CN115215402A - 一种太阳能光热蒸发蒸汽收集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及海水淡化领域，具体涉及一种太阳能光热蒸发蒸汽收集装置，该装置包括透明顶盖以及与透明顶盖密封连接的内部有界面蒸发单元的收集装置，所述界面蒸发单元包含装有海水的储水罐，储水罐开口处安装有堆叠若干纤维布的绝热板，纤维布的两侧下垂入海水中，纤维布位于绝热板上的部分负载有光热材料，收集装置的侧壁上安装有若干个能够将海水受热蒸发产生的蒸汽向内吹至收集装置的侧壁上冷凝收集或向外抽出收集的气流扰动器，气流扰动器包括外壳连接的安装有若干个风扇叶片的电机。本发明具有蒸发效率高、冷凝水收集效率高、收集水质纯度高、成本低廉、应用场景广的特点。

Description

一种太阳能光热蒸发蒸汽收集装置
技术领域
本发明涉及海水淡化领域，具体涉及一种太阳能光热蒸发蒸汽收集装置。
背景技术
海水淡化本质上是水盐分离过程，传统的海水淡化技术有两类：一类是高效热驱动海水淡化技术，如低温多效海水淡化(LT-MED)及多级闪蒸(MSF)；另一类是压力驱动膜脱盐技术，代表性的是反渗透膜(RO)。这两类方法均是非常成熟的大规模、集中式的供水方案，但是也受到以下因素制约：一是需要大量消耗热能或电能等高品位能源，不可避免地会加剧温室效应及环境污染，且高度依赖大型电力及热力设施，产能及分布地点受到限制；二是盐分污染设备是传统海水淡化领域的共性问题，设备的维护成本较高。这些因素使传统海水淡化技术一般应用于大型化、集中式场景，而无法满足海岛、海上平台、船舶等小型化或者野外等便携式场景的需求。
为了降低能源消耗，研究人员将可再生能源与海水淡化相结合，提出了一些新型的海水淡化技术，例如基于混合可再生能源***的RO海水淡化技术、可再生能源驱动的海水淡化膜技术、反渗透膜与太阳能蒸馏器相结合的海水淡化技术等。在最新的“双碳”政策指引下，利用太阳能进行海水淡化，具有不消耗常规能源、零碳排放、淡水纯度高等优点，成为能源、环境及水资源领域共同关注的焦点。在传统的太阳能驱动水蒸发***(太阳能蒸馏器)中，热量在吸收器表面产生，使水温整体升高，而蒸汽在***的其他地方产生，从而使得吸收器及蒸发表面分离并产生一定的温度差，造成了大量的热损失，蒸发效率仅为30～45％。
近年来，太阳能局域加热技术经过近些年的发展成为一种全新型的太阳能海水淡化技术——太阳能驱动界面蒸发(Solar-driven interfacial evaporation)，这是一种全新型的太阳能海水淡化技术，具有更高的光热转换效率、更大的规模、更低廉的成本优势。与传统的基于整体加热的蒸发***不同，这种界面蒸发***由界面蒸发器及冷凝收集器两部分组成，首先将少量的水与下方水体进行隔离，将太阳光-热能转换局限在空气-隔离水的界面，仅该界面处的水被加热而蒸发，极大地减少热量损失，容易实现高于80％的光热-蒸汽转换效率，将蒸汽冷凝收集后即可获得淡水。太阳能驱动界面蒸发多采用蒸汽自然向上蒸发的方式，典型的界面蒸发器基本上都采用了双层结构设计，即下方的输水层及负载于之上的光热层。输水层起到输水、漂浮、隔热及支撑光热材料的作用，一般通过毛细作用将海水输送至蒸发界面；光热层是太阳能吸收材料，将光转换为热，将蒸发界面处的少量水加热蒸发，同时保证不接触大量水。太阳能驱动界面蒸发技术仅仅依靠太阳能即可源源不断地获取淡水，从一定程度上摆脱了传统海水淡化技术的两大制约因素，决定了其不仅适用于大规模、集中式的供水***，也适合小型化、便携式装置，在海岛及船舶用水保障方面极具潜力。
但是，太阳能驱动界面蒸发因蒸汽自然向上，蒸汽将凝结在上方的顶盖上，这一特点会导致严重的能量损耗，原因如下：一是凝结在透明顶盖上的蒸汽雾及水珠会导致严重的光散射损耗(高达35％)；二是由于光学透明度的要求，顶盖通常由聚合物(如亚克力等)或玻璃制成，这些材料由于自身透过率的限制，一般具有5～20％的光损耗，且导热系数K较低(K<5W m-1K-1)，不利于蒸汽冷凝所需的液化放热过程；三是太阳直射以及蒸汽液化放热会使顶盖温度上升，近一步影响后续的冷凝效果。
蒸汽在顶盖凝结后，经过收集获得高纯度饮用水，现有的光热驱动界面蒸发和收集配置方案，多采用自然的液滴滚落或人为震动的方案使顶盖凝结的水珠滴落，这将带来两点不利的影响：(1)顶盖的液滴滚落滴在光热面上，液滴回落进入蒸发层带来光热层的二次蒸发，这不仅会降低蒸发层的温度，降低蒸发效率，而且液体回流与供水通道的供给方向相反，影响供水通道持续输水；(2)人为震动的方案需要每隔一段时间进行人为干预，这不仅不方便，而且每次震动幅度与频率的不同将直接影响收集的效果，并且不适用于大规模设备。因此，受限于冷凝收集的配置方案，大部分蒸汽不能有效转化为收集的淡水，使得太阳能光热蒸发海水淡化***的综合太阳能转换效率低于50％。
综上所述，太阳能光热蒸发海水淡化***若要高效稳定地工作，源源不断地高效收集淡水，就需要解决上述蒸汽蒸发后必须在顶盖冷凝收集而导致的蒸汽不易冷凝、凝结水不易滚动收集、以及太阳能利用率低下问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种蒸发效率高、冷凝水收集效率高、成本低廉、应用场景广的太阳能光热蒸发蒸汽收集装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括透明顶盖以及与透明顶盖密封连接的内部有界面蒸发单元的收集装置，所述界面蒸发单元包含装有海水的储水罐，储水罐开口处安装有堆叠若干纤维布的绝热板，纤维布的两侧下垂入储水罐的海水中，纤维布位于绝热板上的部分负载有光热材料，收集装置的侧壁上安装有若干个能够将海水受热蒸发产生的蒸汽向内吹至收集装置的内壁上冷凝收集或向外抽出收集的气流扰动器。
所述的气流扰动器包括外壳以及安装在外壳内的风扇，风扇可正转或反转实现向内吹气或向外抽气。当向内吹气时侧壁封闭，外壳与侧壁之间留有一定间隙；当向外抽气时侧壁开孔，外壳向外伸出连接水管。
所述气流扰动器安装位置高于绝热板，低于透明顶盖底端。
所述透明顶盖为透明塑料或玻璃制成的平板、屋脊、圆锥、半球或方锥状结构。
所述收集装置采用导热性能良好的金属、塑料或玻璃材料制成。
所述绝热板的材质为聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫、酚醛树脂泡沫或木材。
所述纤维布的材质为具有毛细吸水作用的椰壳布、无纺布、棉布、麻布、化纤布或毛毡布。
所述光热材料采用碳基材料、半导体材料、具有等离子体基元吸收的金属纳米颗粒或碳化纤维布；所述碳基材料为炭黑、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、碳化钛或聚吡咯；所述半导体材料为硫化铜、黑氧化钛、铜铟镓硒或铜锌锡硫；所述金属纳米颗粒为铝、金、银、铂或钯。
本发明的有益效果为：
(1)本发明中设置有气流扰动器，该气流扰动器能够吹出或吸出垂直于蒸汽上升方向的水平风，将蒸汽吹到高热导率的侧壁上从而冷凝收集，或者将蒸汽吸出通过外接水管收集，这样使得蒸汽快速远离正上方，不会在透明顶盖上凝结。该设计能够防止蒸汽在顶盖凝结而带来的光损耗和不易冷凝收集等各种问题。同时，由于蒸发层上方的蒸汽被快速驱离，蒸气压降低，还能进一步促进海水的快速蒸发。因此，本发明既可以提高太阳能光热蒸发海水淡化***的蒸汽收集效率，还可以提高蒸发速率，两者共同提高综合太阳能转换效率。
(2)相对于常规的采用透明顶盖冷凝收集的方案，本发明由于不使用透明顶盖作为蒸汽冷凝收集部位，对透明顶盖的形状、材质、导热性能无特殊要求，因此只需透光性能好即可。对于气流扰动器向内吹气，在侧壁冷凝收集而言，仅需对收集装置内壁的材质、导热性能进行优化设计即可。对于气流扰动器向外抽气收集而言，甚至无需对收集装置的材质、导热性能进行优化设计。因此，本发明可以极大简化整个装置对材质和导热性能的要求，降低制造成本。
(3)相较于目前主流的RO及LT-MED海水淡化技术，本发明蒸发海水进行淡化时仅需使用太阳能作为唯一能源，风扇也可使用光伏驱动，摆脱了对大型能源及其设施的依赖、免除了对海水的预处理过程以及抗盐配件的周期性更换、拓展了海水淡化的适用范围，提升了淡化水质，能够实现从海水中直接生产生活用水及饮用水，不仅适用于大规模、集中式的供水***，也适合小型化、便携式装置，在海岛、沿海地区、船舶、海上平台及野外用水保障。
附图说明
图1是本发明的整体示意图；
图2是气流扰动器的示意图；
图3为在模拟太阳光下，太阳能光热蒸发海水淡化***有无带气流扰动器的蒸汽冷凝收集效果对比。
图中，1-透明顶盖，2-收集装置，3-界面蒸发单元，4-绝热板，5-纤维布，6-储水罐，7-气流扰动器，8-风扇、9-外壳，10-侧壁。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图及实施例对本发明结构原理及工作原理作出进一步说明。
如图1所示，本发明由平板亚克力透明顶盖1及亚克力桶制成的收集装置2拼接形成一个密封的整体。收集装置2中心处设置有装有海水的储水罐6，储水罐6开口处固定安装有高于海水液面的聚苯乙烯泡沫绝热板4，起支撑作用的同时也起到隔热作用。绝热板4上堆叠有若干椰壳纤维布5，其两端自然垂下浸入海水中成为水盐传输通道，通过毛细作用向纤维布5的位于绝热板的部分运送水分，该部分负载有炭黑光热材料，储水罐6、绝热板4及纤维布5共同构成界面蒸发单元3。气流扰动器7为正向旋转的风扇可向内吹气，安装在收集装置2的侧壁10上，与侧壁10之间留有一定间隙，安装位置高于位于绝热板4和透明顶盖之间，侧壁10封闭，气流扰动器7产生的气流将海水受热蒸发产生的蒸汽吹至收集装置2的侧壁10上冷凝，向下滚动到收集装置2的底部收集。如图2所示，气流扰动器7由外壳9和风扇8连接为一个整体，由太阳能电池板提供电能。
本发明具体的工作原理为：太阳光从透明顶盖1射入，照射在绝热板4上的光热材料，使之升温。纤维布5通过毛细作用将储水罐6中的海水源源不断地运输到光热材料上，海水受热向上蒸发。收集装置2的侧壁10上安装的若干个的气流扰动器7产生水平气流，将垂直上升的蒸汽吹至四周侧壁上冷凝或抽出收集，使蒸汽不会在透明顶盖上凝结，而海水会继续向上运送不断重复上述过程，海水蒸发与收集过程持续进行实现淡化。
图3为在模拟太阳光(300W氙灯结合AM 1.5G滤光片，CEL-PF300-T3，北京中教金源科技有限公司)下，太阳能光热蒸发海水淡化***有或无带气流扰动器的蒸汽冷凝收集效果对比，可见本发明可以有效驱离蒸汽使其不在透明顶盖处凝结，既可以提高太阳能光热蒸发海水淡化***的蒸汽收集效率，还可以提高蒸发速率，可使综合太阳能转换效率提高到80％以上。
实施例2
本发明由圆锥状亚克力透明顶盖1及玻璃桶制成的收集装置2拼接形成一个密封的整体。收集装置2中心处设置有装有海水的储水罐6，储水罐6开口处固定安装有高于海水液面的聚氨酯泡沫绝热板4，起支撑作用的同时也起到隔热作用。绝热板4上堆叠有若干无纺纤维布5，其两端自然垂下浸入海水中成为水盐传输通道，通过毛细作用向纤维布5的位于绝热板的部分运送水分，该部分负载有纳米铝颗粒光热材料，储水罐6、绝热板4及纤维布5共同构成界面蒸发单元3。气流扰动器7为反向旋转的风扇可向外抽气，安装在收集装置2的侧壁10上，侧壁10开孔，外壳9向外伸出连接水管，安装位置高于位于绝热板4和透明顶盖之间，气流扰动器7产生的气流将海水受热蒸发产生的蒸汽抽至外接水管中收集。气流扰动器7由外壳9和风扇8连接为一个整体，由太阳能电池板提供电能。

Claims (8)

1.一种太阳能光热蒸发蒸汽收集装置，其特征在于，包括透明顶盖(1)以及与透明顶盖(1)密封连接的内部设置有界面蒸发单元(3)的收集装置(2)，所述界面蒸发单元(3)包含装有海水的储水罐(6)，储水罐(6)开口处安装有堆叠若干纤维布(5)的绝热板(4)，纤维布(5)的两侧下垂入储水罐的海水中，纤维布(5)位于绝热板(4)上的部分负载有光热材料，收集装置(2)的侧壁(10)上安装有若干个能够将海水受热蒸发产生的蒸汽向内吹至收集装置(2)的内壁(10)上冷凝收集或向外抽出收集的气流扰动器(7)。
2.根据权利要求1所述的太阳能光热蒸发蒸汽收集装置，其特征在于，所述的气流扰动器(7)包括外壳(9)以及安装在外壳内的风扇(8)，风扇(8)可正转或反转实现向内吹气或向外抽气。当向内吹气时侧壁(10)封闭，外壳(9)与侧壁(10)之间留有一定间隙；当向外抽气时侧壁(10)开孔，外壳(9)向外伸出连接水管。
3.根据权利要求1所述的太阳能光热蒸发蒸汽收集装置，其特征在于，所述气流扰动器(7)安装位置高于绝热板(4)，低于透明顶盖(1)底端。
4.根据权利要求1所述的太阳能光热蒸发蒸汽收集装置，其特征在于，所述透明顶盖(1)为透明塑料或玻璃制成的平板、屋脊、圆锥、半球或方锥状结构。
5.根据权利要求1所述的太阳能光热蒸发蒸汽收集装置，其特征在于，所述收集装置(2)采用导热性能良好的金属、塑料或玻璃材料制成。
6.根据权利要求1所述的太阳能光热蒸发蒸汽收集装置，其特征在于，所述绝热板(4)的材质为聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫、酚醛树脂泡沫或木材。
7.根据权利要求1所述的太阳能光热蒸发蒸汽收集装置，其特征在于，所述纤维布(5)的材质为具有毛细吸水作用的椰壳布、无纺布、棉布、麻布、化纤布或毛毡布。
8.根据权利要求1所述的太阳能光热蒸发蒸汽收集装置，其特征在于，所述光热材料采用碳基材料、半导体材料、具有等离子体基元吸收的金属纳米颗粒或碳化纤维布；所述碳基材料为炭黑、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、碳化钛或聚吡咯；所述半导体材料为硫化铜、黑氧化钛、铜铟镓硒或铜锌锡硫；所述金属纳米颗粒为铝、金、银、铂或钯。
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