热损失较少。除此之外，蒸馏器中盐水温度的升高也使得蒸馏器的运行状况改善。Kumar和Sinha在他们的研究中得出这样的结论：带集中器辅助的太阳能蒸馏器的产量高于其他任何形式的主动和被动的太阳能蒸馏系统。

2.2.3利用废热的太阳能蒸馏器

提高产量的方法之一是利用汽油或柴油发动机的废热，用它们来加热蒸馏器热水，从而保持较高的运行温度，特别是在没有阳光的阶段，外部热源可提高盐水的热容，一边加强蒸发。

3.多效蒸馏器的发展

3.1为什么叫多效

根据每平方米的日产量，太阳能蒸馏器装置的热效率可以通过利用凝结潜热而得到提高。这种在两个或更多个阶段对潜热进行再利用通常叫做多效蒸馏系统。但是，由于多效蒸馏器的结构更复杂而引起的额外的费用，与单效蒸馏器的产量相比，它的额外的产量要重新计算。多效太阳能蒸馏器的分类与单效的非常相像，下面只阐述多效蒸馏器发展的主要方面。

3.2双效盘式蒸馏器

3.2.1双盘蒸馏器（图7）

第二盘的水可以从玻璃盖板上流下（图7a），也可以不变（图7b）。Sodha等人指出：双盘型的比单效的蒸馏器，产量可提高出56%。

为了取得更高的日产量，盘和玻璃盖板的温差应当保持的较大。这可以通过把盘连接到外部热源（太阳能集热器、太阳能集中器、废热系统）上来达到。除此之外，可以安排水从玻璃板上流过，Tiwari通过一个平台集热器混合了玻璃板上的水流和较低盘中的水流。他得出：（a）对于上面玻璃板的水流的速率没有明显的作用（可能是由于上面玻璃板的可利用能比较少）。

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