CN110980851B - 基于太阳能的海水蒸发取水发电装置及取水发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置及取水发电方法，该装置中，淡水水箱经由集水流道密闭连通海水水箱，集水流道的高度高于海水表面以及淡水表面；阳离子交换膜包括产生光电泊效应的半导体薄膜主体、设在半导体薄膜主体朝向高透光平板的第一侧的纳米颗粒和用于从第二侧输送海水到第一侧的毛细输水导管，半导体薄膜主体设有阳离子选择性通道，太阳光经由高透光平板照射阳离子交换膜以及纳米颗粒，使得第一侧的第一温度、第一海水浓度和第一电势高于第二侧的第二温度、第二海水浓度和第二电势，蒸发的海水冷凝后经由集水流道进入淡水水箱，阳离子经由阳离子选择性通道从第一侧定向迁移到第二侧以形成离子电流。

Description

基于太阳能的海水蒸发取水发电装置及取水发电方法

技术领域

本发明涉及海水淡化和发电技术领域，特别是一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置及取水发电方法。

背景技术

作为一个正在大力开发的资源宝库，海洋不仅提供了各种形式的能量，包括盐差能、风能、波浪能、潮汐能等，同时也是巨大的水资源宝库。另一方面，海面和近海区域由于交通不便，位置偏远等不利因素，生产生活所需电力和淡水资源的获取却仍然困难。为了满足此类特殊环境条件下的供电和供水需求，目前已有各种技术正在开发或投入使用。

为了满足供电需求，需要从电网铺设远距离架空线路，或者直接使用柴油发电机发电，受环境条件限制且成本巨大。而为了满足供水需求，除了从内陆经交通线输送淡水外，一般都需要进行海水淡化。目前市场主流的海水淡化方法主要有两种，另一种是蒸馏法，设备结构复杂，操作成本高，占地面积大；一种是反渗透法，需要高压设备，需要定期清洗膜结构，原水利用率不足80％。这些因素都极大限制了海面和近海地区的水电供应。

另一方面，太阳能是取之不尽的能源，基于太阳能热利用技术，通过半透膜和电化学等方法，将太阳能用于大风速的海面和近海地区的发电和淡水获取，能够满足该特殊环境条件下的电力和淡水需求。

背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置，通过太阳能热利用同时实现海水蒸馏冷凝和发电，提升了太阳能利用的整体效率。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置包括，

海水水箱，其储存海水，所述海水水箱顶部设有朝向太阳光的高透光平板；

淡水水箱，其储存冷凝后的淡水，所述淡水水箱经由集水流道密闭连通所述海水水箱，所述集水流道的高度高于所述海水表面以及淡水表面；

发电单元，其漂浮于所述海水表面，所述发电单元包括，

阳离子交换膜，其包括产生光电泊效应的半导体薄膜主体、设在所述半导体薄膜主体朝向高透光平板的第一侧的纳米颗粒和用于从第二侧输送海水到第一侧的毛细输水导管，所述半导体薄膜主体设有阳离子选择性通道，

外电路，其包括分别设在第一侧的第一电极和设在相对于第一侧的第二侧的第二电极，其中，太阳光经由所述高透光平板照射所述阳离子交换膜以及纳米颗粒，使得第一侧的第一温度、第一海水浓度和第一电势高于第二侧的第二温度、第二海水浓度和第二电势，蒸发的海水冷凝后经由所述集水流道进入所述淡水水箱，阳离子经由所述阳离子选择性通道从第一侧定向迁移到第二侧以形成离子电流，外电路的电子从第一电极流向第二电极生成电流，

风扇，其设在所述淡水水箱中靠近集水流道的位置，所述风扇电连接所述外电路，

蓄电池，其电连接所述风扇和外电路。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置中，当第一温度和第二温度的温度差、第一海水浓度和第二海水浓度的浓度差、和/或第一电势和第二电势的电势差处于预定范围时，阳离子选择性通道变窄到预定阈值范围内使得通道内仅通过阳离子。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置中，所述阳离子选择性通道包括带负电荷的表层。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置中，所述阳离子选择性通道为锥形孔或梯形孔通道，通道的最窄处直径为15-30nm，通道最宽处直径为70-100nm。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置中，所述半导体薄膜主体由氮化碳或其衍生物制成，厚度不超过300mm。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置中，所述纳米颗粒包括金、银或其衍生物，纳米颗粒的尺寸为10-100nm。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置中，所述毛细输水导管固定于阳离子交换膜中，由中空且亲水的碳纤维复合材料制成，单根导管孔径不超过0.1mm。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置中，用于透过太阳光并冷却水蒸气的所述高透光平板由高透光树脂制成，其朝向淡水水箱一侧向下倾斜。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置中，预定阈值范围为2-15nm，所述外电路包括开关、电流测量单元、电压测量单元或用于功率调节的调节单元。

根据本发明另一方面，一种所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置的取水发电方法包括以下步骤，

第一步骤，第二侧的海水经过毛细输水导管的毛细力持续输送到第一侧，

第二步骤，太阳光经过高透光平板照射阳离子交换膜，其中，照射第一侧的纳米颗粒以发生局域表面等离子共振，纳米颗粒吸收光能并转化为热能，加热第一侧的海水并产生蒸汽，照射半导体薄膜主体以发生光电泊效应，

第三步骤，第一侧的第一温度、第一海水浓度和第一电势高于相对于第一侧的第二侧的第二温度、第二海水浓度和第二电势，在温度差、浓度差和电势差的共同作用下，阳离子经由所述阳离子选择性通道从第一侧定向迁移到第二侧以形成离子电流，外电路的电子从第一电极流向第二电极生成电流，

第四步骤，蒸汽在高透光平板处与外界空气换热，来自外电路的电能驱动风扇加快集水通道中蒸汽的流动和冷凝，所得冷凝水经过集水流道进入淡水水箱，实现冷凝取水，剩余电能储存于蓄电池。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于太阳能的热利用，将海水蒸发而实现了盐差发电、淡水加速获取和电能的储存，提升了能源利用整体效益，提高了结构紧凑性，可广泛应用于海面和近海区域的发电和供水。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置中阳离子交换膜的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的取水发电步骤示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至附图3更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1所示，

一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置包括，

海水水箱6，其储存海水，所述海水水箱6顶部设有朝向太阳光的高透光平板1；

淡水水箱11，其储存冷凝后的淡水，所述淡水水箱11经由集水流道5密闭连通所述海水水箱6，所述集水流道5的高度高于所述海水表面以及淡水表面；

发电单元，其漂浮于所述海水表面，所述发电单元包括，

阳离子交换膜8，其包括产生光电泊效应的半导体薄膜主体13、设在所述半导体薄膜主体13朝向高透光平板1的第一侧的纳米颗粒12和用于从第二侧输送海水到第一侧的毛细输水导管7，所述半导体薄膜主体13设有阳离子选择性通道14，

外电路3，其包括分别设在第一侧的第一电极2和设在相对于第一侧的第二侧的第二电极9，其中，太阳光经由所述高透光平板1照射所述阳离子交换膜8以及纳米颗粒12，使得第一侧的第一温度、第一海水浓度和第一电势高于第二侧的第二温度、第二海水浓度和第二电势，蒸发的海水冷凝后经由所述集水流道5进入所述淡水水箱11，阳离子经由所述阳离子选择性通道14从第一侧定向迁移到第二侧以形成离子电流，外电路3的电子从第一电极2流向第二电极9生成电流，

风扇4，其设在所述淡水水箱11中靠近集水流道5的位置，所述风扇4电连接所述外电路3，

蓄电池10，其电连接所述风扇4和外电路3。

本发明的材料在受到非对称光照时会发生光电泊效应(photo-Dember effect)。例如，当氮化碳或其衍生物受到非对称光照时，光照区域内的光生电子和空穴会在各自密度梯度的驱动下扩散到非光照区域，且因电子的扩散率和迁移率高于空穴而产生电荷重新分布并形成电势差，导致光照区域电势高于非光照区域。虽然光电泊效应的光电转化能力受光照位点和光照强度等因素影响，但是可以利用其所产生的跨数百纳米的电势差以驱动阳离子从光照侧向非光照侧的跨膜定向迁移，通过温度差、浓度差和电势差的共同作用下，显著提高发电效能。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置的优选实施例中，当第一温度和第二温度的温度差、第一海水浓度和第二海水浓度的浓度差、和/或第一电势和第二电势的电势差处于预定范围时，阳离子选择性通道14变窄到预定阈值范围内使得通道14内仅通过阳离子。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置的优选实施例中，所述阳离子选择性通道14包括带负电荷的表层。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置的优选实施例中，所述阳离子选择性通道14为锥形孔或梯形孔通道14，通道14的最窄处直径为15-30nm，通道14最宽处直径为70-100nm。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置的优选实施例中，所述半导体薄膜主体13由氮化碳或其衍生物制成，厚度不超过300mm。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置的优选实施例中，所述纳米颗粒12包括金、银或其衍生物，纳米颗粒12的尺寸为10-100nm。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置的优选实施例中，所述毛细输水导管7固定于阳离子交换膜8中，由中空且亲水的碳纤维复合材料制成，单根导管7孔径不超过0.1mm。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置的优选实施例中，用于透过太阳光并冷却水蒸气的所述高透光平板1由高透光树脂制成，其朝向淡水水箱11一侧向下倾斜。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置的优选实施例中，预定阈值范围为2-15nm，所述外电路3包括开关、电流测量单元、电压测量单元或用于功率调节的调节单元。

所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置的优选实施例中，所述高透光平板1设在海水水箱6中尺寸最大的一侧上。

为了进一步理解本发明，在一个实施例中，

基于太阳能的海水蒸发取水发电装置包括，

包括，

盐差发电单元，其包括外电路3、阳离子交换膜系统8、以及阳离子交换膜两侧的第一电极2和第二电极9，

淡水收集单元，其包括高透光平板1、集水流道5和淡水水箱11，

风扇4，

蓄电池10，

海水水箱6。

在一个实施例中，所述高透光平板1由高透光树脂制成，用于透过太阳光。

在一个实施例中，所述风扇4由所述盐差发电单元输出的电能驱动，以加速蒸汽流动，减少蒸汽在高透光平板1上的冷凝，增加蒸汽在集水流道5中的冷凝。

在一个实施例中，所述蓄电池10用于储存剩余的电能。

在一个实施例中，如图2所示，所述阳离子交换膜系统可布置在水面上，亦可布置在水面以下，由具体的海水盐浓度决定，其包括半导体薄膜主体13、镶嵌于薄膜上侧的纳米颗粒12、阳离子选择性通道14和用于持续输水的毛细输水导管7。

本发明基于阳离子交换膜的高选择性，纳米颗粒的光热效应，半导体薄膜的光电泊效应以及毛细输水导管的高输水速率等功能特性，实现了太阳能驱动的盐差能发电，淡水加速获取和电能的储存，提升了能源利用效益，可满足海面和近海区域生产生活的供电和供水需求，提升了太阳能整体利用效率。

如图3所示，一种所述的基于太阳能的海水蒸发取水发电装置的取水发电方法包括以下步骤，

第一步骤S1，第二侧的海水经过毛细输水导管的毛细力持续输送到第一侧，

第二步骤S2，太阳光经过高透光平板照射阳离子交换膜，其中，照射第一侧的纳米颗粒以发生局域表面等离子共振，纳米颗粒吸收光能并转化为热能，加热第一侧的海水并产生蒸汽，照射半导体薄膜主体以发生光电泊效应，

第三步骤S3，第一侧的第一温度、第一海水浓度和第一电势高于相对于第一侧的第二侧的第二温度、第二海水浓度和第二电势，在温度差、浓度差和电势差的共同作用下，阳离子经由所述阳离子选择性通道从第一侧定向迁移到第二侧以形成离子电流，外电路的电子从第一电极流向第二电极生成电流，

第四步骤S4，蒸汽在高透光平板处与外界空气换热，来自外电路的电能驱动风扇加快集水通道中蒸汽的流动和冷凝，所得冷凝水经过集水流道进入淡水水箱，实现冷凝取水，剩余电能储存于蓄电池。

在一个优选实施方式中，取水发电包括以下步骤，

第一步骤S1，海水经过毛细输水导管7的毛细力持续输送到阳离子交换膜系统8上方，

第二步骤S2，太阳光经过高透光平板照射阳离子交换膜8，其中，照射薄膜主体13上侧镶嵌的纳米颗粒12发生表面等离子共振而转化为热能，薄膜主体13上方海水被加热成蒸汽并进入淡水收集单元；照射半导体薄膜主体13发生光电泊效应，薄膜主体13吸收光能并转化为电势差，导致薄膜主体13上侧电势高于薄膜下侧电势，

第三步骤S3，蒸发导致薄膜主体13上方剩下的高浓度海水与薄膜主体13下方海水形成浓度差，在浓度差和薄膜主体13两侧电势差的共同作用下，阳离子经阳离子选择性通道14从高浓度海水加速定向迁移进入普通海水，形成离子电流，同时外电路3电子从第一电极2流向第二电极9，实现发电，

第四步骤S4，所得部分电能用于驱动风扇4以加快集水通道5中蒸汽的流动和冷凝，所得淡水由淡水水箱11储存，剩余电能储存于蓄电池10。

本发明利用太阳能实现海水淡化和盐差发电，提高了系统的紧凑性，提升了能源利用整体效率，在海水淡化和发电领域有广阔应用前景。

工业实用性

本发明所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置及取水发电方法可以在海水淡化及发电领域制造并使用。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (7)

1.一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置，其包括，

海水水箱，其储存海水，所述海水水箱顶部设有朝向太阳光的高透光平板；

淡水水箱，其储存冷凝后的淡水，所述淡水水箱经由集水流道密闭连通所述海水水箱，所述集水流道的高度高于所述海水表面以及淡水表面；

发电单元，其漂浮于所述海水表面，所述发电单元包括，

阳离子交换膜，其包括产生光电泊效应的半导体薄膜主体、设在所述半导体薄膜主体朝向高透光平板的第一侧的纳米颗粒和用于从第二侧输送海水到第一侧的毛细输水导管，所述半导体薄膜主体设有阳离子选择性通道，其中，所述半导体薄膜主体由氮化碳或其衍生物制成，厚度不超过300 mm，

外电路，其包括分别设在第一侧的第一电极和设在相对于第一侧的第二侧的第二电极，其中，太阳光经由所述高透光平板照射所述阳离子交换膜以及纳米颗粒，使得第一侧的第一温度、第一海水浓度和第一电势高于第二侧的第二温度、第二海水浓度和第二电势，蒸发的海水冷凝后经由所述集水流道进入所述淡水水箱，阳离子经由所述阳离子选择性通道从第一侧定向迁移到第二侧以形成离子电流，外电路的电子从第一电极流向第二电极生成电流，其中，所述纳米颗粒包括金、银或其衍生物，纳米颗粒的尺寸为10-100 nm，

风扇，其设在所述淡水水箱中靠近集水流道的位置，所述风扇电连接所述外电路，

蓄电池，其电连接所述风扇和外电路，所述阳离子选择性通道为锥形孔或梯形孔通道，通道的最窄处直径为15-30 nm，通道最宽处直径为70-100 nm，所述高透光平板设在海水水箱中尺寸最大的一侧上。

2.如权利要求1所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置，其中，当第一温度和第二温度的温度差、第一海水浓度和第二海水浓度的浓度差、和/或第一电势和第二电势的电势差处于预定范围时，阳离子选择性通道变窄到预定阈值范围内使得通道内仅通过阳离子。

3.如权利要求1所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置，其中，所述阳离子选择性通道包括带负电荷的表层。

4.如权利要求1所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置，其中，所述毛细输水导管固定于阳离子交换膜中，由中空且亲水的碳纤维复合材料制成，单根导管孔径不超过0.1mm。

5.如权利要求1所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置，其中，用于透过太阳光并冷却水蒸气的所述高透光平板由高透光树脂制成，其朝向淡水水箱一侧向下倾斜。

6.如权利要求2所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置，其中，预定阈值范围为2-15 nm，所述外电路包括开关、电流测量单元、电压测量单元或用于功率调节的调节单元。

7.一种权利要求1-6中任一项所述的一种基于太阳能的海水蒸发取水发电装置的取水发电方法，其包括以下步骤，

第一步骤，第二侧的海水经过毛细输水导管的毛细力持续输送到第一侧，

第二步骤，太阳光经过高透光平板照射阳离子交换膜，其中，照射第一侧的纳米颗粒以发生局域表面等离子共振，纳米颗粒吸收光能并转化为热能，加热第一侧的海水并产生蒸汽，照射半导体薄膜主体以发生光电泊效应，

第三步骤，第一侧的第一温度、第一海水浓度和第一电势高于相对于第一侧的第二侧的第二温度、第二海水浓度和第二电势，在温度差、浓度差和电势差的共同作用下，阳离子经由所述阳离子选择性通道从第一侧定向迁移到第二侧以形成离子电流，外电路的电子从第一电极流向第二电极生成电流，

第四步骤，蒸汽在高透光平板处与外界空气换热，来自外电路的电能驱动风扇加快集水通道中蒸汽的流动和冷凝，所得冷凝水经过集水流道进入淡水水箱，实现冷凝取水，剩余电能储存于蓄电池。

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