CN101671057B - 太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化系统及其淡化方法 - Google Patents

太阳能烟囱与风车综合利用的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与风车综合利用的蒸馏淡化系统，包括位于集热棚上方的太阳能烟囱，集热棚为由双层透明材质形成的夹层结构，其外围设置有源水池和淡水池，其下方铺设有储热材料；太阳能烟囱的正下方设置有浓盐水池，烟囱外壁包裹有绝热材料，太阳能烟囱的顶部设置有间接式冷凝器和风车，风车的回转轴上设置一发电机；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，发电机通过电线与输水泵连接；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；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。本发明采用风能与太阳能的优势互补。

Description

太阳能烟囱与风车综合利用的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，特别涉及一种将太阳能烟囱和风车综合利用的海水及苦咸水淡化的新型系统。
背景技术
淡水是人类社会赖以生存和发展的物质基础之一。随着我国国民经济和工农业生产的迅速发展，各地用水量和需水量还再不断增加，水资源供求矛盾将日益尖锐。除此之外，我国淡水资源的分布又极不平均，在西部内陆地区存在大量荒漠和半荒漠地区，这些地区雨量稀少，严重缺水，不少水源含盐量较高，不能直接饮用，也不能供工农业利用。而在我国东部沿海，一些岛屿和沿海盐碱地区也均属淡水缺乏地区。这些地区淡水供应则主要依靠自然降雨的收集或船只从外地装运，不仅成本高，而且淡水补给十分有限，远远不能满足当地居民的生活以及国防、科研观测考察以及旅游开发等方面需求。因此，水资源短缺问题在我国可持续发展战略、西部及沿海岛屿的开发与利用、维护海上领土主权等方面将日益突出。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对海水或苦咸水实施淡化，但由于淡化要消耗大量的能源，同时还会造成大量温室气体的排放，因此利用可再生能源驱动淡化将会越来越受到人们的青睐。
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。
而就我国而言，在西部内陆和东部沿海岛屿地区蕴藏着丰富的太阳能和风能资源。因此，目前急需开发一种能够充分利用当地丰富的可再生能源服务于海水或苦咸水淡化的系统。
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与风车综合利用的蒸馏淡化系统，其目的是利用风车为淡化提供输水动力并使源水雾化，利用太阳能烟囱所形成的热风来蒸发雾化后的源水。通过将风车与太阳能烟囱集成建造，实现了两者结构与功能的一体化，以及风能与太阳能之间的优势互补。与传统的可再生能源淡化设备相比，本发明具有更高的能源使用效率和系统可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化系统予以实现的技术方案是：包括位于集热棚上方的太阳能烟囱，所述集热棚为由双层透明材质形成的夹层结构，所述集热棚的外围设置有源水池和淡水池，所述集热棚的下方铺设有储热材料；所述太阳能烟囱的正下方设置有浓盐水池，所述太阳能烟囱的外壁包裹有绝热材料，所述太阳能烟囱的顶部设置有间接式冷凝器和风车，所述风车的回转轴上设置一发电机；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，所述发电机通过电线与输水泵连接；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与风车综合利用的蒸馏淡化系统进行海水淡化的过程是：风车将风能转化为机械能，再通过发电机转化为电能提供给输水泵，输水泵将源水从集热棚外围的源水池经源水上水管道泵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逆向换热，水蒸汽经过冷凝后形成液态淡水，并在重力作用下汇聚到位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流至位于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，最终被相对低温的源水冷凝成为淡水；收集后的淡水从淡水收集槽沿淡水下水管道流至淡水池；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：由于本发明系统中的集热棚采用了双层透明材质，具有更好的保温绝热效果。在集热内铺设有储热材料，可将白天过多的太阳辐射能储存起来，而在晚上再将这部分热量释放出来用以加热集热棚内的空气，保证了淡化系统连续运行的能力。将太阳能烟囱作为风车的塔架，风车将太阳能烟囱上方的风能转化为电能，并将此电能用于驱动输水泵来为淡化系统提供源水。在太阳能烟囱抽拔力的作用下，使集热棚内产生的热空气被吸入太阳能烟囱内并形成一股强大的上升热气流。在由太阳能烟囱高度所自然形成的水压差驱动下，源水经喷嘴在烟道内形成雾滴并与热空气直接接触，雾滴在空气的高温与风速的共同作用下实现强化蒸发，从而还省去了高压泵等辅助设施。水蒸汽在间接式冷凝器处被冷凝成为淡水，源水经过预热后温度升高，增强了源水雾化后的蒸发效果，同时也使水蒸汽的潜热得到了回收利用。在浓盐水池中所收集的浓盐水可用于制盐、化工以及盐水生物养殖等有益用途。另外，风车和太阳能烟囱还具有旅游观光的潜在价值。基于上述特点，本发明太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化系统具有良好的综合经济效益，符合我国节能减排和可再生能源的发展政策。
附图说明
附图是本发明太阳能烟囱与风车综合利用的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、输电线，5、风车，6、发电机，7、间接式冷凝器，8、淡水收集槽，9、源水下水管道，10、淡水下水管道，11、太阳能烟囱，12、喷嘴，13、绝热材料，14、集热棚，15、储热材料，16、淡水池，17、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，本发明太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化系统包括位于集热棚14上方的太阳能烟囱11；所述集热棚14为由双层透明材质形成的夹层结构，所述集热棚14的形状为圆形，其材质采用透光塑料或玻璃建造而成，其夹层结构中的上层外沿与地面保持1-2m的间距，所述集热棚14从其外沿至与太阳能烟囱11的结合部位呈1-3°的安装倾角。所述集热棚14的外围设置有源水池1和淡水池16，所述集热棚14的下方铺设有储热材料15，所述储热材料15可以采用由沙石或混凝土块构成的固体储热材料。所述储热材料15还可以采用由水或导热油构成的液体储热材料，所述液体储热材料灌入一由PVC涤纶复合材料构成的囊体中。所述储热材料15也可采用Na2SO4.10H2O或CaCl2.6H2O熔融盐材料，该熔融盐材料装填到一由PVC涤纶复合材料构成的囊体中。所述太阳能烟囱11采用钢筋混凝土或砖石材质建造而成，所述太阳能烟囱11的正下方设置有浓盐水池17，所述太阳能烟囱11的外壁包裹有绝热材料13，所述绝热材料13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。所述太阳能烟囱11的顶部设置有间接式冷凝器7和风车5，风车5可以利用太阳能烟囱11作为自身的塔架而安装在太阳能烟囱11的顶部，所述间接式冷凝器7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。所述风车5的回转轴上设置一发电机6；所述源水池1与间接式冷凝器7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，所述发电机6通过电线4与输水泵3连接；所述太阳能烟囱8内设置有对源水进行雾化的喷嘴12，所述间接式冷凝器7的出口与喷嘴12之间连接有源水下水管道9；所述间接式冷凝器7的下方设有淡水收集槽8，所述淡水收集槽8和淡水池16之间连接有淡水下水管道10。
本发明太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化系统的工作原理是：太阳光经集热棚14射向至储热材料15，被加热的储热材料15与集热棚14内的空气之间发生热交换，使集热棚14内的空气温度升高。在白天，储热材料15能将部分的太阳辐射能储存起来，而在夜晚再将所储存的热量释放出来，继续加热集热棚14内的空气，使淡化系统能够在夜间也可以连续运行。由于温室效应，集热棚14能够很好地阻隔储热材料15发出的长波辐射，而且集热棚14采用了双层透明材质，具有更好的保温绝热效果。受热空气由于密度下降而上升，进入位于集热棚14中心上方的太阳能烟囱11。在太阳能烟囱11的抽拔力作用下，进入太阳能烟囱11内的热空气形成了一股强大的上升热气流。在太阳能烟囱11的外壁上包覆有绝热材料13，绝热材料13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14的外沿与地面的间隙进入集热棚14中，从而在集热棚14内形成了空气的连续流动。将太阳能烟囱11作为风车5的塔架，风车5将太阳能烟囱11上方的风能转化为电能，并将此电能用于驱动输水泵3来为淡化系统提供源水。源水则通过输水泵3打入进间接式冷凝器7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11内部雾化蒸发的性能。太阳能烟囱11内部的喷嘴12将源水以雾滴的形式与上升的热空气相接触，以对源水进行强化蒸发。蒸发后的雾滴在重力作用下汇集于浓盐水池17，从而形成高浓度的盐水。
实施例：
集热棚14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14采用双层夹层结构，夹层具有20cm的间隙。集热棚14从其外沿至太阳能烟囱11的结合部位呈2°的安装倾角。集热棚14的上层外沿与地面保持2m的间距。在集热棚14的下方铺设有储热材料15，储热材料15可选用沙石或混凝土块固体储热材料，或利用PVC涤纶复合材料制成囊体在往里面灌装水或导热油液体储热材料或装填Na2SO4.10H2O或CaCl2.6H2O熔融盐材料。太阳能烟囱11建于集热棚14的中心位置，与地面成垂直倾角。太阳能烟囱11的总高度为200m，直径为7m。太阳能烟囱11可选用钢筋混凝土或砖石材质建造。在太阳能烟囱11的外壁包覆有厚度为20cm的绝热材料13。绝热材料13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14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7相连接。在太阳能烟囱11的顶部分别建有间接式冷凝器7、风车5和发电机6。发电机6与风车5的输出轴相联，并置于间接式冷凝器7的右侧方。风车5的桨叶直径为10m，材质可为玻璃钢、玻璃纤维、帆布或木材。风车将风能转化为可用机械能，再通过发电机6转化为电能。通过输电线4将电能输送给输水泵3。输水泵3将源水从源水池1沿源水上水管道2泵入至间接式冷凝器7。间接式冷凝器7的结构型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7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7下方的淡水收集槽8中。淡水下水管道10分别与淡水收集槽8和淡水池16相连接。收集后的淡水从淡水收集槽8沿淡水下水管道10流至淡水池16。淡水池16建于集热棚14的外围，淡水池16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7沿源水下水管道9流至位于太阳能烟囱11中部的喷嘴12。喷嘴12利用太阳能烟囱11自然高度所形成的水压差对源水经行雾化，源水雾化后所形成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11正下方的浓盐水池17中。浓盐水池17的外形为倒圆台形状，大圆直径为8m，小圆直径为6m，深2m。
本发明太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化系统的淡化过程是：风车5将风能转化为可用机械能，再通过发电机6转化为电能，并通过输电线4将电能传输给输水泵3，依据当地的可用水源，该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14外围的源水池1经源水上水管道2送入至太阳能烟囱11上方的间接式冷凝器7。源水在间接式冷凝器7中与上升至太阳能烟囱11顶部的水蒸汽进行逆向换热，水蒸汽经过冷凝后形成液态淡水，并在重力作用下汇聚到位于间接式冷凝器7下方的淡水收集槽8中，不凝气则从太阳能烟囱11顶部排出，淡水收集槽8中的淡水在高度压差的作用下，从淡水收集槽8经淡水下水管道10流至淡水池16。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7经源水下水管道9流至位于太阳能烟囱11内部的喷嘴12，喷嘴12利用太阳能烟囱11自然形成的水压差，在太阳能烟囱11内部将源水以雾滴的形式喷出，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7，最终被相对低温的源水冷凝成为淡水；收集后的淡水从淡水收集槽8沿淡水下水管道10流至淡水池16；蒸发后的雾滴在重力作用下坠落在浓盐水池17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 (10)

1.一种太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化系统，包括位于集热棚(14)上方的太阳能烟囱(11)，其特征是：
所述集热棚(14)为由双层透明材质形成的夹层结构，所述集热棚(14)的外围设置有源水池(1)和淡水池(16)，所述集热棚(14)的下方铺设有储热材料(15)；
所述太阳能烟囱(11)的正下方设置有浓盐水池(17)，所述太阳能烟囱(11)的外壁包裹有绝热材料(13)，所述太阳能烟囱(11)的顶部设置有间接式冷凝器(7)和风车(5)，所述风车(5)的回转轴上设置一发电机(6)；所述源水池(1)与间接式冷凝器(7)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)，所述发电机(6)通过电线(4)与输水泵(3)连接；
所述太阳能烟囱(11)内设置有对源水进行雾化的喷嘴(12)，所述间接式冷凝器(7)的出口与喷嘴(12)之间连接有源水下水管道(9)；所述间接式冷凝器(7)的下方设有淡水收集槽(8)，所述淡水收集槽(8)和淡水池(16)之间连接有淡水下水管道(10)。
2.根据权利要求1所述的太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化系统，其特征是：所述太阳能烟囱(11)采用钢筋混凝土或砖石材质建造而成。
3.根据权利要求1所述的太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化系统，其特征是：所述集热棚(14)的形状为圆形，其材质采用透光塑料或玻璃建造而成，其夹层结构中的上层外沿与地面保持1-2m的间距，所述集热棚(14)从其外沿至与太阳能烟囱(11)的结合部位呈1-3°的安装倾角。
4.根据权利要求1所述的太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化系统，其特征是：所述储热材料(15)采用由沙石或混凝土块构成的固体储热材料。
5.根据权利要求1所述的太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化系统，其特征是：所述储热材料(15)采用由水或导热油构成的液体储热材料，所述液体储热材料灌入一由PVC涤纶复合材料构成的囊体中。
6.根据权利要求1所述的太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化系统，其特征是：所述储热材料(15)采用Na2SO4·10H2O或CaCl2·6H2O熔融盐材料，该熔融盐材料装填到一由PVC涤纶复合材料构成的囊体中。
7.按照权利要求1所述的太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化系统，其特征是：所述间接式冷凝器(7)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。
8.根据权利要求1所述的太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化系统，其特征是：所述绝热材料(13)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。
9.根据权利要求1所述的太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化系统，其特征是：所述浓盐水池(17)的外形为倒圆台形状。 
10.一种太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的太阳能烟囱与风车综合利用的蒸馏淡化系统进行海水及苦咸水淡化的过程是：
风车(5)将风能转化为机械能，再通过发电机(6)转化为电能提供给输水泵(3)，输水泵(3)将源水从集热棚(14)外围的源水池(1)经源水上水管道(2)泵入至太阳能烟囱(11)上方的间接式冷凝器(7)；
源水在间接式冷凝器(7)中与上升至太阳能烟囱(11)顶部的水蒸汽进行逆向换热，水蒸汽经过冷凝后形成液态淡水，并在重力作用下汇聚到位于间接式冷凝器(7)下方的淡水收集槽(8)中，不凝气则从太阳能烟囱(11)顶部排出，淡水收集槽(8)中的淡水在高度压差的作用下，从淡水收集槽(8)经淡水下水管道(10)流至淡水池(16)；
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(7)经源水下水管道(9)流至位于太阳能烟囱(11)内部的喷嘴(12)，源水以雾滴的形式从喷嘴(12)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(7)，最终被相对低温的源水冷凝成为淡水；收集后的淡水从淡水收集槽(8)沿淡水下水管道(10)流至淡水池(16)；
蒸发后的雾滴在重力作用下坠落在浓盐水池(17)中形成高浓度的盐水。 
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