CN111661889A - 一种太阳能淡化水装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能淡化水装置，该装置中包括第一供水装置、蒸发管道、太阳能聚光装置和蒸馏水存储装置。蒸发管道内包括倾斜顶板、待处理水输送槽和蒸馏水收集槽，蒸馏水收集槽设置在倾斜顶板的低端下方，用于收集由倾斜顶板流下来的蒸馏水，并将其送至蒸馏水存储装置内；待处理水输送槽位于蒸馏水收集槽外，一端的入水口与第一供水装置连接，另一端的排放口用于排放待处理水；太阳能聚光装置包括聚光镜和自动跟光系统。可见，该太阳能淡化水装置通过聚光方式收集太阳能，利用太阳能作为热源，通过蒸馏原理生产淡水，从而能够实现太阳能和水资源的高效利用，并且工作过程完全无化石能耗。

Description

一种太阳能淡化水装置
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，特别涉及一种太阳能淡化水装置。
背景技术
水资源和能源是人类社会经济发展必不可少的关键资源，其中，水资源更是基础性自然资源和战略性经济资源。有史以来，还没有像今天这样在全世界范围内对这两样大自然的馈赠给予广泛的关注和特别的忧虑。人们很快就会意识到淡水危机远比石油危机对人类活动的影响深远。随着全球人口的激增和经济社会的高速发展，人类对安全充裕的淡水需求日益增加，再加上淡水资源的分布不均、自然气候的异常变化、人类节水意识的淡薄以及工业对淡水资源的污染，全球性的淡水匮乏危机已慢慢步入人类社会。有学者提出，二十一世纪的淡水如同二十世纪的石油一样，是决定一个国家富裕程度的指标，有道是，现在争油，将来争水。地球表面积约为5.1亿平方公里，分布于其表面的海水资源储量非常丰富，海水面积占据地球表面积的70.8％，海洋的平均深度为3800米，所以地球上的总水量约有近13.7亿立方千米，若从人均占有水量来看，水资源是十分丰富的，人类似乎不存在缺水之虞。然而，由于含盐分或其他矿物质不能直接饮用或灌溉的水体占据了总水量的97.2％，而剩下的2.8％的淡水还分布极其不平衡，其中的3/4储量被冻结在地球的两极和高寒地区的冰川中，剩余淡水中储藏在地下的远比地表的多存在于河流、湖泊中可供人类直接利用的淡水已不足0.36％。
我国水资源储量非常丰富，多年平均淡水资源总量为2.8×1012m3，但人均淡水资源占有量仅为2200m3/人〃年，约为世界淡水人均占有量28％，位列世界人均水资源排序中第121位联合国将我国列为13个水资源严重缺乏的地区和国家之一。我国海岸线绵长，一些岛屿和沿海盐碱地区及西部内陆苦咸水地区(西藏、青海和内蒙古西部地区)均属于缺乏淡水的地区。在这些地区生活的居民由于长期饮用不符合饮用标准的水，出现了地方病聚集高发现象，直接影响到人民的生活质量和地区经济发展。此外，从人口和水资源分布统计数据可以看出，我国水资源存在严重的不均衡性，水资源分布不均由南向北明显加剧，北方淡水资源少而耕地多，南方淡水资源充裕而耕地少。南方地区的耕地面积占全国耕地面积的40.8％，人口占全国的55.7％，而淡水资源却占了85.3％。有专家指出，随着全球气候变暖、人类活动加剧，南方地区的降水将进一步增多，北方地区干旱程度进一步加剧，使得目前水资源分布不均匀现状日益严重。目前，我国城市缺水总量达60亿m3，尤其是人口占全国的40％以上，经济总产值占全国60％的沿海地区城市，缺水数量占到全国缺水总量的1/3以上，这已经严重制约了这些地区的经济和社会发展进程。水利部门研究指出，2030年全国用水总量将达到我国淡水储量的36％。以我国首都北京为例，北京日用水300万m3，其中20亿m3来自地下水，人均水资源占有量占全国的12.5％，远低于国际公认的1000m3的下限，由于连续超采地下水，北京已经形成了2650km2的沉降区，这严重制约了城市和经济的发展。
解决地区缺水问题，主要方法包括雨水收集再利用、远程调水、废水回收和节水措施等，但运用现代工业技术获取大规模淡水的话，首选海水淡化。海水淡化技术也称海水脱盐技术，是通过物理方法、化学方法或物理化学方法分离海水中盐分和水的工艺。
对海水或苦咸水进行淡化的方法很多，常规的方法主要有以下几类：蒸馏法、反渗透法、渗析法、多效蒸馏法和多级闪蒸法等，但这些方法都需要消耗化石能源来驱动系统生成淡水。海水淡化量的激增必然会导致化石能源消耗量的增加，从而导致环境污染，气候变暖等不良后果。尤其是对于一些海岛、边远地区，建立大型高耗能海水或苦咸水淡化系统是不现实的，也是无法实现的。而这些地区又往往拥有丰富、清洁的太阳能资源，因此利用太阳能这种可再生能源对海水或苦咸水淡化将是解决淡水水源危机的最具有前景的技术。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种太阳能淡化水装置，通过聚光方式收集太阳能，利用太阳能作为热源，通过蒸馏原理生产淡水，从而能够实现太阳能和水资源的高效利用，并且工作过程完全无化石能耗。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种太阳能淡化水装置，包括第一供水装置、蒸发管道、太阳能聚光装置和蒸馏水存储装置，其中：
所述蒸发管道内包括倾斜顶板、待处理水输送槽和蒸馏水收集槽，所述蒸馏水收集槽设置在所述倾斜顶板的低端下方，用于收集由所述倾斜顶板流下来的蒸馏水，并将其送至所述蒸馏水存储装置内；所述待处理水输送槽位于所述蒸馏水收集槽外，两端分别为入水口和排放口，所述入水口与所述第一供水装置连接，所述排放口用于排放待处理水；
所述太阳能聚光装置包括聚光镜和自动跟光系统，所述聚光镜用于聚集太阳光并使其照向所述蒸发管道，所述自动跟光系统用于根据太阳方位调整所述聚光镜的朝向。
可选地，在上述太阳能淡化水装置中，所述蒸发管道的截面包括首尾依次相接的第一侧板、底板、第二侧板和倾斜顶板，所述倾斜顶板的第一侧边与所述第一侧板相接，所述倾斜顶板的第二侧边与所述第二侧板相接，所述第一侧边所在的高度大于所述第二侧边所在的高度；
所述蒸馏水收集槽设置在所述第二侧板上；所述第二侧板位于所述蒸馏水收集槽下方的内侧壁面、所述底板、所述第一侧板依次连接围绕构成所述待处理水输送槽，所述蒸馏水收集槽的水平槽口宽度小于所述待处理水输送槽的宽度。
可选地，在上述太阳能淡化水装置中，还包括用于套管式换热器，所述套管式换热器的一端与所述蒸馏水收集槽的出水端连通，另一端与所述蒸馏水存储装置连通，用于对由所述蒸馏水收集槽输出的蒸馏水进行降温冷凝。
可选地，在上述太阳能淡化水装置中，所述套管式换热器位于所述第一供水装置内，能够与所述第一供水装置内的待处理水进行热交换。
可选地，在上述太阳能淡化水装置中，所述第一供水装置位于所述蒸馏水存储装置的上方。
可选地，在上述太阳能淡化水装置中，所述太阳能聚光装置中还包括安装固定件和支座，其中：
所述安装固定件为弧形件或环形件，所述支座上设置有与所述安装固定件适配的弧形支撑结构或圆形安装孔，所述支座与所述安装固定件之间通过滚动轴承或滚珠结构滚动连接；
所述聚光镜固定安装在所述安装固定件上，所述聚光镜为一体式弧形筒壁结构或由多个聚光单元拼接构成的弧形筒壁结构；
所述自动跟光系统包括光敏传感器、控制器、电机、传动系统、蓄电池和太阳能电池板，其中，所述蓄电池用于存储所述太阳能电池板产生的电能，并与所述电机和所述控制器电连接，所述安装固定件与所述电机之间通过所述传动系统传动连接，所述控制器根据所述光敏传感器检测到的太阳方位控制所述电机驱动所述安装固定件转动到目标位置，在所述目标位置，所述聚光镜能够令太阳光聚集后照向所述蒸发管道。
可选地，在上述太阳能淡化水装置中，所述蒸发管道包括依次连接的第一加热管段、第一连接管段、第二加热管段和第二连接管段，其中：
所述第一加热管段远离所述第一连接管段的端部管口中设置有所述待处理水输送槽的进水端，并与所述第一供水装置连通；
所述第二连接管段上设置有清淤口，或者，所述第二加热管段远离所述第一连接管段的端部设置有清淤口。
可选地，在上述太阳能淡化水装置中，所述待处理水输送槽的进水端和所述第一供水装置的连接处设置有水位控制器和/或过滤器，其中：
所述水位控制器用于控制所述待处理水输送槽内的水位始终低于所述蒸馏水收集槽的上侧槽沿；
所述过滤器用于对由所述第一供水装置内流出的待处理水进行过滤。
可选地，在上述太阳能淡化水装置中，所述蒸发管道上，与所述待处理水输送槽对应的外侧壁面设置有吸热涂层；
和/或，所述第一供水装置的外侧设置有吸热涂层；
和/或，所述待处理水输送槽的内侧壁面设置有疏水材料层。
可选地，在上述太阳能淡化水装置中，还包括制盐系统，所述待处理水为海水，所述制盐系统与所述蒸发管道上的所述排放口连接，用于将由所述待处理水输送槽流出的浓缩海水进行制盐。
可选地，在上述太阳能淡化水装置中，还包括能够处理污水或雨水的水处理系统，所述待处理水为污水或雨水，所述水处理系统与所述蒸发管道上的所述排放口连接，用于将由所述待处理水输送槽流出的浓缩污水或浓缩雨水进行处理后排放。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的太阳能淡化水装置，通过聚光方式收集太阳能，利用太阳能作为热源，通过蒸馏原理生产淡水，从而能够实现太阳能和水资源的高效利用，并且工作过程完全无化石能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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。
图1为本发明第一具体实施例提供的太阳能淡化水装置的系统布置图；
图2为本发明第一具体实施例提供的蒸发管道和太阳能聚光装置的装配结构示意图；
图3为本发明第一具体实施例提供的蒸发管道的工作原理示意图；
图4为本发明第一具体实施例提供的蒸发管道的主视图；
图5为本发明第一具体实施例提供的蒸发管道的轴测图；
图6为本发明第二具体实施例提供的太阳能聚光装置结构示意图；
图7为本发明第三具体实施例提供的蒸发管道的工作原理示意图；
图8为本发明第四具体实施例提供的太阳能淡化水装置的模拟工艺流程图；
图9为本发明第四具体实施例提供的蒸发器模拟结果图。
其中：
1-第一供水装置，2-套管式换热器，3-蒸馏水存储装置，4-水位控制装置，
5-太阳能聚光装置，6-蒸发管道，7-第二供水装置，8-开关阀，
9-太阳能电池板，10-清淤口，
51-聚光镜，52-，53-，54-，
61-第一侧板，62-底板，63-第二侧板，64-倾斜顶板，65-蒸馏水收集槽，
641-第一侧边，642-第二侧边，
601-第一加热管段，602-第一连接管段，
603-第二加热管段，604-第二连接管段。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
第一具体实施例
本发明第一具体实施例提供了一种太阳能淡化水装置。
请参阅图1至图5，图1为本发明第一具体实施例提供的太阳能淡化水装置的系统布置图；图2为本发明第一具体实施例提供的蒸发管道和太阳能聚光装置的装配结构示意图；图3为本发明第一具体实施例提供的蒸发管道的工作原理示意图；图4为本发明第一具体实施例提供的蒸发管道的主视图；图5为本发明第一具体实施例提供的蒸发管道的轴测图。
本发明第一具体实施例提供的太阳能淡化水装置，包括第一供水装置1、蒸发管道6、太阳能聚光装置5和蒸馏水存储装置3，其中：
蒸发管道6的作用之一为输送待处理水(即海水、雨水或污水等待处理的水源)，蒸发管道6内包括倾斜顶板64、待处理水输送槽和蒸馏水收集槽 65，蒸馏水收集槽65设置在倾斜顶板64的低端下方，用于收集由倾斜顶板 64流下来的蒸馏水，并将其送至蒸馏水存储装置3内；待处理水输送槽位于蒸馏水收集槽65外，用于将待处理水由第一供水装置1输送至排放口，待处理水输送槽的两端分别为蒸发管道6的入水口和排放口，入水口与第一供水装置1连接，排放口用于排放待处理水；
太阳能聚光装置5包括聚光镜51和自动跟光系统，聚光镜51用于聚集太阳光并使其照向蒸发管道6，具有较高的太阳能集热效率；自动跟光系统用于根据太阳方位调整聚光镜51的朝向，达到跟光目的，实现太阳能的高效利用。
工作过程中，第一供水装置1向蒸发管道6内输入待处理水，太阳能聚光装置5聚集太阳光并使其照向蒸发管道6，从而对蒸发管道6内的待处理水进行加热，以产生水蒸气，水蒸气首先在蒸发管道6顶部的倾斜顶板64上产生冷凝，得到蒸馏水并流入蒸发管道6内的蒸馏水收集槽65内，而且，水蒸气也可在流出蒸发管道6后发生冷凝，并与蒸馏水收集槽65内的蒸馏水一起流入蒸馏水存储装置3内进行收集，得到淡水资源。
可见，本发明第一具体实施例提供的太阳能淡化水装置，通过聚光方式收集太阳能，利用太阳能作为热源，通过蒸馏原理生产淡水，从而能够实现太阳能和水资源的高效利用。此外，该装置不仅可以在白天连续运行，中间不需要人工操作，而且完全无化石能耗。
具体地，请参见图4、图6和图7，蒸发管道6的截面包括首尾依次相接的第一侧板61、底板62、第二侧板63和倾斜顶板64。其中：倾斜顶板64的第一侧边641与第一侧板61相接，倾斜顶板64的第二侧边642与第二侧板 63相接，第一侧边641所在的高度大于第二侧边642所在的高度；蒸馏水收集槽65设置在第二侧板63上；第二侧板63位于蒸馏水收集槽65下方的内侧壁面、底板62、第一侧板61依次连接围绕构成待处理水输送槽，蒸馏水收集槽65的水平槽口宽度小于待处理水输送槽的宽度。可见，蒸发管道6设计为结构巧妙的偏凸形，能够充分利用太阳能，使水分充分蒸发并冷凝，待处理水与蒸馏水彼此分离互不影响。
进一步地，在上述太阳能淡化水装置中，还包括用于套管式换热器2，套管式换热器2的一端与蒸馏水收集槽65的出水端连通，另一端与蒸馏水存储装置3连通，用于对由蒸馏水收集槽65输出的蒸馏水进行降温冷凝。
优选地，套管式换热器2为盘绕在第一供水装置1内的蛇形冷凝管或螺旋形冷凝管，能够与第一供水装置1内的待处理水进行热交换。待处理水的温度一般较低，所以水蒸气能够在套管式换热器2内发生凝结，同时，水蒸气凝结产生的热量能够加热第一供水装置1内中的待处理水。可见，蒸馏水和待处理水之间通过套管式换热器2进行热量交换，套管式换热器2对第一供水装置1内的待处理水能够起到预热作用，不仅有利于保证系统的高效运行，而且实现了能源的高效利用。
进一步地，如图1中所示，该太阳能淡化水装置中还包括第二供水装置7，第二供水装置7、第一供水装置1和蒸馏水存储装置3均为水箱。其中：第二供水装置7位于第一供水装置1的上方，二者之间通过连接管连接，连接管上设置有开关阀8；第一供水装置1位于蒸馏水存储装置3的上方，以便于套管式换热器2内的蒸馏水与第一供水装置1中的待处理水发生热交换后冷凝流出。而且，该结构布置紧凑美观，能够充分利用空间。
具体地，在上述太阳能聚光装置5中，还包括安装固定件52和支座53。安装固定件52用于安装聚光镜51，支座53上设置有与安装固定件52彼此随形适配的支撑结构。其中：
安装固定件52为环形盘，聚光镜51固定安装在安装固定件52的弧形侧边上；
支座53上设置有与安装固定件52适配的圆形安装孔，支座53与安装固定件52之间通过滚动轴承54或滚珠结构滚动连接；
聚光镜51为一体式弧形筒壁结构(即曲面镜)或由多个聚光单元拼接构成的弧形筒壁结构，该弧形筒壁结构与安装固定件52随形适配，优选地，聚光镜采用可弯折塑性镜，可方便调整角度；
自动跟光系统包括光敏传感器、控制器、电机、传动系统、蓄电池和太阳能电池板9，其中，蓄电池用于存储太阳能电池板9产生的电能，并与电机和控制器电连接，安装固定件52与电机之间通过传动系统传动连接，控制器根据光敏传感器检测到的太阳方位控制电机驱动安装固定件52转动到目标位置，在目标位置，聚光镜51能够令太阳光聚集后照向蒸发管道6。
可见，该太阳能淡化水装置中，设置光敏传感器和电机来实现跟光，并由太阳能电池板9满足耗电零部件的供电需求，其集热效率高，且不需要其它能耗。
具体地，如图2所示，该太阳能淡化水装置中的蒸发管道6设置为类似矩形框结构，两个加热管段上分别设置有一个太阳能聚光装置5，每个太阳能聚光装置5中包括两个套设在蒸发管道6的加热管段上的圆环形安装固定件 52，两个安装固定件52分别由一个支座53支撑且与其滚动连接，聚光镜51 的两端分别与一个安装固定件52固连。当光敏传感器检测到太阳偏移时，控制器控制电机驱动其中一个圆环形安装固定件52在支座53上转动一定角度，以使聚光镜51能够令太阳光聚集后照向蒸发管道6。
具体地，每个安装固定件52的中心通孔内分别设置有环形安装盘，环形安装盘套设在蒸发管道6的外侧。其中，一个安装固定件52的环形安装盘上设置有齿轮，电机通过同步带或其它传动机构驱动齿轮转动时，齿轮带着安装固定件52及与其连接的聚光镜51转动到目标位置。
具体地，采用低功耗STC12C5A60S2单片机作为控制器，太阳能发电系统可为单片机和跟光装置供电实现自给自足，免维护。
具体地，蒸发管道6包括依次连接的第一加热管段601、第一连接管段602、第二加热管段603和第二连接管段604。其中：第一加热管段601远离第一连接管段602的端部管口中设置有待处理水输送槽的进水端，并与第一供水装置1连通；第二连接管段604上设置有清淤口10，或者，第二加热管段603远离第一连接管段602的端部设置有清淤口10；第一加热管段601和第二加热管段603平行布置，以节省设备空间。
具体地，在上述太阳能淡化水装置中，待处理水输送槽的进水端和第一供水装置1的连接处设置有水位控制器和/或过滤器。其中，水位控制器用于控制待处理水输送槽内的水位始终低于蒸馏水收集槽65的上侧槽沿，以避免待处理水输送槽内的待处理水进入蒸馏水收集槽65内污染蒸馏水；过滤器用于对由第一供水装置1内流出的待处理水进行过滤。
优选地，水位控制器和过滤器均设置在水位控制装置4中。水位控制器利用浮动球阀控制水位，使待处理水输送槽内的水位和蒸馏水收集槽65内的水位分别达到规定高度，以便于待处理水的蒸发，并且避免待处理水的水位超过蒸馏水收集槽65的高度，该水位控制完全无能耗。此外，水位控制器中，设置有网状过滤器，以对待处理水进行预处理。
具体地，蒸发管道6上，与待处理水输送槽对应的外侧壁面设置有吸热涂层。例如，蒸发管道6的底板外侧壁面，或蒸发管道6的底板外侧壁面以及与其连接的部分侧壁，采用黑镍太阳能选择性吸收涂层，吸光效果显著。
而且，蒸发管道6内，待处理水输送槽的内侧壁面设置有疏水材料层。例如，蒸发管道6的内底面采用纳米疏水材料，从而实现自清洁、免清洗，免得污垢沉积在蒸发管道6而降低吸热效果。此外，套管式换热器2的冷凝管内也设置有纳米疏水材料，以免污垢沉积在冷凝管道内而降低冷凝效果。
此外，第一供水装置1的外侧设置有吸热涂层(例如黑色镍材料层)，以充分吸热。
具体地，蒸发管道6内的底面疏水材料层(即疏水涂覆材料)的作用原理如下：
以海水作为待处理水为例，当蒸发管道6内的海水被加热后不断蒸发形成浓盐水，随着海水的不断浓缩，海水中的离子浓度不断升高，当浓缩海水中的钙离子、碳酸根离子、碳酸氢根、硫酸根等、成垢离子达到析出浓度时，会在蒸发管道6的内表面形成CaCO3和CaSO4等沉淀。蒸发管道6内的底面疏水材料层主要采用的是聚四氟乙烯与环氧树脂混合材料，这样既能保证其强度耐磨也能达到防垢的作用。PTFE(聚四氟乙烯)是四氟乙烯的聚合物，英文缩写为PTFE,被美誉为“塑料之王”。和PTFE相似的PFA的全称是“四氟乙烯-全氟烷氧基醚共聚物”就是特氟隆涂层的一种。环氧树脂A胶选用湖南嘉盛德材料科技有限公司的自阻燃环氧树脂，B胶选用均苯四甲酸酐。原因是均苯四甲酸酐为固体，能耐受200℃以上上的高温，而一般的液体环氧树脂 B胶只能承受150℃的温度。溶剂的选择要考虑均苯四甲酸酣在溶剂中的溶解度相对较大，同时溶剂的挥发性不能太强，以便A、B胶混合与PTFE涂料乳液混匀后涂布完高温固化时，溶剂缓慢挥发，从而保证涂层的均匀性。因此， B胶不再选用爾作为溶剂，在剩余的溶剂中，通过溶解度实验确定Y－下内酷为最佳的B胶溶剂。
具体地，蒸发管道6的外侧底面设置的吸热涂层，采用的是较为原始简单的铁锰铜氧化物涂覆材料，为提高效率，在后期改进过程中可以使用电化学型吸收涂层或者更为先进的真空镀膜涂层。其中：
选择性吸收涂料主要是铁锰铜氧化物，使用时将其和黏合剂混合在一起喷涂到吸热板表面。该涂层的主要特点是工艺简单、成本低廉，缺点是使用过程中容易老化从而引起性能下降。
黑铬涂层主要用于铜吸热板表面。黑铬涂层不但具有优良的光学性能，而且也具有非常优异的耐热耐湿耐候性能，该涂层的太阳吸收率可高达95％以上，而红外发射率控制在10％以下。
为了进一步优化上述方案，在上述太阳能淡化水装置中，还包括制盐系统。当待处理水为海水时，制盐系统与蒸发管道6上的排放口连接，用于将由待处理水输送槽流出的浓缩海水进行制盐，提高装置的经济性。
或者，为了进一步优化上述方案，在上述太阳能淡化水装置中，还包括能够处理污水或雨水的水处理系统，当待处理水为污水或雨水时，水处理系统与蒸发管道6上的排放口连接，用于将由待处理水输送槽流出的浓缩污水或浓缩雨水进行处理后排放。
以海水为例，本发明第一具体实施例提供的太阳能淡化水装置的工作过程如下:
第二供水装置7内的海水依靠重力流入第一供水装置1内，海水在第一供水装置1内进行预热，预热后的海水进入蒸发管道6内，此时，通过水位控制器来严格控制蒸发管道6内的水位；
蒸发管道6内的海水吸收太阳能聚光装置5提供的热量，通过液态沸腾产生蒸汽，蒸汽进入套管式换热器2内实现冷凝，另一部分蒸气通过蒸发管道6的内部结构实现冷凝并流入套管式换热器2；
套管式换热器2内得到的冷凝蒸馏水依靠重力流入蒸馏水存储装置3内。
早晨日出前，定量海水进入到第二供水装置7内，打开阀门8，使海水流入第一供水装置1内，继而流入蒸发管道6内，利用太阳能发电系统(包括上文中所述的太阳能电池板9)为跟光系统(包括上文中所述的光敏传感器、控制器、电机、蓄电池)供电，驱动电机转动，控制聚光镜51的转向，达到跟光目的，实现太阳能的高效利用，并且利用太阳能发电系统供电，能够实现完全自供给、免维护。对于水位控制我们利用水位控制器中的浮动球阀控制水位，使蒸发管道内的水位达到规定的高度，实现水位控制完全无能耗。
早上，聚光镜51朝向东方，随着太阳高度角的变化而变化，当晚上聚光镜完全没有阳光照射时，回归初始状态。同时可关闭电源及各处阀门，将蒸发管道6取下，排出其中的高浓度盐水，此盐水可用于制盐，然后将各处管路断开，将供水装置和套管式换热器内的水放出，将淡水箱内的淡水取出。最后连接好各处管路。
此外，需要说明的是，自动跟光系统利用太阳能发电系统提供跟光系统电机转动的电能，控制聚光镜的转向，达到跟光目的，实现太阳能的高效利用。利用光敏传感器的原理，通过检测太阳光是否垂直射入聚光镜，若不垂直则光敏传感器感应得到信号指示，令电机转动，从而带动聚光镜转动，实现跟光。聚光镜随着太阳高度角的变化而变化，当晚上聚光镜完全没有阳光照射时，回归初始状态。达到充分利用太阳能的目的。我们采用低功耗STC12C5A60S2单片机作为控制器，其正常的工作模式下的典型功耗为7mA，而掉电模式下的典型功耗小于0.1μA。在系统的功耗模型中单片机大多数时间处于掉电状态，只有在少量的时间处于工作状态。白天控制器每五分钟从掉电模式唤醒一次进行跟光检测并控制电机随太阳高度而转动，晚上每小时唤醒一次检测是否出现太阳。在工作模式下持续时间小于1s，因为掉电模式下功耗很小所以其耗电量可以忽略不计，认为它的能量主要消耗在工作模式下，则理论上一枚1.5V容量为1500mAh的干电池可以维持单片机工作两年以上。假设电机电能转化为机械能的转化效率为50％，而电机耗能每天约为聚光镜转动两圈的耗能。我们采用太阳能电池供电，电池的充满电的情况下可以在没有阳光的条件下系统依然可以持续工作30天以上。
海水淡化能力计算
海水淡化装置中的产水量理论计算：
海水得到的能量：
Qs＝cpmsT2-cpmsT1 (1)
其中T1为海水初始温度T2为加热后的海水温度，ms为初始海水的质量，， Cp为海水比热容。
根据平衡方程：
Qu＝Qair+Qs (2)
其中Qair为水蒸气的能量。
(3)所得到淡水me:
Figure RE-GDA0002607400740000131
其中hfg是气化潜热，一般取2400kJ/kg。
(4)太阳辐照能量计算：
Qu＝IAρ (4)
其中I为光照强度，A接受太阳光的面积，ρ为太阳光反射率。
(5)GOR计算：
性能系数(GOR)是表征海水淡化能力的指标，系数越高说明海水淡化的能量利用率越高。其计算方式用下式表示：
Figure RE-GDA0002607400740000132
式中，me表示测试时间内的产水量，hfg表示测定温度下水的汽化潜热，I是槽式聚光器进光口处的太阳能辐照度，A是进光口面积。
计算结果：取一天中太阳辐照度平均强度为1535w/m2(与太阳光垂直的平面上的辐照度)。计算得，太阳能海水淡化系统一小时得到的能量为 381.294kJ，假设海水的浓度为30％，海水初始温度为13.70℃，比热容为 4.20kJ/(kg.0c)，海水的容量为3.15kg，饱和蒸气压为35.6KPa，其蒸发温度为 62℃左右。太阳能弧形聚光器,反射率为92％表面涂层为特殊陶瓷镜面,紧密固定CPC反射板面积为0.6平方米。
经计算理论每小时所得淡水质量约为212.30g，海水淡化能力GOR为 27.60％。
一年按365天，一天6小时(迪拜)，计算年产蒸馏水量：464.94kg。
我们将每年所产淡水所需的太阳能量换算成煤炭燃烧所释放的热值，每年节约152.49kg煤，103.69kg碳粉尘，380.12kg CO2，11.44kg NOX，5.72kg SO2！
综上可见，本发明第一具体实施例提供的太阳能淡化水装置具有如下优点：
1.充分利用太阳能：本装置利用太阳能作为热源，可以在白天连续运行，中间不需要人工操作；
2.效率高：太阳能聚光装置设置光敏传感器跟光装置并由太阳能发电系统供电，减少能耗，集热效率高。蒸汽和污水间通过套管式换热器进行热量交换，实现能量回收，从而保证了系统的高效运行；
3.适用范围广：该太阳能淡化水装置可用于海水淡化，也可用于污水净化和雨水净化，亦可用于大中型船只的海水淡化，也就是说本文中所说的待处理水可以是海水、污水或雨水；
4.装置简单可靠、免清洗：该太阳能淡化水装置简单、操作方便，可满足小户家庭基本的用水需求，蒸发管道6和套管式换热器2的冷凝管内底面采用纳米疏水材料，从而实现自清洁、免清洗，免得污垢沉积在冷凝管道底部而降低吸热效果和冷凝效果；
5.预热水箱外层黑色镍材料充分吸热，蒸发管路设计为偏凸形，能够充分利用太阳能，较好地分离净水和污水，结构巧妙；
6.浮力式水位控制器控制水位，防止溢出到冷凝槽，利用浮力控制，实现水位控制完全无能耗；
7.采用的是低功耗STC12C5A60S2单片机作为控制器，太阳能发电系统可为单片机和跟光装置供电实现自给自足，免维护。
本发明第一具体实施例提供的太阳能淡化水装置,采用太阳能发电系统供能自动跟光聚光式太阳能淡化污水，不消耗外来电能，可以推广在小户型家庭运用，解决基本的生活用水问题。也可以应用在各大高校，小区用来净化雨水以充分利用水资源。还可以固定在大中型船只上，用来淡化海水，为船只上的人员提供生活用水。
第二具体实施例
本发明第二具体实施例提供了一种太阳能淡化水装置。
本发明第二具体实施例提供的太阳能淡化水装置与本发明第一具体实施例提供的太阳能淡化水装置的区别仅在于：安装固定件52弧形安装梁，支座 53包括与安装固定件52滚动连接的弧形支撑梁，以及位于该弧形支撑梁下方的支撑腿。具体可参阅图6，图6为本发明第二具体实施例提供的太阳能聚光装置结构示意图。
第三具体实施例
本发明第三具体实施例提供了一种太阳能淡化水装置。
本发明第三具体实施例提供的太阳能淡化水装置与本发明第一具体实施例提供的太阳能淡化水装置的区别仅在于：通过一个竖直隔板将蒸发管道6 分割为两个输水槽，其中靠近第二侧板63的输水槽为蒸馏水收集槽65，靠近第一侧板61的输水槽为待处理水输送槽。具体可参阅图7，图7为本发明第三具体实施例提供的蒸发管道的工作原理示意图。
需要说明的是，对于蒸发管道6内的待处理水输送槽和蒸馏水收集槽65 的具体结构设计,，可以有多种可选方案，在其它具体实施例中，还可以将蒸发管道6的截面结构设置成其它形式，本发明对此不做具体限定，只要待处理水输送槽能够实现输水功能、蒸馏水收集槽65能够实现收集蒸馏水的功能即可。但是，如图4、图6和图7所示的蒸发管道结构为最优方案，因其能够令待处理水和蒸发管道6的管壁接触面积最大，便于待处理水受热蒸发。
第四具体实施例
利用Aspen Plus软件对本发明第一具体实施例提供的太阳能淡化水装置的工作流程进行模拟。模拟过程为在理想状态，海水被一定光强所照射，得到海水的蒸发量以及蒸汽冷凝所得到的淡水量。模拟工艺流程如图8所示，图8为本发明第四具体实施例提供的太阳能淡化水装置的模拟工艺流程图。
压力、温度从左至右依次降低。海水首先进入冷凝器的冷却管道中预热、脱气，而后被分成两股，一股作为冷却水排回大海，另一股作为蒸馏过程的进料。进料海水被引入到蒸发器中，经喷嘴被均匀分布到顶排管上，以薄膜形式沿顶排管向下流动，经过气液分离器后，蒸汽在冷凝器中被海水冷凝。
模型假设
假设：①各效产生的蒸汽均是纯水(盐度为零)；②系统在相对温度较低(40～100℃)的状态下运行，且各装置绝热性能良好，故忽略系统与环境之间的热损失。
所用到的数学模型：包括一系列的物料平衡、能量平衡、传热方程、热力学关系式及海水物性参数计算公式等。
符号说明：F、B、D、dd、db分别表示进料溶液量、浓水量、蒸发量、淡水闪蒸量及浓水闪蒸量；Tf、Tv、Tc、T分别代表进料温度、蒸汽温度、蒸汽冷凝温度及浓水温度。
物料平衡方程
F＝B+D (6)
盐平衡方程
FiXF,i＝BiXBi (7)
XF,i表示进料溶液中氯化钠的摩尔分数，XBi表示浓水中氯化钠的摩尔分数。
能量平衡方程
(Di-1+db,i-1+dd,i-1)Δhi-1＝FiCp(Ti-Tf,i)+DiΔhi (8)
其中Δh表示水汽化热
蒸发器传热方程：
FiCp(Ti-Tf,i)＝KSΔtm (9)
其中K表示传热系数，S表示传热面积，Cp表示比热容，Δtm表示对数平均温差。
Figure RE-GDA0002607400740000171
冷凝器模型
(Dn+dd,n+db,n)Δhn＝(Mcw+F)Cp,n(Tf-Tcw)＝KcSc(Δtm)c (11)
F、Mcw分别表示系统总进料海水量和排放冷却海水量；下标c分别表示系统的冷凝器，Tf表示冷凝器的进口温度，Tcw表示冷凝器的出口温度。
传热系数计算
蒸发器总传热系数与蒸汽的流速、温度、物性，传热管的材料、尺寸、排布以及热负荷有关，在模拟过程中难以实现，本研究中的传热系数采用拟合公式求取。
Ke＝1.9394+1.40562×10-3T-2.0752×10-4T2+2.3186×10-6T3 (12)
T——盐水蒸发温度，℃
Ke——蒸发器换热系数，kW/m2℃
造水比是指系统生产的淡水质量流量qmw与系统所用的驱动蒸汽质量流量 Qmm之比，它反应了一个海水淡化装置造水的能力。
造水比的计算公式
Figure RE-GDA0002607400740000172
qmw为生产的淡水质量流量，kg〃s-1；qmm为所用的驱动蒸汽质量流量，kg〃s-1最后在理论模拟结果为：在光强为123的情况下3kg/h的海水流量可以制得淡水1.07kg左右。
海水是一种含有多种离子的非常复杂的多组分水溶液。为简化模拟，本研究将海水盐度以等量的氯化钠(NaCl)表示。由于氯化钠在海水中表现为电解质，所以使用Electrolyte Wizard(电解智能工具)定义各种组分，并选择 ELECNRTL作为物性方法来模拟海水系统。
应用Aspen Plus软件中的Heater，Flash2，Valve，Mixer和FSplit等模块间的不同组合，模拟海水淡化系统中的各个操作单元。
蒸发器的模拟结果如图9所示。
其中，蒸发器采用了列管式换热器，在模拟中采用了简洁计算，得到了热物流和冷物流的出口温度、压力、气相分率等参数。在蒸发器中，热物流采用低压蒸汽，模拟结果显示，热物流的进出口温度保持不变，冷物流在被加热的过程中，有28％的液体变成气体，通过蒸发器得到的气体进入冷凝工段进行冷凝。
模拟结果与工业实际对比
表一：模拟结果与工业实际对比一览表
Figure RE-GDA0002607400740000181
海水进料温度是20℃，进料压力是1bar，进料海水的流量是3.15kg/h，含盐量为3％(质量分数)。模拟结果显示出料淡水的质量流为1kg/hr。
表二：模拟结果一览表
Figure RE-GDA0002607400740000191
Figure RE-GDA0002607400740000201
该表是模拟过程的物料衡算和能量衡算，通过物料衡算可以看出进入系统的海水量是3.15kg/h，出来的淡水为1.07kg/h，杂质为1.98kg/h，符合物料平衡。通过对系统的焓值进行计算，符合能量守恒。模拟得出的造水比为2.58 即其效率为38.76％。
模块建立低温多效海水淡化系统的模型，并运用软件的灵敏度分析功能对多种模型进行了分析，得知体系的沸点升高和闪蒸罐对系统模型建立的影响.并用工业海水淡化装置进行可信性验证，证明采用Aspen Plus软件建立的低温蒸发海水淡化系统的模型是可信的。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种太阳能淡化水装置，其特征在于，包括第一供水装置(1)、蒸发管道(6)、太阳能聚光装置(5)和蒸馏水存储装置(3)，其中：
所述蒸发管道(6)内包括倾斜顶板(64)、待处理水输送槽和蒸馏水收集槽(65)，所述蒸馏水收集槽(65)设置在所述倾斜顶板(64)的低端下方，用于收集由所述倾斜顶板(64)流下来的蒸馏水，并将其送至所述蒸馏水存储装置(3)内；所述待处理水输送槽位于所述蒸馏水收集槽(65)外，两端分别为入水口和排放口，所述入水口与所述第一供水装置(1)连接，所述排放口用于排放待处理水；
所述太阳能聚光装置(5)包括聚光镜(51)和自动跟光系统，所述聚光镜(51)用于聚集太阳光并使其照向所述蒸发管道(6)，所述自动跟光系统用于根据太阳方位调整所述聚光镜(51)的朝向。
2.根据权利要求1所述的太阳能淡化水装置，其特征在于，所述蒸发管道(6)的截面包括首尾依次相接的第一侧板(61)、底板(62)、第二侧板(63)和倾斜顶板(64)，所述倾斜顶板(64)的第一侧边(641)与所述第一侧板(61)相接，所述倾斜顶板(64)的第二侧边(642)与所述第二侧板(63)相接，所述第一侧边(641)所在的高度大于所述第二侧边(642)所在的高度；
所述蒸馏水收集槽(65)设置在所述第二侧板(63)上；所述第二侧板(63)位于所述蒸馏水收集槽(65)下方的内侧壁面、所述底板(62)、所述第一侧板(61)依次连接围绕构成所述待处理水输送槽，所述蒸馏水收集槽(65)的水平槽口宽度小于所述待处理水输送槽的宽度。
3.根据权利要求1所述的太阳能淡化水装置，其特征在于，还包括用于套管式换热器(2)，所述套管式换热器(2)的一端与所述蒸馏水收集槽(65)的出水端连通，另一端与所述蒸馏水存储装置(3)连通，用于对由所述蒸馏水收集槽(65)输出的蒸馏水进行降温冷凝。
4.根据权利要求3所述的太阳能淡化水装置，其特征在于，所述套管式换热器(2)位于所述第一供水装置(1)内，能够与所述第一供水装置(1)内的待处理水进行热交换。
5.根据权利要求3所述的太阳能淡化水装置，其特征在于，所述第一供水装置(1)位于所述蒸馏水存储装置(3)的上方。
6.根据权利要求1至5任一项所述的太阳能淡化水装置，其特征在于，所述太阳能聚光装置(5)中还包括安装固定件(52)和支座(53)，其中：
所述安装固定件(52)为弧形件或环形件，所述支座(53)上设置有与所述安装固定件(52)适配的弧形支撑结构或圆形安装孔，所述支座(53)与所述安装固定件(52)之间通过滚动轴承(54)或滚珠结构滚动连接；
所述聚光镜(51)固定安装在所述安装固定件(52)上，所述聚光镜(51)为一体式弧形筒壁结构或由多个聚光单元拼接构成的弧形筒壁结构；
所述自动跟光系统包括光敏传感器、控制器、电机、传动系统、蓄电池和太阳能电池板(9)，其中，所述蓄电池用于存储所述太阳能电池板(9)产生的电能，并与所述电机和所述控制器电连接，所述安装固定件(52)与所述电机之间通过所述传动系统传动连接，所述控制器根据所述光敏传感器检测到的太阳方位控制所述电机驱动所述安装固定件(52)转动到目标位置，在所述目标位置，所述聚光镜(51)能够令太阳光聚集后照向所述蒸发管道(6)。
7.根据权利要求1至5任一项所述的太阳能淡化水装置，其特征在于，所述蒸发管道(6)包括依次连接的第一加热管段(601)、第一连接管段(602)、第二加热管段(603)和第二连接管段(604)，其中：
所述第一加热管段(601)远离所述第一连接管段(602)的端部管口中设置有所述待处理水输送槽的进水端，并与所述第一供水装置(1)连通；
所述第二连接管段(604)上设置有清淤口(10)，或者，所述第二加热管段(603)远离所述第一连接管段(602)的端部设置有清淤口(10)。
8.根据权利要求1至5任一项所述的太阳能淡化水装置，其特征在于，所述待处理水输送槽的进水端和所述第一供水装置(1)的连接处设置有水位控制器和/或过滤器，其中：
所述水位控制器用于控制所述待处理水输送槽内的水位始终低于所述蒸馏水收集槽(65)的上侧槽沿；
所述过滤器用于对由所述第一供水装置(1)内流出的待处理水进行过滤。
9.根据权利要求1至5任一项所述的太阳能淡化水装置，其特征在于，所述蒸发管道(6)上，与所述待处理水输送槽对应的外侧壁面设置有吸热涂层；
和/或，所述第一供水装置(1)的外侧设置有吸热涂层；
和/或，所述待处理水输送槽的内侧壁面设置有疏水材料层。
10.根据权利要求1至5任一项所述的太阳能淡化水装置，其特征在于，还包括制盐系统，所述待处理水为海水，所述制盐系统与所述蒸发管道(6)上的所述排放口连接，用于将由所述待处理水输送槽流出的浓缩海水进行制盐；
和/或，还包括能够处理污水或雨水的水处理系统，所述待处理水为污水或雨水，所述水处理系统与所述蒸发管道(6)上的所述排放口连接，用于将由所述待处理水输送槽流出的浓缩污水或浓缩雨水进行处理后排放。
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