CN113716641A - 一种基于聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置 - Google Patents

一种基于聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置，包括有双轴跟踪构件、菲涅尔透镜、聚光光伏、电解制氢池、冷却水流道板、感光探头和风速传感器等部分，旨在为西部，特别是在西藏、新疆等太阳能丰富区域聚光条件下光伏电解制氢及盐碱水淡化工程提供一种多能互补优化装置。本发明装置能实时跟踪最优太阳能入射能流方位以及为聚光光伏板工作的最佳适宜工况和膜蒸馏热端能量供给提供有机调控，从而提升从源头到终端的太阳能利用效率。本装置具有低能、高效、智能化程度高、集成度好等优点。

Description

一种基于聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置
技术领域
本发明属于新能源与节能领域，具体涉及一种基于聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置。
背景技术
在能源的转化利用中，提升可再生能源的占比，特别是氢能的制备，储存，输运等具有重要的国家战略意义。通过光伏板吸收太阳能辐射储电继而电解水制氢相较于光催化、光电等制氢技术能有较高的制氢效率，但是,其中也有很多的科学瓶颈，例如，电解产生的氢氧如何高效分离以及光伏板在强日光辐射条件下导致的局部过热问题会大大降低光伏整体能量转化效率。
结合我国太阳能区域分布不均匀特性，特别是在在新疆，西藏等西部海拔相对较高地区构建大规模太阳能光伏储电系统，并使用部分储存的电能在电解槽中实现全天候电解制氢过程具有重要的价值，有利于优化我国西部地区的用能结构，助推传统能源向低碳能源体系转型。然而，在高原地区的日照强度呈现出非常强的非均匀骤变过程，早晚温差极其明显。这对于光伏板的光电有效转化过程存在严重阻碍。
同时，我国西部地区一年四季降雨量非常稀少，水分蒸发量远远超出其降水量，在这种情况下容易导致土壤中盐分析出到土壤表层而形成盐碱地，继而会使得地下水中的盐分增加。这将对居民的生产，生活造成极大的困扰，此外，这种高浓度的盐成分会降低植被的存活率，更加加剧土地沙漠化，制约农业的发展。现在，针对盐碱水淡化的问题，很多解决方案都是利用锅炉加热基于蒸发的原理将盐碱水先气化成水蒸气，再利用冷凝回流的方法制取得到相对纯净的饮用水。这种方法虽然有效，但是在处理的过程中需要输入大量的热量，经济性比较差，而且提纯方法步骤相对繁琐。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置，利用该装置可以提升在高能流密度下太阳能转化为电能的输出效率，从而电解水制备更多的氢和氧气。除此之外，还能够利用光伏板背部的废热驱动膜蒸馏淡化构件，尤其适用于太阳能资源丰富的西部地区，例如，新疆、西藏等淡水资源匮乏的区域。反应装置能够优化整体的从能源输入端到用能端的高效转变及用能端的丰富性。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种基于聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置，包括聚光菲涅尔透镜、聚光光伏、电解制氢池、冷却水流道板、感光探头、盐碱水储罐以及废热驱动的膜蒸馏淡化水部件；
膜蒸馏淡化水部件包含有热端和冷端两部分，两者之间设置有疏水性多孔膜和导热铜板；热端和冷端均由圆柱型腔室构成，冷端对应的腔室上下有对称通孔；热端含有用于间歇性通入盐碱水的进料孔、在疏水性多孔膜和导热铜板之间的正下方位置，设置有用于盛装盐碱水淡化后的淡水储罐；冷端设置的对称通孔用于循环恒温水，恒温水的温度由恒温水箱进行合理控制；
工作时，东西向旋转轴和南北向拉杆能够通过感光探头的反馈机制自动追踪至当天最强的太阳光方向；聚光菲涅尔透镜将室外直接太阳能聚光至聚光光伏转化为电能并供给电解制氢池持续产出氢、氧气；同时，盐碱水储罐中的盐碱水通过循环泵输送至聚光光伏正后方的冷却水流道板进行热交换过程，将聚光光伏局部过热区域降温至室温工况，增大太阳能到电能的转化效率；携带有热量的盐碱水被继续输送至膜蒸馏淡化水部件的热端腔室，利用热端区与冷端恒温区的温度差驱动膜蒸馏过程，继而利用淡水储罐回收蒸馏冷却后的淡水。
本发明进一步的改进在于，还包括风速传感器，聚光菲涅尔透镜呈正方形，且通过四周设置的铝合金边框固定，铝合金边框与聚光光伏之间通过对称的四根呈外扩发散态的圆柱形不锈钢连接；东西向旋转轴和南北向拉杆通过感光探头进行控制，或者通过风速传感器来协同调整方位，避免在强风载荷条件下装置稳定性受到破坏。
本发明进一步的改进在于，放置于盐碱水储罐中的盐碱水通过循环泵间歇性输送至冷却水流道板中，其中泵的间歇时间比例根据实际的聚光光伏与冷却水流道板的换热过程和膜蒸馏过程所需最佳温差驱动力来决定。
本发明进一步的改进在于，冷却水流道板的进口和出口都采用多孔并串连接模式的“山”字型弯头，用于保证盐碱水在冷却水流道板流动过程中有非常均匀的分布状态，降低换热热阻，增大整体换热效率。
本发明进一步的改进在于，膜蒸馏淡化水部件的热端腔室、疏水性多孔膜、导热铜板、冷端腔室采用从左至右叠层布局方式，并通过四个对称的螺栓杆进行装配；疏水性多孔膜的孔径在0.05-1微米之间，膜的厚度在20-200微米之间，膜采用聚合物材质进行制成，孔隙率高。
本发明进一步的改进在于，经过聚光光伏背部的换热过程之后流动的盐碱水的温度达60-90℃，冷端腔室的水温通过恒温水箱控制在20℃-25℃之间，保证充分的温度差来驱动膜蒸馏过程，膜蒸馏的实际淡化水产量为1.5kgm-2h-1。
本发明进一步的改进在于，聚光光伏部分下方设置有正方形底座，并且其与东西向旋转轴之间通过两根支撑杆焊接，确保聚光菲涅尔透镜及聚光光伏在恶劣天气下装置运行的稳定性并随着底部旋转装置实时跟踪太阳能的方位。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种基于聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置，能够为基于室外直接太阳能利用的聚光光伏制氢反应系统缓解局部过热现象，提升光-电-氢的能量整体转化效率。同时，通过盐碱水与光伏板背部进行充分的换热过程，此废热可用来驱动膜蒸馏淡化水装置，获得纯净的淡水资源。
进一步，聚光透镜的聚焦模式可以根据聚焦后光线的走向分为点聚焦和线性聚光，聚光比可以在50-2500之间波动。具体适宜的聚光比可以对比最佳聚光光伏工作条件来动态控制。
进一步，装置在运行过程中东西向旋转轴和南北向拉杆能够通过感光探头的负反馈机制自动追踪至当天最强的太阳光方向，确保能量转化过程中最大太阳能能流输入。
进一步，盐碱水循环泵采用间歇式控制方式抽取盐碱水，间歇调控时间可以通过光伏板背部局部热量与盐碱水的具体换热过程性能及膜蒸馏热端淡化效果来决定。
进一步，本装置在确保光伏制氢效率的同时，增大了对太阳能的综合利用，收集的废热用来驱动淡化装置，提高了用能终端的丰富性及整体能量效率。
综上，本发明提供的一种双轴跟踪式并基于直接太阳能聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置，主要思路是利用当地的盐碱水为聚光光伏降温以提供全天候均匀恒温的工作环境，同时，利用盐碱水携带的废热采用一步膜蒸馏技术完成对盐碱水的高效淡化过程。此方法既能够提升光伏板将太阳能转化为电能的潜力，从而提升太阳能到氢能的整体转化效率。另外也能够将部分盐碱水加热并通过膜蒸馏设备的热端口输入完成脱盐处理过程。该处理方法具有低能耗、简单、高效的特点，提升了对废热的资源化利用，具有重要的推广价值。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
附图标记说明：
1.盐碱水储罐；2.循环泵；3.冷却水流道板；4.聚光光伏；5.南北向拉杆；6.风速传感器；7.感光探头；8.聚光菲涅尔透镜；9.铝合金边框；10.圆柱形不锈钢；11.正方形底座；12.电解制氢池；13.东西向旋转轴；14.弯头；15.淡水储罐；16.疏水性多孔膜；17.导热铜板；18.恒温水箱；19.对称通孔；20.进料孔。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。以下具体实例有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，在不脱离本发明构思的前提下，都可以对装置做出若干的变形和改造。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种基于聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置，主要包括聚光菲涅尔透镜8、聚光光伏4、电解制氢池12、冷却水流道板3、感光探头7、风速传感器6、盐碱水储罐1以及废热驱动的膜蒸馏淡化水部件等。其中膜蒸馏淡化水部件主要包含有热端和冷端两部分，两者之间有疏水性多孔膜16和导热铜板17；热端和冷端都是由圆柱型腔室构成，冷端对应的腔室上下有对称通孔19。热端含有用于间歇性通入盐碱水的进料孔20、下端在疏水性多孔膜16和导热铜板17之间设置有用于盛装盐碱水淡化后的淡水储罐15。冷端设置的对称通孔19用于循环恒温水，恒温水的温度由恒温水箱18进行合理控制。在装置工作时，聚光光伏部分装置整体通过感光探头7和风速传感器6的反馈作用自东向西跟踪太阳，并且其仰角也可以适当调节。太阳能辐射光线通过聚光光伏板的汇聚作用，使得更多的光子激发光伏板中P-N结从而产出更多的电能。电能能够供给后续的电解制氢池12产生氢气和氧气。当然，在聚光的过程中会由于局部过热现象可能会导致光伏板的效率降低，此时，通过合理调控循环泵2的启停周期，调节光伏板背部的盐碱水流量，控制光伏实时工作温度，保证其反应时温度的均匀性。通过盐碱水换热后的热量转化为盐碱水自身的显热进行储存。在泵的推动下继续送至膜蒸馏组件，由于恒温水箱18的控温作用，在疏水性多孔膜16两侧会形成明显的温度差，由于不同温度下蒸汽的饱和蒸气压差，在温度差明显的情况下，盐碱水中的溶剂会转变为水蒸气穿过膜，而由于本身膜的物化性质是疏水的，两侧宏观的水不会透过膜，这样，形成的水蒸气在导热铜板17的骤冷作用下会形成纯净的蒸馏水。
本发明装置的出发点是基于能量的综合利用，提升整体效率，采用膜蒸馏盐碱水淡化技术既能够获得在干旱缺水条件下更多的纯净水，亦可减缓聚光光伏产电制氢过程中的局部过热问题，提升制氢效率，一举两得。

Claims (7)

1.一种基于聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置，其特征在于，包括聚光菲涅尔透镜(8)、聚光光伏(4)、电解制氢池(12)、冷却水流道板(3)、感光探头(7)、盐碱水储罐(1)以及废热驱动的膜蒸馏淡化水部件；
膜蒸馏淡化水部件包含有热端和冷端两部分，两者之间设置有疏水性多孔膜(16)和导热铜板(17)；热端和冷端均由圆柱型腔室构成，冷端对应的腔室上下有对称通孔(19)；热端含有用于间歇性通入盐碱水的进料孔(20)、在疏水性多孔膜(16)和导热铜板(17)之间的正下方位置，设置有用于盛装盐碱水淡化后的淡水储罐(15)；冷端设置的对称通孔(19)用于循环恒温水，恒温水的温度由恒温水箱(18)进行合理控制；
工作时，东西向旋转轴(13)和南北向拉杆(5)能够通过感光探头(7)的反馈机制自动追踪至当天最强的太阳光方向；聚光菲涅尔透镜(8)将室外直接太阳能聚光至聚光光伏(4)转化为电能并供给电解制氢池(12)持续产出氢、氧气；同时，盐碱水储罐(1)中的盐碱水通过循环泵(2)输送至聚光光伏(4)正后方的冷却水流道板(3)进行热交换过程，将聚光光伏(4)局部过热区域降温至室温工况，增大太阳能到电能的转化效率；携带有热量的盐碱水被继续输送至膜蒸馏淡化水部件的热端腔室，利用热端区与冷端恒温区的温度差驱动膜蒸馏过程，继而利用淡水储罐(15)回收蒸馏冷却后的淡水。
2.根据权利要求1所述的一种基于聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置，其特征在于，还包括风速传感器(6)，聚光菲涅尔透镜(8)呈正方形，且通过四周设置的铝合金边框(9)固定，铝合金边框(9)与聚光光伏(4)之间通过对称的四根呈外扩发散态的圆柱形不锈钢(10)连接；东西向旋转轴(13)和南北向拉杆(5)通过感光探头(7)进行控制，或者通过风速传感器(6)来协同调整方位，避免在强风载荷条件下装置稳定性受到破坏。
3.根据权利要求1所述的一种基于聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置，其特征在于，放置于盐碱水储罐(1)中的盐碱水通过循环泵(2)间歇性输送至冷却水流道板(3)中，其中泵的间歇时间比例根据实际的聚光光伏(4)与冷却水流道板(3)的换热过程和膜蒸馏过程所需最佳温差驱动力来决定。
4.根据权利要求1所述的一种基于聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置，其特征在于，冷却水流道板(3)的进口和出口都采用多孔并串连接模式的“山”字型弯头(14)，用于保证盐碱水在冷却水流道板(3)流动过程中有非常均匀的分布状态，降低换热热阻，增大整体换热效率。
5.根据权利要求1所述的一种基于聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置，其特征在于，膜蒸馏淡化水部件的热端腔室、疏水性多孔膜(16)、导热铜板(17)、冷端腔室采用从左至右叠层布局方式，并通过四个对称的螺栓杆进行装配；疏水性多孔膜(16)的孔径在0.05-1微米之间，膜的厚度在20-200微米之间，膜采用聚合物材质进行制成，孔隙率高。
6.根据权利要求1所述的一种基于聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置，其特征在于，经过聚光光伏(4)背部的换热过程之后流动的盐碱水的温度达60-90℃，冷端腔室的水温通过恒温水箱(18)控制在20℃-25℃之间，保证充分的温度差来驱动膜蒸馏过程，膜蒸馏的实际淡化水产量为1.5kgm-2h-1。
7.根据权利要求1所述的一种基于聚光光伏电解制氢中废热驱动的盐碱水淡化装置，其特征在于，聚光光伏部分下方设置有正方形底座(11)，并且其与东西向旋转轴(13)之间通过两根支撑杆焊接，确保聚光菲涅尔透镜(8)及聚光光伏(4)在恶劣天气下装置运行的稳定性并随着底部旋转装置实时跟踪太阳能的方位。
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