CN107986368B - 基于碟式聚光的太阳能风能互补驱动多效含盐水淡化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于碟式聚光的太阳能风能互补驱动多效含盐水淡化装置。本装置通过碟式聚光器的结构变化实现太阳能驱动和风能驱动的有效切换。搅拌叶片下半部分喷涂成黑色，放置在蒸发腔内，通过旋转轴及旋转臂与碟式聚光器连接，半球玻璃壳安装在蒸发腔底部，二次抛物聚光器安装在半球玻璃壳外部，且抛物聚光器焦斑位于半球玻璃壳处，半球玻璃壳位于碟式聚光器焦斑位置，蒸发腔内盛放含有大量黑色多孔吸光颗粒的含盐水，直接吸收经聚光器反射形成的高密度光能，受热蒸发在冷凝盘下表面生成淡水。本装置利用受热水蒸气向上浮升特点，沿水蒸气浮升方向布置多个盛水冷凝盘，多次回收水蒸气冷凝时释放的潜热，能够实现水蒸气所含热量分级多次利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种盐水淡化装置，具体涉及一种多效含盐水淡化装置，属于太阳能风能互补利用技术领域。
背景技术
安全充足的淡水是人类进步和社会发展的必需条件之一，虽然地球表面70％覆盖着水体，但其中97.5％属于不能被直接饮用的含盐水，对含盐水进行淡化处理是解决淡水危机的有效途径之一。工业化含盐水淡化处理技术主要包括反渗透法、多级闪蒸发、多效蒸馏法等，但是在对含盐水处理过程中所需驱动能主要以化石能源为主，而且需要规模化运行、建造成本大、对维护要求高，释放出大量温室气体，不适合分布式、小型化淡水的制备。
利用缺水地区所拥有的丰富太阳能资源对含盐水淡化的技术可以克服上述工业化含盐水淡化技术所具有的缺点，同时可以实现淡水制备建造成本低、适合于分布式小型化应用。但太阳能含盐水淡化处理技术却无法克服太阳能利用中不可避免的供能间歇问题，考虑同为可再生能源的风能可以与太阳能在供能时间和方式上实现互补驱动，从而改善了可再生能源含盐水淡化装置运行过程中供能间歇的技术瓶颈。
专利申请201610160581.4提出一种风能太阳能海水淡化装置，其利用风能产生电能进而存储在蓄电池内加以利用，使得所收集的风能转化为热能的过程复杂，导致系统能量转化效率不高。专利201310164208.2涉及一种太阳能风能低压海水淡化装置，太阳能和风能用来发电驱动抽气装置为海水蒸发提供低压环境，但系统没有多次回收蒸汽凝结释放的潜热。
发明内容
有鉴于此：本发明提供了一种基于碟式聚光的太阳能风能互补驱动含盐水蒸馏淡化装置，能够实现太阳能制热和风能制热互补蒸馏含盐水淡化，转化过程简单直接，转化效率高；且多次高效吸收水蒸气凝结潜热，高效节能。
所述的基于碟式聚光的太阳能风能互补驱动多效含盐水淡化装置：包括:碟式聚光器、蒸发腔、两个以上冷凝盘、旋转轴和搅拌叶片；
所述蒸发腔底部为装有含盐水的半球玻璃壳，含盐水内混掺有黑色多孔吸光颗粒；所述半球玻璃壳位于碟式聚光器焦斑位置；一端固接有搅拌叶片的旋转轴位于所述蒸发腔内；
所述碟式聚光器由两个以上反射板组成，每个反射板能够绕其自身对称轴线转动，当两个以上反射板依次对接形成盘式结构时作为碟式聚光器反射太阳光；当每个反射板绕其自身对称线转动设定角度后，作为风轮叶片，能够在来流风的驱动下转动，并通过旋转力臂带动所述旋转轴绕其轴线转动，以通过搅拌叶片搅拌蒸发腔底部的含盐水；
所述蒸发腔内搅拌叶片上方沿竖直方向依次设置有两个以上冷凝盘，冷凝盘通过轴承支撑在旋转轴上；每个冷凝盘内均盛有含盐水，通过进水管向所述冷凝盘和蒸发腔底部注含盐水；每个冷凝盘的下表面均设置有与淡水输出管连通的淡水收集槽。
还包括二次抛物聚光器；所述二次抛物聚光器罩在所述半球玻璃壳外部，且二次抛物聚光器的焦斑位于半球玻璃壳处。
每个冷凝盘均设置有一个自动进水开关，所述自动进水开关包括：进水柱塞和浮球，每个冷凝盘上设置有水口作为位于其下方的冷凝盘的进水口；所述进水柱塞的一端与所述进水口配合，能够堵塞或打开进水口，另一端连接浮球；其中位于最下方的冷凝盘的自动进水开关的浮球位于蒸发腔底部含盐水的液面上，其余冷凝盘的自动进水开关的浮球位于其下方的冷凝盘的液面上；进水管设置在蒸发腔内最上方的冷凝盘的上方。
在每两个冷凝盘之间增加冷凝盘管，每个冷凝盘管外对应设置一个淡水收集盘；所述冷凝盘管通过进料管串联在一起，进料管的一端通过设置有水泵的管路与含盐水箱相连，另一端与进水管相连。
有益效果：
(1)本装置通过结构变化可以实现太阳能含盐水蒸馏淡化和风能驱动制热蒸馏淡化的有效切换，充分利用太阳能和风能在供能上的时间互补性，最大程度克服了可再生能源含盐水淡化应用间歇性的缺点，达到了风能和太阳能互补驱动产水的目的。
(2)本装置在对含盐水淡化过程中，直接将太阳能和风能两种低品位能源转化为低品位能源(热能)，没有进行其他高品位能源(比如：电能等)的过渡转化，转化过程简单直接，不存在高能低用的缺陷，转化效率高。
(3)本装置利用受热水蒸气向上浮升特点，沿水蒸气浮升方向布置多个盛水冷凝盘，多次回收水蒸气冷凝时释放的潜热，能够实现水蒸气所含热量分级多次利用，具有鲜明的高效、节能特点。
(4)通过在含盐水中添加黑色多孔颗粒作为入射高密度光能的吸光受热材料，实现了在含盐水体内部光热转化，进而蒸馏，减少了传统可选择性吸收涂层表面吸光生热造成的辐射散热损失，提高了光热转化效率；同时，风能驱动运行过程中，风轮旋转带动颗粒旋转，可以对半球玻璃壳内壁面因高温受热所结水垢进行清除，缓解结垢对入射光吸收的影响。
(5)将碟式聚光技术和抛物聚光技术组合，实现了对入射光的高效多次利用，避免了半球玻璃壳外表面对入射光反射造成的光热利用损失。
(6)采用自重力进水、液面浮力控制水量等被动控制技术，减少了装置在进料含盐水输送、含盐水量稳定等环节对电力供应和控制技术的依赖，拓宽了装置的使用推广范围。
附图说明
图1为本发明基于碟式聚光的太阳能风能互补驱动多效含盐水淡化装置的结构示意图；
图2为本发明的装置在风力驱动时的结构示意图；
图3为本发明装置中二次抛物聚光器聚光光路图；
图4为本发明装置中自动进水开关工作原理图；
图5为增加冷凝盘管后的结构示意图。
其中：1—入射光线；2—碟式聚光器；3—反射板；4—支架；5—二次抛物聚光器；6—搅拌叶片；7—半球玻璃壳；8—保温层；9—蒸发腔；10—淡水收集槽；11—冷凝盘A；12—淡水收集瓦；13—玻璃通光板；14—轴承；15—冷凝盘B；16—液面；17—进水管；18—淡水输出管；19—旋转力臂；20—支柱；21—黑色吸光板；22—旋转轴；24—浮球；25—汽水分隔套；26—进水柱塞；27—黑色多孔吸光颗粒；28—进水孔；29—含盐水水箱；30—水泵；31—进料管；32—冷凝盘管；33—淡水收集盘；34—液位计。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种基于碟式聚光的太阳能风能互补驱动多效含盐水淡化装置，该装置利用太阳能和风能互补驱动方式对含盐水进行蒸馏淡化，并多次回收受热水蒸气释放的凝结潜热，使含盐水蒸馏淡化过程连续运行、能耗低、效率高。
如图1所示，该含盐水淡化装置包括：碟式聚光器2、蒸发腔9、冷凝盘、旋转轴22和搅拌叶片6。
其中碟式聚光器2在采用太阳能驱动时用于反射太阳光1，在采用风能驱动时作为风轮叶片，由此通过碟式聚光器2的结构变化实现太阳能驱动和风能驱动的有效切换。具体为：碟式聚光器2由多个反射板3形成，每个反射板3能够绕其自身对称线转动，当多个反射板3依次对接形成盘式结构时作为碟式聚光器2反射太阳光1，如图1所示；当每个反射板3绕其自身对称线转动90°使其反射面处于竖直状态时，反射板3形成阻力型垂直轴风力制热装置的风轮叶片。
碟式聚光器2通过轴承安装在支柱20上，支柱20通过支架4固定在地面或基座上。碟式聚光器2上方的支柱20上固定圆筒形蒸发腔9；蒸发腔9壳体外部设置有保温层8，以减少热量损失；顶部设置有玻璃通光板13，底部为装有待淡化的含盐水的半球玻璃壳7，含盐水内混掺有黑色多孔吸光颗粒27，且半球玻璃壳7位于碟式聚光器2焦斑位置。
碟式聚光器2中的两个相对反射板各通过一个旋转力臂19与位于蒸发腔9中心的旋转轴22的顶部相连，当反射板作为风轮叶片时，能够通过旋转力臂19带动旋转轴22转动。旋转轴22的下端固接有搅拌叶片6，搅拌叶片6转动时搅拌蒸发腔9底部的含盐水；其中搅拌叶片6与半球玻璃壳7相对的一端涂成黑色，形成黑色吸光板21，用于吸收透过黑色多孔吸光颗粒27缝隙的太阳光，以提高太阳能吸收率。
蒸发腔9内搅拌叶片6上方依次设置有四个冷凝盘，冷凝盘通过轴承14支撑在旋转轴22上，轴承14为挡水旋转轴承，能够防止含盐水直接从轴承14与旋转轴22之间的缝隙漏入，对旋转轴22造成腐蚀。其中位于最下方即离搅拌叶片6最近的冷凝盘A11为多棱盛水冷凝盘，即冷凝盘A11内盛装有含盐水，且冷凝盘A11的下表面为锯齿形淡水收集槽10，淡水收集槽10通过管路与淡水输出管18连通。
为回收水蒸气冷凝时释放的潜热，在冷凝盘A11内盛装有含盐水，并在冷凝盘A11上方依次设置三个冷凝盘B15，冷凝盘B15为倾斜圆锥盛水冷凝盘，即冷凝盘B15的下表面为斜向下的锥形面，且每个冷凝盘B15内均盛装有含盐水；每个冷凝盘B15底面的外圆周均设置有与淡水输出管18连通的环形淡水收集瓦12。蒸发腔9上设置有含盐水进水管17，进水管17设置在最上层的冷凝盘B15的上方。
该装置的工作原理为：
采用太阳能驱动时，入射太阳光经碟式聚光器反射形成高密度高能，经半球玻璃壳进入添加有大量黑色多孔颗粒的含盐水中完成光热转化，含盐水受热蒸发在对应盛水冷凝盘下表面形成淡水，如图1所示。具体为：太阳光1入射到碟式聚光器2反射板3的反射面上，经反射板3反射后光线汇聚到蒸发腔9底部的半球玻璃壳7内的含盐水中，被水体内大量黑色多孔吸光颗粒27以及黑色吸光板21吸收，转化能热能加热含盐水，受热后的含盐水蒸发产生水蒸气。水蒸气在位于含盐水竖直上方的冷凝盘A11下表面凝结成淡水，汇集到倒三角淡水收集槽10中，经淡水输出管18排出；同时释放出凝结潜热加热冷凝盘A11内的含盐水，冷凝盘A11内的含盐水蒸发产生水蒸气，在其上方的第一级冷凝盘B15下表面凝结成淡水，被淡水收集瓦12收集后经淡水输出管18排出；同时释放出凝结潜热加热第一级冷凝盘B15内的含盐水，第一级冷凝盘B15内的含盐水蒸发产生水蒸气，在其上方第二级冷凝盘B15下表面凝结成淡水，被淡水收集瓦12收集后经淡水输出管18排出；依次类推，利用受热水蒸气向上浮升的特点，多次回收水蒸气冷凝时释放的潜热，实现水蒸气所含热量分级多次利用，从而形成多效蒸发冷凝腔。同时太阳光1可通过位于装置顶部的玻璃通光板13对位于最上方的倾斜圆锥盛水冷凝盘B15内含盐水加热，在玻璃通光板13内壁面冷凝生成淡水，玻璃通光板13为倾斜板，在其位置较低端设置有淡水收集槽，用于收集玻璃通光板13内壁面冷凝的淡水。
当太阳无法提供驱动热能时，将组成碟式聚光器的多个反射板竖直翻折旋转形成风轮叶片，通过风力驱动制热含盐水，如图2所示。具体为：利用风能驱动时首先旋转组成碟式聚光器2的反射板3，使其形成阻力型垂直轴风力制热装置的风轮叶片。风轮叶片在来流风的驱动下绕支柱20的轴线转动，进而通过旋转力臂19带动旋转轴22转动，旋转轴22带动搅拌叶片6转动搅拌蒸发腔9底部的含盐水，使得位于蒸发腔9底部含盐水及内部大量多孔吸光颗粒27旋转制热，进而使含盐水温度升高产生水蒸气，重复上述蒸发冷凝过程产生淡水，同时位于蒸发腔9内水体底部的大量黑色多孔吸光颗粒27随之旋转可对半球玻璃壳内表面产生的水垢进行清除。
在实际应用中，为了满足不同的淡水需求量要求，可以对上述装置进行串联连接共同制水。
实施例2：
为提高对入射光的吸收率，采用碟式聚光技术和抛物聚光技术相结合的方案，即在上述实施例1的基础上，增加二次抛物聚光器5，如图3所示，二次抛物聚光器5罩在半球玻璃壳7外部，且二次抛物聚光器5焦斑位于半球玻璃壳7处；由此入射光的路线分为以下四种：对于入射到半球玻璃壳7下表面后又被反射到二次抛物聚光器5内表面的入射光线a，被二次抛物聚光器5内表面反射回含盐水体中，被黑色吸光板21或黑色多孔吸光颗粒27吸收，由此能够免半球玻璃壳外表面对入射光反射造成的光热利用损失；对于直接入射到二次抛物聚光器5内表面的入射光线b，被二次抛物聚光器5内表面反射回含盐水体中，被黑色多孔吸光颗粒27或黑色吸光板21吸收；对于入射到碟式聚光器2后直接反射到含盐水体中的入射光线c，被含盐水体中的黑色多孔吸光颗粒27或黑色吸光板21吸收；对于入射到碟式聚光器2后又被反射到二次抛物聚光器5的入射光线d，被二次抛物聚光器5反射后入射到含盐水体中，被黑色吸光板21或黑色多孔吸光颗粒27吸收。
实施例3：
在上述实施例1和实施例2的基础上，对装置中的冷凝盘包括冷凝盘A和冷凝盘B采用自重力进水，液面浮力控制水量等被动控制技术，减少了装置在进料含盐水输送、含盐水量稳定等环节对电力供应和控制技术的依赖。具体为：对每个冷凝盘设置一个自动进水开关，自动进水开关包括：进水柱塞26、浮球24和汽水分隔套25，每个冷凝盘上设置有水口作为位于其下方的冷凝盘的进水口28；进水柱塞26的一端与进水口28配合，能够堵塞或打开进水口28，另一端连接浮球24，汽水分隔套25套装在进水柱塞26外。本实施例中，每个冷凝盘上设置有两个水口，则对应两个进水柱塞26通过连接件与浮球24相连，两个水口位于汽水分隔套25内部。令蒸发腔内从上往下依次为第三级冷凝盘B、第二级冷凝盘B、第一级冷凝盘B和冷凝盘A；其中含盐水进水管17设置在第三级冷凝盘B的上方，用于向第三级冷凝盘B加含盐水；第三级冷凝盘B的自动进水开关的浮球位于第二级冷凝盘B的液面上，第二级冷凝盘B的自动进水开关的浮球位于第一级冷凝盘B的液面上，第一级冷凝盘B的自动进水开关的浮球位于冷凝盘A的液面上，冷凝盘A的自动进水开关的浮球位于蒸发腔9底部含盐水的液面上。
自动进水开关的工作原理图如图4所示：
以位于冷凝盘A11上方的第一级冷凝盘为例，与第一级冷凝盘的进水柱塞26相连的浮球24位于冷凝盘A11的含盐水液面16上；当冷凝盘A11的含盐水液面16降低，即冷凝盘A11上的水量减少时，浮球24位置下移，使得与之相连的进水柱塞26下移，当进水柱塞26完全离开第一级冷凝盘B15上的进水孔28时，进水孔28打开，第一级冷凝盘B15上的含盐水就会从进水孔28流到冷凝盘A11上，使得冷凝盘A11的含盐水液面16升高，浮球24上移，当冷凝盘A11的含盐水液面16上升到一定位置时，进水柱塞26堵塞进水孔28，由此保持冷凝盘A和每级冷凝盘B上含盐水水量的恒定，实现进料含盐水的自重力进水。由此产水过程中，每一个盛水冷凝盘中的含盐水量由自动进水开关控制，无需消耗电力。
实施例4：
在上述实施例1-3的基础上，为使得装置预热时间缩短，淡水产量增加，在装置中增加冷凝盘管32，具体如图5所示，本实施例中，在每两个冷凝盘之间增加冷凝盘管32，每个冷凝盘管32外对应设置一个淡水收集盘33。冷凝盘管32通过进料管31串联在一起，进料管31的一端通过设置有水泵30的管路与含盐水箱29相连，另一端与进水管17相连。利用水泵30将含盐水箱29中的含盐水经进料管31抽入冷凝盘管32中，蒸发腔内水蒸气在冷凝盘管32外表面凝结生成淡水，并汇集在对应淡水收集盘33内；水蒸气凝结时释放的潜热预热了进料含盐水，依次往上流动，最后经进水管17流入位于最上方的冷凝盘B15上，最上方的冷凝盘B15中的水位由液位计34指示，冷凝盘管32的增加使得装置预热时间缩短，淡水产量增加。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于碟式聚光的太阳能风能互补驱动多效含盐水淡化装置，其特征在于：包括:碟式聚光器(2)、蒸发腔(9)、两个以上冷凝盘、旋转轴(22)和搅拌叶片(6)；
所述蒸发腔(9)底部为装有含盐水的半球玻璃壳(7)，含盐水内混掺有黑色多孔吸光颗粒(27)；所述半球玻璃壳(7)位于碟式聚光器(2)焦斑位置；一端固接有搅拌叶片(6)的旋转轴(22)位于所述蒸发腔(9)内；
所述碟式聚光器(2)由两个以上反射板(3)组成，每个反射板(3)能够绕其自身对称轴线转动，当两个以上反射板(3)依次对接形成盘式结构时作为碟式聚光器(2)反射太阳光(1)；当每个反射板(3)绕其自身对称线转动设定角度后，作为风轮叶片，能够在来流风的驱动下转动，并通过旋转力臂(19)带动所述旋转轴(22)绕其轴线转动，以通过搅拌叶片(6)搅拌蒸发腔(9)底部的含盐水，进而通过风力驱动制热含盐水；通过所述碟式聚光器(2)的结构变化实现太阳能含盐水蒸馏淡化和风能驱动制热蒸馏淡化的有效切换，充分利用太阳能和风能在供能上的时间互补性；
所述蒸发腔(9)内搅拌叶片(6)上方沿竖直方向依次设置有两个以上冷凝盘，冷凝盘通过轴承(14)支撑在旋转轴(22)上；每个冷凝盘内均盛有含盐水，通过进水管(17)向所述冷凝盘和蒸发腔(9)底部注含盐水；每个冷凝盘的下表面均设置有与淡水输出管(18)连通的淡水收集槽；
还包括二次抛物聚光器(5)；所述二次抛物聚光器(5)罩在所述半球玻璃壳(7)外部，且二次抛物聚光器(5)的焦斑位于半球玻璃壳(7)处；
每个冷凝盘均设置有一个自动进水开关，所述自动进水开关包括：进水柱塞(26)和浮球(24)，每个冷凝盘上设置有水口作为位于其下方的冷凝盘的进水口(28)；所述进水柱塞(26)的一端与所述进水口(28)配合，能够堵塞或打开进水口(28)，另一端连接浮球(24)；其中位于最下方的冷凝盘的自动进水开关的浮球位于蒸发腔(9)底部含盐水的液面上，其余冷凝盘的自动进水开关的浮球位于其下方的冷凝盘的液面上；进水管(17)设置在蒸发腔(9)内最上方的冷凝盘的上方；
在每两个冷凝盘之间增加冷凝盘管(32)，每个冷凝盘管(32)外对应设置一个淡水收集盘(33)；所述冷凝盘管(32)通过进料管(31)串联在一起，进料管(31)的一端通过设置有水泵(30)的管路与含盐水箱(29)相连，另一端与进水管(17)相连；
所述搅拌叶片(6)与所述半球玻璃壳(7)相对的一端涂成黑色，形成黑色吸光板(21)；
所述蒸发腔(9)的顶部设置有玻璃通光板(13)；所述玻璃通光板(13)倾斜设置，在其位置较低端的内壁面设置有淡水收集槽；太阳光(1)通过所述玻璃通光板(13)直接对位于最上方的冷凝盘内的含盐水加热。
2.如权利要求1所述的基于碟式聚光的太阳能风能互补驱动多效含盐水淡化装置，其特征在于，所述蒸发腔(9)内位于最下方的冷凝盘下表面的淡水收集槽(10)为锯齿形；其余冷凝盘的下表面为斜向下的锥形面，锥形面的外圆周设置有与淡水输出管(18)连通的环形淡水收集瓦(12)。
3.如权利要求1所述的基于碟式聚光的太阳能风能互补驱动多效含盐水淡化装置，其特征在于，所述蒸发腔(9)外部设置有保温层(8)。
4.如权利要求1所述的基于碟式聚光的太阳能风能互补驱动多效含盐水淡化装置，其特征在于，所述蒸发腔(9)内位于最上方的冷凝盘中的水位由液位计(34)指示。
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