CN109231326A - 一种太阳能全光谱利用的水电联产系统 - Google Patents

一种太阳能全光谱利用的水电联产系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种太阳能全光谱利用的水电联产系统，包括蒸发腔壳体和蒸汽发生器，蒸汽发生器包括多孔毛细芯和埋在多孔毛细芯里的冷凝热释放管道，将蒸发腔壳体分为上部的一次蒸汽室，下部的海水补偿室，太阳能电池板阵列铺设在多孔毛细芯表面，阵列的太阳能电池板底部设有一次蒸汽室，一次蒸汽室、低品位一次蒸汽出口管道、蒸汽压缩机、高品位二次蒸汽输入管道以及多孔毛细芯里的冷凝热释放管道依次连通。本发明能在太阳能电池板产生电能的同时充分使用电池板的局部热效应加热表层水域产生大量淡水，极大拓展了太阳能量利用率，同时有效降低了太阳能表面的温度，从而提高太阳能电池板的效率。

Description

一种太阳能全光谱利用的水电联产系统
技术领域
本发明涉及海水淡化技术领域，具体涉及一种太阳能全光谱利用的水电联产系统。
背景技术
过去的几十年内海水淡化技术等到迅猛的发展，其中多效蒸馏法、多级闪蒸法和反渗透法在工程上都有较大规模的应用。然而传统的海水淡化技术投资高，能源消耗大，所消耗能量主要来自石油和煤炭等化石燃料，在此过程中又造成了新的污染。
因此，寻找清洁可持续能源替代传统能源实现海水淡化成为了有效解决水资源短缺的方法。目前太阳能是世界上公认的清洁能源之一，一直以来就备受科学家们的关注，每平米太阳光的输入功率是1000W，如何将太阳能的利用率做到极致是一代代科研工作者们不断追求的目标。这部分能量往往直接耗散在自然界中，造成了极大的能源浪费，回收太阳能实现海水淡化既可以解决水资源短缺问题，也能拓展太阳能的利用，达到了节能目的。
同时，太阳能电池板的效率随着表面温度的增高会有明显的下降，通过电池板背面高温来加热海水蒸发带有大量热量，从而降低电池板工作温度，能够有效提高其发电效率。不仅如此，本发明充分考虑到蒸汽凝结潜热的回收利用，而这部分能量巨大，极大地提高淡水的产量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够同时利用太阳能发电、显热加热海水的全光谱利用太阳能水电联产耦合系统，极大地提高了能源利用率。不仅如此，为了避免蒸汽凝结潜热的浪费，系统中巧妙设计了蒸汽凝结潜热回收利用环节，提高了系统的能量利用效率和产水量。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种太阳能全光谱利用的水电联产系统，其特征在于，包括：蒸发腔壳体和蒸汽发生器，所述蒸汽发生器将蒸发腔壳体内的腔体分为上下两个部分，上腔体为一次蒸汽室，下腔体为海水补偿室，海水补偿室设有海水输入管道和浓盐水输出管道；蒸汽发生器包括多孔毛细芯、埋在多孔毛细芯里的冷凝热释放管道，太阳能电池板阵列铺设在所述多孔毛细芯表面，阵列的太阳能电池板底部设有一次蒸汽室，所述低品位一次蒸汽出口管道与一次蒸汽室连通，低品位一次蒸汽出口管道出口与蒸汽压缩机以及高品位二次蒸汽输入管道连接，所述高品位二次蒸汽输入管道与多孔毛细芯里的冷凝热释放管道连通，冷凝热释放管道的输出端设有淡水输出管道。
进一步，本发明还可以具有这样的特征：所述海水输入管道伸入到海水储液池中抽取海水。
进一步，本发明还可以具有这样的特征：所述多孔毛细芯为多孔陶瓷材料，孔隙率应高于60％，平均孔径大小为0.2-10微米。
进一步，本发明还可以具有这样的特征：所述多孔毛细芯导热系数低于1W/(m﹒K)，其厚度选择在8-20毫米之间。
进一步，本发明还可以具有这样的特征：蒸发腔壳体采用低导热耐海水腐蚀POM塑料，导热系数低于0.3W/(m﹒K)。
进一步，所述冷凝热释放管道采用导热系数高于200W/(m﹒K)的细金属管，管径应保证小于多孔毛细芯的厚度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.产品是淡水和电，更加多元，且全程除太阳能外无需外界额外输入能量，拓展了这两种能源的回收利用途径。
2.蒸汽的凝结潜热回收大大提高了系统的60％以上的能量转化效率和5倍以上的产水量,本发明蒸汽的凝结潜热得到了利用，大大提高了系统的产水量。
3.本发明统筹光向电和热的转化，其中光伏发电利用0.15KW/m2，光热海水淡化利用0.85KW/m2，可实现太阳光全光谱的利用。
4.系统利用多孔毛细芯提供毛细力实现系统自动补水，不需要额外泵功。
5.系统整体成本低廉，所有材料加工合成简单，系统高度集成。
6.采用清洁可再生的太阳能，能源品位高、来源普遍、无成本。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
1-太阳能电池板，2-冷凝热释放管道，3-多孔毛细芯，4-海水补偿室，5-蒸发腔壳体，6-海水储液池，7-淡水输出管道，8-浓盐水输出管道，9-低品位一次蒸汽出口管道，10-蒸汽压缩机，11-高品位二次蒸汽输入管道，12-海水输入管道，13-一次蒸汽室。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的一种太阳能全光谱利用的水电联产系统作进一步说明。
如图1所示，本发明为一种太阳能全光谱利用的水电联产系统，包括蒸发腔壳体5和蒸汽发生器，所述蒸汽发生器将蒸发腔壳体5内的腔体分为上下两个部分，上腔体为一次蒸汽室13，下腔体为海水补偿室4，海水补偿室4设有海水输入管道12和浓盐水输出管道8；蒸汽发生器包括多孔毛细芯3、埋在多孔毛细芯3里的冷凝热释放管道2，太阳能电池板1阵列铺设在所述多孔毛细芯3表面，阵列的太阳能电池板1底部设有低品位一次蒸汽出口管道9，所述低品位一次蒸汽出口管道9与一次蒸汽室13连通，低品位一次蒸汽出口管道9出口与蒸汽压缩机10以及高品位二次蒸汽输入管道11连接，所述高品位二次蒸汽输入管道11与多孔毛细芯3里的冷凝热释放管道2连通，冷凝热释放管道2的输出端设有淡水输出管道7；海水输入管道12伸入到海水储液池6中抽取海水。
在上述实施例中，整个蒸发腔壳体5均采用低导热系数绝热材料，导热系数低于0.3W/(m﹒K)，可采用低导热耐海水腐蚀POM塑料；蒸汽发生器包括多孔毛细芯3和埋在多孔毛细芯3里的冷凝热释放管道2，多孔毛细芯3的厚度选择在8-20毫米之间，其最终厚度取决于整个腔体的高度，约占腔体高度的三分之一；冷凝热释放管道2选择内经为2毫米，壁厚0.2mm毛细铜管，采用圆周缠绕，使得毛细铜管尽可能布满多孔毛细芯整个截面；所述冷凝热释放管道2选择导热系数高于300W/(m﹒K)的紫铜管，用于二次蒸汽的快速冷凝，同时能够快速实现与低温海水的热量交换；所述多孔毛细芯3采用导热系数低于1W/(m﹒K)的多孔性材料烧制而成，通过毛细力将海水储液池6里的低温海水输送到冷凝热释放管道2外壁，进行热量交换；所述太阳能电池板1用单晶硅太阳能电池板，光电转化效率为15-20％实现光电转化，底部采用导热好的铜片与多孔毛细芯3接触，将热量传导至多孔毛细芯3，实现光热转化；低品位一次蒸汽出口管道9和高品位二次蒸汽输入管道11均采用导热系数低于0.05W/(m﹒K)的绝热管道进行连接，该绝热管道外层可选择聚苯乙烯泡沫。
其中，所述多孔毛细芯3可选择亲水低导热系数多孔陶瓷材料，可以有效抑制热量向海水传导，孔隙率高于60％，平均孔径大小为0.2-10微米，可提供毛细力不断补充海水。可采用大规模建筑用砖的烧结方法制备，成本非常低。多孔陶瓷材料制备出的多孔毛细芯优先选择导热系数低于0.1W/(m﹒K)，且具有一定的承压能力和保温能力，其厚度选择在8-20毫米之间，优先选择10毫米。
其中，蒸发腔壳体5采用低导热耐海水腐蚀POM塑料，可有效防止热量散失和蒸汽冷凝。
系统在开始运行时，真空泵(图中未示出)连接到低品位一次蒸汽出口管道9，抽取一次蒸汽室13和海水补偿室4内的空气形成负压，海水储液池6中的海水在负压作用下由海水输入管道12进入到海水补偿室4中，与多孔毛细芯3底层接触，然后在多孔毛细芯3毛细驱动力作用下被抽吸到多孔毛细芯表面，停止真空泵，关闭真空泵接入管道。海水由于毛细层毛细力被悬挂并充满海水补偿室4和多孔毛细芯3。同时由于太阳能电池板1将太阳能转换为电能和热能，形成表面局部高温，传导至太阳能电池板1下表面多孔毛细芯3，此时低温海水受到太阳能电池板的热效应影响，蒸发产生一次蒸汽并进入一次蒸汽室13，此时，产生的一次蒸汽由低品位一次蒸汽出口管道9进入蒸汽压缩机10，产生的高温高压二次蒸汽由高品位二次蒸汽输入管道11进入冷凝热释放管道2，释放冷凝潜热强化多孔毛细芯3表面蒸发，此刻冷凝水从淡水输出管道7输出。对于整个系统，低温海水在毛细力作用下不断补充到多孔毛细芯表面实现蒸发，使得系统能够自适应运行。由于二次蒸汽的温度远高于换热管道外壁海水的温度，二次蒸汽将热量传递给海水释放凝结潜热，使海水不断实现快速蒸发，产水量远大于传统太阳能海水淡化的方法；随着蒸发的不断进行，海水补偿室内有盐份结晶，可通过打开浓盐水输出管道8，排放浓盐水进行调控，避免盐结晶阻塞管道。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为其中的一种实施例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种太阳能全光谱利用的水电联产系统，其特征在于，包括蒸发腔壳体和蒸汽发生器，所述蒸汽发生器将蒸发腔壳体内的腔体分为上下两个部分，上腔体为一次蒸汽室，下腔体为海水补偿室，海水补偿室设有海水输入管道和浓盐水输出管道；蒸汽发生器包括多孔毛细芯、埋在多孔毛细芯里的冷凝热释放管道，太阳能电池板阵列铺设在所述多孔毛细芯表面，
阵列的太阳能电池板底部设有一次蒸汽室，所述低品位一次蒸汽出口管道与一次蒸汽室连通，低品位一次蒸汽出口管道出口与蒸汽压缩机以及高品位二次蒸汽输入管道连接，所述高品位二次蒸汽输入管道与多孔毛细芯里的冷凝热释放管道连通，冷凝热释放管道的输出端设有淡水输出管道。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能全光谱利用的水电联产系统，其特征在于：所述海水输入管道伸入到海水储液池中抽取海水。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能全光谱利用的水电联产系统，其特征在于：所述多孔毛细芯为多孔陶瓷材料，孔隙率应高于60％，平均孔径大小为0.2-10微米。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能全光谱利用的水电联产系统，其特征在于：所述多孔毛细芯导热系数低于1W/(m﹒K)，其厚度选择在8-20毫米之间。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能全光谱利用的水电联产系统，其特征在于：蒸发腔壳体采用低导热耐海水腐蚀POM塑料，导热系数低于0.3W/(m﹒K)。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能全光谱利用的水电联产系统，其特征在于：所述冷凝热释放管道采用导热系数高于200W/(m﹒K)的细金属管，管径应保证小于多孔毛细芯的厚度。
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