CN103964524A - 一种基于反射和全反射的太阳能海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反射和全反射的太阳能海水淡化装置，属太阳能集热和水处理技术领域。本发明由上表面透明薄膜，渐变壁厚全反射实体膜和亲水毛细管构成。多个此装置可排列组合，形成数量众多太阳能海水淡化薄膜，组合起来漂浮在海面使用。本发明利用毛细现象使海水上升到毛细管上端，太阳光经过表层透明薄膜入射，遇到内表面发生反射或者全反射，最终将太阳光汇聚到黑色的亲水纤维毛细管上产生热能，实现海水蒸发。上升的水蒸气通过表层透明薄膜与外界空气对流换热，并在透明薄膜内侧冷凝生成淡水，淡水通过反射面内壁滑落，从支撑圆筒壁面上的出水孔流入壳体下部储存。这些淡水经累计输送给用户，也可以在海上种植小型植物。

Description

一种基于反射和全反射的太阳能海水淡化装置

技术领域

本发明涉及一种直接利用太阳能在海面上进行海水淡化，提取淡水的装置，属太阳能集热、海水淡化和水处理技术领域。具体地说是一种利用反射和全反射的聚光器的微型结构，利用太阳能直接产生淡水的装置。

背景技术

从海水中提取淡水的方法有多种，但在目前技术上比较成熟的有两大类，一类是采用反渗透膜技术的膜法海水淡化系统，另一类为利用热能驱动的蒸馏法海水淡化系统。由于渗透膜技术使用费用高，主要是反渗透膜本身的使用寿命不长，具有一次性投资大、需要消耗常规电能等缺陷。利用热能驱动的海水淡化系统是最成熟的，也是目前海水淡化工业的主流，但此类系统需要消耗大量热能。由于此类系统一般还处在真空负压下工作，因此它还需要强度坚固和抗腐蚀性良好的壳体材料，这增加了它的造价和运行成本。利用太阳能进行海水淡化既节能又环保，因而受到人们推崇。如果在海面上能够直接进行海水淡化，无疑对在海上的生产和生活提供巨大便利条件。但现有的太阳能海上淡化装置存在下面4个明显的缺陷；

(1)需要利用太阳能光伏发电或太阳能集热器，制造成本很高，不利于推广；

(2)现有装置中海水的存量大，不利用系统升级，降低了系统效率；

(3)装置中待蒸发的原水从海上中提取方式，耗费了一定的能量，对整个装置的效率影响太大；

(4)现有太阳能海水淡化装置由于要收集太阳能，需要有较大的接收面积，土地使用成本较高；因此，克服上述4个缺陷，强化蒸发与冷凝过程，是提高太阳能海水淡化装置性能的主要方向。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于反射和全反射的太阳能海水淡化装置，能够完全利用天然能量在海面上直接生产淡水。

一种基于反射和全反射的太阳能海水淡化装置，包括壳体、透明全反射膜、透明薄膜、支撑圆筒、亲水毛细管束和毛细管套筒；所述透明全反射膜的外形为两端开口大小不一的弧形面回转体，弧形面回转体为实体结构，其内侧反射面和外侧反射面均为弧形面，透明全反射膜大端至小端的壁厚形成上窄下宽的结构；毛细管套筒内装有并列设置的亲水毛细管束；所述亲水毛细管束采用碳纤维亲水毛细管束。

其整体连接关系为：透明全反射膜的小端与支撑圆筒的一端固定连接，支撑圆筒的另一端与壳体的底板固定连接，透明全反射膜的大端与壳体的开口端连接，透明薄膜将壳体的开口端和透明全反射膜的大端封闭，透明全反射膜的内侧反射面和透明薄膜形成封闭的蒸发-冷凝腔，毛细管套筒固定在壳体的底面上且位于支撑圆筒内，毛细管套筒内亲水毛细管束对应的壳体底面镂空；支撑圆筒的圆周面上开有一个或一个以上的出水孔，壳体的壁面上的淡水输送孔，用于向外界提供淡水。

进一步的，在蒸发-冷凝腔内充入密度小于水蒸气的气体，充入的气体浮在水蒸气的上层，可使蒸发的水蒸气停留在蒸发-冷凝腔的底部冷凝，使得冷凝的效率更高。

进一步的，所述支撑圆筒上周向分布的出水孔水平高度低于毛细管套筒的上端面；这样是为了支撑圆筒内的淡水不会阻碍从透明全反射膜射出的光线，影响毛细管黑色侧面的光线吸收。当壳体内储存淡水达到一定量时，可从通过淡水输送孔给外界使用。

进一步的，所述亲水毛细管束通过毛细管网固定在毛细管套筒内，毛细管网的网格间隙与亲水毛细管束直径相当，利用导热胶将亲水毛细管束固定在毛细管网上，再将毛细管网固定在毛细管套筒的上端面。

进一步的，所述透明薄膜的下表面中央和四周分别涂有疏水涂层和亲水涂层，防止在亲水毛细管束正上方冷凝的淡水滴落其中。

工作原理：装置整体置于海面上，太阳光透过表层透明薄膜射入蒸发-冷凝腔，遇到内侧反射面反射到亲水毛细管束顶端，另外部分大角度入射的太阳光进入全反射膜后，光线在透明全反射膜内经过多次全反射，射入亲水毛细管束黑色的侧壁上。太阳光通过反射和全反射最终汇聚到亲水毛细管束上端部，并加热亲水毛细管束上端的海水，形成蒸汽。

毛细管套筒内的有亲水毛细管束通过虹吸作用将海水引入毛细管顶端区域蒸发；经过一段时间，亲水毛细管束上层浓度大的海水下降，下层浓度低的海水上升，使得海水不断得到补充；毛细管内部上层和下层海水不停的对流稀释，使得顶端的海水不会形成结晶堵塞毛细管；在夜间，这种现象更加明显。

毛细管顶端的海水蒸发后遇到表层透明薄膜，与外界空气进行对流换热，在顶部内表面冷凝成淡水。在内表面中央处有疏水涂层，四周有亲水涂层，这样冷凝的淡水，先在内表面中央处形成，逐渐被引入四周，随后沿内侧反射面和支撑圆筒内壁直接滑落，进入毛细管套筒和支撑圆筒间的环形空隙内，当淡水达到出水孔高度时，从出水孔汇集至壳体底部进行储存。通过壳体壁面上的淡水输送孔，可以向外界提供淡水。

为避免水蒸气在蒸发-冷凝腔的壁面形成水滴影响聚光效果，由等壁厚不透光的反射膜代替透明全反射膜，采用透明盖板将蒸发-冷凝腔封闭，亲水毛细管束和毛细管套筒位于透明盖板下方，支撑圆筒位于透明盖板下方的圆周面上开有透气孔，由反射膜的内侧反射面和支撑圆筒的竖直反射面对太阳光进行反射，汇聚在亲水毛细管束上端面，从毛细管套筒内亲水毛细管束中蒸发出来的水蒸气从透气孔直接进入壳体与反射膜之间的空腔内，在壳体的底板处通过与外界冷海水换热，最终冷凝出淡水。在壳体及透明全反射膜之间的空腔内充入密度小于水蒸气的气体，充入的气体浮在水蒸气的上层，可使蒸发的水蒸气停留在空腔的底部冷凝，使得冷凝的效率更高。

有益效果：

(1)本发明的装置具有反射面，可以将太阳光聚焦利用，加热黑色亲水毛细管顶端的海水；

(2)透明全反射膜的结构，当光线大角度倾斜入射到内侧反射面上时，由于其上附着的上薄下厚透明全反射膜属于光密介质，光线在透明全反射膜中发生全反射，光线仍然会被汇聚到毛细管束上部黑色外表面上，所以本发明的聚光器可以利用部分散射太阳光，具有很高的能源利用率；

(3)本发明在海水淡化过程中，太阳光被反射或者全反射在黑色亲水毛细管的顶端，毛细管逐渐受热增温并把热量传给里面的水，水受热膨胀，由于毛细管的虹吸作用使水不断向上流动，从而使顶端海水得到补充。在夜间，毛细管顶端的浓盐水又与海水交流，将盐扩散到大海中，避免了盐的析出，利于装置的持续使用，节省了维护和保养费用；

(4)由于装置可以组合使用，可以用非金属制造，降低了装置造价，有利于推广应用。

(5)本发明结构紧凑、完全采用天然能量，直接从海水中生产淡水。采用反射和全反射聚光原理，聚光效率高，加快了出水时间，提高了装置的产水效率，同时它还可以将本结构通过排列组合，在海上形成大规模的太阳能海水淡化系统，从而满足海上生产和生活的淡水需求。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的运行原理示意图；

图3为本发明的实施例示意图；

图4为由多个本发明组合起来种植小型植物的示意图；

图5为采用等壁厚不透光的反射膜代替透明全反射膜的结构示意图。

其中，1—透明薄膜；2—内侧反射面；3—外侧反射面；4—透明全反射膜；5—亲水毛细管束；6—毛细管套筒；7—出水孔；8—淡水输送孔；9—底板；10—海水；11—支撑圆筒；12—毛细管网；13—壳体；14—蒸发-冷凝腔；15—太阳光；16—疏水涂层；17—亲水涂层；18—储水浮筒；19—定位锚；20—小型植物；21—溢水孔；22—淡水；23—竖直反射面；24—透明盖板；25—透气孔。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种基于反射和全反射的太阳能海水淡化装置，装置包括壳体13、透明全反射膜4、透明薄膜1、支撑圆筒11、亲水毛细管束5和毛细管套筒6；所述透明全反射膜4的外形为两端开口大小不一的弧形面回转体，弧形面回转体为实体结构，其内侧反射面2和外侧反射面3均为弧形面，透明全反射膜4大端至小端的壁厚形成上窄下宽的结构；毛细管套筒6内装有并列设置的亲水毛细管束；利用导热胶将毛细管固定在毛细管网12上，再将毛细管网12固定在毛细管套筒6的上端面。

其整体连接关系为：透明全反射膜4的小端与支撑圆筒11的一端固定连接，支撑圆筒11的另一端与壳体13的底板9固定连接，透明全反射膜4的大端与壳体13的开口端连接，透明薄膜1将壳体13的开口端和透明全反射膜4的大端封闭，透明全反射膜4的内侧反射面2和透明薄膜1形成封闭的蒸发-冷凝腔14，毛细管套筒6固定在壳体13的底板9上且位于支撑圆筒11内，毛细管套筒6内亲水毛细管束对应的壳体13底板9镂空；支撑圆筒11的圆周面上开有一个或一个以上的出水孔7，壳体13的壁面上开有淡水输送孔8，用于向外界提供淡水。

工作原理如附图2所示，竖直入射的太阳光15透过上表面透明薄膜1入射到内侧反射面2上，经反射面内表面反射到亲水毛细管束5上端面。当光线大角度倾斜入射到内侧反射面2上时，由于附着的上薄下厚透明全反射膜4属于光密介质，光线进入后，上薄下厚且透明的结构使得部分满足全反射条件的入射光线在透明全反射膜4中发生多次全反射，光线会被汇聚到亲水毛细管束5上部黑色外表面上。亲水毛细管束5逐渐受热增温并把热量传给里面的海水10，海水10受热膨胀，在上端面处蒸发。由于毛细管的虹吸作用使水不断向上流动，亲水毛细管束5下端浸没在海水10中，不断吸取的低浓度海水进行补充，同时上端高浓度海水向下流动，自然稀释上端蒸发面。

海水10在亲水毛细管束5上端面受热之后，快速蒸发。产生的蒸汽进入内部蒸发-冷凝腔14中，在透明薄膜1下表面凝结，生成的淡水22从中央引向四周，从内侧反射面2滑落。透明薄膜1下表面中央和四周分别涂有疏水涂层16和亲水涂层17，以便在亲水毛细管束5正上方冷凝的淡水22不会滴落其中。在重力作用下，生成的淡水流入毛细管套筒6、支撑圆筒11和底板9所围成的环形区域。达到一定量后，从出水孔7流入壳体13内进行收集。释放的潜热经表层透明薄膜1传给环境，从而完成整个蒸发与冷凝过程，实现用太阳能淡化海水。

支撑圆筒11上周向分布着数量众多的出水孔7，出水孔7的水平高度低于毛细管套筒6的上端面。这样是为了支撑圆筒11内的淡水不会阻碍从透明全反射膜4射出的光线，影响毛细管黑色侧面的光线吸收。当壳体8内储存淡水达到一定量时，可从侧面底部的淡水输送孔8给外界使用。

在蒸发-冷凝腔14内充入密度小于水蒸气的气体，如氩气等，充入的气体浮在水蒸气的上层，可使蒸发的水蒸气停留在蒸发-冷凝腔的底部冷凝，使得冷凝的效率更高。

除透明薄膜1为导热性良好透明材料，淡水在其下表面被冷凝。其他部分应该用传热性差的非金属不透光材料制作，使得整个装置重量轻。

在图3所示的一个实施例中，将装置整体通过壳体13的底板9固定在两个或多个储水浮筒18的上面，在储水浮筒18上表面开有一小口，与底板9处淡水输送孔8对齐，使得产生的淡水能流入储水浮筒18，增大储水量。放在海中用固定锚19定位或与船体相连随船而行。

在图4所示的一个实施例中，将多个装置连接在一起使用，利用装置之间的中间空隙，种植在非含盐基质上的淡水浇灌小型植物20。经装置生成的淡水在保存在壳体13内，为植物灌溉提供水源。多余的淡水可从壳体13底部的溢水孔21排出。在阳光充足、风浪小的海湾防浪堤内，可以大量使用。

在图5所示的一个实施例中，太阳光15经过内侧反射面2和竖直反射面23反射，汇聚在亲水毛细管束5上端面。竖直反射面23下端口用透明盖板24封闭，使蒸发-冷凝腔14成为一个密闭空间。水蒸气不再进入蒸发-冷凝腔14，并在其壁面形成水滴，影响聚光效果。从毛细管套筒6内亲水毛细管束5中蒸发出来的水蒸气，从支撑圆筒11周向分布的透气孔25直接进入壳体13内，在壳体13的底板9处通过与外界冷海水10换热，最终冷凝出淡水22。在壳体13及透明全反射膜4之间的空腔内充入密度小于水蒸气的气体，如氩气等，充入的气体浮在水蒸气的上层，可使蒸发的水蒸气停留在空腔的底部冷凝，使得冷凝的效率更高。

除底板9为导热性好的非金属材料，淡水在其上表面被冷凝。其他部分应该用传热性差的非金属不透光材料制作，使得整个装置重量轻。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于反射和全反射的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述装置包括壳体(13)、透明全反射膜(4)、透明薄膜(1)、支撑圆筒(11)、亲水毛细管束(5)和毛细管套筒(6)；所述透明全反射膜(4)的外形为两端开口大小不一的弧形面回转体，弧形面回转体为实体结构，其内侧反射面(2)和外侧反射面(3)均为弧形面，透明全反射膜(4)大端至小端的壁厚形成上窄下宽的结构；毛细管套筒(6)内装有并列设置的亲水毛细管束(5)；

其整体连接关系为：透明全反射膜(4)的小端与支撑圆筒(11)的一端固定连接，支撑圆筒(11)的另一端与壳体(13)的底板(9)固定连接，透明全反射膜(4)的大端与壳体(13)的开口端连接，透明薄膜(1)将壳体(13)的开口端和透明全反射膜(4)的大端封闭，透明全反射膜(4)的内侧反射面(2)和透明薄膜(1)形成封闭的蒸发-冷凝腔(14)，毛细管套筒(6)固定在壳体(13)的底面上且位于支撑圆筒(11)内，毛细管套筒(6)内亲水毛细管束对应的壳体(13)底面镂空；支撑圆筒(11)的圆周面上开有一个或一个以上的出水孔(7)，壳体(13)的壁面上开有淡水输送孔(8)。

2.如权利要求1所述的基于反射和全反射的太阳能海水淡化装置，其特征在于，在所述在蒸发-冷凝腔(14)内充入密度小于水蒸气的气体。

3.如权利要求1或2所述的基于反射和全反射的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述支撑圆筒(11)上周向分布的出水孔(7)水平高度低于毛细管套筒(6)的上端面。

4.如权利要求1或2所述的基于反射和全反射的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述亲水毛细管束(5)通过毛细管网(12)固定在毛细管套筒(6)内，毛细管网(12)的网格间隙与亲水毛细管束(5)直径一致，利用导热胶将亲水毛细管束(5)固定在毛细管网(12)上，再将毛细管网(12)固定在毛细管套筒(6)的上端面。

5.如权利要求1或2所述的基于反射和全反射的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述透明薄膜(1)的下表面中央和四周分别涂有疏水涂层(16)和亲水涂层(17)。

6.如权利要求1所述的基于反射和全反射的太阳能海水淡化装置，其特征在于，由等壁厚不透光的反射膜代替透明全反射膜(4)，采用透明盖板(24)将蒸发-冷凝腔(14)封闭，亲水毛细管束(5)和毛细管套筒(6)位于透明盖板(24)下方，支撑圆筒(11)位于透明盖板(24)下方的圆周面上开有透气孔(25)，由反射膜的内侧反射面(2)和支撑圆筒(11)的竖直反射面(23)对太阳光进行反射，太阳光汇聚在亲水毛细管束(5)上端面。

7.如权利要求6所述的基于反射和全反射的太阳能海水淡化装置，其特征在于，在壳体(13)及透明全反射膜(4)之间的空腔内充入密度小于水蒸气的气体。