CN113697883A - 基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置 - Google Patents

基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置，包括海水蒸发器、气泵、温差发电装置、淡水收集箱、电加热棒以及真空储水罐，其中，海水蒸发器的蒸汽出口通过第一导气管与气泵连接，海水蒸发器的海水出口通过供水管与真空储水箱连接，电加热棒安装于真空储水箱内部，真空储水箱的蒸汽出口通过第二导气管与气泵连接，气泵与温差发电装置连接，温差发电装置的热端底部设有与淡水收集箱连接的冷凝水出水口。本发明提出的太阳能海水淡化装置，将光热转换材料和相变储能材料进行一体化设计，使太阳能海水淡化过程中的能量得到充分利用。

Description

基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置
技术领域
本发明涉及海水淡化领域，尤其涉及一种基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置。
背景技术
我国水资源总量约为28000亿m3，占世界水资源总量的6％左右，由于人口众多，人均占有量仅为世界人均占有量的1/4，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。随着我国经济的发展，水资源供给压力会进一步扩大，严重地影响城市的建设和社会的发展。解决淡水资源短缺的问题，最重要、最有效的途径之一就是进行海水淡化。但由于太阳能海水淡化系统以光源作为输入能源，使得能源的稳定性、均一性较低，因此仅依靠单一热源的海水淡化系统稳定性较差，并且蒸馏过程中产生的蒸汽凝结潜热未能得到有效利用，致使能量损失到大气环境中。
伴随着可再生能源的开发和利用，储能技术因其可以协调能源供需间匹配、平抑电源侧波动、实现可再生能源的有效分配和利用引起各国的关注和青睐。储热技术主要包括显热储热、相变储热、热化学/吸附储热技术等。其中，相变储热主要依靠相变材料在相变过程中吸收和释放热量的特性来进行储热和释热，具有储热密度高，储热工艺简单成熟的优点，发展潜力巨大。此外，相变蓄放热过程基本保持恒温，可以减少储热和释热过程中能量的损失。
温差热发电技术是利用高、低温热源之间的温差，采用低沸点工作流体作为循环工质，通过热源加热循环工质产生的蒸汽推动透平机发电。近年来，国内在温差发电芯片上的研究越来越多，使得温差发电技术逐渐趋于成熟。所以将温差发电技术用在海水淡化蒸汽潜热的回收利用中可以真正实现光能、热能、电能的一体化循环。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置，旨在利用温差发电技术使太阳能海水淡化过程中所产生的蒸汽余热得到合理利用。
为实现上述目的，本发明提供一种基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置，包括海水蒸发器、气泵、温差发电装置、淡水收集箱、电加热棒以及真空储水罐，其中，
所述海水蒸发器的蒸汽出口通过第一导气管与气泵连接，海水蒸发器的海水出口通过供水管与真空储水箱连接，电加热棒安装于真空储水箱内部，真空储水箱的蒸汽出口通过第二导气管与气泵连接，气泵与温差发电装置连接，温差发电装置的热端底部设有与淡水收集箱连接的冷凝水出水口。
优选地，所述海水蒸发器内部安装有多块中空设置的集热板，集热板内部中空层封装有相变储热材料。
优选地，所述海水蒸发器为密闭腔体内，多块集热板呈螺旋阶梯式布置于海水蒸发器内部。
优选地，所述集热板上表面涂覆有多孔结构的集热层，该集热层采用亲水性黑色材料制成。
优选地，所述亲水性黑色材料为生物质碳材料掺杂CuS-CNTs(Carbon nanotube，碳纳米管)复合材料，生物质碳材料和CuS-CNTs复合材料的混合物通过物理固相沉积法形成集热板表面的集热层，所述CuS-CNTs复合材料为通过水热法将CuS颗粒沉积在碳纳米管，所述生物质碳材料通过对木材进行高温碳化和机械球磨制备而成。
优选地，所述海水蒸发器的顶部安装具有聚光作用的菲涅尔透镜。
优选地，所述电加热棒外表面镀有耐海水腐蚀层，电加热棒通过供电装置与温差发电装置电连接。
优选地，所述第一导气管和第二导气管的外面均包裹有保温棉；所述海水蒸发器的外表面包裹有泡沫隔热层。
优选地，所述温差发电装置包括温差发电芯片以及与其连接的冷端和热端，温差发电装置的冷端上部依次通过储水箱、水泵和制冷机与温差发电装置的冷端下部连接，温差发电装置的热端上部与气泵连接，温差发电装置的热端下部与淡水收集箱连接。
优选地，所述气泵、水泵和制冷机均由太阳能电池板供电。
本发明提出的基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置，具有以下有益效果。
1、利用耐海水腐蚀的金属材料制备海水蒸发器：使装置具有良好的抗热震性和耐热性，以及使用寿命长，导热率高等优势。结合螺旋阶梯中空式的集热板，并在其内部封装相变材料，同时在集热板上平铺一层亲水性黑色多孔材料作为集热层，这样的结构设计可以在增大蒸发面积的同时延长水流在集热层加热时间，即便是在没有太阳光照的情况下也可以利用PCM(PCM-Phase Change Material，相变材料)相变放出热量进行海水淡化，因此可以极大的提高生产率。
2、利用多种碳基吸光材料和无机半导体材料制备集热层：复合后的材料具有良好的光热转换性能和导热率，极大提高蒸发材料的亲水性和太阳能转换效率，从而在很大程度上提高了海水蒸发效率。
3、利用相变储热材料进行热量存储：弥补太阳辐射随时间地点不匹配的问题，选用铜镍合金薄板对相变材料进行封装，解决了相变材料在相变过程中的泄漏问题，同时提高导热率，增加了传热效率。
4、利用蒸汽余热进行温差发电：将海水蒸发过程中产生的蒸汽潜热转化为电能，避免了能量的损失和浪费，实现了能量的多级利用。
5、产品性能分析：本装置所使用的能源均为清洁可再生能源，因此这种新型海水淡化技术在综合利用自然资源、强化传热、回收能量和提高综合效率方面具有广阔的发展应用前景。将光热转换材料和相变储能材料进行集热储热一体化设计，避免了传统海水淡化工艺对环境造成的污染，在节能减排上具有一定的优势。另一方面，本装置结构简单，成本廉价，并且可以大规模工业化推广。
6、市场需求分析：在缺水地区和沿海地区淡水短缺一直是亟待解决的一大难题，利用太阳能进行海水淡化，其市场需求良好。
7、未来前景分析：装置结构简单，成本廉价，可以大规模工业化推广。
附图说明
图1为本发明基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置的结构示意图；
图2为本发明基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置中海水蒸发器的立体结构示意图；
图3为本发明基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置中海水蒸发器的内部主视结构示意图；
图4为本发明基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置中海水蒸发器的内部俯视结构示意图。
图中，1-海水蒸发器，2-气泵，3-温差发电装置，4-淡水收集箱，5-储电装置，6-电加热棒，7-真空储水罐，8-第一导气管，9-第二导气管，10-供水管，11-储水箱，12-水泵，13-制冷机，14-导线，15-集热板。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参照图1至图4，一种基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置，包括海水蒸发器1、气泵2、温差发电装置3、淡水收集箱4、电加热棒6以及真空储水罐7，其中，
海水蒸发器1的蒸汽出口通过第一导气管8与气泵2连接，海水蒸发器1的海水出口通过供水管10与真空储水箱11连接，电加热棒6安装于真空储水箱11内部，真空储水箱11的蒸汽出口通过第二导气管9与气泵2连接，气泵2与温差发电装置3连接，温差发电装置3的热端底部设有与淡水收集箱4连接的冷凝水出水口。
具体地，海水蒸发器1内部安装有多块中空设置的集热板15，集热板15内部中空层封装有高潜热的相变储热材料。采用相变储热材料进行热量存储，弥补了太阳辐射随时间地点不匹配的问题，可选用铜镍合金薄板对相变材料进行封装，解决了相变材料在相变过程中的泄漏问题，同时提高导热率，增加了传热效率。
参照图2至图4，海水蒸发器1为密闭腔体，多块集热板15呈螺旋阶梯式布置于海水蒸发器1内部。海水蒸发器1和集热板15的材质为耐海水腐蚀的金属材料。
进一步地，集热板15上表面涂覆有多孔结构的集热层，该集热层采用亲水性黑色材料制成。采用多孔结构的集热层，可以在增大蒸发面积的同时延长水流在集热层的加热时间。
具体地，亲水性黑色材料为生物质碳材料掺杂CuS-CNTs复合材料，生物质碳材料和CuS-CNTs复合材料的混合物通过物理固相沉积法形成集热板表面的集热层，CuS-CNTs复合材料为通过水热法将CuS颗粒沉积在碳纳米管，生物质碳材料通过对致密性好的木材进行高温碳化和机械球磨制备而成。复合后的材料具有良好的光热转换性能和导热率，极大提高蒸发材料的亲水性和太阳能转换效率，从而在很大程度上提高了海水蒸发效率。
进一步地，海水蒸发器1的顶部安装具有聚光作用的菲涅尔透镜。
进一步地，电加热棒6外表面镀有耐海水腐蚀层，电加热棒6通过供电装置与温差发电装置3电连接。
进一步地，第一导气管8和第二导气管9的外面均包裹有保温棉；海水蒸发器1的外表面包裹有泡沫隔热层(其侧面和底部均包括有泡沫隔热层)。
具体地，参照图1，温差发电装置3包括温差发电芯片以及与其连接的冷端和热端，温差发电装置3的冷端上部依次通过储水箱11、水泵12和制冷机13与温差发电装置3的冷端下部连接，温差发电装置3的热端上部与气泵2连接，温差发电装置3的热端下部与淡水收集箱4连接。气泵2、水泵12和制冷机13均由太阳能电池板供电。
本太阳能海水淡化装置的工作原理如下。
海水蒸发器1上部的蒸汽出口a出的蒸汽通过第一导气管8进入气泵2，之后与温差发电装置3结合，并在温差发电装置3的热端进行淡水收集，温差发电装置3发出的电能进入储电装置5中，并对电加热棒6进行供电。另外，海水蒸发器1下部的出水口b，对真空储水罐7进行供水，真空储水罐7内的海水通过电加热棒6进行加热，产生的蒸汽由第二导气管9和气泵2送入温差发电装置3进行冷凝，实现电加热海水淡化。
以下以三个实施例为例具体说明。
实施例1：
模拟光源的设计：
为使处于下层的集热板15获得较高的辐射强度，通过模拟光源装置进行多次试验，确定模拟光源的安装位置以及海水蒸发器1大小，其辐射强度可通过调节升降支架的高度来实现。试验采用3只氙灯，每只功率为1000W，相互间形成120°的夹角固定在一个圆盘上，且距圆盘中心距离为165mm，圆盘位于集热板15正上方，与其平行，通过测量3只氙灯距集热面不同高度处和集热器不同位置处的辐照量。
结果表明，氙灯距集热面的高度在450mm～650mm之间，所产生的辐射强度能满足试验所需的辐射强度。
在本实施例中，海水蒸发器1是在Monel 400合金圆柱体，海水蒸发器1设置如图2所示的螺旋阶梯式中空式的集热板15。通过氙灯模拟夏季沿海地区太阳辐射强度约为1000W/m2，光源距海水蒸发器1顶部距离为150mm，海水蒸发器1直径为600mm，高度为300mm，壁厚为3mm。集热板15的壁厚2mm，相变材料填充的整体平均厚度为15mm。海水蒸发器1的外部侧面和底部均包裹有50mm厚的泡沫隔热层。集热板15材质同为Monel 400合金，利用物理固相沉积法将生物质碳材料以3：2复合CuS-CNTs均匀涂敷在集热板15的上表面，厚度约为10mm。在集热板15内部封装石蜡作为相变材料，相变焓为187.21kJ/kg，相变温度为55.10℃，导热率为0.211W·m-1·K-1。
蒸发性能试验：
在海水淡化系统中，循环海水的基本参数如下：海水初始浓度为C0＝3.5％，初始温度t0＝21℃，有效集热面积为A＝0.283m2。将海水淡化装置放在模拟光源下，对海水蒸发器1抽真空，使其内部压强为0.01MPa，加热1小时后海水蒸发器1底部海水的浓度为C1＝5.5％，海水温度为t1＝53℃，每隔10min用精密天平称量淡水收集箱4内水的质量，利用公式(1)、(2)计算出海水蒸发器1的蒸发速率达到了1.68kg·m-2·h-1和蒸发效率达到78％，产水量为0.420kg。
v＝Δm/St (1)
η＝vhv/I (2)
其中，v(kg·m-2·h-1)是海水蒸发器1中水的蒸发速率，Δm(kg)是水的蒸发质量，S(m2)是海水蒸发器1的蒸发表面面积，t(h)是蒸发过程持续的时间，η是太阳能的能量效率，hv(2.26×106J·kg-1)是碳基材料中水的蒸发焓，I(W/m2)为太阳辐射强度。
实施例2：
本实施例与实施例1大致相同，不同之处在于：海水蒸发器1直径为800mm，高度为300mm，有效集热面积增加为A＝0.785m2。在辐射强度(I＝1000W/m2)一定的条件下，通过研究增大集热面积对海水蒸发效率的影响。
试验表明，海水初始浓度为C0＝3.5％，初始温度t0＝21℃，海水蒸发器1内部压强为0.01MPa，加热一小时后海水蒸发器1底部海水的浓度为C1＝7.5％，海水温度为t1＝54.2℃，海水蒸发器1的蒸发速率达到了1.91kg·m-2·h-1，蒸发效率达到85.01％。当集热面积由0.286m2增加到0.785m2时，淡水产量由0.420kg增加到0.908kg，即产水量大幅度提高。因此，可通过增加装置的集热面积，提高海水淡化效率。
实施例3：
本实施例与实施例2大致相同，不同之处在于氙灯模拟冬季沿海地区太阳辐射强度约为800W/m2，光源距海水蒸发器1顶部距离250mm。在集热面积(A＝0.785m2)一定的条件下，通过研究辐射强度对海水蒸发效率的影响。
试验表明，海水初始浓度为C0＝3.5％，初始温度t0＝21℃，海水蒸发器1内部压强为0.01MPa，加热一小时后海水蒸发器1底部海水的浓度为C1＝6.4％，海水温度为t1＝48℃，海水蒸发器1的蒸发速率达到了1.79kg·m-2·h-1，蒸发效率达到80.01％，当太阳辐射强度由1000W/m2减少到800W/m2时，淡水产量由0.908kg减少到0.684kg。因此，对于太阳能海水淡化装置而言，充分回收蒸汽的冷凝潜热，加大其热量的循环使用，对于提高装置的海水淡化效率尤为重要。
本发明提出的基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置，具有以下有益效果。
1、利用耐海水腐蚀的金属材料制备海水蒸发器1：使装置具有良好的抗热震性和耐热性，以及使用寿命长，导热率高等优势。结合螺旋阶梯中空式的集热板15，并在其内部封装相变材料，同时在集热板15上平铺一层亲水性黑色多孔材料作为集热层，这样的结构设计可以在增大蒸发面积的同时延长水流在集热层加热时间，即便是在没有太阳光照的情况下也可以利用PCM相变放出热量进行海水淡化，因此可以极大的提高生产率。
2、利用多种碳基吸光材料和无机半导体材料制备集热层：复合后的材料具有良好的光热转换性能和导热率，极大提高蒸发材料的亲水性和太阳能转换效率，从而在很大程度上提高了海水蒸发效率。
3、利用相变储热材料进行热量存储：弥补太阳辐射随时间地点不匹配的问题，选用铜镍合金薄板对相变材料进行封装，解决了相变材料在相变过程中的泄漏问题，同时提高导热率，增加了传热效率。
4、利用蒸汽余热进行温差发电：将海水蒸发过程中产生的蒸汽潜热转化为电能，避免了能量的损失和浪费，实现了能量的多级利用。
5、产品性能分析：本装置所使用的能源均为清洁可再生能源，因此这种新型海水淡化技术在综合利用自然资源、强化传热、回收能量和提高综合效率方面具有广阔的发展应用前景。将光热转换材料和相变储能材料进行集热储热一体化设计，避免了传统海水淡化工艺对环境造成的污染，在节能减排上具有一定的优势。另一方面，本装置结构简单，成本廉价，并且可以大规模工业化推广。
6、市场需求分析：在缺水地区和沿海地区淡水短缺一直是亟待解决的一大难题，利用太阳能进行海水淡化，其市场需求良好。
7、未来前景分析：装置结构简单，成本廉价，可以大规模工业化推广。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置，其特征在于，包括海水蒸发器、气泵、温差发电装置、淡水收集箱、电加热棒以及真空储水罐，其中，
所述海水蒸发器的蒸汽出口通过第一导气管与气泵连接，海水蒸发器的海水出口通过供水管与真空储水箱连接，电加热棒安装于真空储水箱内部，真空储水箱的蒸汽出口通过第二导气管与气泵连接，气泵与温差发电装置连接，温差发电装置的热端底部设有与淡水收集箱连接的冷凝水出水口。
2.如权利要求1所述的基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述海水蒸发器内部安装有多块中空设置的集热板，集热板内部中空层封装有相变储热材料。
3.如权利要求2所述的基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述海水蒸发器为密闭腔体内，多块集热板呈螺旋阶梯式布置于海水蒸发器内部。
4.如权利要求2所述的基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述集热板上表面涂覆有多孔结构的集热层，该集热层采用亲水性黑色材料制成。
5.如权利要求4所述的基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述亲水性黑色材料为生物质碳材料掺杂CuS-CNTs复合材料，生物质碳材料和CuS-CNTs复合材料的混合物通过物理固相沉积法形成集热板表面的集热层，所述CuS-CNTs复合材料为通过水热法将CuS颗粒沉积在碳纳米管，所述生物质碳材料通过对木材进行高温碳化和机械球磨制备而成。
6.如权利要求1所述的基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述海水蒸发器的顶部安装具有聚光作用的菲涅尔透镜。
7.如权利要求1所述的基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述电加热棒外表面镀有耐海水腐蚀层，电加热棒通过供电装置与温差发电装置电连接。
8.如权利要求1所述的基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述第一导气管和第二导气管的外面均包裹有保温棉；所述海水蒸发器的外表面包裹有泡沫隔热层。
9.如权利要求1至8中任意一项所述的基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述温差发电装置包括温差发电芯片以及与其连接的冷端和热端，温差发电装置的冷端上部依次通过储水箱、水泵和制冷机与温差发电装置的冷端下部连接，温差发电装置的热端上部与气泵连接，温差发电装置的热端下部与淡水收集箱连接。
10.如权利要求9所述的基于集热储热一体化的太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述气泵、水泵和制冷机均由太阳能电池板供电。
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