CN102381796B - 太阳能光伏光热海水淡化一体式装置 - Google Patents

太阳能光伏光热海水淡化一体式装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种太阳能光伏光热海水淡化一体式装置。光伏电池板与海水输送泵、导热油输送泵、真空泵以及控制***连接供电，控制***控制各泵的开关。低温导热油箱、导热油输送泵、平板集热器、抛物面聚光器、高温导热油箱、高温海水蒸发室和高温海水预热箱的热油管形成导热油循环***；低温海水预热箱经海水输送泵、中温海水预热箱、高温海水预热箱接高温海水蒸发室，高温海水蒸发室的底部接浓海水管、侧壁接水蒸汽管，浓海水管绕经低温海水预热箱后伸出，水蒸汽管绕经中温海水预热箱后接至冷凝水管，再绕经低温海水预热箱后接至淡水收集器，淡水收集器上安装真空泵。本发明利用太阳能提供电能和导热油的热量，实现了自给自足的运行方式。

Description

太阳能光伏光热海水淡化一体式装置
技术领域
本发明涉及一种海水淡化淡化装置，特别是一种太阳能光伏光热海水淡化一体式装置，属于太阳能利用技术领域。
背景技术
海水淡化的方法主要分为热法、膜法和化学方法三大类。其中，热法海水淡化技术主要有蒸馏法和结晶法，蒸馏法又称蒸发法，是最早采用的淡化技术。传统太阳能蒸馏器，具有被动冷凝器的单斜面的太阳能蒸馏器，双冷凝室太阳能蒸馏器，垂直太阳能蒸馏器，逆向吸收式太阳能蒸馏器，多级芯型太阳能蒸馏器、多级闪蒸、多效蒸馏和压汽蒸馏等方法。结晶法包括冷冻法和水合物法。膜法的海水淡化技术主要包含了反渗透和电渗析；化学方法主要有离子交换法。目前海水淡化的主要方法都要消耗大量燃料或电能，由于成本较高，应用受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能光伏光热海水淡化一体式装置，利用太阳能提供电能和导热油的热量，实现了自给自足的运行方式。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种太阳能光伏光热海水淡化一体式装置，包括光伏电池板、平板集热器、抛物面聚光器、高温导热油箱、低温海水预热箱、中温海水预热箱、高温海水预热箱、高温海水蒸发室、低温导热油箱、淡水收集器、海水输送泵、导热油输送泵、真空泵和控制***；光伏电池板与海水输送泵、导热油输送泵、真空泵以及控制***连接供电，并由控制***控制海水输送泵、导热油输送泵和真空泵的开关；低温导热油箱的出口经导热油输送泵接输油管，输油管经平板集热器和抛物面聚光器，接至高温导热油箱的入口，高温导热油箱的出口接至高温海水蒸发室中的热油管入口，高温海水蒸发室中的热油管出口先接至高温海水预热箱的热油管入口，高温海水预热箱的热油管出口再接至低温导热油箱的入口，形成导热油循环***；低温海水预热箱的入口接海水进管，低温海水预热箱的出口经海水输送泵接至中温海水预热箱的入口，中温海水预热箱的出口接至高温海水预热箱的顶部，高温海水预热箱叠置在高温海水蒸发室的上方且与其相连通，高温海水蒸发室的底部接浓海水管，浓海水管的中段盘绕在低温海水预热箱中而后段从低温海水预热箱伸出，高温海水蒸发室的侧壁接水蒸汽管，水蒸汽管的中段盘绕在中温海水预热箱中而后段从中温海水预热箱伸出并接至冷凝水管，冷凝水管的中段盘绕在低温海水预热箱中而后段从低温海水预热箱伸出并接至淡水收集器，淡水收集器上安装真空泵。
所述高温海水蒸发室设有多级蒸发室，各级蒸发室结构相同、单独可拆卸且呈塔式叠加、上下相连通，热油管依次盘绕在各级蒸发室中，经各级蒸发室对高温海水进行蒸发，获取不同的温度的蒸汽。
所述中温海水预热箱对应高温海水蒸发室的多级蒸发室设有多级相连通的预热腔，各级蒸发室侧壁的水蒸汽管中段盘绕在中温海水预热箱的对应级预热腔中，而后段从各级预热腔伸出并汇集接至冷凝水管。
所述控制***还包括温度传感器T1、温度传感器T2、弹簧单向阀K1、温度补偿性调速阀K2、液位传感器F1和开关S1，温度传感器T1安装在抛物面聚光器上，温度传感器T2安装在低温导热油箱的入口，弹簧单向阀K1安装在高温导热油箱的入口，温度补偿性调速阀K2安装在高温导热油箱的出口，液位传感器F1安装在低温导热油箱的底部，开关S1安装在导热油输送泵上；控制***根据温度传感器T1、温度传感器T2和液位传感器F1的感应信号控制弹簧单向阀K1、温度补偿性调速阀K2和开关S1的开或关。
所述低温导热油箱的出口先接过滤器再接导热油输送泵。
采用上述方案后，本发明的优点为：
一、利用太阳能提供电能和导热油的热量，实现了自给自足的运行方式，适合在孤岛等淡水运输困难、电力缺乏，阳光充足的地方使用。
二、对海水进行充分的预热，使进入蒸发室前的温度可达到较高温度；对比现有的海水淡化装置，本装置除了利用了蒸汽冷凝潜热、还利用以下三种热量进行海水的预热：（1）经过高温海水蒸发室蒸发后流出来的浓海水余热；（2）经过冷凝后的淡水余热；（3）经过高温海水蒸发室与海水进行热交换后的导热油所具有的余热。
三、蒸发室的结构设计采用塔式叠加，可以使海水和导热油由于重力作用流下来，耗能减少；同时，每个蒸发室结构相同、又可单独拆卸，便于统一生产制造和维修。
四、高温海水蒸发室中的海水温度较高，提高了蒸发速度。
五、通过理论估算，本装置的采热面积为8 m2时，每天产水量为54.2kg。本装置每平方米采光面积每天产水量为6.8kg/m2.d，而现有一般太阳能海水淡化装置每平方米采光面积的产淡水量在3.5～4.0kg/m2.d 左右。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明高温海水蒸发室示意图；
图3是本发明中温海水预热箱示意图；
图4是本发明低温海水预热箱示意图；
图5是本发明控制***部分示意图。
标号说明
光伏电池板1            平板集热器2
抛物面聚光器3          高温导热油箱4
低温海水预热箱5        海水进管51   
中温海水预热箱6        一级预热腔61
二级预热腔62           三级预热腔63
四级预热腔64           高温海水蒸发室7
热油管71               高温海水预热箱72
浓海水管73             水蒸汽管74
一级蒸发室75           二级蒸发室76
三级蒸发室77           四级蒸发室78
低温导热油箱8          淡水收集器9
海水输送泵10           导热油输送泵11
真空泵12               输油管13
冷凝水管14             过滤器15
海水输送管16           中温海水管17
过滤器18。
具体实施方式
本发明揭示的一种太阳能光伏光热海水淡化一体式装置如图1所示，包括光伏电池板1、平板集热器2、抛物面聚光器3、高温导热油箱4、低温海水预热箱5、中温海水预热箱6、高温海水蒸发室7、低温导热油箱8、淡水收集器9、海水输送泵10、导热油输送泵11、真空泵12和控制***（图中未完全示出，故不标号）。
低温导热油箱8的出口经导热油输送泵11接输油管13，输油管13经平板集热器2和抛物面聚光器3，再接至高温导热油箱4的入口，高温导热油箱4的出口接至高温海水蒸发室7中的热油管71入口，高温海水蒸发室7中的热油管71出口先接至高温海水预热箱72的热油管71入口，高温海水预热箱72的热油管出口再接至低温导热油箱8的入口，形成导热油循环***。为了保证管道清洁、避免污染，低温导热油箱8的出口先接过滤器18再接导热油输送泵11。
低温海水预热箱5的入口接海水进管51，低温海水预热箱5的出口经海水输送泵10接至中温海水预热箱6的入口，中温海水预热箱6的出口接至高温海水预热箱72的顶部，高温海水预热箱71叠置在高温海水蒸发室7的上方且与其相连通，高温海水蒸发室7的底部接浓海水管73，浓海水管73的中段盘绕在低温海水预热箱5中（配合图4）而后段从低温海水预热箱5伸出。
高温海水蒸发室7的侧壁接水蒸汽管74，水蒸汽管74的中段盘绕在中温海水预热箱6中而后段从中温海水预热箱6伸出并接至冷凝水管14，冷凝水管14的中段盘绕在低温海水预热箱5中（配合图4）而后段从低温海水预热箱5伸出并接至淡水收集器9，淡水收集器9上安装真空泵12。
进一步，配合图2所示，本发明将高温海水蒸发室7分设为四级蒸发室：一级蒸发室75、二级蒸发室76、三级蒸发室77、四级蒸发室78，各级蒸发室结构相同、单独可拆卸，且由上至下呈塔式叠加、上下相连通。高温海水预热箱71叠置在一级蒸发室75上且上下相连通。热油管71依次盘绕在一级蒸发室75、二级蒸发室76、三级蒸发室77、四级蒸发室78中，经各级蒸发室对高温海水进行蒸发，获取不同的温度的蒸汽。海水和导热油热交换蒸发是由于重力作用流下来，耗能减少，同时，各级蒸发室结构相同，又可单独拆卸，便于统一生产制造和维修。
配合图3所示，本发明将中温海水预热箱6设有多级相连通的预热腔：一级预热腔61、二级预热腔62、三级预热腔63、四级预热腔64，分别与高温海水蒸发室7的四级蒸发室78、三级蒸发室77、二级蒸发室76、一级蒸发室75对应，四级蒸发室78侧壁的水蒸汽管74中段盘绕在一级预热腔61而后段从一级预热腔61伸出，三级蒸发室77侧壁的水蒸汽管74中段盘绕在二级预热腔62而后段从二级预热腔62伸出，二级蒸发室76侧壁的水蒸汽管74中段盘绕在三级预热腔63而后段从三级预热腔63伸出，一级蒸发室75侧壁的水蒸汽管74中段盘绕在四级预热腔64而后段从四级预热腔64伸出，所有水蒸汽管74再汇集接至冷凝水管14。
光伏电池板1与海水输送泵10、导热油输送泵11、真空泵12以及控制***连接供电，并由控制***控制海水输送泵10、导热油输送泵11和真空泵12的开关。进一步，配合图5所示，本发明控制***还包括温度传感器T1、温度传感器T2、弹簧单向阀K1、温度补偿性调速阀K2、液位传感器F1和开关S1，温度传感器T1安装在抛物面聚光器3上，温度传感器T2安装在低温导热油箱8的入口，弹簧单向阀K1安装在高温导热油箱4的入口，温度补偿性调速阀K2安装在高温导热油箱4的出口，液位传感器F1安装在低温导热油箱8的底部，开关S1安装在导热油输送泵11上。控制***根据温度传感器T1、温度传感器T2和液位传感器F1的感应信号控制弹簧单向阀K1、温度补偿性调速阀K2和开关S1的开或关。当温度传感器T1<120℃时，控制***控制开关S1断开，导热油输送泵11不工作，弹簧单向阀K1没有压力，处于闭合状态，导热油继续留在输油管13中加热；当温度传感器T1>=120℃时，控制***控制开关S1闭合，导热油输送泵11工作，弹簧单向阀K1由于压力作用被开启，导热油流到高温导热油箱4储存；当温度传感器T2<86℃时，控制***调节温度补偿性调速阀K2，增加导热油的流动速度，保证高温海水蒸发室7每级所设定需要的温度和导热油的最低温度（约86℃）；当温度传感器T2>90℃时，则控制***调节温度补偿性调速阀K2，使导热油流速变慢，使导热油与海水进行较充分的热交换；当液位传感器F1显示的液位达到一定底线（即W1=1）时，控制***控制开关S1断开，导热油输送泵11停止工作，不再将低温导热油抽至平板集热器2加热。
本发明主要有三条主线路：
（1）导热油循环线路：低温导热油箱8中的低温导热油首先经过滤器18过滤后，再通过导热油输送泵11被送至平板集热器2中进行加热至95℃左右，然后流至抛物面集热器3继续加热至120℃左右。所得的高温导热油由于势能作用，再从上到下流经高温海水蒸发室7的四级蒸发室，与海水进行热交换，使海水产生蒸汽，而从一级蒸发室75出来的导热油温度约113℃，流到二级蒸发室76；从二级蒸发室76出来的导热油温度约106℃，流到三级蒸发室77；从三级蒸发室77出来的导热油温度约99℃，流到四级蒸发室78；从四级蒸发室78出来的导热油温度约92℃，然后再流至高温海水预热箱71进行海水的最末端预热，使进入高温海水蒸发室7前的海水达到85℃左右，最后，从高温海水预热箱71流出来的导热油温度约为86℃，86℃左右低温导热油被存储到低温导热油箱8，以此循环。
在导热油循环中设置有温度传感器T1、T2、液位传感器F1和弹簧单向阀K1、温度补偿型调速阀K2，用以控制导热油输送泵11的运行和导热油的流速，保证***所需温度平衡。本装置将不同温度状态下的导热油运用于蒸发模块和海水预热模块，使导热油的热能得到充分利用。
（2）海水流动线路：本装置充分利用了水蒸气的冷凝潜热、导热油经过高温海水蒸发室7四效蒸发后所具备的92℃左右的较高温度、四级蒸发室78所流出的约53℃的浓海水和经冷凝后的淡水所具有的约65℃的温度进行海水的预热。预热效果优良，使最末端用来进行蒸发的海水达到85℃左右。
涨潮的时候，20℃左右的海水利用涨潮，经过过滤器15进行过滤后流进（浓海水+淡水）热交换器即低温海水预热箱5进行初级预热。首先，有四级蒸发室78排出来的约53℃的浓海水和蒸汽冷凝后的约65℃的淡水与不凝气体混合物，对海水进行初级预热，使20℃海水被预热到约35℃。然后，预热后约35℃的海水由海水输送管16经海水输送泵10被抽到中温海水预热箱6（四效冷凝水热交换器）中，同时，在高温海水蒸发室7（四效蒸发室）中所产生的蒸汽由于真空度差，也被抽到中温海水预热箱6（四效冷凝水热交换器）中进行冷凝，利用蒸汽冷凝潜热进行预热，35℃海水从左到右经过一级预热腔61、二级预热腔62、三级预热腔63、四级预热腔64，经过每级预热后的的海水温度分别约为：40℃，50℃，60℃，70℃，70℃左右的热水再经中温海水管17流到高温海水预热箱71(导热油末端热交换器)进行最后一次预热，使海水进入高温海水蒸发室7前的温度达到85℃左右。最后，完成预热的85℃海水从上到下流经高温海水蒸发室7的四级蒸发室，进行蒸发产生蒸汽。一级蒸发后的海水约77℃，作为二级蒸发的海水来源；二级蒸发后的海水约69℃，作为三级蒸发的海水来源；三级蒸发后的海水约61℃，作为四级蒸发的海水来源；四级蒸发后的浓海水约53℃，温度较高，故流经低温海水预热箱5进行海水预热，最后经过浓海水处理后排出，完成蒸发。
（3）蒸汽冷凝成淡水线路：由四级蒸发室产生的蒸汽分别经过四级预热腔进行冷凝水热交换，利用蒸发潜热进行海水预热，四效蒸发室由上到下依次为一级蒸发室75、二级蒸发室76、三级蒸发室77、四级蒸发室78，四效预热腔从左到右依次为一级预热腔61、二级预热腔62、三级预热腔63、四级预热腔64。一级蒸发室75产生的100℃左右蒸汽流通过四级预热腔64，二级蒸发室76产生的92℃左右蒸汽流通过三级预热腔63，三级蒸发室77产生的84℃左右蒸汽流通过二级预热腔62，四级蒸发室78产生的76℃左右蒸汽流通过一级预热腔61。同时，蒸汽冷凝成为淡水和一些不凝气体。所得淡水和不凝气体混合物通过集流阀，汇集在一起流入冷凝水管14，约为65℃，再流入低温海水预热箱5进行海水的初级预热，然后流入淡水收集器9，通过潮汐能抽真空抽除不凝气体，同时为蒸发室提供一定的真空度。另外，由于蒸汽冷凝，体积变小，也为***提供了一定的真空度，保证了各效蒸发室的蒸发速度。
在这一冷凝***中，安置有真空表12、液位传感器F1和电磁单向阀，以保证蒸发室的真空度和***的稳定运行。
另外，本装置的泵、传感反馈控制和阀门控制等的电力来源，都由光伏电池板1发电提供足够的电能，不需要外部供电。
本发明是基于已有的太阳能海水淡化技术进行设计完成的。根据太阳能的特点，并基于多效蒸馏技术，提出了一种新型的太阳能光伏光热海水淡化一体式装置。该蒸馏***的主要特点是：利用太阳能为装置提供所需电力和热源，本装置的泵、传感反馈控制和阀门控制等的电力来源，都由太阳能电池板发电提供足够的电能，不需要外部供电；本装置利用了太阳能光热来蒸发海水，并充分利用余热来预热海水，除了利用了蒸汽冷凝潜热，还充分利用以下三种热量进行海水的预热：（1）经过四效蒸发室蒸发后流出来的还有一定温度的浓海水余热；（2）经过冷凝后的淡水余热；（3）经过四效蒸发室与海水进行热交换后的导热油余热。使进入蒸发室前的海水温度达到较高温度。另本装置的蒸发室结构设计采用塔式叠加，可以使海水和导热油由于重力作用流下来，耗能减少。同时，每个蒸发室结构相同、又可单独拆卸，便于统一生产制造和维修。因此，海水淡化的运行成本大大降低。
利用太阳能光伏和光热进行海水淡化既可节约能源又能满足环保要求。本发明利用太阳能提供电能和导热油的热量，实现了自给自足的运行方式，适合用在海岛、孤岛等淡水运输困难、电力缺乏、阳光充足的地方，为长期驻守在这些地方的国防官兵，生活在该地的人民提供淡水资源保障。

Claims (5)

1.一种太阳能光伏光热海水淡化一体式装置，其特征在于：包括光伏电池板、平板集热器、抛物面聚光器、高温导热油箱、低温海水预热箱、中温海水预热箱、高温海水预热箱、高温海水蒸发室、低温导热油箱、淡水收集器、海水输送泵、导热油输送泵、真空泵和控制***；光伏电池板与海水输送泵、导热油输送泵、真空泵以及控制***连接供电，并由控制***控制海水输送泵、导热油输送泵和真空泵的开关；低温导热油箱的出口经导热油输送泵接输油管，输油管经平板集热器和抛物面聚光器，接至高温导热油箱的入口，高温导热油箱的出口接至高温海水蒸发室中的热油管入口，高温海水蒸发室中的热油管出口先接至高温海水预热箱的热油管入口，高温海水预热箱的热油管出口再接至低温导热油箱的入口，形成导热油循环***；低温海水预热箱的入口接海水进管，低温海水预热箱的出口经海水输送泵接至中温海水预热箱的入口，中温海水预热箱的出口接至高温海水预热箱的顶部，高温海水预热箱叠置在高温海水蒸发室的上方且与其相连通，高温海水蒸发室的底部接浓海水管，浓海水管的中段盘绕在低温海水预热箱中而后段从低温海水预热箱伸出，高温海水蒸发室的侧壁接水蒸汽管，水蒸汽管的中段盘绕在中温海水预热箱中而后段从中温海水预热箱伸出并接至冷凝水管，冷凝水管的中段盘绕在低温海水预热箱中而后段从低温海水预热箱伸出并接至淡水收集器，淡水收集器上安装真空泵。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热海水淡化一体式装置，其特征在于：高温海水蒸发室设有多级蒸发室，各级蒸发室结构相同、单独可拆卸且呈塔式叠加、上下相连通，热油管依次盘绕在各级蒸发室中。
3.根据权利要求2所述的一种太阳能光伏光热海水淡化一体式装置，其特征在于：中温海水预热箱对应高温海水蒸发室的多级蒸发室设有多级相连通的预热腔，各级蒸发室侧壁的水蒸汽管中段盘绕在中温海水预热箱的对应级预热腔中，而后段从各级预热腔伸出并汇集接至冷凝水管。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热海水淡化一体式装置，其特征在于：控制***还包括温度传感器T1、温度传感器T2、弹簧单向阀K1、温度补偿性调速阀K2、液位传感器F1和开关S1，温度传感器T1安装在抛物面聚光器上，温度传感器T2安装在低温导热油箱的入口，弹簧单向阀K1安装在高温导热油箱的入口，温度补偿性调速阀K2安装在高温导热油箱的出口，液位传感器F1安装在低温导热油箱的底部，开关S1安装在导热油输送泵上；控制***根据温度传感器T1、温度传感器T2和液位传感器F1的感应信号控制弹簧单向阀K1、温度补偿性调速阀K2和开关S1的开或关。
5.一种太阳能光伏光热海水淡化一体式装置，其特征在于：包括光伏电池板、平板集热器、抛物面聚光器、高温导热油箱、低温海水预热箱、中温海水预热箱、高温海水预热箱、高温海水蒸发室、低温导热油箱、淡水收集器、海水输送泵、导热油输送泵、真空泵和控制***；光伏电池板与海水输送泵、导热油输送泵、真空泵以及控制***连接供电，并由控制***控制海水输送泵、导热油输送泵和真空泵的开关；低温导热油箱的出口先接过滤器再经导热油输送泵接输油管，输油管经平板集热器和抛物面聚光器，接至高温导热油箱的入口，高温导热油箱的出口接至高温海水蒸发室中的热油管入口，高温海水蒸发室中的热油管出口先接至高温海水预热箱的热油管入口，高温海水预热箱的热油管出口再接至低温导热油箱的入口，形成导热油循环***；低温海水预热箱的入口接海水进管，低温海水预热箱的出口经海水输送泵接至中温海水预热箱的入口，中温海水预热箱的出口接至高温海水预热箱的顶部，高温海水预热箱叠置在高温海水蒸发室的上方且与其相连通，高温海水蒸发室的底部接浓海水管，浓海水管的中段盘绕在低温海水预热箱中而后段从低温海水预热箱伸出，高温海水蒸发室的侧壁接水蒸汽管，水蒸汽管的中段盘绕在中温海水预热箱中而后段从中温海水预热箱伸出并接至冷凝水管，冷凝水管的中段盘绕在低温海水预热箱中而后段从低温海水预热箱伸出并接至淡水收集器，淡水收集器上安装真空泵。
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