CN110469829B - 一种太阳能蒸汽产生装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能光热转换技术领域，公开了一种太阳能蒸汽产生装置及其应用，该太阳能蒸汽产生装置包括：盛水容器、光热转化材料以及隔热板；所述盛水容器中装有水，所述隔热板整体漂浮于水面上方，所述光热转化材料覆盖在所述隔热板的上表面和所述隔热板的四个侧表面中的一个或多个。与传统蒸汽发生方式将水全部加热至沸点相比，该太阳能蒸汽产生装置将热量限制在水‑汽界面这一小区域，实现在单位面积能量密度较低的普通太阳光或者低倍聚光条件下驱动下的快速高效蒸汽发生。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光热转换技术领域，特别是涉及一种太阳能蒸汽产生装置及其应用。
背景技术
目前，能源短缺和环境污染是影响人类社会和谐健康发展的两个重要问题，一方面，随着人口数量不断增长，社会不断发展，能源需求量日渐增大，而传统能源却日渐枯竭；另一方面，传统化石能源燃烧造成的环境污染比如雾霾，水体污染等，已经严重影响到人类的健康。综合来看，寻求一种绿色可持续的新能源利用方式已经是人类社会健康发展的迫切需求。太阳能作为总量最大的新能源，在地球各区域都有广泛分布，是一种极为理想的替代能源，同时蒸发过程广泛存在于各种工业过程，太阳能与蒸发过程的结合是一种非常有前景的太阳能利用方式。
然而，太阳能具有间歇性以及单位能量密度低的特点，传统蒸汽发生方式需要将水全部加热至沸点，效率很低，只有将太阳光进行高倍聚焦，同时采用追踪聚光方式，才能达到要求。由于高倍聚光镜、太阳追踪系统以及大量保温层的巨大投入，以及较为复杂的系统运行维护，使得传统的太阳能蒸汽发生只有在大范围利用时才具备经济性。在基础设施建设和经济不发达的地区，或者在城市内小范围应用的情况下，传统太阳能蒸汽发生方式无法使用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明旨在至少解决前述背景技术中的技术问题之一。
为此，本发明提出了一种太阳能蒸汽产生装置，与传统蒸汽发生方式将水全部加热至沸点相比，该太阳能蒸汽产生装置将热量限制在水-汽界面这一小区域，实现在单位面积能量密度较低的普通太阳光或者低倍聚光条件下驱动下的快速高效蒸汽发生。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，第一方面，本发明提供一种太阳能蒸汽产生装置包括：盛水容器、光热转化材料以及隔热板；
所述盛水容器中装有水，所述隔热板整体漂浮于水面上方，所述光热转化材料覆盖在所述隔热板的上表面和所述隔热板的四个侧表面中的一个或多个。
其中，所述光热转化材料为部分还原的氧化石墨烯。
其中，所述部分还原的氧化石墨烯的制备方法包括以下步骤：
把氧化石墨烯加入到去离子水中，以制备氧化石墨烯溶液；
将上述氧化石墨烯溶液在100～120℃的条件下加热210min～270min，之后冷却至室温，即得到部分还原的氧化石墨烯。
其中，还包括布置在所述隔热板内部的输水通道，所述输水通道的下端开口浸入水中，所述输水通道的上端开口靠近或接触所述光热转化材料。
其中，所述输水通道的内径为0.1～1mm。
其中，所述盛水容器为上部敞口的玻璃容器或塑料容器。
其中，所述隔热板的材料的导热系数≤0.020W/(m·k)，所述隔热板厚度为1～2cm。
其中，所述隔热板的材料包括：木材、聚苯乙烯泡沫或者聚乙烯发泡棉。
第二方面，本发明还提供一种上述太阳能蒸汽产生装置的应用，上述太阳能蒸汽产生装置用于太阳能发电、海水淡化或污水处理。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的太阳能蒸汽产生装置，其通过隔热板将布置在隔热板上表面的光热转化材料与水体隔离，阻断其热传导从而减少热损，同时布置在隔热板侧表面的光热转化材料利用其亲水性将盛水容器中的水输送至隔热板上表面的光热转化材料以利用太阳光进行光热转化产生蒸汽，同时隔热板上表面的光热转化材料向下方水体传递的热量被有效抑制，实质上等同于光热转化效率得到很大提高；该装置结构独特而简单，光热转化效率高，在太阳能发电、海水淡化和污水处理等领域具有较大商业价值和应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例一种太阳能蒸汽产生装置的结构示意图；
图中：1-光热转化材料；2-隔热板；3-输水通道；4-盛水容器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图1具体描述本发明实施例的一种太阳能蒸汽产生装置。
图1为本发明实施例一种太阳能蒸汽产生装置的结构示意图，如图1所示，包括：盛水容器4、光热转化材料1以及隔热板2；
所述盛水容器4中装有水，所述隔热板2整体漂浮于水面上方，所述光热转化材料1覆盖在所述隔热板的上表面和所述隔热板的四个侧表面中的一个或多个。
需要说明的是，光热转化材料1覆盖在隔热板的上表面和隔热板的四个侧表面中的一个或多个，以下以光热转化材料1覆盖在隔热板的四个侧表面中的一个侧表面为例进行说明，覆盖在隔热板的上表面和隔热板的一个侧表面上的光热转化材料能够连接成为一个整体，并且，隔热板上未覆盖光热转化材料的侧表面与盛水容器的内侧壁抵接。
需要说明的是，覆盖在隔热板的上表面的光热转化材料1和隔热板上表面之间能够形成光热转换层，并且，上述光热转化材料1具有在太阳光全光谱范围内拥有高吸收率并快速转换为热量的特性。且上述光热转化材料1保留有部分亲水官能团，亲水性好，能保证光热转换层的水分快速补充扩散。
需要说明的是，隔热板2的材料具备低密度性质可以自由漂浮在水面上，保证隔热板2上表面的光热转换材料1不与盛水容器4内的水直接接触，以阻止热量向水扩散。
其中，该太阳能蒸汽产生装置在应用时，光热转换材料吸收太阳光转换为热量，隔热材料通过自身的低导热性限制热量向下传递，将热量集中限制在光热转换层用于蒸汽发生，同时，覆盖在隔热板两侧表面的光热转换材料将水输送至光热转换层以保证蒸发过程持续进行。
与传统蒸汽发生方式将水全部加热至沸点相比，本发明提供的太阳能蒸汽产生装置将热量限制在水-汽界面这一小区域，实现在单位面积能量密度较低的普通太阳光或者低倍聚光条件下驱动下的快速高效蒸汽发生。
另外，根据本发明的实施例，所述光热转化材料1为部分还原的氧化石墨烯。
其中，上述部分还原的氧化石墨烯的制备方法包括以下步骤：
把氧化石墨烯加入到去离子水中，以制备氧化石墨烯溶液；
将上述氧化石墨烯溶液在100～120℃的条件下加热210min～270min，之后冷却至室温，即得到部分还原的氧化石墨烯。
以下对其制备方法进行具体说明：
将1g氧化石墨烯加入250ml去离子水中，超声振动10min得到4mg/ml的氧化石墨烯溶液；
将氧化石墨烯溶液放入反应釜中，上述反应釜密封后放入烘箱，烘箱设置的反应温度为120℃，反应时间在210min-270min之间；
取出上述反应釜并冷却至室温，即得到部分还原的氧化石墨烯。
需要说明的是，上述部分还原的氧化石墨烯的制备方法采用水热法，不需要引入还原剂，反应产物可以直接使用，无需去除杂质；该方法制备的部分还原的氧化石墨烯仍保留有部分亲水官能团，亲水性好，能保证光热转换层的水分快速补充扩散，同时在水热反应过程中氧化石墨烯片层间结合力增强，反应产物不再是溶液状态，反应产物不需要经过干燥过滤成膜，是失去流动性的胶态固体，可以直接涂覆在隔热板表面使用；该反应产物具有在太阳光全光谱范围内拥有高吸收率并快速转换为热量的特性。
进一步地，根据本发明的实施例，还包括布置在所述隔热板2内部的输水通道3，所述输水通道3的下端开口浸入水中，所述输水通道3的上端开口靠近或接触所述光热转化材料1。
可以理解的是，输水通道3可以为插入隔热板的若干毛细管，所述毛细管的下端开口浸入水中，毛细管的上端开口靠近或接触光热转化材料1。其中，毛细管为玻璃质毛细管或塑料质毛细管。
需要说明的是，输水通道3可以为直线型的，也可以为弯曲型的；输水通道3可以均匀布置在隔热板的内部，也可以按照预设的排列规则进行布置。
进一步地，根据本发明的实施例，所述输水通道3的内径为0.1～1mm。
可以理解的是，通过设置的输水通道3和光热转化材料1分别将水输送至光热转换层以保证蒸发过程持续进行，提高了该太阳能蒸汽产生装置的蒸汽产生效率。
进一步地，根据本发明的实施例，所述盛水容器为上部敞口的玻璃容器或塑料容器。
可以理解的是，隔热板呈圆柱体状，隔热板漂浮于水面上方且其周边侧壁与盛水容器的内侧壁抵接。
需要说明的是，所述隔热板的材料的导热系数≤0.020W/(m·k)，所述隔热板厚度为1～2cm。
其中，所述隔热板的材料为木材；或者，所述隔热板的材料为聚苯乙烯泡沫或聚乙烯发泡棉。
其中，利用廉价的木材或者聚苯乙烯泡沫或聚乙烯发泡棉作为热阻材料，实现高效利用太阳能转换而来的热能，并将热能用于“光热转换层”的产生，提高太阳能光热蒸汽转化的效率，光热蒸汽效率可达92.5％，并产生高效的蒸汽，蒸发速率为1.43kgm-2h-1，最终可用于污水纯化、海水淡化等。
可以理解的是，隔热板材料为木材，可将光热转换材料直接涂覆在木材上表面以及四个侧表面中一个或多个，木材本身也可以进行水分输运；隔热板材料为疏水性材料，比如聚苯乙烯泡沫，也可以在聚苯乙烯泡沫中构建输水通道用于水分输运，将光热转换材料直接涂覆在泡沫上表面以及四个侧表面中一个或多个，由于光热转换材料为部分还原的氧化石墨烯，仍有很强的吸水性，可以直接将光热转换材料用于水分输运。
本发明提供了一种太阳能蒸汽产生装置，其通过隔热板将布置在隔热板上表面的光热转化材料与水体隔离，阻断其热传导从而减少热损，同时布置在隔热板侧表面的光热转化材料利用其亲水性将盛水容器中的水输送至隔热板上表面的光热转化材料以利用太阳光进行光热转化产生蒸汽，同时隔热板上表面的光热转化材料向下方水体传递的热量被有效抑制，实质上等同于光热转化效率得到很大提高；该装置结构独特而简单，光热转化效率高，在太阳能发电、海水淡化和污水处理等领域具有较大商业价值和应用前景。
进一步地，根据本发明的实施例，上述太阳能蒸汽产生装置用于太阳能发电、海水淡化或污水处理。
该太阳能蒸汽产生装置结构独特而简单，光热转化效率高，在太阳能发电、海水淡化和污水处理等领域具有较大商业价值和应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (9)
1.一种太阳能蒸汽产生装置，其特征在于，包括：盛水容器、光热转化材料以及隔热板；
所述盛水容器中装有水，所述隔热板整体漂浮于水面上方，所述隔热板的上表面覆盖有所述光热转化材料，所述隔热板的四个侧表面中的一个或多个覆盖有所述光热转化材料，覆盖在所述隔热板的上表面和所述隔热板的侧表面上的光热转化材料连接成一个整体，所述隔热板上未覆盖所述光热转化材料的侧表面与所述盛水容器的内侧壁抵接，位于所述隔热板的侧表面的所述光热转化材料利用其亲水性将所述盛水容器中的水输送至位于所述隔热板的上表面的所述光热转化材料。
2.如权利要求1所述的太阳能蒸汽产生装置，其特征在于，所述光热转化材料为部分还原的氧化石墨烯。
3.如权利要求2所述的太阳能蒸汽产生装置，其特征在于，所述部分还原的氧化石墨烯的制备方法包括以下步骤：
把氧化石墨烯加入到去离子水中，以制备氧化石墨烯溶液；
将上述氧化石墨烯溶液在100~120℃的条件下加热210min~270min，之后冷却至室温，即得到部分还原的氧化石墨烯。
4.如权利要求1所述的太阳能蒸汽产生装置，其特征在于，还包括布置在所述隔热板内部的输水通道，所述输水通道的下端开口浸入水中，所述输水通道的上端开口靠近或接触所述光热转化材料。
5.如权利要求4所述的太阳能蒸汽产生装置，其特征在于，所述输水通道的内径为0.1~1mm。
6.如权利要求1所述的太阳能蒸汽产生装置，其特征在于，所述盛水容器为上部敞口的玻璃容器或塑料容器。
7.如权利要求1所述的太阳能蒸汽产生装置，其特征在于，所述隔热板的材料的导热系数≤0.020W/(m·k)，所述隔热板厚度为1~2cm。
8.如权利要求7所述的太阳能蒸汽产生装置，其特征在于，所述隔热板的材料包括：木材、聚苯乙烯泡沫或者聚乙烯发泡棉。
9.一种如权利要求1至8任一项所述的太阳能蒸汽产生装置的应用，其特征在于，用于太阳能发电、海水淡化或污水处理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |