CN111943302B - 太阳能热膜耦合多效淡化水装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能热膜耦合多效淡化水装置及方法，属于海水淡化装置领域，包括CPC聚光集热蒸馏装置、主动膜蒸馏装置及收集箱；CPC聚光集热蒸馏装置包括：CPC聚光器、双通式真空集热管、第一主管及蒸汽汇流管；主动膜蒸馏装置包括：潜热回收水箱，其底部与第一主管连通且内部设有与蒸汽汇流管连通的潜热回收盘管；水箱，其与潜热回收水箱连通；疏水膜，其位于所述潜热回收水箱与所述水箱相对的一侧体壁；空气隙，空气隙的侧面设有冷凝淡水出口。本发明示例的淡化水装置及方法，将被动式太阳能蒸馏、主动式太阳能蒸馏及膜蒸馏技术相结合，可大幅提高太阳能利用率、系统综合能效及产水能力，并实现不间断运行及装置小型化目的。

Description

太阳能热膜耦合多效淡化水装置及方法

技术领域

本发明涉及海水淡化装置领域，特别是涉及一种太阳能热膜耦合多效淡化水装置及方法。

背景技术

近年来，淡水资源的短缺已经成为国家发展的重要障碍，发展淡水资源的开源增量技术已经成为当务之急。采用传统能源进行海水淡化具有投资高、污染严重以及加剧能源短缺的问题，因此利用太阳能进行海水淡化是技术发展的重要方向。

目前，现有的太阳能海水淡化技术主要分为两种方法，一种是采用被动式太阳能蒸馏装置，这种装置中不存在任何利用电能驱动的动力元件(如泵和风机等)，也不存在利用附加太阳能集热器等部件进行主动式加热的设备，装置的整个产水过程完全在太阳辐射能的作用下被动完成；另一种是采用主动式太阳能蒸馏装置，该装置是在被动式太阳能蒸馏装置中增加一些附属设备(动力元件)，需单独配置蒸汽冷凝系统，相比被动式，其运行温度得以大幅提升，并改善了其内部传质过程，同时，大部分该类系统均能主动回收蒸汽在冷凝过程中释放的潜热(多效蒸馏)，其淡化水能力远大于(1倍以上)被动式，但需电能驱动泵与风机等一系列动力元件，运行能耗较大，部分新型的主动式太阳能蒸馏装置还配置了储热装置，可提高装置运行连续性，能在一定程度上克服太阳能的间歇性缺陷，但长期阴雨天仍无法保证连续运行，且增大了初投资。

被动式太阳能海水淡化装置具有占地面积大、初期投资成本较高、运行温度低、淡化水能力有限、可靠性及连续产水能力差(主要受太阳能间歇性影响)及太阳能利用率低诸多等缺点。现有主动式太阳能蒸馏装置的产水能力远大于被动式，但存在小型化难度大、运行成本高、单位成本淡化水能力低、连续产水能力受限等缺点。

目前，太阳能膜蒸馏技术作为太阳能蒸馏技术的又一分支，已得到应用。该技术利用疏水膜及汽化冷凝过程来完成海水淡化目的，整个过程发生在微孔疏水膜两侧，太阳能加热的海水在膜的一侧蒸发，蒸汽透过疏水膜内部微孔到达膜的另一侧，在冷壁处冷凝后得到淡水。膜蒸馏装置具有不必对原水进行化学处理、不易结垢、对污染不敏感、操作压力低、结构紧凑等优势，也存在冷热工质温差维持能耗大、冷热工质需循环流动、膜更换成本高、热量难以回收利用、原水消耗量大、淡化水能力低、连续产水能力差等诸多问题。

发明内容

为了解决上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种太阳能热膜耦合多效淡化水装置及方法，本装置将被动式太阳能蒸馏、主动式太阳能蒸馏及膜蒸馏技术相结合，并将离网型光伏发电技术、免跟踪CPC聚光集热技术、界面蒸发技术、微滴管补液技术、主动除集水设计、生物质保障性蒸馏技术、连通器恒定液位设计与太阳能蒸馏技术进行耦合，实行协同运行策略，淡化水过程实现了各环节的有机结合，可大幅提高太阳能利用率、系统综合能效及产水能力，并实现不间断运行及装置小型化目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

提供了一种太阳能热膜耦合多效淡化水装置，包括CPC聚光集热蒸馏装置、主动膜蒸馏装置及收集箱；

所述CPC聚光集热蒸馏装置包括：CPC聚光器，其并列设有多个；双通式真空集热管，其安装在所述CPC聚光器的槽口中，所述双通式真空集热管的两端分别设有原水进口及蒸汽出口；第一主管，其与所述原水进口连通；蒸汽汇流管，其与所述蒸汽出口连通；

所述主动膜蒸馏装置包括：潜热回收水箱，其底部与所述第一主管连通且内部设有与所述蒸汽汇流管连通的潜热回收盘管；水箱，其与所述潜热回收水箱连通；疏水膜，其位于所述潜热回收水箱与所述水箱相对的一侧外体壁上，所述潜热回收水箱中的的水蒸气从所述疏水膜中渗透出，所述水箱与所述疏水膜相对的一侧面为冷壁；空气隙，所述疏水膜与所述冷壁之间形成空气隙，所述空气隙的四周密封，且所述空气隙的侧面设有冷凝淡水出口；所述潜热回收盘管与所述冷凝淡水出口分别与所述收集箱连通。

具体的，所述疏水膜为疏水陶瓷膜。

进一步的，所述双通式真空集热管内部设有第一微孔滴管及包覆在所述第一微孔滴管外的第一亲水层，所述第一微孔滴管的一端与所述原水进口连通，另一端为盲端，所述第一微孔滴管的体壁上沿径向方向均匀的设有第一微孔。

具体的，所述第一亲水层为第一管式耐高温亲水纤维。

进一步的，还包括潜热驱动式蒸馏装置，其包括：蒸馏腔，其位于所述潜热回收水箱的上方且底部与所述潜热回收水箱的顶部贯穿连通，所述蒸馏腔前端面的高度低于所述后端面的高度；冷凝传热斜壁，其至少设有一个并将所述蒸馏腔的内部上下分为至少两个多效蒸馏腔，所述冷凝传热斜壁前端向下倾斜设置；第一透光玻璃，其为所述蒸馏腔的顶面；第一集水槽，其设有多个并分别位于所述第一透光玻璃、冷凝传热斜壁下方的蒸馏腔前端面上，所述第一集水槽与所述收集箱连接。

进一步的，所述冷凝传热斜壁的上方设有第二亲水层，所述第二亲水层的内部设有多个第二微孔滴管，所述第二微孔滴管的顶部与第二主管连通，所述第二微孔滴管的底部密封；所述水箱中与各所述冷凝传热斜壁相对应的位置处均设有分隔板，所述分隔板将所述水箱上下分为至少两个恒定液位水箱，多个所述多效蒸馏腔分别与多个所述恒定液位水箱一一对应，各所述第二主管分别与其对应的恒定液位水箱连通各所述恒定液位水箱内均设有浮球阀；

或者，所述潜热回收水箱的内侧底部设有第一驱动环流叶轮机；所述水箱内侧底部设有第二驱动环流叶轮机。

具体的，所述第二亲水层为第二板式耐高温亲水纤维。

进一步的，还包括反射聚光蒸馏装置，其包括：支架，其前端面的高度低于后端面的高度；第二透光玻璃，其为所述支架的顶面；聚光反射挡板，其位于所述第二透光玻璃的外围并向外倾斜设置；第三主管，其一端位于所述支架内部，另一端与所述潜热回收水箱上方连通，所述第三主管的侧体壁上设有两排与所述第三主管垂直连通的第三微孔滴管，所述第三微孔滴管的非第三主管连接端为密封端，所述第三微孔滴管的体壁上沿径向方向均匀的设有第三微孔；所述支架内设有包覆在所述第三主管及第三微孔滴管外围的第三亲水层；第二集水槽，其位于所述支架的前端面内部，并与所述集水箱连通。

具体的，所述第三亲水层为第三板式耐高温亲水纤维。

进一步的，所述第二透光玻璃的底面设有刮板，所述刮板的前后两端均连接有丝杠，所述丝杠连接通过驱动电机带动旋转；优选的，所述刮板为W型，所述刮板中间高点线与第二透光玻璃内表面紧密接触，所述刮板两侧副高点线与第二透光玻璃内表面间留有间隙。

进一步的，还包括生物质蒸馏装置，其包括：生物质燃烧仓，其内部设有多个连通至所述潜热回收水箱内部的热传递棒；齿轮，各所述热传递棒的一端均穿出所述潜热回收水箱的体壁并连接有齿轮，各齿轮相互啮合，任一所述齿轮上连接有驱动电机；位于所述生物质燃烧仓侧体壁的填料口、鼓风口、点火装置；位于所述生物质燃烧仓顶部的烟囱；位于所述生物质燃烧仓底部的排渣口。

进一步的，所述潜热回收水箱的内侧底部设有第一驱动环流叶轮机；所述水箱内侧底部设有第二驱动环流叶轮机。

进一步的，还包括离网型光伏发电系统，其包括：光伏阵列，其位于所述CPC聚光器连接处；充放电控制器及蓄电池，所述充放电控制器及蓄电池均位于保护箱中，所述蓄电池与所述光伏阵列分别与所述充放电控制器连接。

太阳能热膜耦合多效淡化水装置的淡化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：水箱中流入原水，在基于连通器原理，由浮球阀控制每部分恒定液位水箱内部液位持续处于恒定状态；

S2：与所述潜热回收水箱连通的恒定液位水箱将原水输送至潜热回收水箱，原水通过第一主管流经至双通式真空集热管，从第一亲水层发出的水蒸气汇集在蒸汽出口并流至潜热回收盘管，水蒸气在潜热回收盘管中冷凝液化，将淡水输送至收集箱中；潜热回收盘管将潜热回收水箱中的原水预热，形成预热原水；

S3：启动第一驱动环流叶轮机及第二驱动环流叶轮机，预热原水产生的水蒸气从所述疏水膜中渗透出，在空气隙中遇冷壁后液化成淡水，并经冷凝淡水出口输送至收集箱中；

或者，启动第一驱动环流叶轮机及第二驱动环流叶轮机，预热原水产生的水蒸气向上运动，在位于下方的冷凝传热斜壁凝结成淡水，收集到最下方的第一集水槽并输送至收集箱中；

或者，启动第一驱动环流叶轮机及第二驱动环流叶轮机，预热原水经第三主管流至第三微孔滴管，所述第二透光玻璃及聚光反射挡板将所述支架内部加入，预热原水在第三亲水层上蒸发形成水蒸气，并在所述第二透光玻璃内表面形成淡水，刮板将淡水刮至第二集水槽中，再将淡水输送至收集箱中；

S4：位于分隔板上方的原水分别通过第二主管输送至对应的多效蒸馏腔中，在潜热回收水箱的余热及第一透光玻璃的作用下，蒸馏腔内的温度升高，原水在第二亲水层蒸发形成水蒸气，水蒸气遇冷在其上方的冷凝传热斜壁或第一透光玻璃表面形成淡水，并经第二集水槽输送至集水箱中。

太阳能热膜耦合多效淡化水装置的淡化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：水箱中流入原水，在基于连通器原理，由浮球阀控制每部分恒定液位水箱内部液位持续处于恒定状态；

S2：与所述潜热回收水箱连通的恒定液位水箱将原水输送至潜热回收水箱，原水通过第一主管流经至双通式真空集热管，从第一亲水层发出的水蒸气汇集在蒸汽出口并流至潜热回收盘管，水蒸气在潜热回收盘管中冷凝液化，将淡水输送至收集箱中；潜热回收盘管将潜热回收水箱中的原水预热，形成预热原水；

S3：启动热传递棒，并启动驱动电机带动所述热传递棒旋转，潜热回收水箱中的预热原水进一步被加热，预热原水产生的水蒸气从所述疏水膜中渗透出，在空气隙中遇冷壁后液化成淡水，并经冷凝淡水出口输送至收集箱中；

或者，启动热传递棒，并启动驱动电机带动所述热传递棒旋转，潜热回收水箱中的预热原水进一步被加热，预热原水产生的水蒸气向上运动，在位于下方的冷凝传热斜壁凝结成淡水，收集到最下方的第一集水槽并输送至收集箱中；

或者，启动热传递棒，并启动驱动电机带动所述热传递棒旋转，潜热回收水箱中的预热原水进一步被加热，预热原水经第三主管流至第三微孔滴管，所述第二透光玻璃及聚光反射挡板将所述支架内部加热，预热原水在第三亲水层上蒸发形成水蒸气，并在所述第二透光玻璃内表面形成淡水，刮板将淡水刮至第二集水槽中，再将淡水输送至收集箱中；

S4：位于分隔板上方的原水分别通过第二主管输送至对应的多效蒸馏腔中，在潜热回收水箱的余热及第一透光玻璃的作用下，蒸馏腔内的温度升高，原水在第二亲水层蒸发形成水蒸气，水蒸气遇冷在其上方的冷凝传热斜壁或第一透光玻璃表面形成淡水，并经第二集水槽输送至集水箱中。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明采用耦合设计及协同运行思想，将主被动蒸馏方法及膜热蒸馏方法进行了耦合优化，引入了生物质保障性热源装置，将太阳能、生物质能及余热利用实现了协同调节；装置包括CPC聚光集热蒸馏装置、主动膜蒸馏装置、反射聚光蒸馏装置、潜热驱动式蒸馏装置、生物质蒸馏装置，各蒸馏装置的运行相互关联，互相有促进性影响，可将热量进行梯级多效利用，实现了装置的高效高产。

2、本发明热法蒸馏面均采用了耐高温吸热亲水层，并结合微孔滴管实现了补水量与蒸发量的动态平衡，大幅提高了热法蒸馏效率。

3、本发明在带聚光反射挡板的反射聚光蒸馏装置中设计了往复式W型刮板，可实时快速去除透光玻璃内表面的凝结水，连续保证了透光玻璃的高透射率，实现了提高并维持装置高透射率及高凝结速度的双重目的，改善了系统蒸馏性能。

4、本发明主动膜蒸馏装置中，分别把潜热回收水箱及水箱作为热冷腔，分别在潜热回收水箱和水箱底部安装了驱动环流叶轮机，第一驱动环流叶轮机按角速度ω旋转时，因原水自身重力和离心惯性力的共同作用，原水液面将成为一个类似漏斗形状的旋转面，有效增大了潜热回收水箱内原水的蒸发面积，第一驱动环流叶轮机带动原水环流过程中，原水与潜热回收盘管外壁面形成对流，使得潜热回收过程的对流换热系数大幅提升，强化了冷凝效率，同时原水流层间的热量和质量交换被加强，使得原水温度场趋于均匀，并加强了原水内部的传质强度，受蒸发面动态增大、原水内部传质动态强化的共同作用，大幅提高了多效蒸馏量；另外，依靠叶轮机驱动原水进行环流，进而扫掠膜表面，不仅能持续破坏膜面及冷壁表面的温度边界层和浓度极化，而且可在膜面和冷壁间维持较恒定的大温差，实现了提高膜通量及抑制膜污染的双重目的。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明另一视角结构示意图；

图3为本发明CPC聚光集热蒸馏装置结构示意图；

图4为本发明双通式真空集热管内部结构示意图；

图5为本发明主动膜蒸馏装置、潜热驱动式蒸馏装置内部结构示意图；

图6为本发明反射聚光蒸馏装置、离网型光伏发电系统、集水箱内部结构示意图；

图7为本发明第三微孔滴管处结构示意图；

图8为本发明刮板与丝杠连接机构示意图；

图9为本发明W型刮板结构示意图；

图10为本发明生物质蒸馏装置内部结构示意图；

图11为本发明热传递棒结构示意图；

图12为本发明第一驱动环流叶轮机原理图。

图中：1-CPC聚光集热蒸馏装置，1-1-CPC聚光器，1-2-双通式真空集热管，1-201-原水进口，1-202-第一管式耐高温亲水纤维，1-203-第一微孔滴管，1-204-第一微孔，1-205-蒸汽出口，1-3-蒸汽汇流管，1-4-第一主管,1-5-固定件，2-主动膜蒸馏装置，2-1-潜热回收水箱，2-101-潜热回收盘管，2-102-第一驱动环流叶轮机，2-2-水箱，2-201-分隔板，2-202-第一恒定液位水箱，2-203-第二恒定液位水箱，2-204-第三恒定液位水箱，2-205-浮球阀，2-206-第二驱动环流叶轮机，2-3-疏水陶瓷膜,2-4-空气隙，3-潜热驱动式蒸馏装置，3-1-蒸馏腔，3-2-第一透光玻璃，3-3-第二板式耐高温亲水纤维，3-4-第二微孔滴管，3-5-第二主管，3-6-冷凝传热斜壁，3-7-第一集水槽，3-8-第一效蒸馏腔，3-9-第二效蒸馏腔，3-10-第三效蒸馏腔，4-反射聚光蒸馏装置，4-1-支架，4-2-第三板式耐高温亲水纤维，4-3-第三微孔滴管，4-301-第三微孔，4-4-第三主管，4-5-第二透光玻璃，4-6-聚光反射挡板，4-7-第二集水槽，4-8-刮板，4-9-丝杠，5-生物质蒸馏装置，5-1-生物质燃烧仓，5-2-鼓风口，5-3-烟囱，5-4-点火装置，5-401-打火器，5-402-辅助点火燃料，5-5-填料口，5-6-热传递棒，5-7-轴承，5-8-排渣口，5-9-驱动电机，5-10-齿轮，6-离网型光伏发电系统，6-1-保护箱，6-2-蓄电池，6-3-充放电控制器，6-4-光伏阵列，7-收集箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1-2所示，一种太阳能热膜耦合多效淡化水装置，包括CPC聚光集热蒸馏装置1、主动膜蒸馏装置2、潜热驱动式蒸馏装置3、反射聚光蒸馏装置4、生物质蒸馏装置5、离网型光伏发电系统6及收集箱7，其中，所述CPC聚光集热蒸馏装置1、主动膜蒸馏装置2、反射聚光蒸馏装置4及潜热驱动式蒸馏装置3均通过输送管道与所述收集箱7连通，将蒸馏出的淡水收集到收集箱7中。

如图3所示，所述CPC聚光集热蒸馏装置1包括多个前端向下倾斜设置的CPC聚光器1-1，所述CPC聚光器1-1的槽口中设有双通式真空集热管1-2，所述双通式真空集热管1-2的两端通过固定件1-5限位。

如图4所示，所述双通式真空集热管1-2的前端为原水进口1-201，后端为蒸汽出口1-205，各原水进口1-201均与第一主管1-4连通；所述双通式真空集热管1-2的内部设有一端与所述原水进口1-201连通的第一微孔滴管1-203，所述第一微孔滴管1-203的外部包覆有第一管式耐高温亲水纤维1-202；所述蒸汽出口1-205均与蒸汽汇流管1-3连通。

具体的，所述第一微孔滴管1-203的一端与所述原水进口1-201连通，并与所述双通式真空集热管1-2的体壁密封连接，所述第一微孔滴1-203管的另一端为盲端，所述第一微孔滴管1-203的体壁上沿径向方向均匀的设有第一微孔1-204。第一微孔滴管1-203由低导热率保温管材制成，微滴管局部输水和良好的材料保温特性可有效阻止热量向大水体传递，CPC聚光集热蒸馏装置整体以最佳倾角固定式安装，第一微孔1-204出口处的原水微团受微孔阻力、耐高温亲水纤维阻力、耐高温亲水纤维界面内部毛细力、原水静压力的共同作用，原水静压力(p＝ρgh，h＝h₁-h₂，h₁为潜热回收水箱内部的原水液面高度，h₂为微孔高度)随微孔高度的增大而不断减小，其它各力保持不变，故单个微孔的出流水量随其高度的增大而不断减小，而管式耐高温亲水纤维的原水润湿方向为含水率梯度降低方向，故第一管式耐高温亲水纤维1-202自身具有含水量自均匀功能，既能保证蒸发面以设定含水率保持连续均匀润湿状态，也能按需降低原水补充速率，达到蒸发量与补水量的动态平衡。第一管式耐高温亲水纤维1-202外表面与双通式真空集热管1-2内表面存在1mm左右的间隙，上述设计可增大原水的蒸发量及蒸发速率，CPC聚光器1-1闷晒蒸发可适当增大蒸发面温度场均匀性，提高蒸发性能。双通式真空集热管1-2的原水进口1-201通过管道经单向阀与潜热回收水箱2-1底部直连，双通式真空集热管1-2的蒸汽出口1-205以并联方式汇集至潜热回收盘管2-101的入口前蒸汽汇流管1-3，潜热回收盘管2-101是蒸汽冷凝产水及原水预热的执行件，故免跟踪CPC聚光集热被动蒸馏装置可实现原水预热及闷晒热法淡化海水/苦咸水的耦合目的。

如图5所示，所述主动膜蒸馏装置2包括前后设置的潜热回收水箱2-1及水箱2-2。所述潜热回收水箱2-1位于所述CPC聚光集热蒸馏装置1的后方，且底部与所述第一主管1-4通过管道经单向阀连通。

所述潜热回收水箱2-1的内部设有与所述蒸汽汇流管1-3连通的潜热回收盘管2-101，所述潜热回收盘管2-101为上下走向的螺旋状，所述潜热回收盘管2-101的底端通过输送管道与集水箱7连通。所述潜热回收水箱2-1后端外体壁上设有疏水陶瓷膜2-3，所述水箱2-2前侧面为冷壁，所述疏水陶瓷膜2-3与所述冷壁之间形成空气隙2-4，所述空气隙2-4的四周密封，且所述空气隙2-4的侧面设有冷凝淡水出口，冷凝淡水出口通过输送管道与集水箱7连通。所述潜热回收水箱2-1的内侧底部设有第一驱动环流叶轮机2-102，所述水箱2-2内侧底部设有第二驱动环流叶轮机2-206。

原水通过管道将潜热回收水箱2-1内的预热原水输送至各第一微孔滴管1-203，水分蒸发后经各双通式真空集热管1-2的蒸汽出口1-205流出，流出的高温高压蒸汽汇流至蒸汽汇流管1-3后，直接流入潜热回收盘管2-101，高温高压蒸汽在潜热回收盘管2-101内部被快速冷凝为淡水，并将淡水输送至收集箱7中，同时将潜热传递至潜热回收水箱2-1内部的原水，原水温度以较快速度升高至60℃以上，为其他热法蒸馏装置提供了预热后的原水，升温的原水在主动膜蒸馏装置2中充当热工质，水箱2-2内部的低温原水充当冷工质，水箱2-2前端面的疏水陶瓷膜正对的部分充当冷壁，冷壁与疏水陶瓷膜之间的间隙为3～5mm，形成了膜蒸馏系统的空气隙2-4，四周被保温壁面密封，空气隙2-4侧面开设有冷凝淡水出口，可接真空泵以增大膜蒸馏驱动力，最后通入集水箱7，实现了膜法与热法的耦合蒸馏。第一驱动环流叶轮机2-102、第二驱动环流叶轮机2-206分别使热/冷侧工质实现横向定速环流，使热工质扫掠疏水陶瓷膜热面，冷工质扫掠冷壁冷面，可实现破坏疏水陶瓷膜热侧温度边界层和浓度极化的作用，抑制了膜污染并强化了膜蒸馏过程的传热传质能力。

所述水箱2-2的内部设有两个分隔板2-201，将所述水箱2-2上下分为三部分，从下到上依次为第一恒定液位水箱2-202、第二恒定液位水箱2-203、恒定液位水箱，各恒定液位水箱基于连通器原理设计，由浮球阀2-205控制每部分恒定液位水箱内部液位持续处于恒定状态，第一恒定液位水箱2-202底部连通潜热回收水箱2-1，基于连通器原理可保证潜热回收水箱2-1液面时刻等于第一恒定液位水箱2-202，潜热回收水箱2-1分别连通CPC聚光集热蒸馏装置1和反射聚光蒸馏装置4，可通过与之连通的各部分恒定液位水箱间接控制微滴管的补水速率。

如图3所示，所述潜热驱动式蒸馏装置3包括蒸馏腔3-1，所述蒸馏腔3-1位于所述潜热回收水箱2-1的上方并与潜热回收水箱2-1连通，所述蒸馏腔3-1的顶部的前端向下倾斜形成前低后高的倾斜面，该倾斜面采用第一透光玻璃3-2；所述第一透光玻璃3-2的下方设有两个与之倾斜方向相同的冷凝传热斜壁3-6，两个冷凝传热斜壁3-6将蒸馏腔3-1分为三个腔室，从下到上依次为第一效蒸馏腔3-8、第二效蒸馏腔3-9、第三效蒸馏腔3-10，且每个蒸馏腔3-1的较低一端的内侧体壁上均设有一个第一集水槽3-7，所述第一集水槽3-7与所述收集箱7连通，将蒸馏腔3-1内蒸馏出的淡水输送至收集箱7中。

每个所述冷凝传热斜壁3-6的上方均设有第二板式耐高温亲水纤维3-3，第二板式耐高温亲水纤维3-3的内部设有多个第二微孔滴管3-4，所述第二微孔滴管3-4的顶部与第二主管3-5连通，所述第二微孔滴管3-4的底部密封；上下两个所述第二主管3-5分别与所述第三恒定液位水箱2-204、第二恒定液位水箱2-203连通。

所述潜热回收水箱2-1液面汽化产生的蒸汽自然上升至第一效蒸馏腔3-8处的冷凝传热斜壁3-6，被冷凝后的液滴受自重沿斜壁流至该冷凝传热斜壁3-6下方的第一集水槽3-7，最后流至集水箱7。蒸汽发生冷凝的同时，将其潜热传递至第二效蒸馏腔3-9，第二效蒸馏腔的原水由第二水箱2-203供给，第二水箱2-203的供水量及蒸馏量动态平衡，潜热会进一步加热第二效蒸馏腔3-9中第二板式耐高温亲水纤维3-3中的原水，实现第二效蒸馏(第二效蒸馏在生物质蒸馏装置5工作时的蒸馏及节能效果最优)，第二效蒸馏腔3-9产生的蒸汽会自然上升至位于上方的冷凝传热斜壁3-6，进一步在该冷凝传热斜壁3-6发生冷凝，冷凝后在自重的作用下流入该冷凝传热斜壁3-6下方的集水槽，最后流至集水器。完成第二效蒸馏后，汽化潜热总量会大幅降低，余热被传递至第三效蒸馏腔3-10内部，此时已不足以驱动原水发生蒸馏，故在第三效蒸馏腔3-10顶部设置了高透射率的第一透光玻璃3-2，将潜热余热利用与太阳能界面蒸发进行耦合设计，进一步提高了余热利用率及系统蒸馏能力，第三效蒸馏器中的原水由第三恒定液位水箱2-204供给，第三恒定液位水箱2-204的供水量及蒸馏量动态平衡，第三效蒸馏腔3-10产生的蒸汽会自然上升至第一透光玻璃3-2实现自然冷凝，冷凝后的液滴依靠自重自由下落至第一透光玻璃3-2前端下方的第一集水槽3-7中，最后流至集水器。本发明能进一步利用潜热回收水箱中蒸汽余热，进一步提高了装置的太阳能利用率及蒸馏能力。

如图12所示，潜热回收水箱2-1中第一驱动环流叶轮机2-102按角速度ω旋转时，因原水自身重力和离心惯性力的共同作用，原水液面将成为一个类似漏斗形状的旋转面，有效增大了潜热回收水箱2-1内原水的蒸发面积。第一驱动环流叶轮机2-102带动原水环流过程中，原水与潜热回收盘管2-101外壁面形成对流，使得潜热回收过程的对流换热系数大幅提升，强化了冷凝效率，同时原水流层间的热量和质量交换被加强，使得原水温度场趋于均匀，并加强了原水内部的传质强度，综上，受蒸发面增大和原水内部传质强化的共同作用，可大幅提高潜热驱动式多效蒸馏装置的蒸发量。

如图6-7所示，所述反射聚光蒸馏装置4包括支架4-1，所述支架4-1为的前端面向下倾斜设置，所述支架4-1的顶面为第二透光玻璃4-5，所述支架4-1的顶部外围设有聚光反射挡板4-6；所述反射聚光蒸馏装置4与所述潜热回收水箱2-1上方通过第三主管4-4连通，所述第三主管4-4延伸至所述支架4-1的内部；所述第三主管4-4的侧体壁上设有两排与所述第三主管4-4垂直连通的第三微孔滴管4-3，所述第三微孔滴管4-3的非第三主管4-4连接端为密封端，所述第三微孔滴管4-3的体壁上沿径向方向均匀的设有第三微孔4-301；所述支架4-1内设有包覆在所述第三主管4-4及第三微孔滴管4-3外围的第三板式耐高温亲水纤维4-2，第三板式耐高温亲水纤维4-2在亲水纤维表面增镀了高吸收率吸热涂层，潜热回收水箱2-1上部高温预热原水经第三微孔滴管4-3流至第三板式耐高温亲水纤维4-2的蒸发界面处，补水速率等于蒸发速率；所述支架4-1的前端体壁上设有位于所述第三板式耐高温亲水纤维4-2的上方的第二集水槽4-7，所述第二集水槽4-7与所述集水箱7连通。

如图8-9所示，所述第二透光玻璃4-5的底面设有刮板4-8，所述刮板4-8的前后两端均连接有丝杠4-9，所述丝杠4-9连接有位于所述支架4-1外围的驱动电机5-9；所述刮板4-8为W型，所述刮板4-8中间高点线与第二透光玻璃4-5内表面紧密接触，所述刮板4-8两侧副高点线与第二透光玻璃4-5内表面间留有间隙。

太阳光线经聚光反射挡板4-6(可增大能流密度及吸热总量)的聚光及第二透光玻璃4-5的透射作用，被入射至第三板式耐高温亲水纤维4-2蒸发界面处，原水在预热及被动式闷晒蒸馏作用下发生汽化蒸发，水蒸气自然上升至第二透光玻璃4-5内表面时，被外界冷空气冷凝，冷凝后的水滴因重力作用沿倾斜第二透光玻璃4-5内表面缓慢流至前壁的第二集水槽4-7，再流至集水箱7。因冷凝淡水流动缓慢，且蒸发冷凝过程连续，故冷凝水滴将严重影响第二透光玻璃4-5的透射率及冷凝集水速率，大大降低了蒸馏装置的蒸馏能力。基于此，本发明设计了一种主动式W型刮板4-8装置，上下两个丝杆机构带动W型刮板4-8本体沿透光玻璃内表面往复移动，丝杠4-9通过可变速直流电机驱动，W型刮板4-8本体为硅胶柔性材料，中间高点线紧密接触第二透光玻璃4-5内表面，用于除水，两侧副高点线与第二透光玻璃4-5内表面间存在1mm左右的间隙，避免将冷凝淡水刮落至蒸发界面，该设计可保证W型刮板4-8左右移动过程能将所有冷凝淡水快速收集，有效维持了第二透光玻璃4-5的高透射率，并提高了除水速度及有效集水量。另外，支架为三层结构，其外部维护板为绝热板，内部维护板为具有高导热率的不锈钢板，中间的维护保温结构内置相变石蜡，该设计综合利用相变石蜡的储热优势及低导热系数缺点，实现了储热及保温的双重目的，有效减少了装置热损，进一步提升了装置的太阳能综合利用率。

如图10所示，所述生物质蒸馏装置5的左侧体壁与所述潜热回收水箱2-1的右侧体壁一体式设计，所述生物质蒸馏装置5包括生物质燃烧仓5-1，所述生物质燃烧仓5-1的内部设有多个连通至所述潜热回收水箱2-1内部的热传递棒5-6，热传递棒5-6位于生物质燃烧仓5-1的一端为热端，位于潜热回收水箱2-1的一端为冷端；各所述热传递棒5-6的一端均穿出所述潜热回收水箱2-1的体壁并连接有相互啮合的齿轮5-10，其中一个所述齿轮5-10连接有驱动电机5-9。

如图11所示，热传递棒5-6为空心不锈钢材质，热端外表面设置了若干对称的强化传热肋片，可以增大换热面积，生物质蒸馏装置5与潜热回收水箱2-1连接的一侧体壁与热传递棒5-6通过耐高温轴承5-7配合连接，冷端的底部有1/5的外表面与潜热回收水箱2-1内部的原水接触，在驱动旋转装置的作用下，热传递棒5-6与原水的接触面会不断更新，与原水脱离接触的外表面会形成很薄的液膜，当生物质燃烧所产生的热量通过热传递棒5-6传至冷端时，会将原水液膜迅速汽化，产生的高温蒸汽会自然上升至潜热驱动式蒸馏装置3的位于下层的冷凝传热斜壁3-6，进一步实现多效蒸馏，实现了装置的持续性和稳定性。

所述生物质燃烧仓5-1的体壁上设有填料口5-5、鼓风口5-2、点火装置5-4；点火装置5-4由辅助点火燃料5-402和打火器5-401组成，辅助点火燃料5-402可以由便携式压缩煤气瓶或压缩天然气瓶充当，配合打火器5-401可实现快速点火目的；所述生物质燃烧仓5-1的顶部设有烟囱5-3；所述生物质燃烧仓5-1的底部设有排渣口5-8。

当工作环境处于阴雨天、夜间时，太阳能不能或不足以驱动蒸馏过程，可就近选择较干燥的植物秸秆、根茎等生物质燃料加热热传递棒5-6热端，可实现上述蒸馏过程。当淡水需求量突然增大时，仅靠太阳能不足以生产足够的淡水，此时也可启动生物质蒸馏装置5，以进一步补充蒸馏热源，实现了装置蒸馏能力的可调式设计。生物质蒸馏装置5运行时，潜热回收水箱2-1和水箱2-2底部的驱动环流叶轮机旋转时液面为抛物面型，中间热传递棒5-6无法接触到原水，故此时驱动环流叶轮机应停止运行。

所述离网型光伏发电系统6由光伏阵列6-4、充放电控制器6-3、蓄电池6-2及相关连接线组成，光伏阵列6-4设置于CPC聚光器1-1衔接带处，因CPC聚光器1-1基体为新型轻质材料，光伏组件可避免其接收阳光直射及雨雪冲刷，提高了CPC聚光器1-1基体寿命。蓄电池6-2和充放电控制器6-3放置于保护箱6-1内部，所述充放电控制器6-3与所述蓄电池6-2连接，离网型光伏发电系统6可为各元器件供电。

所述保护箱6-1位于所述反射聚光蒸馏装置4的下方，所述集水箱7位于所述保护箱6-1的下方，所述集水箱7的入水口均低于各淡水出口，用于储存淡水，且收集箱7上设有取水口及大气连通口。

本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (5)

1.太阳能热膜耦合多效淡化水装置，其特征在于，包括CPC聚光集热蒸馏装置、主动膜蒸馏装置、生物质蒸馏装置、反射聚光蒸馏装置及收集箱；

所述CPC聚光集热蒸馏装置包括：

CPC聚光器，其并列设有多个；

双通式真空集热管，其安装在所述CPC聚光器的槽口中，所述双通式真空集热管的两端分别设有原水进口及蒸汽出口；

第一主管，其与所述原水进口连通；

蒸汽汇流管，其与所述蒸汽出口连通；

所述主动膜蒸馏装置包括：

潜热回收水箱，其位于所述CPC聚光集热蒸馏装置的后端，底部与所述第一主管连通且内部设有与所述蒸汽汇流管连通的潜热回收盘管；

水箱，其位于所述潜热回收水箱的后方且与所述潜热回收水箱连通；

所述潜热回收水箱的内侧底部设有第一驱动环流叶轮机；所述水箱内侧底部设有第二驱动环流叶轮机；

疏水膜，其位于所述潜热回收水箱与所述水箱相对的一侧体壁，所述潜热回收水箱中的水蒸气从所述疏水膜中渗透出，所述水箱与所述疏水膜相对的一侧面为冷壁；

空气隙，所述疏水膜与所述冷壁之间形成空气隙，所述空气隙的四周密封，且所述空气隙的侧面设有冷凝淡水出口；

所述潜热回收盘管与所述冷凝淡水出口分别与所述收集箱连通；

所述生物质蒸馏装置包括：

生物质燃烧仓，其内部设有多个连通至所述潜热回收水箱内部的热传递棒；

齿轮，各所述热传递棒的一端均穿出所述潜热回收水箱的体壁并连接有齿轮，各齿轮相互啮合，任一所述齿轮上连接有驱动电机；

位于所述生物质燃烧仓侧体壁的填料口、鼓风口、点火装置；

位于所述生物质燃烧仓顶部的烟囱；

位于所述生物质燃烧仓底部的排渣口；

所述热传递棒位于生物质燃烧仓的一端为热端，位于潜热回收水箱的一端为冷端；热传递棒为空心不锈钢材质，热端外表面设置了若干对称的强化传热肋片；冷端的底部有1/5的外表面与潜热回收水箱内部的原水接触；

反射聚光蒸馏装置包括：

支架，其前端面的高度低于后端面的高度；

第二透光玻璃，其为所述支架的顶面；

聚光反射挡板，其位于所述第二透光玻璃的外围并向外倾斜设置；

第三主管，其一端位于所述支架内部，另一端与所述潜热回收水箱上方连通；所述第三主管的侧体壁上设有两排与所述第三主管垂直连通的第三微孔滴管，所述第三微孔滴管的非第三主管连接端密封，所述第三微孔滴管的体壁上沿径向方向均匀的设有第三微孔；所述支架内设有包覆在所述第三主管及第三微孔滴管外围的第三亲水层；

第二集水槽，其位于所述支架的前端面内部，并与所述集水箱连通；

所述第二透光玻璃的底面设有刮板，所述刮板的前后两端均连接有丝杠，所述丝杠连接通过驱动电机带动旋转；

所述刮板为W型，所述刮板中间高点线与第二透光玻璃内表面紧密接触，所述刮板两侧副高点线与第二透光玻璃内表面间留有间隙。

2.根据权利要求1所述的太阳能热膜耦合多效淡化水装置，其特征在于，所述双通式真空集热管内部设有第一微孔滴管及包覆在所述第一微孔滴管外的第一亲水层，所述第一微孔滴管的一端与所述原水进口连通，另一端为盲端，所述第一微孔滴管的体壁上沿径向方向均匀的设有第一微孔。

3.根据权利要求1所述的太阳能热膜耦合多效淡化水装置，其特征在于，还包括潜热驱动式蒸馏装置，其包括：

蒸馏腔，其位于所述潜热回收水箱的上方且底部与所述潜热回收水箱的顶部贯穿连通，所述蒸馏腔前端面的高度低于所述后端面的高度；

冷凝传热斜壁，其至少设有一个并将所述蒸馏腔的内部上下分为至少两个多效蒸馏腔，所述冷凝传热斜壁前端向下倾斜设置；

第一透光玻璃，其为所述蒸馏腔的顶面；

第一集水槽，其设有多个并分别位于所述第一透光玻璃、冷凝传热斜壁下方的蒸馏腔前端面上，所述第一集水槽与所述收集箱连接。

4.根据权利要求3所述的太阳能热膜耦合多效淡化水装置，其特征在于，所述冷凝传热斜壁的上方设有第二亲水层，所述第二亲水层的内部设有多个第二微孔滴管，所述第二微孔滴管的顶部与第二主管连通，所述第二微孔滴管的底部密封；

所述水箱中与各所述冷凝传热斜壁相对应的位置处均设有分隔板，所述分隔板将所述水箱上下分为至少两个恒定液位水箱，多个所述多效蒸馏腔分别与多个所述恒定液位水箱一一对应，各所述第二主管分别与其对应的恒定液位水箱连通；各所述恒定液位水箱内均设有浮球阀。

5.根据权利要求1-4任一项所述的太阳能热膜耦合多效淡化水装置，其特征在于，还包括离网型光伏发电系统，其包括：

光伏阵列，其位于所述CPC聚光器连接处；

充放电控制器及蓄电池，所述充放电控制器及蓄电池均位于保护箱中，所述蓄电池与所述光伏阵列分别与所述充放电控制器连接。

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