CN104131955A - 阳光集热淡化海水发电机 - Google Patents

Abstract

阳光集热淡化海水发电机，所属技术领域；新能源热力学机械机电工程；是一种能够最高效利用太阳能的新型热机，由加热、做功、冷却三个模块构成。加热模块是阳光集热锅炉，利用时钟传动装置带动圆铲形聚光镜朝阳转动，聚集阳光热能加热水管式锅炉，产生蒸汽(或液流)动力，驱动涡轮发电机能做功发电，做功完毕，蒸汽(或液流)通过蛇形管换热器，冷却增压回流，释放热能加热蛇形管中的海水，海水注入淡化塔，淡化塔采用热泵蒸发方式，循环利用水蒸气的汽化潜热，提高热量利用效率，增加淡水产量。

Description

阳光集热淡化海水发电机

所属领域：机电工程热力学机械与新能源领域，这是一种能够最有效利用太阳能的热力学机械系统装置，由三大模块组成，包括加热模块、做功模块、冷却模块。工作流程为加热模块利用聚光镜集中阳光加热水管式锅炉产生蒸汽(或液流)动力，做功模块利用蒸汽(或液流)驱动涡轮机做功发电，冷却模块，做功完毕的蒸汽(或液流)用海水冷却，海水温度升高流入海水淡化塔，蒸汽(或液流)温度降低，体积减小，用增压泵压回水管式锅炉循环加热，这套装置的创新性在于：采用技术新型方案，把已有技术组合应用，对机械结构进行创新设计，使集中太阳光热能变得简单容易，与热力学机械组合使用更方便。 

阳光集热淡化海水发电机各部分机构如下： 

一、加热模块，是一种新型太阳能集热锅炉，锅炉是内外双层套管式结构(如图2所示)，内层并列两根水管，一长一短，长管流出蒸汽(或液流)做功，短管流入水(或)液流，外层水管用于吸收阳光热能加热，外层水管长5米，内径0.25米，管壁厚0.5cm，长管内径5cm，管壁厚1cm，两端伸出外层水管，南端伸出30cm，北端伸出20cm，短管内径1.5cm，管壁厚0.5cm，长50cm，在外层水管南端伸出25cm，在外层水管两端伸出的水管上缠绕3cm厚的石棉，长度为20cm，缠绕石棉后直径达到13cm，在石棉层外再夹上长20cm，内径13cm，管壁厚2cm的两个半圆形钢管扣件用螺栓紧固，扣紧钢管后，直径为17cm，水管式锅炉同两端的半圆形钢管扣件固定安装在南北两端的支架上(如图1所示)，倾斜角按纬度不同而改变，在热带地区与地平面平行，在温带地区倾斜角为30°——40°，在北半球北高南低，在南半球，南高北低。 

聚光镜以水管式锅炉为轴转动，在聚光镜框架南北两端的中心各有一个铁制滑环扣件，内径17cm，厚2cm，宽5cm，扣接在水管式锅炉两端的半圆形钢管扣件上(如图1所示)，聚光镜镜面是圆铲形，由抛物线形曲面聚光镜和一面放置在侧面与曲面垂直的平面镜组合而成(如图1所示)，曲面镜长宽各五米，曲面展开铺平后，南北长5米，东西宽5.79米，用反光塑料膜粘贴在5米长12cm宽的帆布条上，共48条可两两对折，每隔两条有一根滑杆，可在两侧抛物线形 曲边上滑动，不用时，可以像拉窗帘一样收拢在一起，用时再拉开，侧面的平面镜用不锈钢铁皮制成(如图3所示)。 

圆铲形聚光镜只要在东西方向上对准太阳，就能把接收的阳光都汇聚在水管式锅炉上，不必考虑在南北方向上阳光是否斜射。当正午太阳高度角＜90°一锅炉倾斜角时，平面镜放在聚光镜框架北端，反之，放在南端，一年只需改变两次平面镜位置即可，用几何光学与镜面反射原理可证明圆铲形聚光镜的原理。在这里平面镜反射光的光源有两个，太阳和曲面聚光镜，平面镜成像相当于把光源挪到了平面镜后面，等于是延长了曲面镜，并且把太阳光转向，最终所有接收到的阳光都汇聚到水管式锅炉上。 

在聚光镜的正中间下方是一个直径5米的半圆环，用两根长7.85米的钢筋并列弯曲制成，在两根钢筋中间每隔5.45cm，焊接一根长4cm，的短钢筋，共143根形成144个间隔均匀的空格。在半圆形下方的支架上安装有控制电机和齿轮减速装置，控制电机是永磁步进电机，功率10瓦特，同轴齿轮d＝4.8cm、m＝6、z＝8，转速1转/4分钟。一级减速齿轮d＝48cm、m＝6、z＝80转速1转/40分钟。一级减速齿轮的同轴小齿轮直径d＝4.8cm、m＝6、z＝8，与另一个同样规格的小齿轮用链条传动，转速也为1转/40分钟。与这个齿轮同轴的齿轮齿距5.45cm，齿数8，与聚光镜下方的半圆环啮合传动，每隔5分钟转动一个齿，半圆环一共有间距5.45cm的空格144个，转动半周共用720分钟，即12个小时，控制电机和减速齿轮，半圆环共同组成时钟转动装置(如图4所示)，使聚光镜跟踪太阳，与太阳同步做时钟运动。 

二、做功模块：当蒸汽(或液流)受热膨胀，从长管流出时，驱动与长管联接的涡轮发电机做功发电，涡轮发电机固定在支架上(如图5所示)，在北半球安装在南端，在南半球安装在北端，涡轮发电机功率在5-10千瓦。 

三、冷却模块：做功完毕的蒸汽(或液流)经过一个蛇形管换热器，把热量交换给蛇形管内的海水，蒸汽(或液流)温度降低，体积减小，从换热器下方的水管流出，被增压泵压回到水管式锅炉中循环加热。蛇形管中的海水温度升高，注入海水淡化塔，塔高2米，是方柱体，长宽各1米，用厚铁皮焊接成。采用热泵蒸发方式，塔上部1立方米空间是蒸发室，产生的水蒸气被安装在右侧的压缩机抽走，压缩进位于塔中部的蛇形水管散热器中，蒸汽被压缩，温度压力都升高， 热量被散热器交换给海水，蒸汽冷凝成淡水，从塔左侧下方的一个小型换热器通过，从出水管流出温水，海水从左下方的进水管流入，经过小型换热器，与出水管中的淡水交换热量，再往上经过蛇形管换热器，与涡轮机排出的流体交换热量，最后注入海水淡化塔，因为蒸发室内水蒸气被压缩机抽走，塔内是低压环境，水的沸点降低，很容易蒸发，当海水含盐浓度过高时，可以打开淡化塔底部开关，使海水流出风干成盐。海水淡化是一个热量循环利用的过程(工作流程如图5所示)，水蒸气的汽化热以及出水管淡水的热量都被交换给海水，每生产1克淡水，至多需要100焦耳热量，每秒钟生产100克淡水，则需10千瓦的热功率。集中25平米的阳光产生热功率约为30千瓦，蒸汽(或液流)涡轮机的效率都在40％以上，按最低20％计算，发电机功率为6千瓦，其余热量损耗掉一部分，剩余热量都用于淡化海水，至少有10千瓦以上的热功率用来淡化海水，压缩机功率2千瓦，所耗电能由发电机提供，发电机剩余功率4千瓦，每天工作8小时，能发电32度，生产淡水0.1×3600×8＝2880千克＝2.88吨，这是理论计算的最低值，在实际生产中，只会高不会低。 

阳光集热淡化海水发电机的用途： 

这套机器可以大量用于离海洋不太远、海拔较低的沙漠干旱地区，在沙漠中大规模应用，可以把沙漠变成发电厂和淡水工厂，也可以安装在屋顶上，机器制造成本低，支撑机器的框架可以用铁，也可以用木材，锅炉和海水淡化塔，用钢铁铸造焊接而成，涡轮发电机、压缩机、增压泵、换热器、控制电机、减速齿轮等可以购买产品再组装到机器上，整部机器成本不会超过1万元。 

这套机器也可以用在内陆地区，可以把淡化海水装置取消，用自来水冷却。 

说明书附图说明 

图1：阳光集热锅炉(以在热带地区锅炉与地面平行的机器作图) 

1、南端支架；2、半圆管形扣件下半部；3、进水管；4、蒸汽(或液流)流出口；5、石棉绝热层；6、半圆管形扣件上半部；7、水管式锅炉；8、北端支架；9、半圆形扣件上半部；10、半圆滑环扣件下半部；11、侧面平面镜；12、抛物线型曲面镜；13、半圆形时钟轨道。 

图2：水管式锅炉剖面图 

1、进水管；2、蒸汽或液流出口与涡轮机连接；3、石棉绝热层；4、水管式锅炉外壁；5、蒸汽(或液流)出口；6、半圆管形扣件；7、北端支架；8、南端支架。 

图3：圆铲形聚光镜展开图 

1、曲面镜边框；2、细滑杆；3、折叠线；4、绳索系于两边滑杆中点；5、细铁环；6、侧面不锈钢平面镜；7、曲面镜收放装置(下拉a绳镜面收拢折叠，下拉b绳，镜面展开)。 

图4：时钟传动结构图(视图方向：由北向南) 

1、与永磁步进电机同轴齿轮；2、一级减速齿轮；3、半圆形时钟轨道；4、抛物线型聚光镜；5、镜框；6、半圆滑环扣件；7、传动齿轮。 

图5：做功与冷却模块 

1、蓄电池组；2、南端支架；3、小增压泵；4、进水管；5、发电机；6、涡轮机；7、蛇形冷凝管；8、换热器外壳；9、海水淡化塔；10、蒸发室；11、压缩机；12、散热管；13、含盐量过高海水排出口；14、海水进水管；15、淡水出水口；16、小型换热器。 

Claims (2)

1.一种新型技术方案，对机械结构进行创新设计，使热机系统具备集中阳光热能发电与淡化海水的功能，热机包括加热、做功、冷却三个模块；

加热模块是阳光集热锅炉，圆铲形聚光镜绕水管式锅炉转动，时钟传动装置带动聚光镜跟踪太阳作同步时钟运动，聚焦阳光加热锅炉；

做功模块，锅炉受热输出蒸汽(或液流)动力，驱动涡轮发电机做功发电；

冷却模块，做功完毕的蒸汽(或液流)，通过蛇形管换热器，冷却回流，把热量传递给蛇形管中的海水，海水注入淡化塔，海水淡化塔采用热泵蒸发方式，充分利用水蒸气的汽化潜热，提高热量利用效率增加淡水产量。

2.一种集中阳光热能淡化海水与发电的新型机械产品，该产品由阳光集热锅炉、涡轮发电机、蛇形管换热器、采用热泵蒸发方式的海水淡化塔组合构成；

其中阳光集热锅炉倾斜角固定安装在南北两端的支架上，圆铲形聚光镜以水管式锅炉为轴转动，永磁步进电机与减速齿轮以及聚光镜下方的半圆环组成时钟传动装置，带动聚光镜朝阳转动。