CN113247979A - 一种太阳能光热利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能光热利用系统，包括蒸发器、蒸发室、孔板、进出口管路等，所述蒸发器布置在蒸发室中且其上方布置黑色生物碳作为光热材料，生物碳的周围用聚苯乙烯隔热泡沫包裹，生物碳的底部铺设吸水纸与插入海水的棉芯，所述孔板将蒸发室分隔为上、下两层，所述进口管路连通蒸发器向内运输海水，所述出口管路固定在蒸发室壁面上并向外运输冷凝水。这种利用生物碳作为光热材料的界面光热蒸发系统优化了系统的光吸收与水输运，提高了系统整体的水蒸发速率与光热利用率，进一步解决了系统成本高昂与冷凝水污染的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光热蒸发与海水淡化技术领域，尤其涉及一种太阳能光热利用系统。
背景技术
清洁水资源短缺已经成为人类共同发展的重大问题之一。根据联合国水资源开发报告显示，预计到2025年，全球将有三分之二的人口面临水资源匮乏的问题。为不断提供人们生活和生产所需的水资源，热蒸馏法、电渗析和反渗透法等逐渐被应用于海水淡化领域。然而，以上这些工艺皆是直接或间接地消耗了不可再生的化石能源，大大增加了有害及温室气体的排放，对环境造成巨大破坏。
利用太阳能进行光热蒸发是海水淡化领域的重要手段一，光热蒸发法具有来源丰富与无污染等特点。然而传统的光热蒸发系统需要利用大型聚光器件对弱太阳辐射进行聚焦，以获取足够高的温度来蒸发海水，其高昂的制造成本与维护费用限制了此类光热蒸发系统的发展。近些年来，新兴的界面光热蒸发系统无需聚光器件便能实现较高的光热利用率，其特点是将光热材料布置在水体表面以减少系统对水体的热传导与对流损失，提高系统的光热利用率。目前，在相关文献(Ni Get al.Nat.Energy.2016,1(9):16126；LuJYetal.J.Appl.Phys.2016,120(16):163103；WangJet al.Adv.Materials.2017,29(3):1603730；Velez-Cordero JRet al.Int.J.Therm.Sci.2015,96:12-22。)中记载了等离子金属、聚合物与半导体等被广泛作为光热材料在界面光热蒸发系统进行海水淡化、重金属脱除和蒸汽杀菌等。
然而，此类光热材料成本高昂，系统结构复杂，不利于大面积推广使用。因此，设计出一种成本低廉、结构简单同时具备高性能的界面光热蒸发系统是实现大面积海水淡化的迫切需求。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种可应用于海水淡化等领域的利用生物碳作为光热材料的界面光热蒸发系统，该系统具有高光热蒸发速率与光热利用率，解决了系统成本高昂与冷凝水污染等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种太阳能光热利用系统，包括蒸发室、蒸发器、进水管和出水管，所述蒸发器置于所述蒸发室内，所述进水管与蒸发器相连通，所述出水管和蒸发室相连通，海水通过进水管流入蒸发器的底部，其特征在于：在蒸发器的顶部铺设有一层作为光热材料的生物碳，在蒸发器内还设置有若干棉芯，所述棉芯的一端连接所述生物碳的底部，另一端浸入蒸发器底部的海水中，所述蒸发室的顶部为透明材料，蒸发冷凝后的冷凝水沿着蒸发室的内壁汇集到蒸发室的底部并从出水管流出。
进一步的，所述生物碳为具有亲水性的黑色光热材料，其内部具有发达的微纳孔隙，由天然生物材料碳化制得。
进一步的，所述生物碳的制备方法包括如下步骤：
S1：取适量果皮切割成小块并用纯水清洗干净；
S2：将S1中清洗干净的果皮在-60℃条件下真空冷冻干燥5-7小时；
S3：将S2中冷冻干燥后的果皮放在通有氮气的管式炉中碳化制得生物碳。
进一步的，所述步骤S1中的果皮为百香果果皮。
进一步的，所述步骤S2中的真空冷冻干燥时长为5小时。
进一步的，所述步骤S3中管式炉先以10℃/min的升温速率升温至500℃，恒温3小时后以5℃/min的降温速率降至室温。
进一步的，在所述生物碳和和所述棉芯之间铺设有一层吸水纸。
进一步的，在所述蒸发室内设置有一层均匀开设有若干通孔的孔板，所述孔板将蒸发室分为上下两层，所述蒸发器位于所述蒸发室的上层且放置在孔板上，所述冷凝水汇集在蒸发室的下层。
进一步的，所述生物碳周围用聚苯乙烯隔热泡沫包裹。
进一步的，所述蒸发室和孔板均采用高透光的有机玻璃,，孔板的孔隙率为40％～50％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、该系统具有高光热蒸发速率与光热利用率，解决了系统成本高昂与冷凝水污染的问题，可应用于海水淡化等领域。2、生物碳为亲水性的黑色光热材料，其内部具有发达的微纳孔隙，该生物碳既能通过表面微小凹孔促进陷光作用，又能通过内部多种孔道在毛细作用力下自下而上地将海水运输到生物碳表面，优化了界面光热蒸发系统的光吸收与水输运。3、作为制备生物碳的果皮等原材料广泛易得，制作过程简单且成本低廉，适合于实现大面积的海水淡化。4、孔板将蒸发室分隔为上下两层，在支撑蒸发器的同时也能够让蒸发室壁面上的冷凝水穿过孔板从而汇聚到下层，避免了蒸发器与蒸发室下层的直接热量交换，也避免了冷凝水的被污染的可能性。5、吸水纸可以使得被棉芯吸上来的海水在生物碳的底部迅速铺展开来，形成薄薄一层水层，提高了水传输速率，同时也起到减少热损失的作用。6、生物碳周围用聚苯乙烯隔热泡沫包裹，进一步起到隔热和减少热损失的作用。7、蒸发室与孔板均为高透光的有机玻璃，在保证蒸发器接收到充足太阳辐射的同时能够提供一定的机械强度。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
其中：1-蒸发室；2-蒸发器；3-进水管；4-出水管；5-海水；6-生物碳；7-棉芯；8-冷凝水；9-孔板；10-聚苯乙烯隔热泡沫；11-吸水纸；12-太阳光；13-蒸汽。
具体实施方式
为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
图1示出了一种太阳能光热利用系统，包括蒸发室1、蒸发器2、进水管3和出水管4，蒸发器2置于蒸发室1内，进水管3与蒸发器2相连通，出水管4和蒸发室1相连通，海水5通过进水管3流入蒸发器2的底部，在蒸发器2的顶部铺设有一层作为光热材料的生物碳6，在蒸发器2内还设置有若干棉芯7，棉芯7的一端连接生物碳6的底部，另一端浸入蒸发器2底部的海水5中，蒸发室1的顶部为透明材料，蒸发冷凝后的冷凝水8沿着蒸发室1的内壁汇集到蒸发室1的底部并从出水管4流出。
作为本发明的具体实施例，优选的，生物碳6为具有亲水性的黑色光热材料，其内部具有发达的微纳孔隙，由天然生物材料碳化制得，其制备方法如下：
S1：取适量的百香果果皮切割成适当大小，用纯水清洗至洁净；
S2：将果皮在-60℃条件下真空冷冻干燥5小时；
S3：最后冷冻干燥后的果皮放入管式炉中，通入氮气，管式炉先以10℃/min的升温速率升温至500℃，恒温3小时后以5℃/min的降温速率降至室温。
在蒸发室1内设置有一层均匀开设有若干通孔的孔板9，孔板9将蒸发室1分为上下两层，蒸发器2位于蒸发室1的上层且放置在孔板9上，冷凝水8汇集在蒸发室1的下层。在生物碳6和棉芯7之间铺设有一层吸水纸11，生物碳6周围用聚苯乙烯隔热泡沫10包裹。蒸发室1和孔板9均采用高透光的有机玻璃。
本实施例的具体实施过程及原理如下：
进水管3输送海水5至蒸发器2的底部，棉芯7开始迅速吸水并传输至吸水纸11，海水5通过吸水纸11迅速的在生物碳6的底部铺展开来形成薄水层；生物碳6内部的多孔间隙在毛细作用力下将海水5传输至其表面；太阳光12穿过蒸发室1的透明顶部并辐射到生物碳6的表面上，生物碳6经光热转化后加热海水5并生成蒸汽13；蒸汽13向上逸散后遇到蒸发室1内壁后冷凝成冷凝水8，沿着倾斜的蒸发室1内壁面流经孔板9上的通孔并在蒸发室1的下层中汇集；最后冷凝水8经出水管4向外界传送。
使用上述实施例提供的利用生物碳为光热材料的太阳能光热利用系统，其水蒸发速率为1.22kg m-2h-1，光热利用率为76.5％，对盐度为3.0％的人工海水进行脱盐处理，脱盐率达到99％，满足饮用水要求。
上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太阳能光热利用系统，包括蒸发室(1)、蒸发器(2)、进水管(3)和出水管(4)，所述蒸发器(2)置于所述蒸发室(1)内，所述进水管(3)与蒸发器(2)相连通，所述出水管(4)和蒸发室(1)相连通，海水(5)通过进水管(3)流入蒸发器(2)的底部，其特征在于：在蒸发器(2)的顶部铺设有一层作为光热材料的生物碳(6)，在蒸发器(2)内还设置有若干棉芯(7)，所述棉芯(7)的一端连接所述生物碳(6)的底部，另一端浸入蒸发器(2)底部的海水(5)中，所述蒸发室(1)的顶部为透明材料，蒸发冷凝后的冷凝水(8)沿着蒸发室(1)的内壁汇集到蒸发室(1)的底部并从出水管(4)流出。
2.根据权利要求1所述一种太阳能光热利用系统，其特征在于：所述生物碳(6)为具有亲水性的黑色光热材料，其内部具有发达的微纳孔隙，由天然生物材料碳化制得，吸光率为97％～99％。
3.根据权利要求2所述一种太阳能光热利用系统，其特征在于：所述生物碳(6)的制备方法包括如下步骤：
S1：取适量果皮切割成小块并用纯水清洗干净；
S2：将S1中清洗干净的果皮在-60℃条件下真空冷冻干燥5-7小时；
S3：将S2中冷冻干燥后的果皮放在通有氮气的管式炉中碳化制得生物碳。
4.根据权利要求3所述一种太阳能光热利用系统，其特征在于：所述步骤S1中的果皮为百香果果皮。
5.根据权利要求4所述一种太阳能光热利用系统，其特征在于：所述步骤S2中的真空冷冻干燥时长为5小时。
6.根据权利要求5所述一种太阳能光热利用系统，其特征在于：所述步骤S3中管式炉先以10℃/min的升温速率升温至500℃，恒温3小时后以5℃/min的降温速率降至室温。
7.根据权利要求6所述一种太阳能光热利用系统，其特征在于：在所述生物碳(6)和所述棉芯(7)之间铺设有一层吸水纸(11)。
8.根据权利要求7所述一种太阳能光热利用系统，其特征在于：在所述蒸发室(1)内设置有一层均匀开设有若干通孔的孔板(9)，所述孔板(9)将蒸发室(1)分为上下两层，所述蒸发器(2)位于所述蒸发室(1)的上层且放置在孔板(9)上，所述冷凝水(8)汇集在蒸发室(1)的下层。
9.根据权利要求8所述一种太阳能光热利用系统，其特征在于：所述生物碳(6)周围用聚苯乙烯隔热泡沫(10)包裹。
10.根据权利要求9所述一种太阳能光热利用系统，其特征在于：所述蒸发室(1)和孔板(9)均采用高透光的有机玻璃，孔板(9)的孔隙率为40％～50％。
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