CN113294922A - 一种太阳能驱动光热-热电耦合增效的界面蒸发装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于可再生能源领域的一种太阳能驱动光热‑热电耦合增效的界面蒸发装置。该界面蒸发装置由光热蒸发膜、热电模块、电加热膜、冷凝装置和储水装置组成；其中光热蒸发膜分别连接电加热膜、冷凝装置和水池，同时光热蒸发膜直接接收太阳光；冷凝装置和储水装置连接；电加热膜并联热电模块；热电模块与水池的睡眠接触。界面蒸发装置将蒸发膜作为太阳光热吸收转换中心和水蒸发中心、将热电模块作为绝热保温体和温差发电中心，将电加热膜作为焦耳加热中心，利用界面蒸发膜光热‑热电耦合增效技术将太阳能高效转换为热能驱动水蒸发；并收集蒸发产生的冷凝水。本发明结构简单，操作灵活，可应用于海水淡化，废水处理以及太阳能干燥污泥等领域。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源领域，特别涉及一种太阳能驱动光热-热电耦合增效的界面蒸发装置。
背景技术
水和能源是与生命，经济发展和社会进步息息相关的关键因素，在未来几十年里，地球上可供人类持续发展的清洁水和能源供应将面临巨大压力。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的可再生能源，在缓解当前人类所面临的能源和水资源短缺等挑战方面具有广阔的发展前景。通过太阳能蒸发技术，将太阳能转换为热能并用于海水淡化，可以一定程度上满足人类对淡水资源的需求。近年来，国内外学者将对太阳光具有良好吸收性能的光热转换材料与支撑基材进行复合，可获得具有优异光热转换特性的蒸发膜，将其用于太阳能海水淡化领域可望获得无限量的淡水资源。但蒸发膜吸光生热的同时，与海水和空气存在温差，这些温差作用引起的能量耗散极大，限制其热蒸发效率，如何进一步提高热蒸发效率是该技术工业化应用的技术瓶颈。
目前，光热膜蒸发技术是实现太阳光热转换并驱动蒸发的主流途径，其因结构简单、制造成本低、光热转换效率高、运行方便等优势，有较好的工业化应用前景。本发明在该技术的基础上，引入余热利用的热电模块，优化耦合设计一种新型的一体化光热膜。该设计一方面利用热电模块充当绝热体，阻断热蒸发膜向水体传递热量，实现较好的热限定；另一方面利用光热膜与水体接触形成的温差发电，所产生的电能同步焦耳加热电加热膜，从而可大幅提升光热膜蒸发温度。该装置实现了两类技术的优势互补，耦合增效性的利用太阳能驱动界面蒸发，不仅缓解了光热膜余热耗散损失，还同步回收了蒸发过程产生的低品味余热，因而有望大幅提升界面蒸发效率。
发明内容
本发明的目的是提出一种太阳能驱动光热-热电耦合增效的界面蒸发装置，其特征在于，所述光热-热电耦合增效的界面蒸发装置将蒸发膜作为太阳光热吸收转换中心和水蒸发中心、将热电模块作为绝热保温体和温差发电中心，将电加热膜作为焦耳加热中心，利用界面蒸发膜光热-热电耦合增效技术将太阳能高效转换为热能驱动水蒸发；
所述光热-热电耦合增效的界面蒸发装置由光热蒸发膜、热电模块、电加热膜、冷凝装置和储水装置组成；其中光热蒸发膜分别连接电加热膜、冷凝装置和水池，同时光热蒸发膜直接接收太阳光；冷凝装置和储水装置连接；电加热膜并联热电模块；热电模块与水池的睡眠接触。
所述的光热蒸发膜是微纳结构的光热转换膜材料，具有水输运、存储和热质传递功能，在全太阳光谱内具有良好吸收太阳光的性能；该光热蒸发膜由金、银、铜或/和铝的金属纳米材料及其碳纳米管、石墨烯的碳基纳米材料与支撑基材的复合产物；具有碳化结构、多孔泡沫、复合气凝胶、有机海绵结构的新材料；作为太阳能的光能吸收转换中心，吸收的太阳能可分为两部分：直接照射的太阳光热以及间接回收的低品位余热两部分。
所述的热电模块承载光热蒸发膜并漂浮于水面之上，在界面蒸发装置中，热电模块一方面借助热蒸发过程实现温差发电，同时有效阻止热蒸发膜上的热量向下部水体传递，实现较好的热限定；热电模块产生的电能以焦耳加热电加热膜，进一步提高热蒸发膜上的温度。
所述的电加热膜位于光热蒸发膜和热电模块之间，一方面传递光热蒸发膜的高温热流至热电模块上表面，同时焦耳加热光热蒸发膜，实现多能量互补和低品位余热回收再利用。
本发明的有益效果是采用热电模块充当绝热体，阻断热量向流体深部传递，实现对光热蒸发膜有效热限定；电加热膜实现高效热传递和能量转换再利用；热电模块将光热蒸发膜与水体温差转换为电能，然后焦耳加热电加热膜，进一步提升光热蒸发膜的温度，实现界面蒸发光热-热电耦合。本发明具有如下优点：
(1)本发明在传统技术基础上引入热电模块和电加热膜，实现界面蒸发装置的热限定、温差发电和低品味余热回收利用。实现能量转换过程的能量互补和梯级利用，从而提高了太阳能光热转化效率，实现太阳能到热能的高效转化与利用。
(2)本发明装置结构简单，操作灵活，引入热电模块和电加热膜廉价、稳定且方便购买。
(3)本发明太阳能光热蒸发水生成水蒸气的效率高，清洁无污染，具有很高性价比优势。
(4)本发明可用于海水淡化，废水处理以及太阳能干燥污泥等领域，为传统的水处理技术能力提升及工程应用提出了新的思路及解决方案。
附图说明
图1为太阳能驱动光热-热电耦合增效的界面蒸发装置示意图。
图2为太阳能驱动光热-热电耦合增效的界面蒸发示意图。
具体实施方式
本发明提出一种太阳能驱动光热-热电耦合增效的界面蒸发装置，所述光热-热电耦合增效的界面蒸发装置将蒸发膜作为太阳光热吸收转换中心和水蒸发中心、将热电模块作为绝热保温体和温差发电中心，将电加热膜作为焦耳加热中心，利用界面蒸发膜光热-热电耦合增效技术将太阳能高效转换为热能驱动水蒸发；下面结合附图对本发明做详细说明。
图1所示为太阳能驱动光热-热电耦合增效的界面蒸发示意图。光热-热电耦合增效的界面蒸发装置由光热蒸发膜2、热电模块3、电加热膜4、水池5、冷凝装置6和储水装置7组成；其中，太阳光1直接照射到光热蒸发膜22上，光热蒸发膜2分别连接电加热膜4、水池5和冷凝装置6，冷凝装置6和储水装置7连接；电加热膜4并联热电模块3；热电模块3与水池5的睡眠接触。同时光热蒸发膜2直接接收太阳光1；
图2为太阳能驱动光热-热电耦合增效的界面蒸发装置系统图。所述的太阳能驱动光热-热电耦合增效的界面蒸发装置包括太阳光1、光热蒸发膜2、热电模块3、电加热膜4。
所述的光热蒸发膜是微纳结构的光热转换膜材料，具有水输运、存储和热质传递功能，在全太阳光谱内具有良好吸收太阳光的性能；该光热蒸发膜由金、银、铜或/和铝的金属纳米材料及其碳纳米管、石墨烯的碳基纳米材料与支撑基材的复合产物；具有碳化结构、多孔泡沫、复合气凝胶、有机海绵结构的新材料；作为太阳能的光能吸收转换中心，吸收的太阳能可分为两部分：直接照射的太阳光热以及间接回收的低品位余热两部分。多孔光热蒸发膜可自动将水输运至膜内高温点，同时吸收太阳光热使膜温度升高，实现水蒸发(如图2所示)，水蒸气蒸腾后进入冷凝储水装置生成清洁水；只存在光热蒸发膜的情况下，吸收转换的热能与水以热对流形式损耗掉，极大降低太阳光热蒸发速率；加入热电模块充当绝体阻断热量传递，实现较好的热限定，同时热电模块上侧为光热膜的高温区，下侧为水体的低温区，实现温差发电，所得到的电能以焦耳加热电加热膜，进一步提高热蒸发膜上的温度；光热蒸发膜一方面持续吸收、存储太阳光热，强化光热转换能力，另一方面获取更多低品位热能，不断提高蒸发膜的温度。两种技术耦合互补将高效驱动太阳能水蒸发成蒸汽；蒸汽被冷凝装置冷凝成冷凝清洁水，由储水装置储存。
上述多孔光热膜利用其微纳结构特性实现毛细输运水至膜内高温点，此时，一方面光热膜受阳光照射，自身温度升高并驱动水蒸发，另一方面热电模块利用温差发电，产生太电能焦耳加热电加热膜，再次加热光热蒸发膜，从而持续高效产出蒸汽。
本发明提出的界面蒸发装置，将光能吸收、存储与转换中心的光热蒸发膜和温差发电的热电模块、焦耳加热的电加热膜三种功能进行多能量互补，与传统技术相比，同步回收低品位余热，实现太阳能高效转换热能并驱动水蒸发。在光热-热电耦合增效作用下，达到高效光热蒸发效果。
综上所述，本发明提出一种太阳能驱动光热-热电耦合增效的界面蒸发装置，利用界面蒸发膜光热-热电耦合增效技术将太阳能高效转换为热能驱动水蒸发，同步收集蒸发过程的低品位余热。因此，该原理及系统具有很强的科学创新性及技术竞争力，有很广泛的工业应用前景。
Claims (4)
1.一种太阳能驱动光热-热电耦合增效的界面蒸发装置，其特征在于，所述光热-热电耦合增效的界面蒸发装置将蒸发膜作为太阳光热吸收转换中心和水蒸发中心、将热电模块作为绝热保温体和温差发电中心，将电加热膜作为焦耳加热中心，利用界面蒸发膜光热-热电耦合增效技术将太阳能高效转换为热能驱动水蒸发；
所述光热-热电耦合增效的界面蒸发装置由光热蒸发膜、热电模块、电加热膜、冷凝装置和储水装置组成；其中光热蒸发膜分别连接电加热膜、冷凝装置和水池，同时光热蒸发膜直接接收太阳光；冷凝装置和储水装置连接；电加热膜并联热电模块；热电模块与水池的睡眠接触。
2.根据权利要求1所述一种太阳能驱动光热-热电耦合增效的界面蒸发装置，其特征在于，所述的光热蒸发膜是微纳结构的光热转换膜材料，具有水输运、存储和热质传递功能，在全太阳光谱内具有良好吸收太阳光的性能；该光热蒸发膜由金、银、铜或/和铝的金属纳米材料及其碳纳米管、石墨烯的碳基纳米材料与支撑基材的复合产物；具有碳化结构、多孔泡沫、复合气凝胶、有机海绵结构的新材料；作为太阳能的光能吸收转换中心，吸收的太阳能可分为两部分：直接照射的太阳光热以及间接回收的低品位余热两部分。
3.根据权利要求1所述一种太阳能驱动光热-热电耦合增效的界面蒸发装置，其特征在于，所述的热电模块承载光热蒸发膜并漂浮于水面之上，在界面蒸发装置中，热电模块一方面借助热蒸发过程实现温差发电，同时有效阻止热蒸发膜上的热量向下部水体传递，实现较好的热限定；热电模块产生的电能以焦耳加热电加热膜，进一步提高热蒸发膜上的温度。
4.根据权利要求1所述一种太阳能驱动光热-热电耦合增效的界面蒸发装置，其特征在于，所述的电加热膜位于光热蒸发膜和热电模块之间，一方面传递光热蒸发膜的高温热流至热电模块上表面，同时焦耳加热光热蒸发膜，实现多能量互补和低品位余热回收再利用。
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