CN107522246A - 一种太阳能聚焦灯芯高效海水淡化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能聚光灯芯高效海水淡化方法及装置,利用太阳能这种清洁绿色的能源对海水进行高效的淡化。整个海水淡化装置由海水槽、海水入口管、卡托、凹面反光板、亲水纳米纤维、淡水回收导管、淡水收集槽、盖板、套子等部分组成，集中成一个容器状装置。利用具有亲水性的纳米纤维将海水槽内的水引到纳米纤维顶部，应用太阳能聚光技术将太阳光汇聚在纳米纤维顶部使海水中的水新型快速蒸发，水蒸气上升至盖板发生液化，并沿盖板下流，最终由淡水回收导管引出收集。本发明根据煤油灯灯芯的工作原理，利用凹面反射版聚光原理将太阳光照集中于一点对海水进行高效快速蒸发，可以降低海水淡化成本、提高整体效率并且清洁无污染。
Description
技术领域
本发明涉及海水淡化，特别是利用清洁太阳能，属于太阳能高效利用领域。
背景技术
随着世界经济的快速发展和全球人口激增，世界能源与淡水的消耗与日俱增，从而导致能源短缺、淡水资源匮乏、生态危机日益严峻。加之化石燃料的过度使用，环境污染给人们的生活带来了巨大的危害。海水淡化的方法有很多，如蒸馏法、反渗透法、冷冻法以及太阳能法等等。蒸馏淡化过程的实质就是水蒸气的形成过程，其原理如同海水受热蒸发形成云。反渗透法通常又称超过滤法，是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。反渗透法的最大优点是节能，它的能耗仅为蒸馏法的1/40。冷冻法，即冷冻海水使之结冰，在液态淡水变成固态冰的同时盐被分离出去。上述方法的能量消耗和成本都相对较高。
太阳能是一种清洁绿色的能源，取之不尽用之不竭。传统太阳能利用主要有光伏和光热两种。光伏技术发展成熟应用广泛，但太阳能光伏电池在生产过程中对环境的损耗较大，是高能耗、高污染的生产流程。相比之下，太阳能光热利用是清洁生产过程，基本采用物理手段进行光电能量转换，对环境危害极小。顾名思义，太阳能光热利用技术就是利用太阳能聚光集热系统把来自太阳的光能集中起来，对导热介质进行加热，转换成热能进行存储利用。但由于储热效率低，发展不成熟，尚未大规模应用。近来，越来越多的关注重点是开发太阳能利用的新方法，如海水淡化、光化学反应、太阳能灭菌等等。
人类早期利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行蒸馏，所以早期的太阳能海水淡化装置是盘式太阳能蒸馏器，人们对它的应用有了近150年的历史。由于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。目前，太阳能海水淡化大致分为热法和膜法。
公开号为CN105776386A的专利《一种太阳能海水淡化器》，提出通过采用利用太阳能使海水中的水分得到蒸发，冷凝之后回收利用。但该专利较为简易，没有对太阳光加以充分利用，太阳能浪费较多。
煤油灯为电灯普及之前的主要照明工具，以煤油作为燃料其结构是下面是个油壶，上面是灯盏，灯盏上是个灯芯柱，灯芯柱上有个齿轮可以通过把手转动。连接上下的就是“灯芯”了，它是由棉织物织成。煤油是灌在最下面的油壶里的，之所以煤油可以到达上部的灯芯头部，是通过灯芯编织物的细小的空隙往上供应的。
发明内容
本发明目的是根据油灯灯芯的工作原理，提出一种聚焦灯芯高效太阳能海水淡化装置及方法，应用模拟油灯灯芯的亲水性纳米纤维将海水引至一点，再利用凹面反射镜聚光原理将太阳光照集中该点对海水进行快速蒸发，将水蒸气液化后集中回收，实现高效海水淡化。此方法只利用低品位的太阳能作为动力，装置结构简单，有效提高海水蒸发效率、降低成本。
为实现上述功能，本发明采用的技术方案如下：一种聚焦灯芯高效太阳能海水淡化装置，整个装置结构呈容器状，主要包括海水槽、卡托、凹面反光板、纳米纤维、外壁、盖板和淡水收集槽，海水槽位于最下端，海水槽设置有海水入口管，海水槽的上面有卡托，卡托上安装有凹面反光板，纳米纤维安装在凹面反光板的中心，纳米纤维的作用类似于灯芯，纳米纤维在凹面反光板上面露出部分受到太阳光的照射，纳米纤维在凹面反光板下面的部分浸到海水槽的海水里，外壁罩在凹面反光板上，外壁的顶面是盖板，外壁的顶面倾斜，盖板倾斜的低端设置有淡水收集槽。
壁面为透明的材料，透光性高达百分之90以上，可以使太阳光通过。海水槽用于储存经过简单处理过的海水。在海水槽的侧面，设有一个带有水位控制开关的海水导入管，当海水槽内水位低于下限水位时，开关自动打开，将海水补充进海水槽，当海水槽的水位达到上限水位时，开关自动关闭。连接海水导入管的另一端为水泵，水泵将海水导入到海水槽中。海水槽的上方为凹面反光结构。凹面反射板结构主要由高分子材料制作。凹面反射板的上表面为镀银圆形凹面，作为太阳光的反射表面。照射在凹面反射板上表面上的太阳光由于凹面镜反射作用，将太阳光汇聚在凹面镜的焦点处。凹面反射板由两个安装在装置侧面的卡托固定在装置中部。为了增加蒸发面积，可将焦点制作成焦点线，凹面反光板为柱状，凹面反光板的中心有一条细缝，使整个设备的核心部分“灯芯”——纳米纤维可以从中穿过。纳米纤维主要由具有亲水性的纳米纤维构成，其中也掺杂一些导热性能较高的纳米纤维，例如金属丝或碳纤维丝等。作为设备的“灯芯”，亲水性纳米纤维可以将海水自下而上从海水槽中引到纳米纤维的顶端。亲水性纳米纤维呈束状排列，下端浸没在海水槽的海水中，中间段从凹面反光板中间的孔或细缝穿过，顶端达到凹面镜的焦点或焦点列上。为增大蒸发面积，将顶端的纳米纤维盘成圆盘状。掺杂的高导热纳米纤维可以加快海水在纳米纤维上的热运动。在凹面反光板以上纳米纤维的部分，用一个透明的侧面带有许多小孔的套子套住，套子固定在凹面反光板上，纳米纤维充满该套子，从而套子对纳米纤维起到固定的作用，同时由于套子是透明的，中间部分的纳米纤维也可以接受太阳光的照射，加快纳米纤维中海水的运动，套子侧面开孔使得在纳米纤维中段就发生气化的水蒸气及时从套子中溢出。整个设备的顶端是一个盖板，同容器壁面一样，使用透明的材料，在整个装置的顶端左低右高倾斜设置。在盖板低的一端下方，设有一个淡水回收槽，淡水回收槽的下端设有淡水回收导管。由于蒸发时，一些水蒸气可能在装置侧壁发生液化，生成的水滴无法进入淡水收集槽，而是沿侧壁向下流，流到凹面反光板的上表面的镜面上。如果水在镜面聚集，会影响聚光效果。为防止这一现象，可以在凹面反光板中部纳米纤维穿过细缝的侧面，开一个小沟，小沟在凹面反光板的上表面向下延伸，到中部时横向延伸至壁面，与壁面处接有回收导管联通。
整个装置的运作方法如下：用水泵将海水经过海水导入管导入到装置的海水槽中，当水位超过上限水位时，泵停止送水。由于纳米纤维的亲水性，海水槽中的海水从纳米纤维的下端逐渐运动到纳米纤维的顶端。太阳光直射到凹面反光板的反射镜面上，反射光向凹面镜的焦点汇聚，即纳米纤维的上端，从而加快海水中的水分蒸发。同时，在纳米纤维中段就发生气化的水蒸气可以通过固定套子的小孔溢出。蒸发而成的水蒸气在装置内上升到顶端的盖板上，液化成水滴，沿盖板自上而下流动，到达淡水收集槽，最终通过回收导管回收利用。
本发明一种聚焦灯芯高效太阳能海水淡化装置及方法，其优点和作用为：
(1)大大提高太阳能利用效率。本发明提出太阳能聚光灯芯方法，将太阳光强汇聚在一点上，提高蒸发效率。
(2)清洁无污染。整个装置的动力是太阳能，是清洁能源，对环境基本没有污染。
(3)成本低廉。使用太阳能进行蒸发，不使用电能和燃料，不需要任何外加动力。整个装置材料大体使用玻璃，且装置复杂程度较低。
附图说明
图1是本发明一种聚焦灯芯高效太阳能海水淡化装置的结构示意图。
图2是本发明一种聚焦灯芯高效太阳能海水淡化装置及方法的聚光原理示意图。
图3是本发明一种聚焦灯芯高效太阳能海水淡化装置及方法凹面反光板结构图。
图中：1-外壁，2-海水槽，3-海水入口管，4-卡托，5-凹面反光板，6-纳米纤维，7-淡水回收导管，8-淡水收集槽，9-盖板，10-套子。
具体实施方式
本发明提出一种聚焦灯芯高效太阳能海水淡化装置，如图1所示，整个装置结构呈容器状，主要包括海水槽2、卡托4、凹面反光板5、纳米纤维6、外壁1、盖板9和淡水收集槽8，海水槽2位于最下端，海水槽2设置有海水入口管3，海水槽2的上面有卡托4，卡托4上安装有凹面反光板5，纳米纤维6安装在凹面反光板5的中心，纳米纤维6的作用类似于灯芯，纳米纤维6在凹面反光板5上面露出部分受到太阳光的照射，纳米纤维6在凹面反光板5下面的部分浸到海水槽2的海水里，外壁1罩在凹面反光板5上，外壁1的顶面是盖板9，外壁1的顶面倾斜，盖板9倾斜的低端设置有淡水收集槽8。
海水槽2底面可以为矩形，壁面1和盖板9为透明材料，例如玻璃或透明塑料，可以使太阳光通过。海水槽2用于储存经过简单处理过的海水。在海水槽2的侧面，设有一个带有水位控制开关的海水导入管3，当海水槽2内水位低于下限水位时，开关自动打开，将海水补充进海水槽2，当海水槽2的水位达到上限水位时，开关自动关闭。连接海水导入管3的另一端为水泵，水泵将海水导入到海水槽2中。凹面反射结构5主要由高分子材料制作。凹面反射板5的上表面为镀银圆形凹面，作为太阳光的反射表面。照射在凹面反射板5上表面上的太阳光由于凹面镜反射作用，将太阳光汇聚在凹面镜的焦点处，如图2所示。凹面反射板5由两个安装在装置侧面的卡托4固定在装置中部。凹面反光板5的中心有一条细缝，使整个设备的核心部分“灯芯”——纳米纤维6可以从中穿过，如图3所示。纳米纤维6主要由具有亲水性的纳米纤维构成，其中也掺杂一些导热性能较高的纳米纤维。作为设备的“灯芯”，纳米纤维6可以将海水自下而上从海水槽2中引到纳米纤维6的顶端。亲水性纳米纤维6呈束状排列，下端浸没在海水槽2的海水中，中间段从凹面反光板5中间的细缝穿过，顶端达到凹面镜的焦点列上。为增大蒸发面积，将顶端的纳米纤维盘成圆盘状。在凹面反光板5以上亲水性纳米纤维6的部分，用一个透明的侧面带有许多小孔的套子10套住，套子10固定在凹面反光板5上，亲水性纳米纤维6充满该套子10，从而套子10对纳米纤维6起到固定的作用，同时由于套子10是透明的，中间部分的纳米纤维6也可以接受太阳光的照射，加快纳米纤维6中海水的运动，侧面开孔使得在纳米纤维6中段就发生气化的水蒸气及时从套子10中溢出。整个设备的顶端是一个盖板9，同容器壁面1一样，使用透明的材料，在整个装置的顶端左低右高倾斜设置。在盖板9低的一端下方，设有一个淡水回收槽8，淡水回收槽8的下端设有淡水回收导管7。
整个装置的运作方法如下：用水泵将海水经过海水导入管3导入到装置的海水槽2中，当水位超过上限水位时，泵停止送水。由于纳米纤维6的亲水性，海水槽2中的海水从纳米纤维6的下端逐渐运动到纳米纤维6的顶端。太阳光直射到凹面反光板5的反射镜面上，反射光向凹面镜的焦点汇聚，即纳米纤维6的上端，从而加快海水中的水分蒸发。同时，在纳米纤维6中段就发生气化的水蒸气可以通过固定套子10的小孔溢出。蒸发而成的水蒸气在装置内上升到顶端的盖板9上，液化成水滴，沿盖板自上而下流动，到达淡水收集槽8，最终通过回收导管7回收利用。
由于蒸发时，一些水蒸气可能在装置侧壁1发生液化，生成的水滴无法进入收集槽8，而是沿侧壁1向下流，流到凹面反光板5的上表面的镜面上。如果水在镜面聚集，会影响聚光效果。为防止这一现象，可以在凹面反光板5中部纳米纤维6穿过细缝的侧面，开一个小沟，小沟在凹面反光板5的上表面向下延伸，到中部时横向延伸至壁面1，与壁面1处接有回收导管7联通，将淡水回收。
Claims (9)
1.一种太阳能聚焦灯芯高效海水淡化装置，其特征在于：主要包括海水槽、卡托、凹面反光板、纳米纤维、外壁、盖板和淡水收集槽，海水槽位于最下端，海水槽设置有海水入口管，海水槽的上面有卡托，卡托上安装有凹面反光板，纳米纤维安装在凹面反光板的中心，纳米纤维在凹面反光板上面露出部分受到太阳光的照射，纳米纤维在凹面反光板下面的部分浸到海水槽的海水里，外壁罩在凹面反光板上，外壁的顶面是盖板，外壁的顶面倾斜，盖板倾斜的低端附近的壁面上设置有淡水收集槽；壁面和盖板都为透明的材料，凹面反射板的上表面为镀银圆形凹面，将太阳光汇聚在凹面镜的焦点处，亲水性纳米纤维将海水自下而上从海水槽中引到纳米纤维的顶端，纳米纤维的顶端位于凹面镜的焦点。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能聚焦灯芯高效海水淡化装置，其特征在于：海水导入管带有水位控制开关。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能聚焦灯芯高效海水淡化装置，其特征在于：凹面反光板为柱状，凹面反光板的中心有一条细缝，将焦点制作成焦点线。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能聚焦灯芯高效海水淡化装置，其特征在于：纳米纤维主要由具有亲水性的纳米纤维构成，其中也掺杂一些导热性能较高的纳米纤维。
5.根据权利要求4所述的一种太阳能聚焦灯芯高效海水淡化装置，其特征在于：导热性能较高的纳米纤维为金属丝或碳纤维丝。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能聚焦灯芯高效海水淡化装置，其特征在于：亲水性纳米纤维呈束状排列，下端浸没在海水槽的海水中，中间段从凹面反光板中间的孔或细缝穿过，顶端达到凹面镜的焦点或焦点列上，将顶端的纳米纤维盘成圆盘状。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能聚焦灯芯高效海水淡化装置，其特征在于：在凹面反光板以上纳米纤维的部分，用一个透明的侧面带有许多小孔的套子套住，套子固定在凹面反光板上，纳米纤维充满该套子，从而套子对纳米纤维起到固定的作用，同时由于套子是透明的，中间部分的纳米纤维也可以接受太阳光的照射，加快纳米纤维中海水的运动，套子侧面开孔使得在纳米纤维中段就发生气化的水蒸气及时从套子中溢出。
8.根据权利要求1所述的一种太阳能聚焦灯芯高效海水淡化装置，其特征在于：在凹面反光板中部纳米纤维穿过处，开一个小沟，小沟在凹面反光板的上表面向下延伸，到中部时横向延伸至壁面，与壁面处接有回收导管联通。
9.一种太阳能聚焦灯芯高效海水淡化方法，其特征在于：用水泵将海水经过海水导入管导入到海水槽中，当水位超过上限水位时，泵停止送水；海水槽中的海水从纳米纤维的下端逐渐运动到纳米纤维的顶端；太阳光直射到凹面反光板的反射镜面上，反射光向凹面镜的焦点汇聚，纳米纤维的上端位于焦点处，纳米纤维的上端海水中的水分蒸发；蒸发而成的水蒸气在装置内上升到顶端的盖板上，液化成水滴，沿盖板自上而下流动，到达淡水收集槽，最终通过回收导管回收利用。
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2017
- 2017-10-09 CN CN201710929705.5A patent/CN107522246A/zh active Pending
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