CN108751469B - 一种光伏、光热、反渗透海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种光伏、光热、反渗透海水淡化系统，由提水泵、海水预处理装置、海水预热器、能量回收装置、电池基板、光伏电池阵列和光伏控制蓄电组件组成。海水被提水泵从海水源中提出，通过海水预处理装置，剔除杂质后进入海水预热器预热，温度被加热到适宜反渗透膜产水的温度，随后被高压泵加压后通过反渗透膜，产出浓海水和淡水。海水预热器为两层，上层为海水，下层为相变材料；相变材料用来维持海水温度稳定，增加淡水产量。所产淡水经过热量收集器，吸收来自光伏电池阵列的热量，变成热水作为生产生活用水。电池基板上的热量被集热热管传递给上端的热量收集器中的淡水，用以为光伏电池降温、提高其发电效率的目的。

Description

一种光伏、光热、反渗透海水淡化系统

技术领域

本发明涉及太阳能海水淡化技术领域，具体地说，涉及一种光伏、光热、反渗透海水淡化系统。

背景技术

晶硅太阳电池温度每升高1℃，相对发电效率下降0.4％～0.6％。为克服光伏电池发电效率随温度上升而下降的问题，通常采用空气或水为冷却工质，带走电池基板的热量，并对这部分热量加以回收利用，由此衍生出太阳能光伏发电与热利用PVT联合系统。现有PVT系统存在的主要问题是要保证较高的发电效率，则要求较低的电池温度，进而导致回收的热能温度较低，较难利用。目前，PVT系统的热能利用主要集中在PVT热水器、光伏光热建筑和光伏光热热泵一体化系统等方面。

反渗透法RO是目前海水淡化技术较为成熟的方法之一。反渗透海水淡化装置采用高压泵给海水加压，使海水中的水分子通过渗透膜进入另一侧，从而起到分离淡水和盐水的作用。反渗透膜的产水量与给水温度有关，研究表明，在不破坏反渗透膜的情况下，温度每升高1℃，产水量增加3.8％。

反渗透法能够有效利用PVT系统的低温热能，提高淡水产量。将PVT系统和反渗透法结合起来为PVT系统的低温热能利用提供了新的途径。2010年，在第25届欧洲光伏太阳能会议暨展览会上，Alexander Kroiβ等人在论文“Analysis of Hybrid Photovoltaic/Thermal(PV/T)Solar Systems for Small Scale Reverse Osmosis DesalinationPlants”中，计算得到光伏-光热系统驱动的反渗透海水淡化装置比单纯光伏驱动的装置淡水产量多30％～40％，与纯光伏反渗透海水淡化系统相比，可节省20％～30％的集热器面积。2014年，Alexander Kroiβ等人在杂志《Energy Procedia》第52卷93-103页论文“Development of a seawater-proof hybrid photovoltaic/thermal(PV/T)solarcollector”中，通过组合聚丙烯太阳能集热器与商业光伏系统制作了简易的太阳能光伏-光热-反渗透海水淡化装置。该装置虽然实现了光伏-光热系统与反渗透海水淡化系统的结合，但同时存在以下问题:一是海水直接通过电池基板背部的聚丙烯管道，容易造成电池基板的腐蚀，若采用耐腐蚀材料，则成本较高；二是装置所产的热量完全用于海水预热，因太阳能的不稳定性，会造成装置在设计或使用过程中热电负荷不匹配，影响系统的发电产水性能；三是进入反渗透膜的海水温度不能够被稳定控制，从而影响系统的产水性能。

相变材料在特定温度或温度范围下发生相态变化，吸收或释放大量的相变潜热，可以用来蓄热和实现温度恒定。将相变材料应用于反渗透海水淡化装置，能有效维持反渗透膜前进水温度的恒定，进而保证系统的高效产水。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种光伏、光热、反渗透海水淡化系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括提水泵、海水预处理装置、高压泵、能量回收装置、反渗透膜、集热热管、阀门，其特征在于还包括海水预热器、隔板、相变材料、热量收集器、传热热管、光伏电池阵列、电池基板和光伏控制蓄电组件，所述海水预热器位于热量收集器的上部，海水预热器两端分别与海水预处理装置和高压泵连接，海水预热器底部均布有多个通孔，海水预热器内部为空腔体，中间固定有隔板，隔板上均布有多个圆孔，且与海水预热器底部通孔同轴，海水预热器内隔板下面为相变材料，隔板上部为海水；

所述热量收集器位于电池基板的上部，热量收集器与电池基板通过集热热管连接，热量收集器内部为空腔体，底部均布有多个圆孔，热量收集器一端连接有阀门用于排放热水，热量收集器另一端与反渗透膜连接向热量收集器内注入淡水，反渗透膜通过能量回收装置一路与高压泵连接，浓海水经过能量回收装置，把压能传递给反渗透膜之前的海水，随后排出；

所述集热热管为多根，集热热管位于电池基板背部,且与电池基板固连，光伏电池阵列通过导热胶粘贴在电池基板上，集热热管数量与热量收集器底部圆孔配合，电池基板和光伏控制蓄电组件相连通,光伏电池阵列所产生的电能被传输到光伏控制和蓄电组件，光伏控制蓄电组件分别与提水泵和高压泵连接，进而为提水泵和高压泵供电；

所述传热热管一端与海水预热器固连，传热热管与相变材料和海水接触部位分别粘接翅片以强化换热；所述传热热管另一端与热量收集器固连，传热热管端部粘接翅片浸入热量收集器的淡水中用以强化换热。

所述传热热管与空气接触部分作保温处理；传热热管与海水接触部分作防腐处理，或外壳采用防腐材料。

所述隔板为导热金属材料。

有益效果

本发明提出的一种光伏、光热、反渗透海水淡化系统，由提水泵、海水预处理装置、海水预热器、能量回收装置、电池基板、光伏电池阵列和光伏控制蓄电组件组成。海水被提水泵从海水源中提出，通过海水预处理装置，剔除杂质后进入海水预热器预热，温度被加热到适宜反渗透膜产水的温度，随后被高压泵加压后通过反渗透膜，产出浓海水和淡水。海水预热器为两层，上层为海水，下层为相变材料；相变材料用来维持海水温度稳定，增加淡水产量。所产淡水经过热量收集器，吸收来自光伏电池阵列的热量，变成热水作为生产生活用水。电池基板上的热量被集热热管传递给上端的热量收集器中的淡水，用以为光伏电池降温、提高其发电效率的目的。

本发明光伏、光热、反渗透海水淡化系统与现有技术相比:

(1)由于海水与电池基板等分离，解决了背景技术中存在的海水腐蚀电池基板的问题；(2)由于系统所产热量一部分用于加热淡水，一部分用于预热海水，热量利用方式灵活，解决了背景技术中热量全部用于预热海水所带来的热电负荷难以匹配的问题；(3)由于在反渗透膜前设置了海水预热器并采用相变材料维持该处海水的温度，解决了背景技术中进入反渗透膜的海水温度不能被稳定控制的问题，取得了能有效提高系统稳定性和产水量的效果，在不破坏反渗透膜的情况下，温度每升高1℃，产水量增加3.8％。

实验表明，以沿海某城市夏至日为例，当天日照时间为13小时20分钟，当光伏板面积为20㎡时，一天可发电22度左右，可供给一个功率为1300W的小型反渗透海水淡化装置产水14h，同时每天可产40℃热水500升。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种光伏、光热、反渗透海水淡化系统作进一步详细说明。

图1为本发明光伏、光热、反渗透海水淡化系统示意图。

图中:

1.提水泵 2.海水预处理装置 3.海水预热器 4.海水 5.传热热管 6.隔板 7.相变材料 8.高压泵 9.能量回收装置 10.反渗透膜 11.热量收集器 12.淡水13.集热热管14.光伏电池阵列 15.电池基板 16.阀门 17.光伏控制蓄电组件

具体实施方式

本实施例中是一种光伏、光热、反渗透海水淡化系统。

如图1所示，本实施例光伏、光热、反渗透海水淡化系统,由提水泵1、海水预处理装置2、高压泵8、能量回收装置9、反渗透膜10、集热热管13、阀门16和海水预热器3、隔板6、相变材料7、热量收集器11、传热热管、光伏电池阵列14、电池基板15、光伏控制蓄电组件17组成。其中，海水预热器位于热量收集器的上部，海水预热器两端分别与海水预处理装置和高压泵连接，海水预热器底部均布有多个通孔，海水预热器内部为空腔体，中间固定有隔板，隔板上均布有多个圆孔，且与海水预热器底部通孔同轴，海水预热器内隔板下面为相变材料，隔板上部为海水。热量收集器位于电池基板的上部，热量收集器与电池基板通过集热热管连接，热量收集器内部为空腔体，底部均布有多个圆孔，热量收集器一端连接有阀门用于排放热水，热量收集器另一端与反渗透膜连接向热量收集器内注入淡水，反渗透膜通过能量回收装置一路与高压泵连接，浓海水经过能量回收装置，把压能传递给反渗透膜之前的海水，随后排出。集热热管为多根，集热热管位于电池基板背部,且与电池基板固连，光伏电池阵列通过导热胶粘贴在电池基板上，集热热管数量与热量收集器底部圆孔配合，电池基板和光伏控制蓄电组件相连通,光伏电池阵列所产生的电能被传输到光伏控制和蓄电组件，光伏控制蓄电组件分别与提水泵和高压泵连接，进而为提水泵和高压泵供电。传热热管一端与海水预热器固连，传热热管与相变材料和海水接触部位分别粘接翅片以强化换热。传热热管另一端与热量收集器固连，传热热管端部粘接翅片浸入热量收集器的淡水中用以强化换热。

在有光照时，系统光伏板发电驱动提水泵，海水被提水泵1从海水源中提出，通过海水预处理装置2，剔除其中的杂质后，进入海水预热器3预热，其温度会被加热到适宜反渗透膜产水的温度，一般为35℃。提水泵1为具有增压功能的水泵，可同时抽水和供水。海水预热器3分为两层，下层为相变材料，上层为海水，中间用隔板6隔断，隔板6为具有良好导热性能的耐腐蚀金属材料或其它材料。相变材料7的相变温度应与反渗透膜产水的温度一致，或具有特定相变温度的石蜡。隔板6中间有多个圆孔，传热热管5通过圆孔贯穿海水4与相变材料7。传热热管5与海水4、传热热管5与相变材料7、传热热管5与热量收集器11中的淡水12接触部位分别粘接翅片以强化换热，传热热管5与空气接触部分作保温处理。传热热管5与海水5接触部分作防腐处理，或外壳材料采用防腐材料。

预热后的海水被高压泵8加压后通过反渗透膜10，产出浓海水和淡水。预热海水的热量来自于热量收集器11，传热热管5将热量由淡水12传到相变材料7和海水4。当日光较强，热量较多时，相变材料7由固态变为液态，多余的热量会储存在相变材料7中。热量收集器11下方有多个圆孔，集热热管13穿过圆孔浸入淡水12，热量收集器11与集热热管13的连接方式为焊接。集热热管13与淡水12接触部分粘接翅片。热量收集器11上方有多个圆孔，传热热管5穿过圆孔，下端浸入淡水12，上端浸入海水预热器3中的相变材料7和海水4中。传热热管5与海水预热器3和热量收集器11的连接方式为焊接。

浓海水经过能量回收装置9，把压能传递给反渗透膜10之前的海水，随后排出。淡水借助余压进入热量收集器11，吸收来自电池基板15的热量，变成热水作为生产生活用水，热水温度可达40℃左右。同时降低光伏电池阵列14的温度，提高其发电效率。电池阵列14温度每升高1℃，相对发电效率提高0.4％～0.6％。阀门16控制热量收集器11中淡水12的水位高度。

光伏电池阵列14用导热胶粘贴在电池基板15上，电池基板15背部贴合多根集热热管13。电池基板15与集热热管13的连接方式为焊接或胶粘。光伏电池阵列14吸收太阳能，其中一部分太阳能转换为热量，随后热量被传递到电池基板15中，进而被集热热管13传递给上端的热量收集器11中的淡水12中，以达到为光伏电池阵列14降温，提高其发电效率的目的。光伏电池阵列14吸收太阳能产出电能，经过光伏控制蓄电组件17，为提水泵1和高压泵8供电。

当没有日光时，光伏板不能发电，由光伏控制蓄电组件17供给提水泵1和高压泵8电能。存储在相变材料7中的热量被释放，相变材料7由液态转换为固态，释放热能用来预热海水4。故该系统在日落后一段时间内也能继续高性能产水。

本实施例中，以沿海某城市夏至日为例，当天日照时间为13小时20分钟，当光伏板面积为20㎡时，一天可发电22度左右，可以供给一个功率为1300W的小型反渗透海水淡化装置产水14h，同时每天可产40℃热水500升。

Claims (3)

1.一种光伏、光热、反渗透海水淡化系统，包括提水泵、海水预处理装置、高压泵、能量回收装置、反渗透膜、集热热管、阀门，其特征在于:还包括海水预热器、隔板、相变材料、热量收集器、传热热管、光伏电池阵列、电池基板和光伏控制蓄电组件，所述海水预热器位于热量收集器的上部，海水预热器两端分别与海水预处理装置和高压泵连接，海水预热器底部均布有多个通孔，海水预热器内部为空腔体，中间固定有隔板，隔板上均布有多个圆孔，且与海水预热器底部通孔同轴，海水预热器内隔板下面为相变材料，隔板上部为海水；

所述热量收集器位于电池基板的上部，热量收集器与电池基板通过集热热管连接，热量收集器内部为空腔体，底部均布有多个圆孔，热量收集器一端连接有阀门用于排放热水，热量收集器另一端与反渗透膜连接，反渗透膜向热量收集器内注入淡水，反渗透膜通过能量回收装置一路与高压泵连接，浓海水经过能量回收装置，把压能传递给反渗透膜之前的海水，随后排出；

所述集热热管为多根，集热热管位于电池基板背部,且与电池基板固连，光伏电池阵列通过导热胶粘贴在电池基板上，集热热管数量与热量收集器底部圆孔配合，电池基板和光伏控制蓄电组件相连通,光伏电池阵列所产生的电能被传输到光伏控制蓄电组件，光伏控制蓄电组件分别与提水泵和高压泵连接，进而为提水泵和高压泵供电；

所述传热热管一端与海水预热器固连，传热热管与相变材料和海水接触部位分别粘接翅片以强化换热；所述传热热管另一端与热量收集器固连，传热热管端部粘接翅片浸入热量收集器的淡水中用以强化换热。

2.根据权利要求1所述的光伏、光热、反渗透海水淡化系统，其特征在于:所述传热热管与空气接触部分作保温处理；传热热管与海水接触部分作防腐处理，或传热热管外壳采用防腐材料。

3.根据权利要求1所述的光伏、光热、反渗透海水淡化系统，其特征在于:所述隔板为导热金属材料。

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