CN113044901B - 被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置，包括蒸发单元、冷凝单元和集水单元，蒸发单元包括蒸发池和太阳光选择性吸收制热器，太阳光选择性吸收制热器位于蒸发池的内部，在太阳光波段的吸收率大于80%，太阳光以外的中红外波段的吸收率低于20%；冷凝单元采用中红外光选择性辐射材料或结构，覆盖在蒸发单元上，用于透射太阳光和辐射中红外光；集水单元包括内部集水槽和外部集水槽，内部集水槽位于冷凝单元内底部周边，用于收集汇集的蒸发池中的冷凝水，外部集水槽位于冷凝单元外底部周边，用于收集汇集的空气中的冷凝水。本发明集太阳能水淡化与冷凝水收集于一体，发挥两者优势，淡水产出率更高，结构简单，绿色环保。

Description

被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置

技术领域

本发明涉及光学工程技术领域和水利工程技术领域，尤其涉及一种集太阳能海水淡化与冷凝水收集于一体的获取淡水资源的装置。

背景技术

水资源危机和能源危机是全球性挑战。预计2050年，世界上约75%的人口将面临水资源短缺问题。不仅如此，能源的匮乏也影响人类对淡水资源的获取。

地球上约71%的面积覆盖着海水，海水约占总水量的97%，而陆地上的淡水资源不到总水量的1%。如此少的可利用淡水资源还面临着环境污染。为解决人类对淡水资源日益增加的需求，多级闪蒸、反渗透、电渗析、太阳能膜蒸馏等多种海水淡化技术被开发出来。太阳能海水淡化技术借助太阳光来加热海水，使之蒸发冷凝获得纯净水。太阳光取之不尽用之不竭且绿色环保。相比其它技术，太阳能海水淡化技术具有结构简单、成本低廉、环境友好和可持续利用的优势，特别适合应用于能源匮乏的国家或者地区。关于太阳能海水淡化技术主要集中于研究局部加热技术来提高水的蒸发速率(Nature Communications, 2014,5: 4449; Nature Energy, 2016, 1: 16126; Nature Photonics, 2016, 10: 393-398;Nature Nanotechnology, 2018, 13: 489-495)。在自然太阳光照射下，蒸发速率已接近其理论极限(Nature Energy, 2018, 1: 16126)。以往采用热传导和对流换热方式实现水蒸气的冷凝，其冷凝功率远低于太阳光的加热功率，致使太阳能海水淡化系统产水量不高。

另一方面，空气中的水分是一种巨大的可再生水资源。利用冷凝器将空气温度降到露点温度便可使水汽凝结成水。相比主动式冷凝器，被动式冷凝器通过辐射中红外波段能量到外太空（温度仅为3 K）实现冷凝，而无需消耗能源(Sustainable Water ResourcesManagement, 2016, 2: 71-86)。然而利用现有冷凝技术推出的商用辐射冷凝器主要工作在夜间，因其对太阳光有吸收，日间冷凝效果减弱。

发明内容

本发明旨在克服现有技术劣势，将太阳能海水淡化与被动式辐射冷凝器有机结合起来，发挥两种技术优势，提供一种被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置，包括蒸发单元、冷凝单元和集水单元；

所述蒸发单元包括蒸发池和太阳光选择性吸收制热器，所述蒸发池设有原水进口和浓盐水出口，所述太阳光选择性吸收制热器位于蒸发池的内部，在太阳光波段的吸收率大于80%，太阳光以外的中红外波段的吸收率低于20%；

所述冷凝单元采用中红外光选择性辐射材料或结构，覆盖在所述蒸发单元上，用于透射太阳光和辐射中红外光；

所述集水单元包括内部集水槽和外部集水槽，内部集水槽位于冷凝单元内底部周边，用于收集重力作用下汇集的蒸发池中的冷凝水，外部集水槽位于冷凝单元外底部周边，用于收集重力作用下汇集的空气中的冷凝水。

所述原水进口高于浓盐水出口。

所述太阳光选择性吸收制热器为平面薄膜结构、纳米颗粒结构或多孔结构，位于蒸发池边壁、液体底部、液体中间或液面上。

所述冷凝单元为或其剖面为Ʌ型、V型、M型中的一种或者多种的组合，其中斜面与水平面呈10-50°倾角，或者斜面剖面为最速曲线型。

所述内部集水槽的最低处设有内部冷凝水出口，外部集水槽的最低处设有外部冷凝水出口。

所述冷凝单元的内外壁亲水，在太阳光波段的透射率大于80%，在太阳光以外的中红外波段的辐射率大于60%。

所述蒸发池的液面上设有绝热吸水元件，热传导系数小于0.5 W/(mK)，利用毛细作用将水导引至上方，太阳光选择性吸收制热器采用多孔结构，位于绝热吸水元件之上。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

（1）冷凝单元具有太阳光波段高透射、中红外波段高辐射的性质，故冷凝单元可全天候辐射制冷；太阳光选择性吸收制热器具有在太阳光波段高吸收、中红外波段高反射的性质，加热效果显著；两者上下放置，光学上互不影响，可同时捕获太阳光热能和外太空冷能，两者相互促进而提高装置的整体效能。具体而言，冷凝单元涉及中红外光选择性辐射材料或结构，可显著提高日间蒸发池内水蒸气的冷凝速率，同时还可在夜间收集蒸发池内外水汽。因而本发明装置比现有太阳能海水淡化系统和辐射冷凝器有望产生更多的淡水。

（2）本发明可全天候工作，日产水量高。

（3）本发明可以无需消耗能量，全被动式工作，运行成本低，具有突出的节能效果，且绿色环保，可持续产水。

（4）本发明采用一体化结构设计，装置简单，制作成本低，占地面积少。

（5）本发明不仅用于海水淡化，还可用于盐碱水资源化和废水处理等，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明实施例1的被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置的二维结构示意图。

图2是本发明实施例1的被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置的原理示意图：日间太阳能海水淡化工作模式。

图3是本发明实施例1的被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置的原理示意图：夜间冷凝水收集工作模式。

图4是本发明实施例1的被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置的一种三维结构示意图：冷凝单元为“Ʌ”型结构。

图5是本发明实施例1的被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置的一种三维结构示意图：冷凝单元为“V”型结构。

图6是本发明实施例1的被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置的一种三维结构示意图：冷凝单元为“M”型结构。

图7是本发明实施例2的被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置的二维结构示意图。

图中，蒸发池1、太阳光选择性吸收制热器2、原水进口3、浓盐水出口4、冷凝单元5、第一内部集水槽61、第二内部集水槽62、第一外部集水槽71、第二外部集水槽72、第一内部冷凝水出口81、第二内部冷凝水出口82、第一外部冷凝水出口91、第二外部冷凝水出口92、前部集水槽10、绝热吸水元件11。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明的技术方案进行详细清楚地描述。以下所描述的实施例仅用于说明本发明，但不用于限制本发明的范围。

实施例1

一种被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置，包括蒸发单元、冷凝单元和集水单元。

如图1所示，所述蒸发单元包括蒸发池1和太阳光选择性吸收制热器2。所述蒸发池1侧壁设有原水进口3和浓盐水出口4，原水进口3高于浓盐水出口4；但是若安装有水泵，原水进口3和浓盐水出口4的高度可以根据需要调节。所述的原水包括海水、盐碱水或者工农业废水等，对于本领域技术人员来说，可以根据实际需要，进一步拓展原水的范畴。

所述太阳光选择性吸收制热器2的位置可以变化或者根据需要调节，可位于蒸发池1边壁、液体底部、液体中间或液面上。

所述冷凝单元5采用中红外光选择性辐射材料或结构，Ʌ型覆盖在所述蒸发池1上，两边与水平面呈10-50°的倾角，具有透射太阳光和辐射中红外光的功能。

所述集水单元包括第一内部集水槽61、第二内部集水槽62、第一外部集水槽71、第二外部集水槽72，内部集水槽位于冷凝单元5内底部周边，第一内部冷凝水出口81，第二内部冷凝水出口82位于内部集水槽的最低处，外部集水槽位于冷凝单元5外底部周边，第一外部冷凝水出口91，第二外部冷凝水出口92位于外部集水槽的最低处。

进一步地，所述太阳光选择性吸收制热器2可为平面薄膜结构、纳米颗粒结构或多孔结构，在太阳光波段的吸收率大于80%，太阳光以外的中红外波段的吸收率低于20%，比宽带光谱吸收制热器具有更优异的加热功能。平面薄膜结构可为多层膜结构或者表面具有微纳结构的平面薄膜，主要放在蒸发池边壁或液体底部；纳米颗粒结构主要为金属纳米颗粒结构，分散在液体中；多孔结构主要放在液面上，跟绝热吸水元件配合使用，效果更佳。

进一步地，所述冷凝单元5的内壁和外壁皆亲水，在太阳光波段的透射率大于80%，在太阳光以外的中红外波段的辐射率大于60%，具有全天候辐射制冷功能；所述蒸发池1中的水汽于所述冷凝单元内壁全天候凝结为液态水，而外界空气中的水汽于所述冷凝单元5外壁凝结为液态水，分别在重力作用下汇集到所述内部和外部集水槽。冷凝单元可以是聚合物或介质，含C-O-C、C-OH、-CF₃、Si-O-Si键的一种或多种，可为多层膜结构或微纳结构。

结合图2和图3，对本发明装置的工作原理作进一步阐述。如图2所示，在日间，太阳光透过冷凝单元，垂直或以小入射角照射到太阳光选择性吸收制热器，被太阳光选择性吸收制热器吸收。因为太阳光选择性吸收制热器在太阳光以外的中红外波段的吸收率低，根据基尔霍夫定律，意味着热辐射损耗被抑制，故太阳光选择性吸收制热器可很好地积聚太阳光热能，比宽带光谱吸收制热器具有更优异的加热功能。水蒸气遇到冷凝单元凝结成液态水，沿着冷凝单元内壁流入内部集水槽。一方面冷凝单元外壁通过对流换热，将部分热能传递给环境空气；另一方面，因为冷凝单元在太阳光波段的吸收率低，而在太阳光以外的中红外波段的辐射率高，故可在阳光照射下通过热辐射散失更多能量。在对流换热与热辐射的共同作用下，冷凝单元可保持较低的温度和较高的冷凝功率。相比仅通过对流换热方式散热的传统冷凝器，本发明的冷凝单元的冷凝功率和水蒸气的冷凝速率可大幅提高。因此，本发明装置可在日间产出更多淡水。本发明的装置在日间以太阳光水淡化为主要工作模式。

如图3所示，在夜间，太阳光强度很低，太阳光选择性吸收制热器停止对水加热，水温不再升高，而外界温度明显下降，此时冷凝单元仍通过热辐射向外散失能量，保持较低的温度。蒸发池内外空气中的水分便会在冷凝单元的内外表面凝结成液态水，在重力作用下汇集到集水槽。本发明的装置在夜间以空气中水分的冷凝收集为主要工作模式。而在早晨和傍晚，本发明的装置可同时进行太阳光水淡化与空气中水分的冷凝收集。

由此可见，本发明的装置可全天候工作，相比传统的单独的太阳光水淡化装置和传统的单独的辐射冷凝器，工作时间更长，效率更高，故可产出更多淡水。

进一步地，结合图4、图5、图6，给出冷凝单元的三种具体结构设计，并加以说明。

如图4所示，冷凝单元为类似屋顶的“Ʌ”型结构，这种结构有利于冷凝单元与空气的对流换热，在日间工作时，由于水蒸发产生的水蒸气温度较高，此时冷凝单元温度低于水蒸气温度，但高于环境温度，热对流有利于冷凝单元热量的散失，从而促进水蒸气在冷凝单元内壁凝结成液态水；在夜间工作时，冷凝单元主要收集蒸发池内外空气中的水汽，此时冷凝单元的温度低于环境温度，热对流将消弱冷凝单元的散热及空气中水分的冷凝收集。此外，如图4所示，冷凝单元的后部高于前部，因此冷凝水会在重力作用下汇集到前部集水槽10。

如图5所示，冷凝单元为“V”型结构，这种结构可在一定程度上抑制冷凝单元与空气的对流换热，在日间工作时，由于水蒸发产生的水蒸气温度往往较高，此时冷凝单元温度低于水蒸气温度，但高于环境温度，使冷凝单元因热对流引起的热量散失有所消弱，在一定程度上影响内部水蒸气的冷凝速率和海水淡化效率；在夜间工作时，冷凝单元主要收集空气中的水汽，此时冷凝单元的温度低于环境温度，抑制热对流有利于冷凝单元的散热，收集更多冷凝水。此外，如图5所示，冷凝单元的后部高于前部，因此冷凝水会在重力作用下汇集到前部集水槽10。此外，“V”型结构在中部设置集水槽，便于冷凝水的收集。

如图6所示，冷凝单元为“M”型结构，这种结构既存在促进热对流的表面，也存在抑制热对流的表面，是对前两种结构的综合。此外，如图6所示，冷凝单元的后部高于前部，因此冷凝水会在重力作用下汇集到前部集水槽10。

冷凝单元可为或者其剖面可为Ʌ型、V型、M型中的一种或者多种的组合，其中斜面与水平面可呈10-50°倾角，或者斜面剖面为最速曲线型。比如冷凝单元是正置或倒置圆锥形，剖面可为Ʌ型、V型。

实施例2

如图7所示，本实施例在实施例1基础上进一步设有绝热吸水元件11；绝热吸水元件11的热传导系数一般小于0.5 W/(mK)，放置于蒸发池1中海水表面之上，利用毛细吸力将绝热吸水元件11下方的水导引至上方；太阳光选择性吸收制热器2设置为多孔结构，放置于绝热吸水元件之上；绝热吸水元件11阻隔太阳光选择性吸收制热器2的热量向蒸发池底部海水传导，使热量聚集于太阳光选择性吸收制热器2与绝热吸水元件11之间，对局部水加热，使之蒸发。该设计利用局部加热蒸发原理进一步提高海水蒸发速率，提高太阳光海水淡化效率。绝热吸水元件，如EPS泡沫，比较轻能浮于液体表面，热传导系数也小。对于本领域技术人员来说，还可以采用其它合适的材质。

本说明书中所述实施例的各技术特征可以进行任意组合，为使描述清晰简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述。因此，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为属于本说明书记载的范围内。

Claims (6)

1.一种被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置，其特征在于，包括蒸发单元、冷凝单元和集水单元；

所述蒸发单元包括蒸发池和太阳光选择性吸收制热器，所述蒸发池设有原水进口和浓盐水出口，所述太阳光选择性吸收制热器位于蒸发池的内部，在太阳光波段的吸收率大于80%，太阳光以外的中红外波段的吸收率低于20%；

所述冷凝单元采用中红外光选择性辐射材料或结构，覆盖在所述蒸发单元上，用于透射太阳光和辐射中红外光；所述冷凝单元的内外壁亲水，在太阳光波段的透射率大于80%，在太阳光以外的中红外波段的辐射率大于60%；

所述集水单元包括内部集水槽和外部集水槽，内部集水槽位于冷凝单元内底部周边，用于收集重力作用下汇集的蒸发池中的冷凝水，外部集水槽位于冷凝单元外底部周边，用于收集重力作用下汇集的空气中的冷凝水。

2.根据权利要求1所述的被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置，其特征在于，所述原水进口高于浓盐水出口。

3.根据权利要求1所述的被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置，其特征在于，所述太阳光选择性吸收制热器为平面薄膜结构、纳米颗粒结构或多孔结构，位于蒸发池边壁、液体底部、液体中间或液面上。

4.根据权利要求1所述的被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置，其特征在于，所述冷凝单元为或其剖面为Ʌ型、V型、M型中的一种或者多种的组合，其中斜面与水平面呈10-50°倾角，或者斜面剖面为最速曲线型。

5.根据权利要求1所述的被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置，其特征在于，所述内部集水槽的最低处设有内部冷凝水出口，外部集水槽的最低处设有外部冷凝水出口。

6.根据权利要求1所述的被动式全天候一体化太阳能水淡化与冷凝收集装置，其特征在于，所述蒸发池的液面上设有绝热吸水元件，热传导系数小于0.5 W/(mK)，利用毛细作用将水导引至上方，太阳光选择性吸收制热器采用多孔结构，位于绝热吸水元件之上。

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