CN105129891A - 一种基于吸光沸腾的太阳能海水淡化装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于吸光沸腾的太阳能海水淡化装置及方法，本发明装置包括聚光透镜、透镜支架、出汽口、冷凝器、给水泵、海水池、淡水收集罐、给水口、浓盐水排出口、蒸馏池、待蒸馏海水、吸光材料、玻璃隔板；聚光透镜通过透镜支架固定在蒸馏池的上端；蒸馏池的上端通过玻璃隔板密封；蒸馏池的顶端设有出汽口，蒸馏池的下端分别设有浓盐水排出口和给水口；给水泵将待蒸馏海水从海水池依次经过冷凝器和给水口后流入蒸馏池；蒸馏池内待蒸馏海水上覆盖有吸光材料；出汽口与冷凝器、淡水收集罐依次连接；入射光经聚光透镜汇聚后，入射并透过玻璃隔板，投射到吸光材料。本发明采用聚光局部沸腾原理，以沸腾产气为主，兼顾和促进蒸发，提高淡水生产率。

Description

一种基于吸光沸腾的太阳能海水淡化装置及方法

技术领域

本发明属于太阳能海水淡化领域，涉及一种基于吸光沸腾的太阳能海水淡化装置及方法。

背景技术

从全球范围看，海水资源丰富而淡水资源相对匮乏，为了从海水中提取出淡水，满足人们日常生产生活需要，需要将海水进行淡化。传统的海水淡化技术主要有蒸馏法、渗透法和化学法等，这些方法多数耗电耗能，成本过高。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，利用太阳能进行海水淡化具有重大的社会价值和经济价值。

中国专利201310232944.7公开了“太阳能海水淡化系统”，利用太阳能加热管获取太阳能，加热管内海水，经过汽水分离装置获得蒸汽，再通过冷凝装置获得淡水，此种方法采用的是传统的加热的方式，需要合理安排蒸发器中的加热管道实现高效合理加热，系统较为复杂，投资成本较高；中国专利201110141026.4公开了一种“太阳能海水淡化装置及其海水淡化方法”，利用太阳能将太阳能热水器中的海水加热，然后进入蒸发器、冷凝器，该系统需利用真空喷射系统抽吸蒸汽，使蒸发器内形成负压，加速海水蒸发，其中喷射泵的功率最高可达1kW，增大了系统的结构复杂性，加大了投资成本。

值得指出的是，目前太阳能海水淡化装置和方法普遍存在以下问题：一是方法原理存在缺陷，太阳能海水淡化通常采用集热管获得太阳能，对管内海水进行全局加热，该方法获得的太阳能多数转化为水的显热，只有少量转化为相变潜热，主要依靠蒸发过程获得蒸汽，产生的蒸汽量少，热量损耗大，效率低下；二是结构设计过于复杂，由于存在上述原理缺陷，为了提高效率，一般太阳能海水淡化装置需要辅助设备，如太阳光跟踪装置、真空喷射系统等，使系统变得更加复杂，加大了初期投资成本，难以大规模推广使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有太阳能海水淡水装置和方法的效率低、系统复杂、成本高等缺点，提供一种高效、便捷的太阳能海水淡化装置和方法。

为实现上述的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于吸光沸腾的太阳能海水淡化装置，包括聚光透镜、透镜支架、出汽口、冷凝器、给水泵、海水池、淡水收集罐、给水口、浓盐水排出口、蒸馏池、吸光材料和玻璃隔板；聚光透镜通过透镜支架固定在蒸馏池的上端；蒸馏池的上端通过玻璃隔板密封；玻璃隔板下方设有吸光材料；蒸馏池的侧面上部设有出汽口，蒸馏池的下端分别设有浓盐水排出口和给水口；海水池依次通过给水泵、冷凝器与给水口相连，出汽口与冷凝器、淡水收集罐依次连接。

作为优选，所述的聚光透镜为凸透镜或菲涅耳透镜，聚光透镜的光学投射面与蒸馏池的横截面重合。

作为优选，所述的聚光透镜与水平面的夹角θ等于本装置使用地的纬度。

作为优选，所述的吸光材料为吸光率大于0.9，发射率小于0.2，密度小于水的亲水纳米颗粒或多孔灰体材料。

作为优选，所述的玻璃隔板选择透光且工作温度为150℃以上的玻璃材料。

本发明的另一目的是提供一种使用所述装置的基于吸光沸腾的太阳能海水淡化方法：聚光透镜向阳布置，调整聚光透镜的倾斜角θ，使本装置获得最佳太阳光投入辐射；蒸馏池内注入待蒸馏海水；吸光材料平铺在待蒸馏海水液面上；入射光经聚光透镜汇聚后，入射并透过玻璃隔板，投射到吸光材料上；吸光材料吸收太阳能后升温，加热与其接触的待蒸馏海水，使该部分海水沸腾产生蒸汽，蒸汽由出汽口排出，进入冷凝器汽侧，被冷凝器液侧的海水冷却、液化，形成的水滴汇流至淡水收集罐；海水池中蓄有经过滤软化处理后的海水，海水通过给水泵在冷凝器液侧与冷凝器汽侧的蒸汽预热升温后，由给水口流入蒸馏池，为蒸馏池持续补充所需的待蒸馏海水；海水淡化过程中，控制给水口补充的待蒸馏海水量，使吸光材料保持在出汽口下方固定距离，使待蒸馏海水不会在沸腾过程中溢出；蒸馏剩余的海水，经浓盐水排出口定期排出。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：：

（1）本发明采用局部沸腾原理，改变传统的管道整体沸腾方式，利用吸光材料局部聚光加热沸腾，以沸腾产生蒸汽为主；同时，并利用蒸汽冷凝过程中的热量对待蒸发海水进行预热，进一步提高海水的蒸发速率，提高淡水的生产率。

（2）本发明采用的是局部聚光沸腾原理，因此避免了需要对聚光镜的跟踪控制以保证聚焦光斑与加热面的一一对应关系，系统结构简单，运行和制造成本低廉，系统运行可靠性大大提高。

附图说明

图1是一种基于吸光沸腾的太阳能海水淡化装置结构示意图；

图2是本发明的聚光透镜和透镜支架的结构示意图。

图3是本发明的蒸馏池的结构示意图。

图中：聚光透镜1、透镜支架2、出汽口3、冷凝器4、给水泵5、海水池6、淡水收集罐7、给水口8、浓盐水排出口9、蒸馏池10、待蒸馏海水11、吸光材料12、玻璃隔板13、入射光14。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1~3所示，一种基于吸光沸腾的太阳能海水淡化装置，包括聚光透镜1、透镜支架2、出汽口3、冷凝器4、给水泵5、海水池6、淡水收集罐7、给水口8、浓盐水排出口9、蒸馏池10、吸光材料12和玻璃隔板13；聚光透镜1通过透镜支架2固定在蒸馏池10的上端；蒸馏池10的上端通过玻璃隔板13密封；蒸馏池10内注有待蒸馏海水11，玻璃隔板13下方的水面上覆盖有吸光材料12；蒸馏池10的侧面上部设有出汽口3，蒸馏池10的下端分别设有浓盐水排出口9和给水口8；海水池6依次通过给水泵5、冷凝器4与给水口8相连，出汽口3与冷凝器4、淡水收集罐7依次连接。给水泵5将待蒸馏海水11从海水池6依次经过冷凝器4和给水口8后流入蒸馏池10；入射光14经聚光透镜1汇聚后，入射并透过玻璃隔板13，投射到吸光材料12。

所述的聚光透镜1采用凸透镜或菲涅耳透镜。聚光透镜1的光学投射面与蒸馏池10的横截面重合。

所述的聚光透镜1与水平面的最佳夹角θ等于本装置使用地的纬度。但在实际使用过程中，实际夹角θ可在最佳夹角附近。

所述的吸光材料12为具有高吸光率、低发射率、密度小于水的亲水、超亲水纳米颗粒或多孔灰体材料。作为一种最佳实施例，吸光材料为吸光率大于0.9，发射率小于0.2且密度小于水的亲水纳米颗粒或多孔灰体材料。

为了保证在高温状态下正常工作，所述的玻璃隔板13选择透光且工作温度为150℃以上的玻璃材料。

本发明的具体工作过程如下：

海水池中蓄有过滤软化后的海水，除去了固体杂质和钙、镁离子，防止管道设备堵塞、结垢，海水池中的海水经给水泵加压，流入冷凝器液侧，在换热壁面上被汽侧的蒸汽加热，温度升高，达到预热效果，然后由给水口流入蒸馏池，根据产生的蒸汽量，及时调整给水量，为蒸馏池持续补充所需的待蒸馏海水，保持液面在出汽口下方某一高度，以沸腾时待蒸馏海水不因液面波动溢出出汽口为宜。透镜支架布置在蒸馏池上端，聚光透镜通过透镜支架固定，调整装置方位，使聚光透镜向阳布置，根据所在地的地理位置和光照特点，确定聚光透镜的倾斜角θ，使本装置获得最佳太阳光投入辐射,θ的最佳值等于安装所在地的纬度值。入射光经聚光透镜汇聚后，入射并透过玻璃隔板，投射到吸光材料上，吸光材料吸收太阳能后迅速升温，加热与其接触的较冷的待蒸馏海水，使该部分海水发生沸腾，产生蒸汽，蒸汽由出汽口排出，进入冷凝器汽侧，在换热壁面上被液侧的海水冷却，液化成水滴，最终汇流至淡水收集罐，冷凝器汽侧蒸汽液化后形成负压，加速对出汽口蒸汽的抽吸。蒸馏剩余的含盐度较高的海水，经浓盐水排出口定期排出。

基于上述吸光沸腾的太阳能海水淡化装置，本发明提出了一种使用所述装置的基于吸光沸腾的太阳能海水淡化方法：聚光透镜1向阳布置，根据装置的实际使用位置，调整聚光透镜的倾斜角θ使θ等于本装置使用地的纬度，使本装置获得最佳太阳光投入辐射；蒸馏池10内注入待蒸馏海水11。吸光材料12通过压制形成疏松多孔的薄层，平铺在待蒸馏海水11液面上。入射光14经聚光透镜1汇聚后，入射并透过玻璃隔板13，投射到吸光材料12上，由于聚光透镜1不跟踪太阳光，投射到吸光材料12上的光斑随着时间的变化而产生移动，而且，光斑大小也在设计范围之内变化。吸光材料12吸收太阳能后迅速升温，加热与其接触的待蒸馏海水11，使该部分海水沸腾产生蒸汽，蒸汽由出汽口3排出，进入冷凝器4汽侧，被冷凝器液侧的海水冷却、液化，形成的水滴汇流至淡水收集罐7。海水池6中蓄有经过滤软化处理后的海水，海水通过给水泵5在冷凝器4液侧与冷凝器4汽侧的蒸汽预热升温后，由给水口8流入蒸馏池10，为蒸馏池持续补充所需的待蒸馏海水11。海水淡化过程中，控制给水口8补充的待蒸馏海水量，使吸光材料保持在出汽口3下方固定距离，具体距离以使待蒸馏海水不会在沸腾过程中溢出为准；经冷凝器4预热后蒸馏海水11温度升高，提高了海水的蒸发速率。蒸馏剩余的海水，经浓盐水排出口9定期排出。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本方面的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于吸光沸腾的太阳能海水淡化装置，其特征在于，包括聚光透镜（1）、透镜支架（2）、出汽口（3）、冷凝器（4）、给水泵（5）、海水池（6）、淡水收集罐（7）、给水口（8）、浓盐水排出口（9）、蒸馏池（10）、吸光材料（12）和玻璃隔板（13）；聚光透镜（1）通过透镜支架（2）固定在蒸馏池（10）的上端；蒸馏池（10）的上端通过玻璃隔板（13）密封；玻璃隔板（13）下方设有吸光材料（12）；蒸馏池（10）的侧面上部设有出汽口（3），蒸馏池（10）的下端分别设有浓盐水排出口（9）和给水口（8）；海水池（6）依次通过给水泵（5）、冷凝器（4）与给水口（8）相连，出汽口（3）与冷凝器（4）、淡水收集罐（7）依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于吸光沸腾的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述的聚光透镜（1）为凸透镜或菲涅耳透镜，聚光透镜（1）的光学投射面与蒸馏池（10）的横截面重合。

3.根据权利要求1所述的一种基于吸光沸腾的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述的聚光透镜（1）与水平面的夹角θ等于本装置使用地的纬度。

4.根据权利要求1所述的一种基于吸光沸腾的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述的吸光材料（12）为吸光率大于0.9，发射率小于0.2，密度小于水的亲水纳米颗粒或多孔灰体材料。

5.根据权利要求1所述的一种基于吸光沸腾的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述的玻璃隔板（13）选择透光且工作温度为150℃以上的玻璃材料。

6.一种使用如权利要求1所述装置的基于吸光沸腾的太阳能海水淡化方法，其特征在于：聚光透镜（1）向阳布置，调整聚光透镜的倾斜角θ，使本装置获得最佳太阳光投入辐射；蒸馏池（10）内注入待蒸馏海水（11）；吸光材料（12）平铺在待蒸馏海水（11）液面上；入射光（14）经聚光透镜（1）汇聚后，入射并透过玻璃隔板（13），投射到吸光材料（12）上；吸光材料（12）吸收太阳能后升温，加热与其接触的待蒸馏海水（11），使该部分海水沸腾产生蒸汽，蒸汽由出汽口（3）排出，进入冷凝器（4）汽侧，被冷凝器液侧的海水冷却、液化，形成的水滴汇流至淡水收集罐（7）；海水池（6）中蓄有经过滤软化处理后的海水，海水通过给水泵（5）在冷凝器（4）液侧与冷凝器（4）汽侧的蒸汽预热升温后，由给水口（8）流入蒸馏池（10），为蒸馏池持续补充所需的待蒸馏海水（11）；海水淡化过程中，控制给水口（8）补充的待蒸馏海水量，使吸光材料保持在出汽口（3）下方固定距离，使待蒸馏海水不会在沸腾过程中溢出；蒸馏剩余的海水，经浓盐水排出口（9）定期排出。