上次发过两篇文章，讨论了火电厂制淡水的问题。再次感谢一些朋友提供的资料和意见。我还真爱上这个题目了。现在，我准备提出两个非常重要的构思，可以使用太阳能大规模淡化海水和苦咸水，并使汽轮机的工作效率提高一倍以上。

一、 传统太阳能海水淡化技术的问题

我国的太阳能资源是比较丰富的，平均每年5000兆焦耳/平米，或每天1370万焦耳，南、北方差不多。不过，这个数字听起来不小，实际是什么概念呢？如果用阳光照射蒸发海水，设水温20℃，水分子在光能激励下直接跑出来形成蒸汽（不经过升温过程），那么这时水的汽化热为2441.12焦耳／克，于是一天最多可以蒸发的海水数量是1370万/2441.12=5612克。约5.6升，或者说，使1平米的水面下降5.6毫米。这种能量用来晒衣服还差不多。实际上水面下降的速度通常要比这快一些，那是因为大气中的水蒸汽含量远没达到饱和，与及存在风的缘故。无论是晒盐还是晒衣服，有一半是“风干”而不是“晒干”的。

能量密度低、利用困难几乎是所有可再生自然能源的问题，例如风能、潮汐能等等，仅有某些特殊地段的水能或地热能除外。其实这也很好理解――如果这些自然能密度很高，例如风能很大，那就是“台风”了；如果海浪能很大，那就是“海啸”了；如果太阳能增加十倍、一百倍，地球早就被烤熟了，还能有什么生命？因此到目前为止，太阳能的利用主要还是集中在制取暖水上，用来发电的成本很高。

传统太阳能海水淡化技术的问题是绕不过水的汽化热。这个热值很高，比水由20℃升高到100℃，也就是“烧开水”所需要的能量还要高出好几倍。这样无论多么精巧的设计，淡水产量也很低，投入和产出比不划算，因此无法大规模推广。仅在一些特殊场合，例如很少人的海岛上可以派上某些用场。

要很好地利用太阳能进行海水淡化，就需要换一换脑筋考虑问题。由物理、化学常识我们知道，水之所以沸点高、汽化热大，是因为水分子之间存在氢键的作用。这个氢键使得水分子能聚集成团，多个小分子可以“等效”成一个大分子，才使得水在常温常压下保持液体状态。否则，如果没有氢键，仅靠分子间作用力，水的沸点会比氮气更低，在-200℃以下。水的汽化热就是大量破坏氢键所需的能量。

不过，这个汽化热并不是白白消耗的。当水蒸汽凝结成水的时候，又会重新放出相等的热量。因此，汽化热和机械运动中的势能类似，只不过它是以物质形态的形式贮存，而不是以物理位置的形式贮存。如果你利用得好，汽化热对系统总能量消耗的影响可以很小，理论上可以为0。

利用的方法就是用水蒸汽回送加热，构成水――水蒸汽的热交换系统。这样，水蒸汽凝结成水所放出的热量就由水所吸收，又有一部分水变成水蒸汽，于是，水的汽化所需要的系统能量消耗至少在理论上可以接近为0。这种热交换方式适用于任何需要利用水蒸汽的场合。对于常温下的太阳能淡化海水来说，还需要利用水的另一特性，即在低气压下沸点降低。

看几个数据：让水在25℃沸腾，气压应为23.76mmHg（毫米汞柱），相当于标准大气压的3.13%；在30℃沸腾，气压应为31.82mmHg，或标准大气压的4.19%。一般地，10mmHg~760mmHg的气压属于“粗真空”的范围。这种真空度用任何一台最普通的抽气机都可以达到，也容易维持。因此，真空方面的要求对太阳能海水淡化不成问题。

二、 太阳能海水淡化方案

见下图一。

海水汽化池由黑色吸热材料构成。注意，不需要也不适宜采用玻璃。因为这不是利用阳光的能量直接激发水分子逃逸（即“晒海水”），而是将光能尽量转化为热能，再将这个热能提供给低气压下的海水进行汽化。玻璃不仅造价贵，而且会有一定程度的反光，造成输入能量的损耗。水体的能量辐射也会穿透玻璃而逸出。为了加强汽化池内的热量传导，可以使用纵向和横向的导热柱。汽化池侧边的反光板，可以将一部份阳光反射回汽化池加热，并使汽化池下方的淡水池（白色反光材料构成）形成阴影区，造成上下3℃～5℃的温差。这个温差足以保证汽化池上层的海水在一定温度和压力下沸腾，而淡水池的水不沸腾。

假设环境温度为27℃。使用前先把汽化池及连同的淡水池的气压抽到略低于31.82mmHg。于是在太阳能的加热下，上层的海水先达到30℃左右并开始沸腾，汽化池气压升高；而淡水池温度较低，不沸腾，气压不变，产生上下气压差。于是，汽化池产生的水蒸汽经热交换管道流向淡水池，部分在顶棚斜面凝结的水珠也经此管道流向淡水池。水蒸汽在流动过程中将自己携带的能量依次传递给上、中、下层海水，到了淡水池一端时，重新凝结成27℃的淡水并为淡水池所收集。

这个过程需要外界（太阳光）输入多少能量呢？因为汽化热已经在30℃水蒸汽和27℃海水之间交换，所以，需要的能量只是使水由27℃升高到30℃的能量，约每克4.18x3=12.54焦耳。一平方米的太阳能汽化池一天可以制造淡水1370万/12.54=1092公斤，约1.1吨。建一个10万平方米（约15个足球场）的巨型汽化池（或多个大型汽化池），相当于一个日产10万吨以上的大型水厂；建一个50平方米的小型汽化池，月产淡水1.1x50x30=1650吨，仍以北方城市人均月用水7吨计，可供应236人；以户均3.5人算约67户。也就是说，可供应一座17层，每层4户的普通住宅大楼。

当然这只是理论上的极限值。考虑到一些阴雨天（这在北方比较少，下雨时也可以用顶棚收集淡水）和热交换上的损耗，那么专业水厂达到80%以上的淡水产出，民用汽化池达到40%左右的淡水产出是非常有可能的。北方一些沿海城市已经开始推广使用海水冲厕，有现成的海水供给管道和设施可以充分利用；而西北内陆有不少咸水湖，地广人稀，夏天日照时间长，非常适合建造这种太阳能淡水工厂。如果这个方案实践证明可行，几乎可一举解决北方地区的缺水问题，对于南方地区的水资源保护也提供了很好的新途径，而难以利用的太阳能，也找到了最适合的用途。

注意几个问题：

1. 此方案成败的关键在海水――水蒸汽之间的热交换效率。为了提高此效率，蒸汽管道应较细长为宜。但过细的管又可能被冷凝水堵塞。此时，可采用“带散热翼的导管”作为热交换管，如图三：

2. 对于住宅楼群来说，多栋大楼（例如10～20栋）可以共用一个抽气泵，降低抽气成本，方便集中控制和监测。不过，这样就要建造比较长的抽气管道，相应的建造成本和维护成本将上升，出现漏气的情况也会大大增加。因此最后划不划算未可论定。

3. 由于整个汽化池相当于一个大的“黑体”，黑体在自身温度高于环境温度时存在对外的能量辐射。要减少这种辐射，就要增加黑体的体积和表面积之比，因为表面积越小，辐射越少。例如一个4m立方的黑体，其表面积为96m2；而8个2m立方的黑体，其总表面积为192m2。前者对外辐射量将比后者小一半。太阳能海水淡化，淡水池温度保持与环境相同，而海水池高于环境3℃～5℃，对外辐射和热量损失是一定存在的。问题是，如果过份增大体积/表面积，技术上会变得困难，经济上也不划算；对于民用建筑上的小型海水淡化装置来说，也存在空间限制。因此最佳的体积和表面积，应由具体运用场合和经济合理性、技术可行性等因素综合决定。

4. 无论淡水池还是海水池都应用立柱支撑，和地基隔离，减少和地基相互的热传导。因为在太阳的暴晒下，地基本身可能很热，会破坏汽化过程所必须的温差条件；而在天气较凉时，楼顶多风，也可能使地基过份降温。同时，地基（楼顶）上长期直接积水对建筑物不是好事。

5. 常温常压下水溶解有一定程度的空气，每立方米约20～30升。这些空气在外界气压降低时会释放出来，使气化池内的气压增加。因此，抽气过程要不断进行监测和调整，直到形成比较稳定的淡水流量输出，才能关闭抽气阀门。另外，如环境温度改变，也必须改变池内的气压，以保证有效的汽化。

三、 汽轮机效率低的原因及改进设想

上次有网友指出，汽轮机作功发电后剩余水蒸汽的温度约50℃，蒸汽压约0.05个大气压。据此，上次提出在100℃以上“二次蒸发”海水的方案不可行。本想再提一个50℃下低压制淡水的方案，但现在已经有了太阳能方案，也就不必再考虑了。

50℃的水蒸汽与常温差别不大，用来作功能力很小。目前主要的应用是“热电联营”，利用这些剩余蒸汽来为城市、工厂等供热。但是，这种供热方式其实效率很低，浪费很大。因为热能是很容易散失的，而供热的户外管道又很长，真正需要热能的却只是户内用户。同时，建设大量的供热管道也需要不少投资。相对而言，电能在传输过程中损耗很小。如能大幅降低发电成本，采用电能来制暖要经济得多。但是，我国目前主要发电方式是火电，使用汽轮机，其发电效率通常只有35%左右。

为什么汽轮机的效率会这么低呢？一般教材的解释是由于热传导、热辐射和机械摩擦等的损耗。这些教材的编者们说：根据热机效率公式，蒸汽作功时的温度是580℃，相当于853K；作功后50℃，相当于323K，因此理论上最高的效率为(853-323)/853=62%。他们将损失的27%（接近62%的一半）的效率归之于“热传导、热辐射和机械摩擦”等原因。

这种解释是完全错误的。如接近一半的效率损失在“热传导、热辐射和机械摩擦”上，还叫什么“专业”工厂？通常，这种损失应为20%～30%左右，据此汽轮机发电（或作功）的普遍效率应为62%x0.75=46.5%。之所以出现这种错误，是因为他们不恰当地套用了热机的理论公式，没有考虑到工质――水的相变过程和汽化热对效率的影响。由于水在汽轮机作工发电的内循环中存在这种相变过程和汽化热，就不能直接等效为理想气体，而需要一步步计算其输入、输出的能量关系。

一克水，原始温度为20℃，变成580℃的水蒸汽（假设保持一个大气压不变），要经过三个过程：

1) 20℃水～100℃水，吸收能量4.18x(100-20)=334.4焦耳；

2) 100℃水～100℃水蒸汽，吸收能量2253.02焦耳；

3) 100℃水蒸汽～580℃水蒸汽，吸收能量4.18x(580-100)=2006.4焦耳。

三项合计为4593.82焦耳。

需要说明的是，其中水蒸汽的比热容是估算。网上有资料称100℃～300℃时，水蒸汽在“等容状态”下比热容为0.36卡/(克x度)，即1.5048焦耳/(克x度)，我认为这个数字有问题。首先我们不知道这个值是在何种状态（气压范围）下测出的。另外，给水和水蒸汽加热，都是使水分子的动能增大。只不过这个增加的动能在低于100℃时，尚不能使水分子大批脱离氢键的束缚，因而保持液体形态而已。此时，动能的增加表现为水分子间相互振动加剧（热水比冷水的体积略有膨胀就是证明）。高于100℃时，则直接表现为水分子空间飞行速度的增加。因此水蒸汽的比热容应和水大致相同。

一克580℃的水蒸汽作功后变成50℃水蒸汽，其内能减少为4.18x(580-50)=2215.4焦耳。因此，这种汽轮机发电理论上最大的效率为2215.4/4593.82=48%。如考虑25%的热传导、热辐射和机械摩擦损失，则效率为36%左右，与35%的实际值很接近，证明我的估算方法是正确的。汽轮机效率低的主要原因，是大量的汽化热没有得到很好的利用，白白浪费了，或者只是用来作低效率的“热电联营”。

解决这个问题的方法就是利用汽化热来重新加热和汽化水，如下图二。这样，内循环的水，始、末温度和形态均相同，理论上这种“改进汽轮机”的发电效率为100%，实际也可以做到75%以上。汽化池也不必采用锅炉加热，直接利用热交换管道传送常温水蒸汽即可。其设计类似于太阳能淡化海水的装置。

这就意味着，汽轮机发电的普遍效率可以由目前的35%提高到75%，足足一倍有多。这种方法可以适用于任何需要采用汽轮机的固定场合，例如火电厂、核电厂、大型动力机械和远洋船舶等。由于我国80%以上的电力来源于火电，而火电的主要运营成本就是燃料――煤炭，这就是说，每度电的成本可以降低一半，而环境污染和能源消耗也减少一半。当电力成本大幅下降后，将有更多的家庭采用电炉、电炒锅等炊具，更多的单位和工厂采用电能制热，从而节约更多的天热气、液化石油气、煤气等一次能源和准一次能源。

因此，本文所提的两个设计如可行，将一举缓解中国目前大部分的水资源和能源紧张的形势，大大改善环境污染状况，具有无可估量的巨大的经济效益和社会效益。这两个设计是对国计民生非常重要的设计，不应由哪一家公司专利垄断，获取不道德的利益。当然，对于外国人或可另论。