CN111792693A - 一种虹吸作用驱动供水的逆向传质太阳能电水联产装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种利用太阳能加热、虹吸作用驱动供水的电水联产装置，属太阳能光电光热技术领域。本装置的最上部是光伏电池模块，太阳光经透光板进入装置，部分被光伏电池接收转化为电能，部分产生热能，热能经基板传递到与其下表面紧密贴合的虹吸膜，加热其中的海水蒸发，蒸汽向下传递，至冷凝面凝结，在虹吸膜与冷凝面构成的封闭空间中充满比蒸汽摩尔质量更低的气体，加速蒸汽逆向传递，形成逆向蒸馏。虹吸膜从一端吸取海水，另一点放置在比吸收端液位更低的高度，于是在重力差作用下虹吸膜中的海水缓慢流向另一端，带走浓缩的盐水，避免浓盐水结晶，实现装置连续运行。
Description
所属技术领域
本发明能够强化小空间内太阳能蒸馏器的传热传质速率，实现太阳能电-水联产，和多级潜热回收利用，属于海水淡化和水处理技术领域。具体地说，是一种利用亲水性薄膜材料与冷凝面的结合，实现蒸汽冷凝与海水蒸发间的高效换热；利用亲水材料吸水端和排水的高度差引起的重力差，驱动亲水材料中的海水微流动，强化浓盐排出；利用低摩尔质量气体填充蒸发冷凝腔，促使水蒸气向下运输冷凝，进而实现海水淡化的装置。
背景技术
海水淡化技术在一定程度上很好的解决淡水资源缺乏问题，而太阳能海水淡化技术能够实现全被动、零排放运行，一直受到人能的关注，并不断进行改进。目前，采用特种功能材料、自吸水全被动运行的海水蒸馏装置被不断发明和研究，这种技术的主要特征是采用亲水性多孔材料，如碳纳米材料、等离子体，或者是开放式热管等，利用毛细吸升作用实现布水，其特点是材料表面海水分布均匀，热容小，利于蒸发。此外，通过多级潜热回收利用，单个多级蒸馏装置的实验室效率已经高达385％。遗憾的是，这样先进的技术应用起来却十分受限制，其原因主要在于这一类蒸馏装置的布水方式的缺陷。其一，海水在蒸发过程中没有形成开放流动。当装置长时间运行时，随着吸水材料中的水分蒸发，材料中的盐浓度升高甚至出现结晶，进而阻塞材料孔隙，降低蒸发速率，影响装置产水。在全被动装置中，对于这一问题的解决仍然采取浓盐自由扩散的方式，速率缓慢，这也就严重限制了这一类蒸馏装置的规模化设计。其二，正向传热传质方向的限制。众所周知，热蒸汽是自然向上对流，因此现有的蒸馏装置往往是正向上或侧向上传热，使得太阳光接收面在蒸馏装置的下方，这本身与自然光照方向相反，难以实现高效太阳能接受利用。鉴于此，本发明提出虹吸作用驱动供水的逆向传热蒸馏方法，以解决上述问题。
本发明利用吸水润湿后的亲水薄膜材料的虹吸作用，通过设定吸水端和排水的高度差改变材料两端的重力差，从而驱动材料中的海水流动，带动材料中的浓盐扩散并排出。并且，利用分子量小于水分子量的气体，如氢气、氦气、甲烷等填充蒸发冷凝腔，促使水蒸气向下运输冷凝，如此，蒸馏装置的吸光面可以完全设置在最上侧，对高效吸收太阳光非常有利。此外，通过设置多级潜热回收层，实现多效蒸馏，提高产水性能。该装置的主要优点在于，蒸馏器中用于布置海水的亲水材料尺度不再受限，有利于规模化设计，并且能够自然地接收太阳光线，实现高效蒸馏。
发明内容
为提高现有的特种功能材料、自吸水全被动运行太阳能海水蒸馏装置中浓盐扩算速率、加快蒸汽传质过程，提高其产水效率，本发明提供了一种虹吸作用驱动的逆向传热传质蒸馏方案，具有高效排盐、顺向集热逆向传热等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：装置中包含一块透光板(1)，透光板下方是光伏电池(2)，光伏电池固定安装在基板(3)上，基板下表面紧密贴合有虹吸膜(4)，虹吸膜与冷凝面(10)组成封闭蒸发冷凝腔(11)，蒸发冷凝腔中充满低摩尔质量气体(5)。虹吸膜左端进入布水槽(6)中的海水(7)中，右端延伸至浓盐水(12)中。工作时，由虹吸膜从布水槽中吸取海水，润湿整个膜层，在重力驱动下产水微流动缓缓流向浓盐水槽一侧。当光伏电池接收到太阳光时，部分光线转化为电能，部分则转化为热能，热量通过基板传递到虹吸膜并加热其中的海水蒸发，产生的水蒸气在低摩尔质量气体驱动下向下传递至冷凝面，并凝结产生淡水，累积的淡水将沿淡水导流管(8)流入淡水收集槽(9)完成存储。如此实现产水过程。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
图1是本发明的运行原理图。
其中，1-透光板，2-光伏电池，3-基板，4-虹吸膜，5-低摩尔质量气体，6-布水槽，7-海水，8-淡水导流管，9-淡水收集槽，10-冷凝面，11-蒸发冷凝腔，12-浓盐水槽。
图2是本发明的多级蒸馏实施例图。
其中，13-集成浓盐水槽。
图3是装置利用顺向聚光进行强光作用水面漂浮运行实施例图。
其中，14-集成淡水收集槽，15-滤网，16-聚光光伏电池，17-菲涅尔聚光透镜。
图4是虹吸流速可调节的装置实施例图。
其中，18-膜端调节杆。
图5是本发明完全采用吸热板进行光热转化的多级蒸馏实施例图。
其中，19-导热板，20-选择性吸收涂层。
具体实施方式
对图1，装置的运行原理解释如下：
装置上端的透光板(1)能够同时起到透光与隔热的作用，太阳光线穿过透光板后到达光伏电池(2)，一部分光能会被转化成电能，一部分则被转化为热能，热能会通过基板(3)传递到与之下表面紧密贴合的虹吸膜(4)，虹吸膜在从一端布水槽(6)中吸取海水，并使整个虹吸膜全部润湿，通过基板的加热，虹吸膜中的海水变热并产生蒸汽，进入蒸发冷凝腔(11)。由于蒸发冷凝腔中充满了低摩尔质量气体(5)，水蒸气分子会在蒸发冷凝腔中快速向下运动，并碰触到冷凝面(10)凝结成水，聚集的水滴会沿着淡水导流管(8)流入淡水收集槽(9)并进行存储。在不断的蒸发中，虹吸膜中的盐水浓度会持续上升，浓盐水需要及时排出。通过将虹吸膜另一端的高度放置到低于布水槽(6)中海水水面高度的位置，使虹吸膜两端形成重力差，当重力差大于虹吸膜对水的毛细作用力时，就会驱动虹吸膜中的水流动，使海水不断从布水槽中吸入，并流入另一端的浓盐水槽(12)中，从而使虹吸膜中的浓盐水持续流动并排除，避免结晶阻碍蒸馏过程。
对图2，进行本发明的实现潜热回收利用的多级蒸馏实施例图说明。
多级蒸馏装置最上面第一级与附图1所示单级结构原理相同，其它级结构特点是：第一级冷凝面(10)的下表面紧密贴合有第二级虹吸膜，第二级虹吸膜与第二级冷凝面构成封闭的第二级蒸发冷凝腔，其中充满低摩尔质量气体，第二级虹吸膜左端为第二级布水槽，依一次往下各级重复该结构。各级虹吸膜右端同时伸入集成浓盐水槽(13)。工作时，第一级在进行光伏发电的同时进行蒸馏过程，第一级蒸发冷凝腔中的蒸汽在第一级冷凝面上凝结时，释放潜热，潜热通过冷凝面向下传递到第二级虹吸膜，加热第二级虹吸膜中的海水蒸发，如此实现一次潜热回热利用。第二级虹吸膜产生的蒸汽向下传递，在第二级冷凝面上凝结，并释放潜热，潜热通过第二级冷凝面向下传递加热第三级虹吸膜中的海水蒸发，实现第二次潜热回收利用，如此重复，实现多级逆向蒸馏过程。每一级虹吸膜中的浓海水都会通过虹吸作用驱动流向集成浓盐水槽。
对图3，进行本发明采用顺向聚光进行强光作用水面漂浮运行实施例说明。
本发明能够实现蒸馏装置由上及下逆向传热，使太阳能吸收部件置于最上面，非常便于接收光线，因此能够方便地与顺向聚光器结合，实现强光加热蒸发。同时，蒸馏装置可放置在海水水面上，利用海水加强冷凝效果。其结构是：虹吸膜吸水端直接与海水接触，为了避免海水中杂物进入虹吸膜，在其海水进口有滤网(15)。装置上侧有透射式聚光器(17)，并采用聚光电池(16)进行光电光热转化，装置下方利用集成淡水收集槽(14)存储淡水。工作时，太阳光线经过透射式聚光器(17)的汇聚后再聚光电池(16)上形成高倍能流，聚光电池将部分光线转化为电能，部分转化为热能，热能侧向下传递，实现逆向蒸馏过程。
对图4，进行本发明虹吸流速可调节的多级蒸馏实施例说明。
虹吸流速主要由虹吸膜吸水端和出水端的高度差引起，高度差决定虹吸膜两端的重力差，重力差越大，驱动虹吸膜中海水的流速就越快，从而可通过调节虹吸膜两端的高度差来调节虹吸流速。将装置各级虹吸膜的出水端固定到膜端调节杆(18)上，膜端调节杆可竖直上下活动。由于左端各级布水槽的位置是不变的，当膜端调节杆调整到最上方时，虹吸膜两端的高度差最小，虹吸流速也最小，当膜端调节杆调整到最下方时，虹吸膜两端的高度差最大，虹吸流速也将达到最大，可迅速排出虹吸膜中的浓盐水。
对图5，进行本发明完全采用吸热板进行光热转化的多级蒸馏实施例说明。
本发明可直接对太阳能进行光热转化和传递，进行高效蒸馏过程。装置的最上级太阳能接收面由导热板(19)和其上表面的选择性吸收涂层(20)组成，导热板下表面与第一级虹吸膜紧密贴合。光线到达装置第一级上表面时选择性吸收涂层(20)会对其进行高效吸收转化为热能，并降低向外环境的热辐射，热能通过导热板(19)传递至虹吸膜(4)，加热虹吸膜中海水蒸发进行蒸馏过程。
Claims (3)
1.一种虹吸作用驱动供水的逆向传质太阳能电水联产装置，其特征是：装置包含有透光板(1)、光伏电池(2)、基板(3)、虹吸膜(4)、布水槽(6)、淡水收集槽(9)，冷凝面(10)以及浓盐水槽(12)。它们的连接方式是：光伏电池(2)安装在基板(3)上，其上方覆盖透光板(1)，基板下方紧紧贴合的虹吸膜(4)，虹吸膜与冷凝面(10)构成蒸发冷凝腔(11)，蒸发冷凝腔中充满低摩尔质量气体(5)。虹吸膜(4)一端浸入布水槽(6)中海水(7)中，通过毛细作用润湿虹吸膜，再通过虹吸作用驱动海水在虹吸膜中缓慢流动，经受热蒸发以后进入另一端的浓盐水槽(12)中。光伏电池(2)吸收部分太阳光线进行发电，部分光线转化为热能，加热其下方虹吸膜(4)中的海水蒸发，产生的蒸汽在低摩尔质量气体(5)驱动下传递到冷凝面(10)凝结产生淡水，聚积的淡水经淡水导流管(8)流入淡水收集槽(9)储存。
2.根据权利要求1所述的一种虹吸作用驱动供水的逆向传质太阳能电水联产装置，其特征是：有一层亲水虹吸膜(4)，其一端浸入海水(7)中，另一端放置高度低于布水槽中海水水面，当虹吸膜被完全润湿后由两端重力差驱动形成虹吸，驱动海水缓慢流动，从而使虹吸膜中高浓度盐水及时排出，虹吸膜与光伏电池所安装的基板的下表面紧密接触，能够充分吸收光伏电池产生的热能来驱动海水蒸发。
3.根据权利要求1所述的一种虹吸作用驱动供水的逆向传质太阳能电水联产装置，其特征是：在由虹吸膜(3)与冷凝面(10)组成封闭的蒸发冷凝腔(11)中充满低摩尔质量气体(5)，用于驱动水蒸汽向下传递，并在冷凝面上冷凝，从而实现逆向传热传质。
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