CN104402078B - 一种双烟囱型跟踪式太阳能海水淡化系统及其淡化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双烟囱型跟踪式太阳能海水淡化系统及其淡化方法，水平布置的集热棚与内烟囱连接；倾斜布置的槽式聚光模块与外烟囱连接；外烟囱高度高于内烟囱高度；内烟囱底部有风力透平；内外烟囱间壁内有分液器；外烟囱内腔道和外表面布有冷凝器。太阳能加热水平集热棚产生空气流；空气流推动内烟囱底部的风力透平以提供系统所需部分电能；槽式聚光器加热海水产生水蒸汽；内烟囱内的空气流引射水蒸气流向冷凝器后冷凝成淡水；淡水沿外烟囱壁流入淡水罐；较高温度的浓盐水流入水平集热棚底部蓄热层储存能量。本发明采用聚光太阳能加热海水，结构紧凑，将动力源和能量源合理地分离开，可更好地利用和管理太阳能，提高淡水产率。

Description

一种双烟囱型跟踪式太阳能海水淡化系统及其淡化方法

技术领域

本发明属于海水淡化技术领域，涉及一种太阳能热法海水淡化方法，特别涉及一种双烟囱型跟踪式太阳能海水淡化系统和淡化方法。

背景技术

我国淡水资源人均占有量约2200m³，为世界平均水平的四分之一，被联合国列为十三个最缺水的国家之一。我国是海洋大国，海岸线漫长，可利用太阳能进行海水淡化。现有太阳能海水淡化技术已达20余种，其主要有两种方式：一是利用太阳能发电以驱动反渗透过程；二是利用太阳能产生热能来蒸馏海水使其相变蒸发。太阳能反渗透法需要高压泵、反渗透膜、换热器、冷凝器等部件，因而系统复杂，初投资成本较高。而太阳能蒸馏法简单、应用广泛、技术成熟，且无需额外电能的输入。

1982年，德国斯图加特大学的Schlaich博士设计并建立了第一座太阳能烟囱示范电站，该电站由水平布置的圆形集热棚、位于集热棚中心位置的烟囱以及布置在集热棚与烟囱的连接部位的透平发电机组三个主要部件构成，其中烟囱高度为194.6m、烟囱半径为5.08m、集热棚面积46000m²，理论发电功率为50kW。其工作过程为太阳光照射集热棚，加热棚内的空气和棚下的土壤，受热空气温度升高，密度下降，在太阳能烟囱的抽吸作用下形成一股强大的上升气流，驱动风力涡轮机发电，同时集热棚周围的冷空气补充进入棚内，形成持续不断的空气循环流动。现有研究表明太阳能热气流发电系统电效率极低，MW级电站电效率仅为1%级别。但是，该系统热效率较高，一般能达到50%以上。

将太阳能烟囱系统与太阳能蒸馏法海水淡化结合，将从太阳处获得的热能用于蒸发海水将能充分发挥两者的优势，具有结构简单、较高效率的优势。现有专利中已有将太阳能烟囱系统与太阳能蒸馏法海水淡化结合的案例，分别为：公告号CN1331764C，公告日为2007年8月15日和公开号是CN101358578A，公告日为2009年2月4日的中国发明专利。然而这些专利均在集热棚下直接布置盐水池，太阳能在加热集热棚时将会有大量能量消耗在盐水蒸发上，从而损失了大量的能量，同时也使得集热棚内蒸汽的密度变化降低，进而影响了进入烟囱的气流速度从而降低了淡水产率。同时，这些专利所述的集热棚均为非聚光形式，为使得较多的海水淡化则要有较大的集热棚面积。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供了一种新型基于太阳能烟囱的海水淡化系统，该系统采用太阳能分别提供能量源和动力源的系统方案。具体地：能量源主要用于聚光加热海水使得其蒸发，动力源主要是加热空气从而在烟囱内产生高速流动气流，蒸发所得蒸汽与上升气流进入内嵌式的太阳能烟囱后经冷凝器冷却为淡水。同时本发明还引入预热、能量回收和蓄热系统。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种双烟囱型跟踪式太阳能海水淡化系统，包括内烟囱（1）、外烟囱（2）、槽式聚光模块（3）、透明集热棚（5）、海水预热器（6）、冷凝器（7）、海水输入管（8）、接水罐（10）、淡水罐（11）、集热棚底面吸热板（12）、浓海水储热罐（13）、支撑组（17）、淡水连接管（18）；所述内烟囱（1）内嵌于外烟囱（2）内，内烟囱（1）出口下方设置海水预热器（6），外烟囱（2）内置冷凝器（7）；所述内烟囱（1）的底部连接透明集热棚（5），所述连接处设置接水罐（10），所述接水罐（10）通过淡水连接管（18）连接淡水罐（11），所述透明集热棚（5）底部通过多组支撑组（17）支撑，所述支撑组（17）位于环形设置的集热棚底面吸热板（12）的上方，所述支撑组（17）上端还斜向设置槽式聚光模块（3），所述集热棚底面吸热板（12）下方设置浓海水储热罐（13），所述浓海水储热罐（13）下方设置水平海水输入管（8）。

上述内烟囱（1）底部设置风力透平（4）。

上述槽式聚光模块（3）为复合抛物面式或抛物面式聚光器，所述槽式聚光模块（3）内放置方形集热管（20）和太阳跟踪模块（19）。

上述外烟囱（2）内设置海水周向分液器（9），所述海水周向分液管（9）与方形集热管（20）相连。

上述淡水罐（11）水平设置淡水输出管（15），浓海水储热罐（13）水平设置浓海水输出管（16）。

上述冷凝器（7）高于内烟囱（1）出口，且为倾斜对称布置。

上述透明集热棚（5）设置通风口（14）。

一种内嵌式双烟囱型太阳能海水淡化方法，利用上述的系统，包括如下步骤：

（1）、海水经过初级过滤后由泵输送至海水预热器（6），在该处与外界的湿蒸汽换热而提高温度，而后由海水周向分液器（9）缓缓流入方形集热管（20）内，在方形集热管（20）内形成海水液膜，从而由槽式聚光模块加热集热管，进而使得方形集热管（20）上方的海水薄膜蒸发，产生水蒸气，浓海水则流入浓海水罐（13）内，在该处蓄积热能留作无太阳时候使用，浓海水罐（13）水储满后则由浓海水输出管（16）流出;

（2）、空气分两路，一路从方形集热管（20）内流入，另一路从透明集热棚（5）和集热棚底面吸热板（12）之间进入内烟囱（1），在方形集热管（20）内，空气从海水薄膜上方吹扫过，在海水薄膜快速蒸发时空气湿度大量增加，湿空气在浮升力作用和内烟囱（1）射流引射作用下进入内外烟囱壁间，继而流向海水预热器（6），在该处湿空气流动空间突然增大加之海水预热器（6）作用从而凝结为淡水滴落进入下方的接水罐（10）而后存入淡水罐（11），在透明集热棚（5）和集热棚底面吸热板（12）之间，空气流过集热棚时被加热，从而温度升高密度降低，在烟囱浮升力作用下进入内烟囱（1），而后流向外烟囱（2）；

（3）、在外烟囱（2）内与经过海水预热器（6）的湿空气混合一起进入冷凝器（7），在该处继续将部分蒸汽冷凝，而后排入大气；

（4）、风力透平（4）留作调峰使用，风力发电获得的电能经逆变器调频后一起存入蓄电池内，而后驱动泵使得海水流入海水输入管（8），如有电能富余可直接用作电加热海水薄膜或浓海水储液罐（13）。

本发明在工作时：

槽式聚光模块以太阳能外烟囱为中心，周向倾斜分布，海水经过初级过滤后由泵输送至海水预热器，在该处与外烟囱的湿蒸汽和内烟囱的热空气换热而提高温度，而后由周向分液器分流后缓缓进入方形集热管内，形成海水液膜。通过太阳跟踪模块控制槽式聚光模块使得光线聚集于方形集热管底部，再由槽式聚光模块加热其下表面的海水薄膜从而产生蒸汽。海水经过蒸发后产生的浓海水则流入集热棚底面吸热板下方的浓海水罐内，并在该处蓄积热能留作无太阳时候使用。浓海水罐水储满后则由浓海水输出管流出。空气分两路进入该系统，一部分空气经由方形集热管下方进入集热管内，经加热产生浮升力，快速从海水薄膜上方吹扫过，使得海水薄膜快速蒸发，并且空气湿度大量增加。湿空气在浮升力作用下进入内外烟囱的夹层内，继而流向海水预热器，在该处湿空气流动空间突然增大加之海水预热器作用从而凝结为淡水滴落进入下方的接水罐而后存入淡水罐。另外一部分空气经由集热棚底面吸热板与集热棚底面吸热板之间形成的空气夹层，在该夹层内空气被集热棚底部的吸热板加热，从而温度升高密度降低，与外部环境形成密度差，从而形成压力差，产生强大的上升气流驱动置于内烟囱底部中央的风力透平，从而带动发电机发电，而后流向外烟囱。而这时的空气仍然是上升的热风，该热风可以引射经过海水预热器的湿空气，在烟囱双通道最终混合一起进入外烟囱后继续上升，经过冷凝器，在该处将湿蒸汽二次冷凝，形成淡水沿外烟囱壁面滴落。该冷凝器为倾斜对称布置，便于淡水能够汇集至外烟囱壁面，并且冷凝器部分伸出烟囱外部，在冷凝器内部形成自然循环，温度高的水会循环至冷凝器在烟囱外部的部分由外部环境进行风冷，温度低的水循环至冷凝器底部，对上升的湿蒸汽进行冷却，同时该冷凝器由于布置位置较高，可以在利用夜间较低的环境温度进行冷却。

本发明的技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：具有周向布置的倾斜集热棚，在增加吸收的太阳辐射量的同时可增强烟囱的安全性；倾斜布置的槽式聚光器能够跟踪太阳并聚光，能够有效提高海水液膜温度从而获得较大的淡水产量，相应的为获得额定淡水产量则倾斜集热棚的面积也将减小；具有内外两个烟囱，空气分两路进入系统，经过空气分配优化可以使得海水淡化效率提高；在赤道地区，槽式聚光器以太阳能外烟囱为中心，周向均匀倾斜分布，可以增大集热器的集热面积，并且提高其集热效率；使用冷凝器可以有效提高水蒸气冷凝效率；冷凝器为倾斜对称布置，便于淡水能够汇集至外烟囱壁面，并且部分伸出烟囱外部可以使其冷凝器内部形成自然循环，从而不需要额外能源的输入。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明双烟囱型跟踪式太阳能海水淡化系统原理图。

图2为外烟囱内冷凝器的剖视图。

图3为槽式聚光器模块结构图。

图中：

1、内烟囱，2、外烟囱，3、槽式聚光集热器，4、风力透平，5、透明集热棚，6、海水预热器，7、冷凝器，8、海水输入管，9、海水周向分液器，10、接水罐，11、淡水罐，12、集热棚底面吸热板，13、浓海水储热罐，14、通风口，15、淡水输出管，16、浓海水输出管，17、支撑组，18、淡水连接管，19、太阳跟踪模块，20、方形集热管

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。如图1所示，一种双烟囱型跟踪式太阳能海水淡化系统，包括内烟囱1、外烟囱2、槽式聚光模块3、透明集热棚5、海水预热器6、冷凝器7、海水输入管8、接水罐10、淡水罐11、集热棚底面吸热板12、浓海水储热罐13、支撑组17、淡水连接管18；内烟囱1内嵌于外烟囱2内，内烟囱1出口下方设置海水预热器6，外烟囱2内置冷凝器7；内烟囱1的底部连接透明集热棚5，连接处设置接水罐10，接水罐10通过淡水连接管18连接淡水罐11，透明集热棚5底部通过多组支撑组17支撑，支撑组17位于环形设置的集热棚底面吸热板12的上方，支撑组17上端还斜向设置槽式聚光模块3，集热棚底面吸热板12下方设置浓海水储热罐13，浓海水储热罐13下方设置水平海水输入管8。

上述内烟囱1底部设置风力透平4。

上述槽式聚光模块3为复合抛物面式或抛物面式聚光器，槽式聚光模块3内放置方形集热管20和太阳跟踪模块19。

上述外烟囱2内设置海水周向分液器9，海水周向分液管9与方形集热管20相连。

上述淡水罐11水平设置淡水输出管15，浓海水储热罐13水平设置浓海水输出管16。

上述冷凝器7高于内烟囱1出口，且为倾斜对称布置。

上述透明集热棚5设置通风口14。

本发明的工作原理详细分析如下：

本发明的具体工作过程为：海水经过初级过滤后由泵输送至海水预热器6，在该处与外界的湿蒸汽换热而提高温度，而后由海水周向分液器9缓缓流入方形集热管20内，在方形集热管20内形成海水液膜，从而由槽式聚光模块加热集热管，进而使得方形集热管20上方的海水薄膜蒸发，产生水蒸气，浓海水则流入浓海水罐13内，在该处蓄积热能留作无太阳时候使用。浓海水罐水储满后则由浓海水输出管16流出。槽式聚光模块3以烟囱为中心周向布置，为使得聚光模块效率较高，可根据其放置的位置和太阳位置进行调节。空气分两路，一路从方形集热管20内流入，另一路从透明集热棚5和集热棚底面吸热板12之间进入内烟囱1。在方形集热管20内，空气从海水薄膜上方吹扫过，在海水薄膜快速蒸发时空气湿度大量增加。湿空气在浮升力作用和内烟囱1射流引射作用下进入内外烟囱壁间，继而流向海水预热器6，在该处湿空气流动空间突然增大加之海水预热器6作用从而凝结为淡水滴落进入下方的接水罐10而后存入淡水罐11。在透明集热棚5和集热棚底面吸热板12之间，空气流过集热棚时被加热，从而温度升高密度降低，在烟囱浮升力作用下进入内烟囱1，而后流向外烟囱2。在外烟囱2内与经过海水预热器6的湿空气混合一起进入冷凝器7，在该处继续将部分蒸汽冷凝，而后排入大气。风力透平4留作调峰使用。风力发电获得的电能经逆变器调频后一起存入蓄电池内，而后驱动泵使得海水流入海水输入管8。如有电能富余可直接用作电加热海水薄膜或浓海水储液罐13。

Claims (8)

1.一种双烟囱型跟踪式太阳能海水淡化系统，其特征在于：包括内烟囱（1）、外烟囱（2）、槽式聚光模块（3）、透明集热棚（5）、海水预热器（6）、冷凝器（7）、海水输入管（8）、接水罐（10）、淡水罐（11）、集热棚底面吸热板（12）、浓海水储热罐（13）、支撑组（17）、淡水连接管（18）；所述内烟囱（1）内嵌于外烟囱（2）内，内烟囱（1）出口下方设置海水预热器（6），外烟囱（2）内置冷凝器（7）；所述内烟囱（1）的底部连接透明集热棚（5），所述连接处设置接水罐（10），所述接水罐（10）通过淡水连接管（18）连接淡水罐（11），所述透明集热棚（5）底部通过多组支撑组（17）支撑，所述支撑组（17）位于环形设置的集热棚底面吸热板（12）的上方，所述支撑组（17）上端还斜向设置槽式聚光模块（3），所述集热棚底面吸热板（12）下方设置浓海水储热罐（13），所述浓海水储热罐（13）下方设置水平海水输入管（8）。

2.根据权利要求1所述的一种双烟囱型跟踪式太阳能海水淡化系统，其特征在于：所述内烟囱（1）底部设置风力透平（4）。

3.根据权利要求2所述的一种双烟囱型跟踪式太阳能海水淡化系统，其特征在于：所述槽式聚光模块（3）为复合抛物面式或抛物面式聚光器，所述槽式聚光模块（3）内放置方形集热管（20）和太阳跟踪模块（19）。

4.根据权利要求3所述的一种双烟囱型跟踪式太阳能海水淡化系统，其特征在于：所述外烟囱（2）内设置海水周向分液器（9），所述海水周向分液器（9）与方形集热管（20）相连。

5.根据权利要求4所述的一种双烟囱型跟踪式太阳能海水淡化系统，其特征在于：所述淡水罐（11）水平设置淡水输出管（15），浓海水储热罐（13）水平设置浓海水输出管（16）。

6.根据权利要求5所述的一种双烟囱型跟踪式太阳能海水淡化系统，其特征在于：所述冷凝器（7）高于内烟囱（1）出口，且为倾斜对称布置。

7.根据权利要求6所述的一种双烟囱型跟踪式太阳能海水淡化系统，其特征在于：所述透明集热棚（5）设置通风口（14）。

8.一种双烟囱型跟踪式太阳能海水淡化方法，其特征在于利用权利要求7所述的系统，包括如下步骤：

（1）、海水经过初级过滤后由泵输送至海水预热器（6），在该处与外界的湿蒸汽换热而提高温度，而后由海水周向分液器（9）缓缓流入方形集热管（20）内，在方形集热管（20）内形成海水液膜，从而由槽式聚光模块加热集热管，进而使得方形集热管（20）上方的海水薄膜蒸发，产生水蒸气，浓海水则流入浓海水储热罐（13）内，在该处蓄积热能留作无太阳时候使用，浓海水储热罐（13）水储满后则由浓海水输出管（16）流出;

（2）、空气分两路，一路从方形集热管（20）内流入，另一路从透明集热棚（5）和集热棚底面吸热板（12）之间进入内烟囱（1），在方形集热管（20）内，空气从海水薄膜上方吹扫过，在海水薄膜快速蒸发时空气湿度大量增加，湿空气在浮升力作用和内烟囱（1）射流引射作用下进入内外烟囱壁间，继而流向海水预热器（6），在该处湿空气流动空间突然增大加之海水预热器（6）作用从而凝结为淡水滴落进入下方的接水罐（10）而后存入淡水罐（11），在透明集热棚（5）和集热棚底面吸热板（12）之间，空气流过集热棚时被加热，从而温度升高密度降低，在烟囱浮升力作用下进入内烟囱（1），而后流向外烟囱（2）；

（3）、在外烟囱（2）内与经过海水预热器（6）的湿空气混合一起进入冷凝器（7），在该处继续将部分蒸汽冷凝，而后排入大气；

（4）、风力透平（4）留作调峰使用，风力发电获得的电能经逆变器调频后一起存入蓄电池内，而后驱动泵使得海水流入海水输入管（8），如有电能富余可直接用作电加热海水薄膜或浓海水储热罐（13）。