CN112963812A - 基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统及应用 - Google Patents

基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统及应用。所述水蒸发发电一体化系统包括蒸发单元和发电单元。所述蒸发单元包括能吸收太阳能的疏水性加热体和亲水性水蒸发体。所述发电单元包括热电模块、储热模块及热绝缘模块，所述疏水性加热体分别与亲水性水蒸发体、热电模块导热连接，所述热电模块还与储热模块导热连接。本发明的水蒸发发电一体化系统能够将界面水蒸发体和发电单元协同整合，使之互相促进，从而能够在产生高输出功率密度的同时，还达成高的水蒸发速率。

Description

基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统及应用
技术领域
本发明涉及一种光热水蒸发和发电设备，具体涉及一种基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统及其应用。
背景技术
随着工业的快速发展和人口的增加，淡水和能源的短缺是全球迫切需要解决的两大问题，这鼓励了可再生和可持续能源技术的发展。太阳能具有绿色和可再生的特性，被认为是缓解能源和清洁用水短缺的取之不尽的资源。近年来，业界发展了一类界面光热太阳能水蒸发系统，其通过将太阳能吸收体置于水/空气界面，代替大量的块体水进行加热，其光热转换效率高、环境友好、成本低，引起了人们的广泛关注。这种光热过程不仅为生产清洁的水提供了可持续的解决方案，而且为蒸发驱动发电提供了巨大的机会。近年来，开发了摩擦电、热释电/压电、热电、热电化学或盐度发电装置耦合的界面太阳蒸发水，既可用于清洁用水，也可用于发电。其中，基于塞贝克效应的热电模块可以通过温差发电，产生更高的功率密度和高稳定和长寿命，因此更适合解决能源和干净的水短缺。
例如，参阅图1所示，有研究人员提出了一种光热水蒸发和发电设备，其包括作为太阳能蒸汽发生器10的3D有机泡沫和基于塞贝克效应的热电(TE)模块20，且可整体放置在水面上，在太阳光照射下，可以同时进行光热水蒸发和发电。这种设备的水蒸发速率为1.36kgm-2h-1，对应的输出功率密度为0.4wm-2。然而，这种混合结构的设备很难平衡水和电的同时生产。TE模块20与太阳能蒸汽发生器10结合时，由于下面与大体积水30的直接作用，导致大量的热量散失，从而直接降低上部蒸发体的温度，从而极大降低了水蒸发速率。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统及其应用，从而克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例的一个方面提供了一种基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统，其包括蒸发单元和发电单元，所述蒸发单元包括能够吸收太阳能的疏水性加热体和亲水性水蒸发体，所述发电单元包括热电模块、储热模块及热绝缘模块，所述亲水性水蒸发体、疏水性加热体、热电模块、储热模块和热绝缘模块沿设定方向依次设置，并且所述疏水性加热体分别与亲水性水蒸发体、热电模块导热连接，所述热电模块还与储热模块导热连接。
在一些实施方式中，所述亲水性水蒸发体也能够吸收太阳光而发热。
在一些实施方式中，所述亲水性水蒸发体包括亲水性碳纳米管泡沫或亲水性碳纳米管海绵，且不限于此。
在一些实施方式中，所述疏水性加热体包括疏水性碳纳米管薄膜，且不限于此。
在一些实施方式中，在有太阳光照射时，所述疏水性加热体的温度高于亲水性水蒸发体的温度，从而在所述疏水性加热体与亲水性水蒸发体之间形成温度梯度，且所述疏水性加热体还为热电模块供热。
在一些实施方式中，所述储热模块包括石蜡层，且不限于此。
在一些实施方式中，所述热绝缘模块包括隔热层，且不限于此。
在一些实施方式中，所述隔热层包括EVA泡沫，且不限于此。
在一些实施方式中，所述热电模块与疏水性加热体接触的局部区域由导热材料形成，所述导热材料包括陶瓷等，且不限于此。
在一些实施方式中，所述亲水性水蒸发体与吸水体一端连接，所述吸水体的另一端能够被浸入水中。
在一些实施方式中，所述吸水体连续贯穿所述疏水性加热体、热电模块、储热模块和热绝缘模块。
在一些实施方式中，当所述水蒸发发电一体化系统工作时，所述亲水性水蒸发体、疏水性加热体、热电模块和储热模块均位于水面上方，所述吸水体的另一端被浸入水中。
进一步的，当所述水蒸发发电一体化系统工作时，所述亲水性水蒸发体、疏水性加热体、热电模块、储热模块和热绝缘模块均位于水面上方。
在一些实施方式中，所述吸水体包括吸水绳，且不限于此。
本发明实施例的一个方面提供了一种水蒸发及发电方法，其包括：
提供前述的任一种基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统；
将所述水蒸发发电一体化系统设置于水面上方，同时至少将与亲水性水蒸发体连接的吸水体的下端浸入水中；
至少使太阳光照射所述疏水性加热体和亲水性水蒸发体，从而实现水蒸发及发电。
本发明实施例的一个方面提供了一种海水淡化方法，其包括：
提供前述的任一种基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统；
将所述水蒸发发电一体化系统设置于水面上方，同时至少将与亲水性水蒸发体连接的吸水体的下端浸入海水；
至少使太阳光照射所述疏水性加热体和亲水性水蒸发体，使海水蒸发，同时收集水蒸气，获得淡水。
与现有技术相比较，本发明以上实施例所提供的技术方案能够将蒸发单元(界面水蒸发体)和发电单元协同整合，使之互相促进，从而能够在产生高输出功率密度的同时，还达成高的水蒸发速率。
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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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是现有的一种光热水蒸发和发电设备的结构示意图；
图2是本发明一典型实施例中一种基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统的结构示意图；
图3是本发明一典型实施例中另一种基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统的结构示意图。
具体实施方式
通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。
除非另外具体陈述，否则术语“包含”、“具有”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。
应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
请参阅图2所示，在本发明的一个较为典型的实施案例中，一种基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统包括蒸发单元和发电单元，所述蒸发单元包括疏水性碳纳米管薄膜2和作为亲水性水蒸发体1的亲水性碳纳米管泡沫或亲水性碳纳米管海绵，所述疏水性碳纳米管薄膜2作为加热体能够吸收太阳光而发热，所述发电单元包括热电模块(TE模块)3、储热模块4及热绝缘模块5，所述亲水性水蒸发体、疏水性加热体、热电模块、储热模块和热绝缘模块沿设定方向依次设置。
进一步的，所述疏水性加热体分别与亲水性水蒸发体、热电模块导热连接，所述热电模块还与储热模块导热连接。
进一步的，还可以将所述亲水性水蒸发体与一个以上吸水体的一端连接，该一个以上吸水体的另一端能够被浸入水中。利用所述吸水体，可以无需使所述水蒸发发电一体化系统与水接触，而使水被吸水体吸收并转移到所述亲水性水蒸发体，进而实现蒸发。
其中，所述吸水体可以采用业界已知的各类具有吸水功能的材料、装置，例如具有毛细结构的材料、带有泵的管路、虹吸管等，且不限于此。
例如，所述吸水体可以采用吸水绳。
进一步的，所述吸水体可以采用多种形式设置，例如与水蒸发发电一体化系统分立设置或集成设置。例如，所述吸水体可以设置在水蒸发发电一体化系统周围。
从使所述水蒸发发电一体化系统结构更为简单、紧凑、更便于使用等目的考虑，参阅图3，可以将前述吸水绳6以连续贯穿所述疏水性加热体、热电模块、储热模块和热绝缘模块的形式与所述水蒸发发电一体化系统集成设置。进一步的，所述吸水绳可以与水蒸发发电一体化系统同轴设置。
进一步的，当所述水蒸发发电一体化系统工作时，所述水蒸发发电一体化系统被设置于水面上方，所述吸水体的另一端被浸入水中。在一些情况下，可以使热绝缘模块与水面接触，但水蒸发发电一体化系统中的其余模块应位于水面上方。
进一步的，所述储热模块包括石蜡层，但不限于此，例如还可以采用其它相变材料形成。该石蜡层的厚度可以依据实际需求而调整，例如可以控制为厚约1.5cm。
进一步的，所述热绝缘模块包括隔热层，所述隔热层可以采用但不限于EVA泡沫等，例如还可以由聚酯、发泡材料等形成，且不限于此。
进一步的，可以通过调整疏水性碳纳米管薄膜2和亲水性碳纳米管泡沫或亲水性碳纳米管海绵的面积等，从而调整水蒸发效率。
其中，可以使疏水性碳纳米管薄膜2的面积远大于亲水性碳纳米管泡沫或亲水性碳纳米管海绵的面积。例如，可以使疏水性碳纳米管薄膜2的尺寸为6cm×6cm，而使亲水性碳纳米管泡沫或亲水性碳纳米管海绵的尺寸为1.5cm×1.5cm。
进一步的，在有太阳光照射时，所述疏水性加热体的温度高于亲水性水蒸发体的温度，从而在所述疏水性加热体与亲水性水蒸发体之间形成温度梯度，且所述疏水性加热体还为热电模块供热。
如下将对该实施案例中的所述水蒸发发电一体化系统的工作原理予以更为详尽的解释说明。具体而言，该水蒸发发电一体化系统亦可被命名为碳纳米管网络-石蜡太阳能蒸汽发电装置，其各个部分的功能如下：
(i)亲水性碳纳米管泡沫或亲水性碳纳米管海绵为亲水性水蒸发体，直接从太阳能和周围的碳纳米管薄膜获得热能，然后蒸发水；
(ii)在太阳照射下，作为疏水性加热体的疏水性碳纳米管薄膜比亲水性碳纳米管泡沫或亲水性碳纳米管海绵温度更高，因此可以在两者之间形成温度梯度，从而稳定地向亲水性水蒸发体提供额外热能，同时疏水性加热体还能够为TE模块的上表面提供高温；
(iii)TE模块，通过上表面和下表面之间的温差发电，同时陶瓷的上表面极大提高了疏水性碳纳米管薄膜的热传导和利用；
(iv)石蜡层，它吸收热量，降低TE模块下部表面的温度，同时储存热量，在无太阳光时释放，从而保持一定的蒸发率和发电量；
(v)EVA层，它是隔热层，防止热量流失到下面的水。
相较于图1所示的光热水蒸发和发电设备，该碳纳米管网络-石蜡太阳能蒸汽发电装置之中，因在TE模块的上、下表面分别设置高温碳纳米管薄膜、石蜡层，且石蜡层下方设置有EVA泡沫，所以可以避免大量的热量流失到下部的大块水30之中，进而不仅不会降低亲水性水蒸发体的温度，反而会显著提高亲水性水蒸发体的温度，从而使该碳纳米管网络-石蜡太阳能蒸汽发电装置具有良好的发电能力和超快的水蒸发率。
相应的，该典型实施例还提供了一种海水淡化及发电方法，其包括：
提供前述的水蒸发发电一体化系统；
将所述水蒸发发电一体化系统设置于海面上方，同时将与亲水性水蒸发体连接的吸水绳的下端浸入海水中；
使太阳光照射所述疏水性加热体和亲水性水蒸发体，使海水蒸发，同时发电，收集水蒸气，获得淡水。
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统，其特征在于包括蒸发单元和发电单元，所述蒸发单元包括能够吸收太阳能的疏水性加热体和亲水性水蒸发体，所述发电单元包括热电模块、储热模块及热绝缘模块，所述亲水性水蒸发体、疏水性加热体、热电模块、储热模块和热绝缘模块沿设定方向依次设置，并且所述疏水性加热体分别与亲水性水蒸发体、热电模块导热连接，所述热电模块还与储热模块导热连接。
2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统，其特征在于：所述亲水性水蒸发体包括亲水性碳纳米管泡沫或亲水性碳纳米管海绵；和/或，所述疏水性加热体包括疏水性碳纳米管薄膜；和/或，所述储热模块包括石蜡层；和/或，所述热绝缘模块包括隔热层。
3.根据权利要求2所述的基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统，其特征在于：所述隔热层包括EVA泡沫。
4.根据权利要求1所述的基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统，其特征在于：在有太阳光照射时，所述疏水性加热体的温度高于亲水性水蒸发体的温度，从而在所述疏水性加热体与亲水性水蒸发体之间形成温度梯度，且所述疏水性加热体还为热电模块供热。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统，其特征在于：所述亲水性水蒸发体还与吸水体的一端连接，所述吸水体的另一端能够被浸入水中。
6.根据权利要求5所述的基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统，其特征在于：所述吸水体连续贯穿所述疏水性加热体、热电模块、储热模块和热绝缘模块。
7.根据权利要求5所述的基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统，其特征在于：当所述水蒸发发电一体化系统工作时，所述水蒸发发电一体化系统被设置于水面上方，所述吸水体的另一端被浸入水中。
8.根据权利要求5所述的基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统，其特征在于：所述吸水体包括吸水绳。
9.一种水蒸发及发电方法，其特征在于包括：
提供权利要求1-8中任一项所述的基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统；
将所述水蒸发发电一体化系统设置于水面上方，同时至少将与亲水性水蒸发体连接的吸水体的下端浸入水中；
至少使太阳光照射所述疏水性加热体和亲水性水蒸发体，从而实现水蒸发及发电。
10.一种海水淡化方法，其特征在于包括：
提供权利要求1-8中任一项所述的基于碳纳米管和热电的水蒸发发电一体化系统；
将所述水蒸发发电一体化系统设置于水面上方，同时至少将与亲水性水蒸发体连接的吸水体的下端浸入海水；
至少使太阳光照射所述疏水性加热体和亲水性水蒸发体，使海水蒸发，同时收集水蒸气，获得淡水。
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