系統識別號 | U0002-1708201710005900 |
---|---|
DOI | 10.6846/TKU.2017.00593 |
論文名稱(中文) | 改良式太陽能驅動氣隔式薄膜蒸餾海水淡化系統之經濟評估 |
論文名稱(英文) | Economic assessment on improved solar driven air gap membrane distillation in desalination systems |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 化學工程與材料工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Chemical and Materials Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 105 |
學期 | 2 |
出版年 | 106 |
研究生(中文) | 宋振銓 |
研究生(英文) | Chen-Chuan Song |
學號 | 604400514 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2017-07-17 |
論文頁數 | 185頁 |
口試委員 |
指導教授
-
陳逸航
委員 - 錢義隆 委員 - 張煖 |
關鍵字(中) |
太陽能 薄膜蒸餾 海水淡化 成本分析 |
關鍵字(英) |
Solar energy Membrane distillation Desalination Cost analysis |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
本研究針對太陽能驅動氣隔式薄膜蒸餾海水淡化系統進行單位產水價格最適化分析,並發現位於赤道之馬來西亞為系統最佳操作區域,其最低單位產水價格為$ 2.24 /m3,而此成本與目前商業化逆滲透(RO)之單位產水價格$ 0.6~1.2 /m3相比還是非常昂貴,故針對馬來西亞最低單位產水價格進行分析,發現太陽能集熱器成本與薄膜成本約占系統總成本的70%,為降低單位產水價格至$ 1.2 /m3須改良太陽能集熱器與薄膜之效率與成本,故本研究將真空平板式太陽能集熱器(VFPSC)與拋物面槽式太陽能集熱器(PTC)取代原先的平板式太陽能集熱器(FPSC), PTFE薄膜被廣泛應用於薄膜蒸餾海水淡化系統中,相較於其他種類的薄膜(PVDF、PP…)它具有較高的通量,但是其成本較高,因此本研究為評估系統商業化能力,使用PP薄膜取代PTFE薄膜,並進行程序最適化分析,結果顯示馬來西亞的最低單位產水價格約為$ 1.04 /m3。 |
英文摘要 |
In this study, optimization of the unit water production cost (UPC) of solar driven air gap membrane distillation in desalination systems was investigated. Malaysia that located near the equator is the best operating area and the UPC is $ 2.24 /m3.The result is more expensive than UPC of reverse osmosis ($ 0.6~1.2 /m3). For the analysis shows the capital cost of the solar collector and AGMD accont for about 70% of the total annual cost. Therefore, the efficiency and cost of the solar collector and the membrane must be improved. Flat plate solar collectors (FPSC) with vacuum flat plate solar collectors (VFPSC) and parabolic trough collector (PTC) were used to replace the FPSC. PTFE membrane gives higher water permeation flux with higher capital cost compared to other types of membranes (e.g., PVDF, PP…etc.). PP membrane was employed to replace PTFE membrane.The optimal systems produces water with UPC of $ 1.04 /m3. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
目錄 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 4 1.3 研究動機 7 第二章 太陽能驅動氣隔式薄膜蒸餾海水淡化系統之設計與操作 9 2.1程序描述 9 2.1.1太陽能驅動氣隔式薄膜蒸餾海水淡化系統(AGMD) 9 2.2基本單元模式 11 2.2.1儲熱桶槽(Heat storage) 12 2.2.2熱交換器(Heat exchanger) 13 2.2.3太陽能集熱器(Solar collect) 15 2.2.4氣隔式薄膜蒸餾模組(Air gap membrane distillation) 19 2.3設計日照強度(I ̅D) 29 2.3.1年總成本計算 30 2.3.2攤提因子(Amortization factor, a) 30 2.3.3成本指數(Cost Indexes) 31 2.3.4殼管式熱交換器成本計算 31 2.3.5離心式泵成本計算 32 2.3.6薄膜成本計算 33 2.3.7太陽能集熱器成本計算 34 2.3.8系統用電成本計算 34 2.3.9系統模擬結果(Base case) 35 2.4最低單位產水價格計算流程 39 2.4.1模擬各單元尺寸(Base case) 40 2.4.2設定最適化目標與限制條件 43 2.4.3決定最適化變數 44 2.4.4最適化結果搜尋方法 48 2.4.5最適化結果 50 2.4.6動態架構與計算年總產水量 52 2.4.7計算單一設計日照強度下之最低單位產水價格 66 2.4.8計算地區之最低單位產水價格 67 2.4.9非理想系統 68 2.5結果 72 2.6結果討論 78 第三章 太陽能驅動氣隔式薄膜蒸餾海水淡化系統操作區域對產水價格之影響 80 3.1世界缺水地區 80 3.2經度對太陽能驅動氣隔式薄膜蒸餾海水淡化系統之產水價格影響 81 3.3緯度對系統之影響 86 3.4海水進料溫度影響 90 3.5結論 92 第四章 真空平板式太陽能驅動氣隔式薄膜蒸餾海水淡化系統 97 4.1 真空平板式太陽能集熱器改良 98 4.2 真空太陽能集熱器模式建立 99 4.3模式驗證 105 4.4真空平板式太陽能集熱器比較 106 4.5最低單位產水價格計算流程 107 4.5.1最適化目標與限制條件 108 4.5.2設計自由度分析 109 4.5.3穩態最適化模擬結果 115 4.5.4薄膜假設 117 4.5.5穩態最適化模擬結果(假設薄膜成本為$ 20 /m2) 118 4.5.6最低單位產水價格計算流程(動態模擬) 121 4.6結果 123 4.7結果討論 130 第五章 拋物面槽式太陽能驅動氣隔式薄膜蒸餾海水淡化系統 135 5.1 拋物面槽式太陽能集熱器改良 135 5.2 拋物面槽式太陽能集熱器模式建立 136 5.3模式驗證 143 5.4拋物面槽式太陽能集熱器比較 144 5.5最低單位產水價格計算流程 145 5.5.1最適化目標與限制條件 148 5.5.2設計自由度分析 149 5.5.3穩態最適化模擬結果 156 5.5.4動態模擬結果 158 5.6結果 159 5.7結果討論 166 第六章 結論 172 符號說明 174 參考文獻 180 附錄 185 圖目錄 圖1.1世界缺水地區[World Resources Institute][2] 2 圖1.2世界主要海水淡化方法[Humplik et al. 2016][5] 3 圖1.3最適化單位產水價格系統設計方案之主要設備成本比較 7 [Chen et al. 2014][27] 7 圖1.4世界平均日照強度分部 8 圖2.1太陽能驅動氣隔式薄膜蒸餾(AGMD)海水淡化系統流程圖 9 圖2.2太陽能驅動氣隔式薄膜蒸餾(AGMD)海水淡化系統全日操作流程圖 11 圖2.3儲熱桶槽結構示意圖 12 圖2.4熱交換器結構示意圖 14 圖2.5太陽能集熱器結構示意圖 16 圖2.6太陽能集熱器分段數變化示意圖 16 圖2.7氣隔式薄膜蒸餾模組結構示意圖 20 圖2.8氣隔式薄膜蒸餾模組分段數變化示意圖 21 圖2.9薄膜內部分子碰撞示意圖(a)薄膜內氣體分子碰撞膜壁(b)薄膜內氣體分子碰撞 25 圖2.10設計日照強度(I ̅D)之影響示意圖 29 圖2.11設計日照強度(I ̅D)之設備設計流程圖 36 圖2.12最低單位產水價格計算流程圖 39 圖2.13設計日照強度I ̅D=445 W/m2設備尺寸規格圖 41 圖2.14設計日照強度I ̅D=445 W/m2之年總成本比較圖 42 圖2.15設計日照強度I ̅D=445 W/m2之最低年總成本設計規格圖 50 圖2.16設計日照強度I ̅D=445 W/m2之年總成本比較圖 54 圖2.17沙烏地阿拉伯日照強度分布圖 55 圖2.18自動調諧法式意圖 58 圖2.19控制參數調諧圖 60 圖2.20動態模擬結果圖 62 圖2.21沙烏地阿拉伯四季每日產水圖 63 圖2.22設計日照強度I ̅D=445 W/m2下之單位產水價格示意圖 66 圖2.23沙烏地阿拉伯之最低單位產水價格示意圖 67 圖2.24非理想儲熱桶槽結構示意圖 69 圖2.25非理想系統最適化結果動態模擬圖 70 圖2.26非理想系統最適化結果圖 71 圖2.27不同設計日照強度下之各項設備尺寸規格 73 圖2.28不同設計日照強度下之各項設備成本 74 圖2.29不同設計日照強度下之各項設備尺寸影響因素 75 圖2.30不同設計日照強度下之(a)日夜間產水量(b)儲熱桶槽累積能量 78 圖3.1日照強度分部(a)沙烏地阿拉伯(b)台灣 82 圖3.2台灣與沙烏地阿拉伯之分析結果 83 (a) 年總產水量(b)最低單位產水價格 83 圖3.3台灣與沙烏地阿拉伯之最佳設備尺寸規格設計 84 圖3.4實際平均日照強度分部(a)土耳其(b)馬來西亞 86 圖3.5各地區分析結果 (a)年總產水量(b)最低單位產水價格 87 圖3.6土耳其之最佳設備尺寸規格設計 88 圖3.7馬來西亞之最佳設備尺寸規格設計 88 圖3.8世界平均海水溫度圖[42] 90 圖3.9各地區各設備最佳成本所占比例 92 圖3.10太陽能集熱器散失至環境中熱量 93 圖4.1逆滲透(RO)與薄膜蒸餾(MD)單位產水價格示意圖 97 圖4.2真空平板式太陽能集熱器改良 98 圖4.3真空平板太陽能集熱器結構示意圖 100 圖4.4真空平板太陽能集熱器分段數變化示意圖 100 圖4.5真空平板式太陽能集熱器之模式驗證 105 圖4.6真空平板式太陽能集熱器之比較 106 圖4.7設計日照強度I ̅D=430 W/m2設備尺寸規格圖 107 圖4.8真空平板式太陽能集熱器各層深度影響示意圖 113 圖4.9真空平板式太陽能集熱器各層深度影響放大示意圖 114 圖4.10系統各單元成本比例圖 117 圖4.11系統各單元成本比例圖(假設薄膜成本為$ 20/m2) 121 圖4.12馬來西亞之最低單位產水價格示意圖 122 圖4.13馬來西亞之控制結果圖 123 圖4.14不同設計日照強度下之各項設備尺寸規格 125 圖4.15不同設計日照強度下之各項設備成本 126 圖4.16不同設計日照強度下之各項設備尺寸影響因素 127 圖4.17單位產水價格示意圖(a)真空平板式太陽能集熱器系統(b)平板式太陽能集熱器系統 130 圖4.18不同設計日照強度下之(a)儲熱桶槽累積能量(b)日夜間產水量 131 圖4.19不同設計日照強度下之(a)太陽能集熱器效率(b)太陽能集熱器熱散失效率 133 圖4.20真空平板式太陽能集熱器於I ̅D=310W/m2下之各單元成本所佔比例 134 圖5.1拋物面槽式太陽能集熱器改良 136 圖5.2拋物面槽式太陽能集熱器結構示意圖 137 圖5.3拋物面槽式太陽能集熱器分段數變化示意圖 137 圖5.4拋物面槽式太陽能集熱器各層示意圖 139 圖5.5拋物面式太陽能集熱器之實驗驗證 143 圖5.6拋物面式太陽能集熱器之模擬驗證 144 圖5.7拋物面槽式太陽能集熱器之比較 145 圖5.8設計日照強度I ̅D=310 W/m2設備尺寸規格圖 146 圖5.9未來追日型拋物面槽式太陽能集熱器成本趨勢圖 147 圖5.10太陽能集熱器設計規格影響示意圖 153 圖5.11太陽能集熱器各層深度影響示意圖 154 圖5.12馬來西亞之最低單位產水價格示意圖 158 圖5.13馬來西亞之控制結果圖 159 圖5.14不同設計日照強度下之各項設備尺寸規格 161 圖5.15不同設計日照強度下之各項設備成本 162 圖5.16不同設計日照強度下之各項設備尺寸影響因素 163 圖5.17單位產水價格示意圖(a)拋物面槽式太陽能集熱器系統(b)真空平板式太陽能集熱器系統 167 圖5.18不同設計日照強度下之(a)儲熱桶槽累積能量(b)日夜間產水量 168 圖5.19不同設計日照強度下之(a)拋物面槽式太陽能集熱器效率(b)拋物面槽式太陽能集熱器熱散失效率(c)真空平板式太陽能集熱器效率(d)真空平板式太陽能集熱器熱散失效率 170 圖5.20拋物面槽式式太陽能集熱器於I ̅D=160W/m2下之各單元成本所佔比例 171 表目錄 表1.1各種海水淡化所需能源消耗[ Shih et al. 2015][6] 3 表2.1熱交換器物理參數設定 15 表2.2太陽能集熱器物理參數設定 18 表2.3氣隔式薄膜蒸餾模組尺寸與物理參數設定表 28 表2.4設計日照強度(I ̅D)之設備設計尺寸 37 表2.5設計日照強度(I ̅D)之設備成本 38 表2.6文獻中各設備尺寸規格比較表 40 表2.6系統總變數數目與系統總方程式數目表 44 表2.7各設備最適化結果表 51 表2.8設計日照強度I ̅D =445 W/m2之各單元最低年成本表 52 表2.8 Tyreus-Luyben 控制器參數經驗公式 59 表2.9 PI控制器參數調諧結果 61 表2.10品質控制環路控制配對表 64 表2.11日夜操作切換模式控制配對表 65 表2.12不同設計日照強度之設備成本表 76 表2.13不同設計日照強度之設備尺寸規格表 77 表3.1台灣與沙烏地阿拉伯之最佳設備成本 85 表3.2土耳其與馬來西亞之最佳設備成本 89 表3.4進料海水溫度影響最低單位產水價格 91 表3.5各地區各設備最佳設備成本 95 表3.6各地區儲熱桶槽最高儲水量表 96 表4.1真空平板式太陽能集熱器物理參數設定 104 表4.2設計日照強度I ̅D =430 W/m2之各單元成本表 108 表4.3系統總變數數目與系統總方程式數目表 109 表4.4系統各設備尺寸規格表 115 表4.5系統各設備成本表 116 表4.6薄膜資料表 118 表4.7系統各設備尺寸規格表(假設真空平板式海水淡化系統薄膜成本為$ 20 /m2) 119 表4.8系統各設備成本表(假設真空平板式海水淡化系統薄膜成本為$ 20 /m2) 120 表4.9不同設計日照強度之設備成本表 128 表4.10不同設計日照強度之設備尺寸規格表 129 表4.11日夜間產水量示意表 132 表5.1拋物面槽式太陽能集熱器物理參數設定 142 表5.2設計日照強度I ̅D =310 W/m2之各單元成本表 148 表5.3系統總變數數目與系統總方程式數目表 149 表5.4系統最適化前後各設備尺寸規格表 156 表5.5系統最適化前後各設備成本表 157 表5.6不同設計日照強度之設備成本表 164 表5.7不同設計日照強度之設備尺寸規格表 165 表5.8日夜間產水量示意表 169 |
參考文獻 |
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