CN101993166B - 一种太阳能热光伏海水淡化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能利用领域，以一种改进的太阳能热光伏发电系统为核心，结合多级闪蒸法和电渗析法海水淡化的特点和要求，设计出一种太阳能热光伏海水淡化装置。该装置采用了太阳能聚光和分光相结合的措施，针对系统特点合理分配了聚焦太阳能向热能和电能的转化比例，可同时满足海水淡化过程中对热能和电能的需求量。装置在设计时考虑到系统中电能充足和电渗析法装置简单的特点，将电渗析法作为一种海水粗过滤的手段，以降低进入闪蒸室海水的浓度，从而改善了闪蒸操作时的装置结垢状况，可延长装置的使用寿命，进一步提高第一级闪蒸室进口海水的操作温度，提高淡水的生产量，实现了太阳能和水资源的综合利用，适合无电缺水或少电缺水地区使用。
Description
技术领域
本发明属于太阳能利用领域，属一种新型的太阳能利用技术，特指一种综合利用太阳能产生的热能和电能来进行海水淡化的技术。
背景技术
淡水是人类社会赖以生存和发展的基本资源之一。地球上的水资源总量很多，但淡水仅占不到3 %，剩下的都是海水资源。随着世界环境的变化，人口的增加、生活水平的提高以及工业的快速发展，当今整个世界都面临严重的淡水资源短缺的局面；从某种意义上说，海水才是取之不尽、用之不竭的主要水源，因此，开发和利用海水淡化技术是未来解决全球性淡水资源供需矛盾最有效的途径。
传统的海水淡化方法有多级闪蒸、低温多效、电渗析法、压汽蒸馏、反渗透膜法、冷冻法等数十种，其中多级闪蒸法、反渗透膜法和低温多效蒸馏法是全球主流技术；多级闪蒸法具有技术成熟、运行可靠、装置产量大等优点，但能耗偏高，而电渗析法具有装置简单、不污染环境、单位能耗产水率高等显著特点；传统的海水淡化装置都需要外部装置提供能量，因此为解决海水淡化的供能问题有人提出了利用太阳能实现海水淡化的装置，其中包括有直接利用太阳光聚焦淡化海水的装置、光伏聚光发电海水淡化装置等。
太阳能热光伏是一种新型的太阳能利用技术，它的基本工作原理是利用光学组件先聚光，再利用汇聚的光能加热辐射器，最后利用低带隙光电池将辐射器辐射出来的光子转变为电能，由于能量较低的光子也参与加热辐射器而使辐射器辐射出来的光子增加，而且辐射器的辐射频率是与光电池的吸收频率匹配的，这样原来不能进行直接光电转换的能量能够被利用起来，在光电转换效率相同，太阳能热光伏发电系统输出功率密度可达一般太阳能光伏发电系统的几十倍。
因此，如果能将太阳能热光伏发电系统同传统的海水淡化装置结合起来，既可以保留目前海水淡化工艺中的一些成熟技术，又可以充分利用太阳能为海水淡化过程提供充足的热能和动力消耗，我们有理由相信这样的一套装置必将对缓解淡水资源危机着重要的现实意义。
发明内容
本发明以一种改进的太阳能热光伏发电系统为核心，结合多级闪蒸法和电渗析法海水淡化的特点和要求，设计出一种新型的太阳能热光伏海水淡化装置。
本发明装置主要由太阳能热光伏系统、海水淡化系统两大部分组成。
所述太阳能热光伏系统由菲涅尔透镜、 镀有选择性光学膜玻璃板、集热器、辐射器、光伏电池以及蓄电池组成，工作时利用菲涅尔透镜聚焦太阳光，使得光线首先被聚焦到镀有选择性光学膜玻璃板上，玻璃板可对光线进行分光，其中短波辐射被反射到辐射器上并对其进行加热，高温下辐射器可发射出同光伏电池能很好匹配的特定波长热辐射，它们通过光伏电池的光电转换作用转变为电能输出，这些电 能被存储在蓄电池中，为后续的海水淡化过程等提供能源；光伏电池板背后安装了冷却通道，利用冷却水在通道内的对流换热过程对光电池进行冷却，以维持光伏电池的合理工作温度，保证光电转换的效率。
海水淡化系统包括电渗析装置和多级闪蒸室，其中电渗析海水淡化装置用作对海水进行粗过滤并置于多级闪蒸室之前，电渗析装置和多级闪蒸室工作过程中所需要的电能均由太阳能热光伏系统提供。
所述海水淡化系统中存在两套水路，其一是原料海水水路，另一个是能在不同位置对原料海水进行预热的电池循环冷却水的水路，为此在系统中设置了多个热交换器以实现不同温度海水和电池循环冷却水之间的热量交换。
原料海水在淡化过程中，首先在一个电渗析装置中进行粗过滤，使得海水浓度得以降低，然后再经多级闪蒸室进一步淡化，同时分离出的废水排入浓海水池。采用多级闪蒸法淡化前，粗过滤海水依次进入两个热交热器被较高温度的电池冷却循环水以及末级闪蒸室排除的浓海水进行预热，随后从末级闪蒸室上部开始逆向流入各级闪蒸室，经闪蒸室产生的蒸汽预热后，到达第三个热交换器并被从集热器流出的电池循环冷却水加热至第一级闪蒸所需的80℃左右温度后依次进入压力逐渐降低的闪蒸室中，逐级进行闪蒸、预热粗过滤海水，最后冷凝为淡水汇入淡水池中，末级闪蒸室排出的浓海水流入浓海水池。
另一套水路采用循环流动的方式，循环水流经电池背部冷却通道时吸收电池光电转化的废热后温度升高，随后经输送管道流至安装在玻璃板后的集热器内部，集热器吸收了聚焦太阳光中的长波辐射能因此可大幅提升冷却水的温度至90℃左右，接着高温冷却水进入上文提到的第三个热交换器中与即将进入第一级闪蒸室的海水进行热量交换，随后这部分冷却水继续流至另一个热交换器，并与同时汇入热交换器的粗过滤海水继续进行换热，从而再次成为低温冷却水，之后流入光电池板背部的冷却通道内以循环利用。
本发明的优点是采用了太阳能聚光和分光相结合的措施，针对系统特点能够合理分配聚焦太阳能向热能和电能的转化比例，可同时满足装置对热能和电能的需求量。装置中的冷却海水在循环过程中被赋予了双重作用，一方面可以使光电池能够维持正常工作温度，从而保证较高的光电转换效率；另一方面这部分海水吸收的热量在装置运行时可以通过两级热交换器释放给不同温度的待淡化海水，实现了热能的阶梯级合理利用。另外，考虑到系统中电能充足和电渗析法装置简单的特点，将电渗析法作为一种海水粗过滤的手段，以降低进入闪蒸室海水的浓度，这样不仅可以改善闪蒸操作时的装置结垢状况，延长装置使用寿命，而且结垢状况改善后，可进一步提高第一级闪蒸室进口海水的操作温度，从而可提高淡水的生产量。
因此，本装置可实现太阳能和水资源的综合利用，特别适合海岛等无电缺水或少电缺水地区使用。
附图说明
图1为太阳能热光伏海水淡化装置的原理图。
其中1. 菲涅尔透镜，2. 镀有选择性光学膜的玻璃板，3. 辐射器，4. 光伏电池，5. 蓄电池，6. 真空隔热玻璃，7. 冷却通道，8. 电渗析装置，9. 多级闪蒸室，10.热交换器，11. 热交换器，12. 热交换器，13.淡水池，14. 浓海水池，15. 集热器。
具体实施方式
根据淡水产量对整套装置各个部件的大小和运行参数进行优化设计。太阳能热光伏聚光发电装置在工作时可借助全自动太阳光跟踪器保证光线能垂直照射在菲涅尔透镜1上以提高整体电能功率输出，其中电能和热能的输出比例由镀有选择性光学膜的玻璃板2所镀的光学膜特性（如对波长小于3μm热射线透射率为0.1，对波长大于3μm热射线透射率为0.9）来进行控制；辐射器3采用钨材料，其表面做成微绒面结构，这种结构可大幅提高材料的辐射效率；光伏电池4选择可与钨辐射器3配套的锑化镓光电池，并采用合理的串并联布局；辐射器3周围是真空隔热玻璃6，除面向选择性光学膜玻璃板2反射后光线的一面以及面向光电池4的一面外，其余四个表面的内侧都镀上全反膜，其作用是阻止辐射器3与环境进行对流和导热，以维持辐射器3表面的高温状态，同时确保辐射器3辐射的光子只有面向光伏电池4部分能顺利通过；冷却通道7和集热器15采用铝型材制作，冷却通道7内部设置成多个矩形流动通道；光伏电池板4和镀有选择性光学膜的玻璃板2分别用导热性能较好的胶黏剂粘结在冷却通道上7和集热器15上；三个热交换器10、11和12内两种流体的流动方式采用逆流方式或叉流方式，以提高装置的传热效能，换热器中的传热管道为铜管，其它部位的连接管道则用不锈钢代替，以减小输运过程的热量损失；渗析装置8的电极采用浸渍过的石墨电极，渗析时的工作电流密度为35 mA/cm2；多级闪蒸室9的闪蒸室压力逐级降低，相邻闪蒸室的温差控制在5～6℃；渗析装置8的电极、海水循环泵，真空泵以及系统控制单元工作中所需的电能可由太阳能热光伏聚光发电装置提供；控制单元完成对太阳光跟踪、蓄电、热交换温度、电渗析装置电流、淡化机组的压力循环泵及真空泵、转换阀等的集中控制。
Claims (8)
1.一种太阳能热光伏海水淡化装置，由太阳能热光伏系统和海水淡化系统两大部分组成，其特征是：所述太阳能热光伏系统由菲涅尔透镜（1）、 镀有选择性光学膜玻璃板（2）、集热器（15）、辐射器（3）、光伏电池（4）以及蓄电池（5）组成，利用菲涅尔透镜（1）聚焦太阳光，使得光线首先被聚焦到镀有选择性光学膜玻璃板（2）上，选择性光学膜玻璃板（2）对光线进行分光，其中短波辐射被反射到辐射器（3）上并对辐射器（3）进行加热，高温下辐射器（3）发射出同光伏电池（4）能很好匹配的特定波长热辐射，通过光伏电池（4）的光电转换作用转变为电能输出并被存储在蓄电池（5）中，为后续的海水淡化过程提供能源；光伏电池（4）背后安装了冷却通道（7），利用冷却水在冷却通道（7）内的对流换热过程对光伏电池（4）进行冷却，以维持光伏电池（4）的合理工作温度，保证光电转换的效率；海水淡化系统包括电渗析装置（8）和多级闪蒸室（9），其中电渗析装置（8）用作对海水进行粗过滤并置于多级闪蒸室（9）之前，电渗析装置（8）和多级闪蒸室（9）工作过程中所需要的电能均由太阳能热光伏系统提供；所述海水淡化系统中存在两套水路，其一是原料海水水路，另一个是能在不同位置对原料海水进行预热的电池循环冷却水的水路，为此在系统中设置了多个热交换器以实现不同温度海水和电池循环冷却水之间的热量交换；原料海水水路的工作过程如下：原料海水在淡化过程中，首先在电渗析装置（8）中进行粗过滤，使得海水浓度得以降低，然后再经多级闪蒸室（9）进一步淡化，同时分离出的废水排入浓海水池；采用多级闪蒸法淡化前，粗过滤海水依次进入两个热交热器（10）（11）被较高温度的电池冷却循环水以及末级闪蒸室排除的浓海水进行预热，随后从末级闪蒸室上部开始逆向流入各级闪蒸室，经闪蒸室产生的蒸汽预热后，到达第三个热交换器并被从集热器（15）流出的电池循环冷却水加热至第一级闪蒸所需的温度后依次进入压力逐渐降低的多级闪蒸室中，逐级进行闪蒸、预热粗过滤海水，最后冷凝为淡水汇入淡水池（13）中，末级闪蒸室排出的浓海水流入浓海水池（14）；另一个能在不同位置对原料海水进行预热的电池循环冷却水的水路采用循环流动的方式，循环水流经光伏电池（4）背部冷却通道（7）时吸收光伏电池（4）光电转化的废热后温度升高，随后经输送管道流至安装在选择性光学膜玻璃板（2）后的集热器（15）内部，集热器（15）吸收了聚焦太阳光中的长波辐射提升冷却水的温度，接着高温冷却水进入第三个热交换器（12）中与即将进入第一级闪蒸室的海水进行热量交换，随后这部分冷却水继续流至另一个热交换器（10），并与同时汇入热交换器（10）的粗过滤海水继续进行换热，从而再次成为低温冷却水，之后流入光电池板（4）背部的冷却通道（7）内以循环利用。
2.如权利要求1所述的一种太阳能热光伏海水淡化装置，其特征是：所述辐射器（3）采用钨材料，表面做成微绒面结构。
3.如权利要求1所述的一种太阳能热光伏海水淡化装置，其特征是：所述光伏电池（4）选择锑化镓光伏电池。
4.如权利要求1或2所述的一种太阳能热光伏海水淡化装置，其特征是：所述辐射器（3）周围是真空隔热玻璃（6），除面向选择性光学膜玻璃板（2）反射后光线的一面以及面向光伏电池（4）的一面外，其余四个表面的内侧都镀上全反膜，阻止辐射器（3）与环境进行对流和导热，以维持辐射器（3）表面的高温状态，同时确保辐射器（3）辐射的光子只有面向光伏电池（4）的部分能顺利通过。
5.如权利要求1所述的一种太阳能热光伏海水淡化装置，其特征是：所述冷却通道（7）内部设置成多个矩形流动通道。
6.如权利要求1所述的一种太阳能热光伏海水淡化装置，其特征是：所述三个热交换器内两种流体的流动方式采用逆流方式或叉流方式。
7.如权利要求1所述的一种太阳能热光伏海水淡化装置，其特征是：所述电渗析装置（8）的电极采用浸渍过的石墨电极，渗析时的工作电流密度为35 mA/cm2。
8.如权利要求1所述的一种太阳能热光伏海水淡化装置，其特征是：所述多级闪蒸室（9）的闪蒸室压力逐级降低，相邻闪蒸室的温差控制在5～6℃。
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