CN105236505B - 一种基于空气能和太阳能的海岛制水装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空气能和太阳能的海岛制水装置及方法，其包括空气能热泵组件、太阳能集热板、四通阀和栅格密封板组件，空气能热泵组件和太阳能集热板用以梯级加热装置内的循环空气，空气能热泵组件包括蒸发器、冷凝器和压缩机，冷凝器与太阳能集热板相连，太阳能集热板与四通阀相连；四通阀连接有小型气泵，小型气泵与冷凝器相连；栅格密封板组件包括分别与四通阀相连的栅格密封板A和栅格密封板B，栅格密封板A中盛有硫氰酸铵溶液，栅格密封板B中放有硫氰酸铵晶体，并且栅格密封板A和栅格密封板B之间连接有散热铜管。本发明以太阳能和空气能为能量来源，通过冷却空气并将其中所含水分凝结析出的方式制造淡水，实现分布式全天候制水。

Description

一种基于空气能和太阳能的海岛制水装置及方法

技术领域

本发明属于淡水制备技术领域，更具体地，涉及一种基于空气能和太阳能的海岛制水装置及方法。

背景技术

由于海岛地区地理位置的特殊性，存在淡水资源匮乏的问题，随着海岛地区居民人数的增长和旅游业的开发，岛上淡水供给的问题日益突出，海岛地区缺乏中小规模的，低成本的淡水制取方法。目前，主要的海岛供水方式为海水淡化，海水淡化具有建设工期短和建设规模灵活性大的优点。

现有技术中关于利用海水淡化进行制水的方式主要有以下方案：CN201220085939.9公开了一种小型柴油海水淡化装置，其采用柴油机作为动力，利用反渗透法制取淡水，该装置的初期基础设置投资大，同时由于采用了化石燃料作为动力，运行成本高；CN200510088081.6公开了一种海岛、舰船的淡水制备装置，该装置直接用海上或海岛上的风能，通过压缩空气并冷凝其中的水分来制取淡水，能源清洁、成本低廉，但该装置仍然受到风能不稳定的制约；CN201510120361.4公开了一种碟式太阳能海水淡化装置，其利用太阳能光热资源，将海水进行负压蒸馏，然后凝结获得纯水，该装置无需消耗化石能源，但其在制水产量上受气候条件限制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于空气能和太阳能的海岛制水装置及方法，其中结合海岛地理位置的特点，利用空气能结合太阳能作为海岛制水的双重能源，实现循环空气的梯级加热，解决海岛地区缺乏中小规模的、低成本的淡水制备装置和方法的问题，并对其关键组件如空气能热泵组件和栅格密封板组件的具体结构及其具体设置方式进行研究和设计，具有结构简单，灵活性好等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面提出了一种基于空气能和太阳能的海岛制水装置，其特征在于，包括空气能热泵组件、太阳能集热板、四通阀和栅格密封板组件，所述空气能热泵组件和太阳能集热板用以梯级加热所述装置内的循环空气，其中：

所述空气能热泵组件包括通过管路相互连接的蒸发器、冷凝器和压缩机，所述冷凝器通过管路与所述太阳能集热板相连，所述太阳能集热板通过管路与所述四通阀相连；

所述四通阀由控制电路控制，其上连接有小型气泵，所述小型气泵通过管路与所述冷凝器相连；

所述栅格密封板组件包括分别与所述四通阀相连的且结构相同的栅格密封板A和栅格密封板B，所述栅格密封板A中盛有硫氰酸铵溶液，所述栅格密封板B中放置有硫氰酸铵晶体，并且所述栅格密封板A和栅格密封板B之间连接有散热铜管。

作为进一步优选的，所述栅格密封板A和栅格密封板B倾斜设置，并且与水平面呈30°角。

作为进一步优选的，所述空气能热泵组件作为第一级加热组件，所述太阳能集热板作为第二级加热组件。

按照本发明的另一方面，提供了一种一种利用所述海岛制水装置进行制水的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)利用空气能热泵组件吸入由栅格密封板B排出的低温干燥空气并将其加热至中温，以获得中温干燥空气，将所述中温干燥空气通入太阳能集热板中，以继续加热其至高温，获得高温干燥空气；

2)所述高温干燥空气经四通阀后被导入栅格密封板A中，所述高温干燥空气与所述栅格密封板A中的硫氰酸铵溶液换热变为中温高湿空气，所述中温高湿空气通过散热铜管与外界空气进行换热进而变成常温高湿空气；

3)所述常温高湿空气通入放置有硫氰酸铵晶体的所述栅格密封板B中，所述硫氰酸铵晶体吸收所述常温高湿空气中的水分，并溶解吸热产生制冷量，将所述常温高湿空气变为低温干燥空气，并将所述栅格密封板B底板外部的环境空气冷却到露点温度及其以下，使得所述环境空气在底板上冷凝出液态水进而被收集；

4)所述低温干燥空气通过所述四通阀后再次被导入所述空气能热泵组件中重新加热，以此方式，实现海岛的循环制水。

作为进一步优选的，所述低温干燥空气的温度为25℃，湿度为5％以下。

作为进一步优选的，所述中温干燥空气的温度为55℃，湿度为5％以下。

作为进一步优选的，其特征在于，所述高温干燥空气的温度为110℃，湿度为5％以下。

作为进一步优选的，所述中温高湿空气的温度为65℃，湿度为85％以上。

作为进一步优选的，所述常温高湿空气的温度为25℃，湿度为85％以上。

作为进一步优选的，所述控制电路控制所述四通阀定时改变空气的流动方向，以使所述栅格密封板A和栅格密封板B的功能互换。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明以清洁能源太阳能和空气能为能量来源，利用空气能和太阳能的协同作用实现空气的梯级加热，能源清洁高效，并通过冷却空气并将其中所含水分凝结析出的方式制造淡水，改变了传统海水蒸馏淡化的制水方式，可实现分布式的全天候制水，适用于中小规模的海岛制水，解决现有海岛地区缺乏中小规模的，低成本的淡水制备装置及方法的问题。

2.本发明所用化学试剂与所制水分完全没有产生接触，所制淡水经简单净化后就可以直接利用，且所用试剂硫氰酸铵不易蒸发泄露，耗损量极小，可多次重复利用，此外，本发明初期投资较低，可以用较低的能耗和成本制取水分，且制水规模可以根据需求自由调整，灵活性好。

附图说明

图1是本发明制水装置的三维整体图；

图2是本发明制水装置的三维俯视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的一种基于空气能和太阳能的海岛制水装置，其主要包括空气能热泵组件、太阳能集热板2、四通阀12和栅格密封板组件。其中空气能热泵组件做为第一级加热组件，太阳能集热板2分别作为第二级加热组件，两者梯级加热，即气体经过空气能热泵加热后再进入太阳能集热板继续加热，最终管路中的循环空气至高温状态，从而利用空气能和太阳能的协同作用，为制水提供能源，实现海岛区域的快速循环制水。

下面将对本发明的关键组件逐一进行更为具体的说明。

作为本发明的关键组件之一，空气能热泵组件包括通过管路相互连接的蒸发器6、冷凝器7和压缩机8，冷凝器7通过管路与太阳能集热板2相连，太阳能集热板2通过管路与四通阀12相连；四通阀12由控制电路13控制，其上连接有小型气泵14，控制电路13放置在四通阀12的一侧，用以对四通阀12进行调节，小型气泵14通过管路与冷凝器7相连，该小型气泵14用以给管路中的空气流通提供动力，上述各管路均为密封管路，保证空气的可靠流通。

作为本发明的另一关键组件，栅格密封板组件包括分别与四通阀12相连的栅格密封板A9和栅格密封板B10。栅格密封板是包括耐高温的栅格、由底板、有机玻璃和PEF保温材料共同制作而成的中空板。栅格密封板A9和栅格密封板B10之间连接有散热铜管11，具体的，散热铜管11位于栅格密封板A9和栅格密封板B10之间，散热铜管11通过管路与栅格密封板A、栅格密封板B连接，该散热铜管可将经过的内循环空气冷却至环境温度；栅格密封板A9和栅格密封板B10的结构相同且倾斜设置，与水平面呈30°角，倾斜设置使得栅格密封板收集到的水分可以顺着集水槽下滑，方便收集。其中，栅格密封板A9中盛有硫氰酸铵溶液，栅格密封板B10中放置有硫氰酸铵晶体，栅格密封板A和栅格密封板B利用盛放在其中的化学试剂硫氰酸铵晶体溶解产生的制冷量实现空气冷凝制水。

下面将说明利用本发明的制水装置进行制水的方法，包括以下步骤：

1)首先，向管道内通入干燥空气并密封管道，打开小型气泵使得气体开始流通，空气能热泵组件吸入由栅格密封板B排出的低温干燥空气并加热至中温状态，再将中温干燥空气通入太阳能集热板2中，太阳能集热板2继续加热中温干燥空气至高温状态并将空气排出至管道，高温干燥空气流经管道过四通阀12后被导入栅格密封板组件中。

2)由于在栅格密封板组件中，栅格密封板A在装置工作开始前盛有硫氰酸铵溶液，栅格密封板B盛有硫氰酸铵晶体，硫氰酸铵晶体对水有很强的吸附性，同时硫氰酸铵晶体吸水溶解可以产生大量制冷量。高温干燥空气通过密封管道到达栅格密封板A，高温干燥空气与栅格密封板A中的硫氰酸铵溶液换热，使得硫氰酸铵溶液发生蒸发结晶过程，高温干燥空气变为中温高湿空气；之后中温高湿空气通过散热铜管11与外界空气进行换热，中温高湿空气变为常温高湿状态。

3)常温高湿空气通入硫氰酸铵晶体所在的栅格密封板B中，栅格密封板B中的晶体吸收空气中的水分，溶解吸热，产生制冷量，将栅格密封板B底板外部的环境空气冷却到露点温度(例如某海岛地区夏季环境，湿度75％，温度22℃时，露点温度为17.0℃)及其以下，相对湿度达到百分之百，环境中的水蒸气就会冷凝出液态水，液态水粘附在底板上，达到一定数量后下落并被收集，此步骤硫氰酸铵晶体发生溶解过程。

4)常温高湿空气在经过栅格密封板B后，由于水分被硫氰酸铵晶体吸收，常温高湿空气变为低温干燥状态，低温干燥空气再次经过四通阀12被导入空气能热泵组件和太阳能集热板2中重新加热，实现空气的梯级加热，进而实现海岛的循环制水。

具体的，上述低温干燥空气的温度为25℃，湿度为5％以下；中温干燥空气的温度为55℃，湿度为5％以下；高温干燥空气的温度为110℃，湿度为5％以下；所述中温高湿空气的温度为65℃，湿度为85％以上；常温高湿空气的温度为65℃，湿度为85％以上；所述常温高湿空气的温度为25℃，湿度为85％以上。

进一步的，控制电路13以定时的方式控制四通阀12定时改变空气的流动方向，以使栅格密封板A和栅格密封板B的功能互换，进而实现溶解和蒸发结晶过程的反复变换。更为具体的，控制电路13中设置了定时程序来控制四通阀的换向，从而定时改变空气的流动方向，在制水装置运行后，控制电路中的单片机开始计时，当栅格密封板A中的硫氰酸铵溶液完全结晶，栅格密封板B中的硫氰酸铵晶体完全溶解时，同时单片机计时也达到设定值，控制电路改变四通阀的流通方向，使得四通阀工作将空气管道的进气口与出气口相互交换，此时，栅格密封板A和栅格密封板B的功能发生互换，本装置通过这种方式实现溶解和蒸发结晶过程的反复变换，进一步的实现了循环制水的功能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于空气能和太阳能的海岛制水装置，其特征在于，包括空气能热泵组件、太阳能集热板(2)、四通阀(12)和栅格密封板组件，所述空气能热泵组件和太阳能集热板(2)用以梯级加热所述装置内的循环空气，其中：

所述空气能热泵组件包括通过管路相互连接的蒸发器(6)、冷凝器(7)和压缩机(8)，所述冷凝器(7)通过管路与所述太阳能集热板(2)相连，所述太阳能集热板(2)通过管路与所述四通阀(12)相连；

所述四通阀(12)由控制电路(13)控制，所述四通阀(12)上连接有小型气泵(14)，所述小型气泵(14)通过管路与所述冷凝器(7)相连；

所述栅格密封板组件包括分别与所述四通阀(12)相连的且结构相同的栅格密封板A(9)和栅格密封板B(10)，所述栅格密封板A(9)中盛有硫氰酸铵溶液，所述栅格密封板B(10)中放置有硫氰酸铵晶体，并且所述栅格密封板A(9)和栅格密封板B(10)之间连接有散热铜管(11)。

2.如权利要求1所述的基于空气能和太阳能的海岛制水装置，其特征在于，所述栅格密封板A(9)和栅格密封板B(10)倾斜设置，并且与水平面呈30°角。

3.如权利要求1或2所述的基于空气能和太阳能的海岛制水装置，其特征在于，所述空气能热泵组件作为第一级加热组件，所述太阳能集热板(2)作为第二级加热组件。

4.一种利用如权利要求1-3任一项所述的海岛制水装置进行制水的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)利用空气能热泵组件吸入由栅格密封板B(10)排出的低温干燥空气并将其加热至中温，以获得中温干燥空气，将所述中温干燥空气通入太阳能集热板(2)中，以继续加热其至高温，获得高温干燥空气；

2)所述高温干燥空气经四通阀(12)后被导入栅格密封板A(9)中，所述高温干燥空气与所述栅格密封板A(9)中的硫氰酸铵溶液换热变为中温高湿空气，所述中温高湿空气通过散热铜管(11)与外界空气进行换热进而变成常温高湿空气；

3)所述常温高湿空气通入放置有硫氰酸铵晶体的所述栅格密封板B(10)中，所述硫氰酸铵晶体吸收所述常温高湿空气中的水分，并溶解吸热产生制冷量，将所述常温高湿空气变为低温干燥空气，并将所述栅格密封板B(10)底板外部的环境空气冷却到露点温度及其以下，使得所述环境空气在底板上冷凝出液态水进而被收集；

4)所述低温干燥空气通过所述四通阀(12)后再次被导入所述空气能热泵组件中重新加热，以此方式，实现海岛的循环制水，

其中，所述低温干燥空气的温度为25℃，湿度为5％以下；所述中温干燥空气的温度为55℃，湿度为5％以下；所述高温干燥空气的温度为110℃，湿度为5％以下；中温高湿空气的温度为65℃，湿度为85％以上；所述常温高湿空气的温度为25℃，湿度为85％以上。

5.如权利要求4所述方法，其特征在于，所述控制电路(13)控制所述四通阀(12)定时改变空气的流动方向，以使所述栅格密封板A(9)和栅格密封板B(10)的功能互换。