CN106745431A - 一种全热回收太阳能海水淡化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全热回收太阳能海水淡化装置，包括加热单元、海水淡化单元、检测装置、太阳能发电单元；所述加热单元包括CPC太阳能聚光器、辅助加热器；所述CPC太阳能聚光器包括抛物面和接收器；所述海水淡化单元包括凹型容器、海水供给管路、蒸发腔室、球形凝结器和真空泵；所述检测装置包括液位调节装置、温度检测装置、压力检测装置；该装置采用聚能和光热转换组合进行海水淡化，绿色环保，装置通过降低海水热容、增加冷凝面积提高蒸发速度，通过海水既做原料水又做冷凝水、浓盐水余热回收装置实现全热回收，提高能源的利用率及装置的运行温度，装置通过太阳能供电无需外加能源，减少传统能源的使用，整个装置节能环保。

Description

一种全热回收太阳能海水淡化装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能海水淡化装置，特别是涉及一种全热回收式太阳能海水淡化装置，属于太阳能应用和海水淡化技术领域。
背景技术
据统计，我国水资源总量居世界第六位，但人均水资源拥有量仅为世界人均水资源平均值的1/4，被联合国列为13个最贫水国家之一。截止2013年我国23个省4个直辖市中，有10多个省人均水资源低于严重缺水线，有3个省极度缺水，6个省人均水资源低于200m3仅能维持生存的最低标准，这些都表明水资源不再是取之不竭的“大自然恩赐”。
为了缓解水资源危机我国提出南水北调、废水回收利用，蓄水工程、推广节水技术等，实践表明单靠这些途径不能从根本上解决水资源短缺问题，海水淡化由于可以变废为宝，增加淡水资源总量，对环境污染小等优点被认为是解决我国水资源短缺最有效的途径。对海水进行淡化的方法很多但是常规的方法，如蒸馏法、离子交换法、渗析法、反渗透膜法等都需要消耗大量的燃料或电力，在能源较紧张的条件下，利用太阳能进行海水淡化乃是解决淡水资源缺乏或供应不足的重要途径之一，且从经济上考虑，利用太阳能进行海水淡化越来越有市场竞争力，据测算，我国太阳能海水淡化的成本为每公斤0.1元左右，较适合目前的消费水平。
目前太阳能整流器普遍存在单位面积产量过低的问题，一般认为导致产量低的原因有：其一是蒸汽的凝结潜热未被重新利用，而是通过盖板散失到大气中，比如中国专利号为201110141026.4的专利申请公开了一种太阳能海水淡化装置及其使用方法，该装置通过太阳能加热海水进入蒸发器蒸发，蒸汽进入冷凝器冷凝，未有效利用冷凝潜热，造成了能量浪费，淡化耗能较高；其二是传统太阳能蒸馏器中待蒸发的海水热容量过大，限制了运行温度的提高，从而减弱了蒸发的驱动力；其三是太阳能蒸馏器中采用自然对流的换热方式，大大限制了蒸馏器性能的提高。克服一般太阳能蒸馏器上述三个缺陷，必将大大改善蒸馏器的热性能。本发明提出一种全热回收太阳能海水淡化装置，该装置将冷凝面设置为球形，大大增加其冷凝面积，提高蒸发速度，且利用蒸汽的凝结潜热预热待蒸发的海水提高能量利用率，蒸发腔室设计为小面积的竖管且利用多孔结构蒸发面降低海水的热容提高运行温度，聚光器采用CPC，聚光角大，无需实时跟踪太阳、可靠性和结构简单。
发明内容
为克服现有技术的局限性，本发明的目的是通过采用聚光和光热转换组合进行海水淡化，进而提供一种全热回收太阳能海水淡化装置。
本发明是通过如下技术方案得以实现的：
一种全热回收太阳能海水淡化装置，包括加热单元、海水淡化单元、检测装置、太阳能发电单元；所述加热单元包括CPC太阳能聚光器、辅助加热器；所述CPC太阳能聚光器包括抛物面和接收器；所述抛物面包括抛物A面和抛物B面，抛物A面和抛物B面通过接收器相连接；所述海水淡化单元包括凹型容器、海水供给管路、蒸发腔室、球形凝结器、真空泵和水泵；所述凹形容器左侧上端设置有接收器，其中，凹形容器左侧内部设置有多孔结构蒸发面，多孔结构蒸发面与接收器之间组成蒸发腔室；蒸发腔室右侧侧壁上开设有孔，该孔通过海水供给管路中的蒸汽输送管道与球形凝结器相连，凹形容器右侧上端设置有检测装置；所述检测装置包括液位调节装置、温度检测装置、压力检测装置；所述温度检测装置用来监测凹形容器内水的温度，压力检测装置用来监测凹形容器内的压力，液位调节装置配合凹形容器内的水位传感探头用来监测凹形容器水位，并通过导线连接的第一控制器根据水位来调整水泵的开闭；所述太阳能发电单元通过导线与检测装置和海水淡化单元相连接，太阳能发电单元用于为检测装置和海水淡化单元提供电能。
进一步的，述蒸发腔室左侧侧壁上开设有溢流孔。
进一步的，所述蒸汽输送管道入口处设置有丝网捕沫器。
进一步的，所述球形凝结器一端与真空泵相连接。
进一步的，所述海水供给管路还包括海水箱、水泵、海水左进口、海水右进口；所述海水左进口、海水右进口分别安装在凹型容器两侧外壁上且与凹形容器相连通；所述海水箱利用水泵通过管道将海水输入海水右进口，同时输入螺旋换热管，然后流入海水左进口。
进一步的，所述海水淡化单元还包括浓盐水余热回收装置，所述浓盐水余热回收装置包括浓盐水进口、浓盐水出口；所述浓盐水进口开设在凹型容器壁下侧，并通过管道与螺旋换热管外壁接触，用于加热螺旋换热管内的海水，然后通过浓盐水出口流出。
进一步的，所述太阳能发电单元主要包括太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、交流/直流负载，其中蓄电池组包括三个功率为1kw的蓄电池；所述太阳能电池方阵吸收太阳能并存储在蓄电池组中，蓄电池组通过控制器的控制，进而将蓄电池组中的电转换成交流/直流，从而带动交流/直流负载。
进一步的，所述液位调节装置、温度检测装置、压力检测装置、辅助加热器、水泵、真空泵均利用太阳能发电单元供电。
进一步的，所述凹型容器左边细竖管的截面为50cm的正方形，右边粗竖管的截面为100cm的正方形，中间管路截面为50cm的正方形；凹型容器总高为200cm。
进一步的，所述辅助加热器加热功率为200w，数量共为2个，分别安装在凹形容器左边细竖管和右边粗竖管的中央部位。
本发明的有益效果是：
1.聚能和光热转换组合进行海水淡化，整个装置完全依靠太阳能进行供电，不消耗常规能源，无污染。
2.将凹形容器细的竖管作为蒸发腔，利用多孔结构蒸发面实现分层蒸发，可以降低海水的热容，提高装置的运行温度，增强了海水蒸发和水蒸气冷凝的驱动力。
3.利用球形凝结器增大冷凝面积，加快冷凝速率，提高蒸发速度，降低真空泵的负荷节省能耗，且利用冷凝潜热对待处理的海水进行预热，装置能量利用率高，间接降低装置的能耗。
4.多孔结构蒸发面使得海水形成海水膜易于蒸发，且多孔结构使得海水自吸进行补液。
5.利用螺旋换热管吸收浓盐水的热量，并将热量传递给海水，加热海水，从而充分利用热量，加快海水的蒸发。
附图说明
图1为一种全热回收太阳能海水淡化装置的结构示意图；
图2为太阳能发电单元组成示意图。
附图标记如下：
1.抛物面，2.接收器，3.凹型容器，4.蒸发腔室，5.多孔结构蒸发面，6.溢流孔，7.蒸汽输出管路，8.丝网捕沫器，9.球形凝结器，10.真空泵，11.淡水箱，12.海水箱，13.水泵，14.海水左进口，15.海水右进口，16.浓盐水进口，17.浓盐水出口，18.螺旋换热管，19.液位调节装置，20.温度检测装置，21.压力检测装置，22.水位传感探头，23.第一控制器，24.辅助加热器。
具体实施方式
为对本发明做进一步的描述现结合附图说明：
结合附图1，全热回收太阳能海水淡化装置，包括加热单元、海水淡化单元、检测装置、太阳能发电单元；所述加热单元包括CPC太阳能聚光器、辅助加热器24；所述CPC太阳能聚光器包括抛物面1和接收器2；所述抛物面1包括抛物A面和抛物B面，抛物A面和抛物B面通过接收器2相连接；所述海水淡化单元包括凹型容器3、海水供给管路、蒸发腔室4、球形凝结器9和真空泵10；所述凹形容器3左侧上端设置有接收器2，其中，凹形容器3左侧内部设置有多孔结构蒸发面5，多孔结构蒸发面5与接收器2之间组成蒸发腔室4；蒸发腔室4右侧侧壁上开设有孔，该孔通过海水供给管路中的蒸汽输送管道7与球形凝结器9相连，凹形容器3右侧上端设置有检测装置；所述检测装置包括液位调节装置19、温度检测装置20、压力检测装置21；所述温度检测装置20用来监测凹形容器3内水的温度，压力检测装置21用来监测凹形容器3内的压力，液位调节装置19配合凹形容器3内的水位传感探头22用来监测凹形容器3水位，并通过导线连接的第一控制器23根据水位来调整水泵13的开闭。
其中，所述蒸发腔室4左侧侧壁上开设有溢流孔6。所述蒸汽输送管道7入口处设置有丝网捕沫器8。所述球形凝结器9一端与真空泵10相连接。所述海水供给管路还包括海水箱12、水泵13、海水左进口14、海水右进口15；所述海水左进口14、海水右进口15分别安装在凹型容器3两侧外壁上且与凹形容器3相连通；所述海水箱12利用水泵13通过管道将海水输入海水右进口15，同时输入螺旋换热管18，利用螺旋换热管18进行加热海水，然后流入海水左进口14。所述海水淡化单元还包括浓盐水余热回收装置，所述浓盐水余热回收装置包括浓盐水进口16、浓盐水出口17；所述浓盐水进口16开设在凹型容器3壁下侧，并通过管道与螺旋换热管18外壁接触，用于加热螺旋换热管18内的海水，然后通过浓盐水出口17流出。
结合附图2，所述太阳能发电单元主要包括太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、交流/直流负载，其中蓄电池组包括三个功率为1kw的蓄电池；所述太阳能电池方阵吸收太阳能并存储在蓄电池组中，蓄电池组通过控制器的控制，进而将蓄电池组中的电转换成交流/直流，从而带动交流/直流负载。所述液位调节装置19、温度检测装置20、压力检测装置21、辅助加热器24水泵13、真空泵10均利用太阳能发电单元供电。所述凹型容器3左边细竖管的截面为50cm的正方形，右边粗竖管的截面为100cm的正方形，中间管路截面为50cm的正方形；凹型容器3总高为200cm。所述辅助加热器24加热功率为200w，数量共为2个，分别安装在凹形容器3左边细竖管和右边粗竖管的中央部位。
工作过程：
结合附图1，实施时，利用水泵13抽吸海水箱12的海水至凹型容器3，直至海水浸透多孔结构蒸发面5，CPC太阳能聚光器抛物面A、抛物面B反射太阳光至装置接收器2对海水进行加热，海水蒸发，蒸汽进入蒸汽输出管路7通过丝网捕沫器8去除水分后进入球形凝结器9冷凝，同时利用凝结潜热预热凹型容器3中待蒸发的海水，冷凝的淡水进入底部淡水箱11。凹型容器3底部开有浓盐水排放口，定期将浓盐水进行排放，利用海水箱12中的海水通过浓盐水余热回收装置回收浓盐水的热量，经预热的海水从海水左进口14进入凹型容器3。
液位调节装置19通过水位传感探头22、控制器23维持水位不变，海水蒸发导致凹型容器液面下降，此时控制器23控制水泵13，通过海水右进口15补充海水。蒸汽冷凝放出的潜热会使得凹型容器右边粗竖管海水温度逐渐升高，温度太高会影响冷凝速率，通过温度检测装置20维持温度不得高于50℃，温度超过50℃控制器23开启海水泵13进行补液，超过要求水位海水通过溢流孔6流出。
压力检测装置24保证凹型容器3内部处于负压状态，通过真空泵10满足装置的真空度要求，使得海水低温蒸发，加快蒸发速率提高产水量，由于采用球形凝结器9冷凝速度快，减小真空泵的负荷，能耗较低。所有用电设备皆通过太阳能发电单元供电，经试验三个功率为1kw的蓄电池足够满足装置的耗能要求，夜晚时采用辅助加热器24加热海水进行淡化。
假设海水的蒸发温度为60℃，海水的平均温度为35℃，按照多孔结构蒸发面的体积计算一次蒸发海水的质量为m＝0.5m×0.5m×0.1m×1025kg/m3＝25.625kg，海水蒸发吸收的热量Q＝cmΔt＝4.02×103×25.625×(60-35)＝2.57×106J＝0.7kw.h，假设太阳能CPC聚光的功率为1kw，则装置的产水量为36.6kg/h。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全热回收太阳能海水淡化装置，其特征在于，包括加热单元、海水淡化单元、检测装置、太阳能发电单元；所述加热单元包括CPC太阳能聚光器、辅助加热器(24)；所述CPC太阳能聚光器包括抛物面(1)和接收器(2)；所述抛物面(1)包括抛物A面和抛物B面，抛物A面和抛物B面通过接收器(2)相连接；所述海水淡化单元包括凹型容器(3)、海水供给管路、蒸发腔室(4)、球形凝结器(9)、真空泵(10)和水泵(13)；所述凹形容器(3)左侧上端设置有接收器(2)，其中，凹形容器(3)左侧内部设置有多孔结构蒸发面(5)，多孔结构蒸发面(5)与接收器(2)之间组成蒸发腔室(4)；蒸发腔室(4)右侧侧壁上开设有孔，该孔通过海水供给管路中的蒸汽输送管道(7)与球形凝结器(9)相连，凹形容器(3)右侧上端设置有检测装置；所述检测装置包括液位调节装置(19)、温度检测装置(20)、压力检测装置(21)；所述温度检测装置(20)用来监测凹形容器(3)内水的温度，压力检测装置(21)用来监测凹形容器(3)内的压力，液位调节装置(19)配合凹形容器(3)内的水位传感探头(22)用来监测凹形容器(3)水位，并通过导线连接的第一控制器(23)根据水位来调整水泵(13)的开闭；所述太阳能发电单元通过导线分别与检测装置和海水淡化单元相连接，太阳能发电单元用于为检测装置和海水淡化单元提供电能。
2.根据权利要求1所述的全热回收太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述蒸发腔室(4)左侧侧壁上开设有溢流孔(6)。
3.根据权利要求1所述的全热回收太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述蒸汽输送管道(7)入口处设置有丝网捕沫器(8)。
4.根据权利要求1所述的全热回收太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述球形凝结器(9)一端与真空泵(10)相连接。
5.根据权利要求1所述的全热回收太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述海水供给管路还包括海水箱(12)、水泵(13)、海水左进口(14)、海水右进口(15)；所述海水左进口(14)、海水右进口(15)分别安装在凹型容器(3)两侧外壁上且与凹形容器(3)相连通；所述海水箱(12)利用水泵(13)通过管道将海水输入海水右进口(15)，同时输入螺旋换热管(18)，然后流入海水左进口(14)。
6.根据权利要求5所述的全热回收太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述海水淡化单元还包括浓盐水余热回收装置，所述浓盐水余热回收装置包括浓盐水进口(16)、浓盐水出口(17)；所述浓盐水进口(16)开设在凹型容器(3)壁下侧，并通过管道与螺旋换热管(18)外壁接触，用于加热螺旋换热管(18)内的海水，然后通过浓盐水出口(17)流出。
7.根据权利要求1所述的全热回收太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述太阳能发电单元主要包括太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、交流/直流负载，其中蓄电池组包括三个功率为1kw的蓄电池；所述太阳能电池方阵吸收太阳能并存储在蓄电池组中，蓄电池组通过控制器的控制，进而将蓄电池组中的电转换成交流/直流，从而带动交流/直流负载。
8.根据权利要求7所述的全热回收太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述液位调节装置(19)、温度检测装置(20)、压力检测装置(21)、辅助加热器(24)、水泵(13)、真空泵(10)均利用太阳能发电单元供电。
9.根据权利要求8所述的全热回收太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述凹型容器(3)左边细竖管的截面为50cm的正方形，右边粗竖管的截面为100cm的正方形，中间管路截面为50cm的正方形；凹型容器(3)总高为200cm。
10.根据权利要求9所述的全热回收太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述辅助加热器(24)加热功率为200w，数量共为2个，分别安装在凹形容器(3)左边细竖管和右边粗竖管的中央部位。
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