CN101671056B - 太阳能烟囱蒸馏淡化系统及其淡化方法 - Google Patents

太阳能烟囱蒸馏淡化系统及其淡化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能烟囱蒸馏淡化系统，包括位于集热棚上方的太阳能烟囱，集热棚外围设置有源水池和淡水池，太阳能烟囱的正下方设置有浓盐水池；太阳能烟囱的顶部设有间接式冷凝器，其外壁包裹有绝热材料，源水池与间接式冷凝器的入口之间连接有源水上水管道，源水上水管道中设置有输水泵；太阳能烟囱内设置有对源水进行雾化的喷嘴，间接式冷凝器的出口与喷嘴之间连接有源水下水管道，该管道上有高压泵；间接式冷凝器的下方设有淡水收集槽，淡水收集槽和淡水池之间连接有管道。同时，本发明中还公开了利用上述系统进行淡化的过程。本发明解决了传统太阳能蒸馏技术所存在的传热效率低、蒸发速率慢、淡水产量低、设备单位投资成本高等技术问题。

Description

太阳能烟囱蒸馏淡化系统及其淡化方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能利用装置，特别涉及一种利用太阳能烟囱对海水及苦咸水淡化的新型系统。
背景技术
为了增加淡水的供应，缓解用水紧张的局面，一条重要的解决途径就是利用淡化来制取淡水，但由于淡化的耗能主要来自于化石燃料(如煤、石油和天然气等)，而化石燃料成本的增加，将会抵消或超出淡化技术在其它方面的成本下降，从而降低了淡化供水的竞争力。除去这笔燃料费用以外，其带来的温室效应、空气污染等问题将会更为严重。而就我国而言，对于普遍缺水的广大农村、沿海孤岛等区域多集中于太阳能资源丰富的地带，利用清洁的太阳能从海水或苦咸水中制取淡水，必将受到人们的青睐。
在太阳能蒸馏系统中，提高其产水率和经济性将具有长远的现实意义。传统的被动式太阳能蒸馏器由于产水量过低，因此大大限制了其应用范围。尽管在后来的主动式太阳能蒸馏系统中，配备了太阳能集热器，如平板集热器、槽形抛物面或真空管等，提高了其单位采光面积的产水量，但另一方面也使得单位产量的设备投资也再相应增加。
太阳能烟囱技术是在1978年由德国斯图加特大学J.Schlaich教授首先提出的，随后由德国政府和西班牙一家电力企业联合资助，在1982年西班牙Manzanres建成了世界上第一座太阳能烟囱发电站。这座试验性电站的烟囱高度为195m，烟囱直径为10.13m，集热棚覆盖区域的直径约为242m，集热棚的面积约为46000m2。试验证明该系统运行安全可靠，其在白天的最高输出功率可为100kW，在夜间的输出功率也可达到40kW左右。自德国首个太阳能烟囱电站建成之后，许多国家对这种简洁而且环保的发电方式表现出了浓厚的兴趣，相继开展了一系列相关的技术研究。然而，由于该系统所形成的热风能量品位较低，同时受到风力透平工作效率的限制，因此太阳能烟囱发电的实际能量转化效率很低，一般只有1％左右。
例如，公开号是CN101358578，其公开日是2009年2月4日的中国发明专利申请公开了一种利用太阳能进行烟囱发电及海水淡化的装置，包括太阳能烟囱、透明集热棚、太阳能蒸馏池、涡轮发电机组，透明集热棚覆盖在支撑组上，位于太阳能烟囱与透明集热棚连接处的太阳能烟囱内设置涡轮发电机组；位于透明集热棚的下方设置太阳能蒸馏池和岩石蓄热层，太阳能蒸馏池的上端斜向设置透明盖板，太阳能蒸馏池的下端分别连接海水输入管、盐水输出管、淡水输出管。利用该结构太阳能烟囱进行海水淡化存在的不足之处是：此装置依然是通过受热面来加热蒸发海水，由于海水的受热面积有限且热容量较大，因此蒸馏池内海水的蒸发温度没有明显提升；在太阳能蒸馏池内，水蒸气也仍是依靠自然对流的换热模式，因此水蒸气的冷凝速率也受到了较大的限制，装置的实际能量转化效率低，淡水产量有限。为了能有效提高太阳能烟囱的适用性和经济性，目前，亟待开发一种利用太阳能烟囱中的热风来蒸馏雾化后的海水及苦咸水新型淡化系统，从而对海水或苦咸水进行强化蒸发，以有效提高淡化装置的能量利用率和淡水产量。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供了一种太阳能烟囱蒸馏淡化系统，其目的是将太阳能烟囱技术、温室技术、低温蒸发以及间接冷凝技术有机地结合为一体，从而克服传统太阳能蒸馏技术所具有的传热效率低、蒸发速率慢、淡水产量低、设备单位投资成本高等缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明太阳能烟囱蒸馏淡化系统予以实现的技术方案是：该太阳能烟囱蒸馏淡化系统，包括位于集热棚上方的太阳能烟囱，所述集热棚的外围设置有源水池和淡水池，所述太阳能烟囱的正下方设置有浓盐水池；所述太阳能烟囱的顶部设有间接式冷凝器，所述太阳能烟囱的外壁包裹有绝热材料，所述源水池与间接式冷凝器的入口之间连接有源水上水管道，所述源水上水管道中设置有输水泵；所述太阳能烟囱内设置有对源水进行雾化的喷嘴，所述间接式冷凝器的出口与喷嘴之间连接有源水下水管道，所述源水下水管道上设置有高压泵；所述间接式冷凝器的下方设有淡水收集槽，所述淡水收集槽和淡水池之间连接有淡水下水管道。
利用上述太阳能烟囱蒸馏淡化系统进行淡化的过程是：源水在输水泵的作用下，从集热棚外围的源水池经源水上水管道送入至太阳能烟囱上方的间接式冷凝器；源水在间接式冷凝器中与上升至太阳能烟囱顶部的水蒸汽进行间接换热，水蒸汽被冷凝成为液态淡水，并收集于间接式冷凝器下方的淡水收集槽中，不凝气则从太阳能烟囱顶部排出，淡水收集槽中的淡水在高度压差的作用下，从淡水收集槽经淡水下水管道流至淡水池；与此同时，利用水蒸汽的凝结潜热来对源水进行预热，经过预热后的源水从间接式冷凝器经源水下水管道送至位于太阳能烟囱中部的高压泵，高压泵再把源水提升到一定压力之后打入进太阳能烟囱内部的喷嘴；源水以雾滴的形式从喷嘴喷出，雾滴在下落的过程中与上升的热气流直接接触换热，蒸发所形成的水蒸汽上升至间接式冷凝器，并最终被相对低温的源水冷凝成为淡水；蒸发后的雾滴在重力作用下坠落在浓盐水池中形成高浓度的盐水。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：源水经过雾化后形成雾滴与热空气直接接触，与传统太阳能蒸馏器相比，增大了源水有效的换热面积，而且所需设备相对简单。在太阳能烟囱中，雾滴在下降过程中与上升的热空气之间具有较高的相对速度，因此雾滴在空气的高温与风速的共同作用下实现强化蒸发，可显著提高系统的蒸发效率。蒸发后的水蒸汽被相对低温的源水冷凝，使水蒸汽的潜热得到了回收利用，不仅提高了系统的能量利用率，同时提升了源水的温度，有利于增强源水雾化后的蒸发效果。蒸发后的雾滴汇集后形成的浓盐水，可用于制盐、化工以及盐水生物养殖等有益用途，可进一步提高太阳能烟囱海水及苦咸水蒸馏淡化系统的综合经济效益。
附图说明
附图是本发明太阳能烟囱蒸馏淡化系统的结构示意图。
本发明说明书附图中主要零部件及细节说明：1、源水池，2、源水上水管道，3、输水泵，4、间接式冷凝器，5、淡水收集槽，6、源水下水管道，7、淡水下水管道，8、太阳能烟囱，9、高压泵，10、喷嘴，11、绝热材料，12、集热棚，13、淡水池，14、浓盐水池。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如附图所示，本发明太阳能烟囱蒸馏淡化系统包括位于集热棚12上方的太阳能烟囱8，所述太阳能烟囱8采用钢筋混凝土、砖石或塑料材质建造而成，所述集热棚12的形状为圆形，其材质采用透光塑料或玻璃建造而成，所述集热棚12的外沿与地面保持1-2m的间距，所述集热棚12从其外沿至与太阳能烟囱8的结合部位呈1-3°的安装倾角。所述集热棚12的外围设置有源水池1和淡水池13，所述太阳能烟囱8的正下方设置有浓盐水池14，所述浓盐水池14的外形为倒圆台形状。所述太阳能烟囱8的顶部设有间接式冷凝器4，所述间接式冷凝器4的结构型式为列管式或板式换热器，其材质采用不锈钢、铝合金、铜或钛。所述太阳能烟囱8的外壁包裹有绝热材料11，所述绝热材料11采用聚苯乙烯泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料或由聚苯乙烯和聚氨酯形成的复合材料建造而成。所述源水池1与间接式冷凝器4的入口之间连接有源水上水管道2，所述源水上水管道2中设置有输水泵3；所述太阳能烟囱8内设置有对源水进行雾化的喷嘴10，所述间接式冷凝器4的出口与喷嘴10之间连接有源水下水管道6，所述源水下水管道6上设置有高压泵9；所述间接式冷凝器4的下方设有淡水收集槽5，所述淡水收集槽5和淡水池13之间连接有淡水下水管道7。
本发明太阳能烟囱蒸馏淡化系统的工作原理是：太阳光经集热棚12射向至地面，被加热的地面与集热棚12内的空气之间发生热交换，使集热棚12内的空气温度升高。由于温室效应，集热棚能够很好地阻隔地面发出的长波辐射，从而可有效减少在集热棚12中太阳辐射能的热损失。受热空气由于密度下降而上升，进入位于集热棚12中心上方的太阳能烟囱8。在太阳能烟囱8的抽拔力作用下，热空气进入太阳能烟囱8内并形成一股强大的上升热气流。在太阳能烟囱8的外壁上包覆有绝热材料11，绝热材料11可有效防止热气流在沿烟道上升过程中的热量损失。与此同时，外部的冷空气通过集热棚12的外沿与地面的间隙进入集热棚12中，从而在集热棚12内形成了空气的连续流动。源水则通过高压泵9打入进太阳能烟囱8内部的喷嘴10，然后以雾滴的形式在太阳能烟囱8内部与上升的热空气进行强化蒸发。在间接式冷凝器4中，蒸发后的水蒸气则被相对低温的源水冷凝为液态淡水，同时也利用源水预热提高在太阳能烟囱8内部雾化蒸发的性能。蒸发后的雾滴在重力作用下汇集于浓盐水池14，从而形成高浓度的盐水。
实施例：
对本实施例而言，集热棚12的形状设计为圆形，直径为400m，占地面积为1.26×105m2，材质可选用透光塑料或玻璃。集热棚12的外沿与地面保持2m的间距。集热棚12从外沿至与太阳能烟囱8的结合部位呈2°的安装倾角。太阳能烟囱8建于集热棚12的中心位置，与地面成垂直倾角。太阳能烟囱8的总高度为100m，直径为7m。太阳能烟囱8可选用钢筋混凝土、砖石或塑料材质建造。在太阳能烟囱8的外壁包覆有厚度为20cm的绝热材料11。绝热材料11可选用聚苯乙烯泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料或上述复合材料建造而成。在集热棚12的外围建有源水池1，源水池1的建造尺寸为长10m，宽5m，深2m。源水上水管道2分别与源水池1、输水泵3和间接式冷凝器4相连接。在输水泵3的作用下，源水从源水池1沿源水上水管道2泵入至间接式冷凝器4。间接式冷凝器4安装于太阳能烟囱8的顶部。间接式冷凝器4的结构形式可为列管式或板式换热器，材质可选用不锈钢、铝合金、铜或钛。源水在间接式冷凝器4中与水蒸汽进行逆向换热。水蒸汽经过冷凝后成为液态淡水，淡水在重力作用下汇聚在位于间接式冷凝器4下方的淡水收集槽5中。淡水下水管道7分别与淡水收集槽5和淡水池13相连接。收集后的淡水则从淡水收集槽5沿淡水下水管道7流至淡水池13。淡水池13建于集热棚12的外围，淡水池13的建造尺寸为长5m，宽5m，深2m。经过预热后的源水则从间接式冷凝器4沿源水下水管道6流至高压泵9。高压泵9将源水提升到1Mpa的压力后送至喷嘴10。喷嘴10对源水经行雾化，雾滴的平均直径保持在0.5-2mm之间。蒸发后的雾滴在重力作用下落入至太阳能烟囱8正下方的浓盐水池14中。浓盐水池14的外形为倒圆台形状，大圆直径为8m，小圆直径为6m，深2m。
本发明太阳能烟囱蒸馏淡化系统的淡化过程是：依据当地的可用水源，本发明太阳能烟囱蒸馏淡化系统可将海水或苦咸水作为淡化的源水。源水在输水泵3的作用下从集热棚12外围的源水池1经源水上水管道2送入至太阳能烟囱8上方的间接式冷凝器4。在间接式冷凝器4中，源水与上升至太阳能烟囱8顶部的水蒸汽进行间接换热，水蒸汽被冷凝成为液态淡水，并收集于间接式冷凝器4下方的淡水收集槽5中，不凝气则从太阳能烟囱8的顶部排出，同时利用水蒸汽的凝结潜热来对源水进行预热。淡水收集槽5中的淡水在高度压差的作用下，从淡水收集槽5经淡水下水管道7流至淡水池13。预热后的源水经源水下水管道6送至位于太阳能烟囱8中部的高压泵9。高压泵9在把源水提升到一定压力之后打入进太阳能烟囱8内部的喷嘴10。源水以雾滴的形式从喷嘴10喷出，雾滴在下落的过程中与上升的热气流直接接触换热。蒸发所形成的水蒸汽上升至间接式冷凝器4，并最终被相对低温的源水冷凝成为淡水，而蒸发后的雾滴则坠落在浓盐水池14中形成高浓度的盐水。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种太阳能烟囱蒸馏淡化系统，包括位于集热棚(12)上方的太阳能烟囱(8)，其特征是：
所述集热棚(12)的外围设置有源水池(1)和淡水池(13)，所述太阳能烟囱(8)的正下方设置有浓盐水池(14)；
所述太阳能烟囱(8)的顶部设有间接式冷凝器(4)，所述太阳能烟囱(8)的外壁包裹有绝热材料(11)，所述源水池(1)与间接式冷凝器(4)的入口之间连接有源水上水管道(2)，所述源水上水管道(2)中设置有输水泵(3)；
所述太阳能烟囱(8)内设置有对源水进行雾化的喷嘴(10)，所述间接式冷凝器(4)的出口与喷嘴(10)之间连接有源水下水管道(6)，所述源水下水管道(6)上设置有高压泵(9)；
所述间接式冷凝器(4)的下方设有淡水收集槽(5)，所述淡水收集槽(5)和淡水池(13)之间连接有淡水下水管道(7)。
2.根据权利要求1所述的太阳能烟囱蒸馏淡化系统，其特征是：所述太阳能烟囱(8)采用钢筋混凝土、砖石或塑料材质建造而成。
3.根据权利要求1所述的太阳能烟囱蒸馏淡化系统，其特征是：所述集热棚(12)的形状为圆形，其材质采用透光塑料或玻璃建造而成。
4.根据权利要求1所述的太阳能烟囱蒸馏淡化系统，其特征是：所述集热棚(12)的外沿与地面保持1-2m的间距，所述集热棚(12)从其外沿至与太阳能烟囱(8)的结合部位呈1-3°的安装倾角。
5.根据权利要求1所述的太阳能烟囱蒸馏淡化系统，其特征是：所述间接式冷凝器(4)的结构型式为列管式或板式换热器，其材质采用不锈钢、铝合金、铜或钛。
6.根据权利要求1所述的太阳能烟囱蒸馏淡化系统，其特征是：所述绝热材料(11)采用聚苯乙烯泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料或由聚苯乙烯和聚氨酯形成的复合材料建造而成。
7.根据权利要求1所述的太阳能烟囱蒸馏淡化系统，其特征是：所述浓盐水池(14)的外形为倒圆台形状。
8.一种太阳能烟囱蒸馏淡化方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的太阳能烟囱蒸馏淡化系统进行海水及苦咸水淡化的过程是：
源水在输水泵(3)的作用下，从集热棚(12)外围的源水池(1)经源水上水管道(2)送入至太阳能烟囱(8)上方的间接式冷凝器(4)；
源水在间接式冷凝器(4)中与上升至太阳能烟囱(8)顶部的水蒸汽进行间接换热，水蒸汽被冷凝成为液态淡水，并收集于间接式冷凝器(4)下方的淡水收集槽(5)中，不凝气则从太阳能烟囱顶部排出，淡水收集槽(5)中的淡水在高度压差的作用下，从淡水收集槽(5)经淡水下水管道(7)流至淡水池(13)；
与此同时，利用水蒸汽的凝结潜热来对源水进行预热，经过预热后的源水从间接式冷凝器(4)经源水下水管道(6)送至位于太阳能烟囱(8)中部的高压泵(9)，高压泵(9)再把源水提升到一定压力之后打入进太阳能烟囱(8)内部的喷嘴(10)；
源水以雾滴的形式从喷嘴(10)喷出，雾滴在下落的过程中与上升的热气流直接接触换热，蒸发所形成的水蒸汽上升至间接式冷凝器(4)，并最终被相对低温的源水冷凝成为淡水；
蒸发后的雾滴在重力作用下坠落在浓盐水池(14)中形成高浓度的盐水。
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