CN110054244A - 一种基于具有高吸光性能木头太阳能水蒸气产生系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于具有高吸光性能木头太阳能水蒸气产生系统，包括温室、冷凝水导流槽、冷凝水收集瓶、木制的水池、木制盖板、金属绳索、曲面反射镜；木制盖板漂浮于木制的水池表面，该水池悬挂于搭建的温室内；在温室底部安放一块以上反光投向木制的水池的曲面反射镜或在温室底部可安放一块覆盖温室底面的大面积曲面反射镜；设有起码两个沿温室两壁倾斜放置的冷凝水导流槽和两个冷凝水收集瓶；本发明实现了太阳光的高效利用，可应用于大面积太阳能水蒸气产生。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种基于具有高吸光性能木头的结构合理设计的太阳能水蒸气产生系统，属于太阳能领域。
背景技术
水资源短缺时最为迫切的全球挑战之一。太阳能驱动的海水淡化特别具有吸引力，因为太阳能资源丰富且对环境的影响微乎其微。实现太阳能水蒸气高效转化的一个公认策略是构造一种双层结构器件:具有高效宽光谱吸收特点的光热材料涂覆于具有低热导率的基底上。该双层结构器件由于具有较低的密度，可以漂浮在水表面。在太阳光的照射下，顶层的吸光材料充分吸收太阳光而产热，底层的基底(常为多孔结构)通过毛细力作用将水源源不断地输运向热的器件表面，水蒸气产生与空气-水的界面处。通过选用合适的吸光材料与底层绝热材料，太阳能水蒸气产生效率在1kw/m2h光照强度下可高达89％。日前，一种通过在等同投影面积下提高吸光材料表面积以实现环境能量向温度相对较低的吸光材料表面转移的策略被提出并可实现高于理论极限的太阳能水蒸气产生效率。
然而目前水蒸气的产生仅发生在漂浮在液面上的吸光材料表面，太阳能水蒸气效率的计量多停留在实验室阶段，且模拟日光多为垂直于吸光材料表面。事实上，如果想实现太阳能水蒸气产生的实际应用，随时间不断变化的日照角度是不可回避的问题。
发明内容
本发明的目的是：一种基于具有高吸光性能木头的结构合理设计的太阳能水蒸气产生系统。
本发明的技术解决方案：一种基于具有高吸光性能木头的结构合理设计的太阳能水蒸气产生系统，包括温室、冷凝水导流槽、冷凝水收集瓶、木制的水池(木制海水或污水池)、木制盖板、金属绳索、曲面反射镜；木制盖板漂浮于木制的水池表面，该水池悬挂于搭建的温室内；在温室底部安放一块以上反光投向木制的水池的曲面反射镜；或在温室底部可安放一块覆盖温室底面的大面积曲面反射镜；
设有起码两个沿温室两侧壁倾斜放置的冷凝水导流槽和(两个)冷凝水收集瓶；木制海水或污水池的壁厚满足水能渗至木头表面。
对水池的外表面进行喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发包括陶瓷等离激元材料、碳基材料、金属等离激元材料、聚合物吸光材料、其他无机物材料、复合材料在内的吸光材料，或直接放在热台(炉)上碳化；
木制盖板漂浮于木制的水池表面，该水池悬挂于搭建的温室内；
温室的墙面主体材料是玻璃、塑料薄膜；所搭建的温室顶部的倾斜设计有利于产生的水蒸气的冷凝与收集。
设有起码两个沿温室两壁倾斜放置的冷凝水导流槽和(两个)冷凝水收集瓶。
所安放的大面积曲面反射镜反射的阳光被木制海水或污水池底部有效吸收，用于水蒸气产生。所搭建的温室有利于在低能太阳辐照时，温室内的温度相对较低的木头从温室内吸收能量，用于产生水蒸气。
木制海水或污水池的形状为长方体或正方体或圆筒或球形或圆台或圆锥等。
木制海水或污水池的表面可以高效吸收太阳光。
木制海水或污水池的壁厚满足水能渗至木头表面。
木制海水或污水池的表面可以通过将木头表面放在热台上500℃碳化增强太阳光吸收。
木制海水或污水池的表面可以通过喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发吸光材料获得。
喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料可包括陶瓷等离激元材料(氮化钛、硅等)。
喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料可包括碳基材料(石墨、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯等)。
喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料可包括金属等离激元材料(金、银、铝、镍等)。
喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料可包括聚合物吸光材料。
喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料可包括其他无机材料(Ti3C2、Ti2O3等)。
喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料可包括陶瓷等离激元材料、碳基材料、金属等离激元材料、聚合物吸光材料、其他无机物材料的复合材料。
圆筒状海水或污水池可以实现木头表面温度低于温室内温度。
海水或污水池表面漂浮着与木制水池同样材质与增强吸光处理的木制盖板。
木制盖板可以为平面长方体、伞状结构、中空圆筒、中空长方体、中空正方体、中空哑铃状结构等。
用金属绳索将木制海水或污水池悬挂在温室中央。
所使用的木头可包括橡木、水曲柳、胡桃木、樱桃木、枫木、桦木、银杏木等。
首先制备一个木制的水池。然后对水池的外表面进行喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发包括陶瓷等离激元材料、碳基材料、金属等离激元材料、聚合物吸光材料、其他无机物材料、复合材料在内的吸光材料，或直接放在热台上碳化。然后采用类似方法制备木制盖板。然后将该木制水池装满海水或待处理污水，将木制盖板漂浮于其表面，并将该水池悬挂于搭建的温室内。然后在温室底部安置若干块曲面反射镜。所搭建的温室可以很好地减少太阳辐射产生的热能因热对流、热传导而损失，实现较之于外部环境的更高室内温度。
本发明的机理和技术特点和有益效果：木制水池由于其多孔的特性，内部的水可以渗透至木头表面。相较传统的太阳能水蒸气产生系统将水盛放于玻璃器皿内，木头水池内部的水渗透到木材表面，可提高空气-水表面积，用于水蒸气产生。太阳光的斜入射时(一天中白天的多数时间)，木制水池的黑色表面吸收太阳光能并产热，进而在侧壁产生水蒸气，实现太阳光的高效利用。
非平面的木制水池表面(圆筒或球形或圆台或圆锥形木制水池)可获得相对较低的等效太阳光辐照功率密度，可降低水池表面温度，减少能量向环境转移的损耗或可实现环境能量向水池表面转移。
水池底部的曲面反射镜有利于提高太阳光的利用率，并用于水池底部的水蒸气产生。
水池表面漂浮的木制盖板，通过合理设计可实现超过理论极限的太阳能水蒸气转换效率。
由于水存储于具有低热导率的木制水池内，其能量将很好的保存在系统内部，而非耗散到外部环境(温室)。
温室的存在有利于降低太阳光能量向外部环境的耗散，可大幅降低木制水池及盖板能量向温室的传导损耗。
温室温度较高时有望实现能量向水池及盖板的转移，有利于进一步提升水蒸气的产量。
附图说明
图1是本发明所述的一种基于具有高吸光性能木头的结构合理设计的太阳能水蒸气产生系统的示意图。包括1温室、2冷凝水导流槽、3冷凝水收集瓶、4木制海水或污水池、5木制盖板、6金属绳索、7曲面反射镜。
图2是实验获得的普通木头(银杏木)于表面溅射有等离激元材料氮化钛的木头对太阳光的吸收情况。
图3是实验获得普通木头(银杏木)沿轴向的正面(a)及剖面(b)扫描电子显微镜照片。显示了木头的多孔结构，可用于水的输运。
具体实施方式
本发明提出了一种基于具有高吸光性能木头的结构合理设计的太阳能水蒸气产生系统，下面通过具体工艺步骤进一步描述本发明：
(1)制备一个木制的水池；
(2)对水池的外表面进行喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发包括陶瓷等离激元材料、碳基材料、金属等离激元材料、聚合物吸光材料、其他无机物材料、复合材料在内的吸光材料，或直接放在热台上碳化；
(3)采用类似方法制备木制盖板；
(4)搭建一个温室；
(5)将该木制水池装满海水或待处理污水，将木制盖板漂浮于其表面，并将该水池悬挂于搭建的温室内；
(6)在温室底部安置一块曲面反射镜；
(7)太阳光照射下产生的水蒸气在温室顶部冷凝，经冷凝水导流槽存贮于冷凝水收集瓶；
考虑到在木制水池上水的微渗出，木制水池的厚度需要考虑，而木头表面放在热台上500℃碳化的木头需要较厚，可以在1cm以上，3cm以下，增强太阳光吸收。
木制海水或污水池的表面可以通过喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发吸光材料获得，喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料可包括陶瓷等离激元材料(氮化钛、硅等)；
喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料可包括碳基材料(石墨、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯等)；
喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料可包括金属等离激元材料(金、银、铝、镍等)；
喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料可包括聚合物吸光材料；
喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料可包括其他无机材料(Ti3C2、Ti2O3等)。
本发明提出的一种基于具有高吸光性能木头的结构合理设计的太阳能水蒸气产生系统，与传统太阳能水蒸气产生系统相比，具有更大的空气-水表面积，有利于水蒸气的产生，同时具有对太阳光全天候高效利用的特点。木头进行干燥后再喷涂，一般不需要额外的表面处理，喷涂的厚度2微米以上。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明。本发明并不局限于上述实施方式，如果这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。
Claims (10)
1.一种基于具有高吸光性能木头太阳能水蒸气产生系统，其特征是，包括温室、冷凝水导流槽、冷凝水收集瓶、木制的水池、木制盖板、金属绳索、曲面反射镜；木制盖板漂浮于木制的水池表面，该水池悬挂于搭建的温室内；在温室底部安放一块以上反光投向木制的水池的曲面反射镜或在温室底部安放一块覆盖温室底面的大面积曲面反射镜；设有起码两个沿温室两侧壁倾斜放置的冷凝水导流槽和两个冷凝水收集瓶；木制海水或污水池的壁厚满足水能渗至木头表面。
2.根据权利要求1所述太阳能水蒸气产生系统，其特征在于：温室墙面主体材料可以是玻璃、塑料薄膜。
3.根据权利要求1所述太阳能水蒸气产生系统，其特征在于：对水池木头的外表面进行喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发包括陶瓷等离激元材料、碳基材料、金属等离激元材料、聚合物吸光材料、其他无机物材料、复合材料在内的吸光材料，或木头直接放在热台上碳化。
4.根据权利要求1所述太阳能水蒸气产生系统，其特征在于：温室的墙面主体材料是玻璃、塑料薄膜；所搭建的温室顶部的倾斜设计有利于产生的水蒸气的冷凝与收集。
5.根据权利要求1所述太阳能水蒸气产生系统，其特征在于：木制海水或污水池的形状为长方体或正方体或圆筒或球形或圆台或圆锥等。
6.根据权利要求1所述太阳能水蒸气产生系统，其特征在于：木制海水或污水池的表面通过将木头表面放在热台上500℃碳化增强太阳光吸收。
7.根据权利要求1所述太阳能水蒸气产生系统，其特征在于：木制海水或污水池的表面可以通过喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发吸光材料获得。
8.根据权利要求1所述太阳能水蒸气产生系统，其特征在于：喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料可包括陶瓷等离激元材料(氮化钛、硅等)；
喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料包括碳基材料(石墨、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯等)；
喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料包括金属等离激元材料(金、银、铝、镍等)；
喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料可包括聚合物吸光材料；
喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料可包括其他无机材料(Ti3C2、Ti2O3)；
喷涂或抽滤或磁控溅射或电子束蒸发的吸光材料可包括陶瓷等离激元材料、碳基材料、金属等离激元材料、聚合物吸光材料、其他无机物材料的复合材料。
9.根据权利要求1所述太阳能水蒸气产生系统，其特征在于：木制盖板可以为平面长方体、伞状结构、中空圆筒、中空长方体、中空正方体、中空哑铃状结构等。所使用的木头可包括橡木、水曲柳、胡桃木、樱桃木、枫木、桦木、银杏木等。
10.根据权利要求1所述太阳能水蒸气产生系统，其特征在于：用金属绳索将木制海水或污水池悬挂在温室中央；海水或污水池表面漂浮着与木制水池同样材质与增强吸光处理的木制盖板；圆筒状海水或污水池实现木头表面温度低于温室内温度；所安放的大面积曲面反射镜反射的阳光被木制海水或污水池底部有效吸收，用于水蒸气产生。所搭建的温室有利于在低能太阳辐照时，温室内的温度相对较低的木头从温室内吸收能量，用于产生水蒸气。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114087596A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-02-25 | 南京大学 | 一种有效防盐沉积的高效太阳能水蒸气产生系统 |
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2019
- 2019-03-14 CN CN201910192409.0A patent/CN110054244A/zh active Pending
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