CN113860409A - 一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海水蒸馏系统，尤指一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统及工作方法，包括太阳能集热装置、蒸馏装置、光伏储能装置和热电装置，蒸馏装置包括蒸馏水箱、冷凝器和蒸馏水收集箱，热电装置包括热电热泵与水冷板，其中热电热泵的热端水冷板通过热量输送管连通至蒸馏水箱中，冷端水冷板通过冷水输送管连通至冷凝器中；太阳能集热装置与蒸馏装置连接，光伏储能装置与热电装置供电连接；本发明的蒸馏系统充分回收冷凝器处水蒸气的冷凝潜热，用于加热海水，提高系统能源利用效率，在太阳光照不足或夜晚也可正常工作，弥补太阳能间歇性的缺点，本发明亦可以离网运行，适用于淡水资源紧缺、且远离国家能源网络的海岛或偏远地区。

Description

一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统及工作方法
技术领域
本发明涉及一种海水蒸馏系统，尤指一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统及工作方法。
背景技术
根据联合国的统计数据，截至2021年全世界约有40亿人面临缺水问题；预计到2050年，将有超过500个城市的淡水供应量减少10%，影响人数近6.85亿。我国也面临水资源短缺的问题，人均水资源占有量约为2100 m3，仅为世界人均水平的28%；同时，我国水资源分布不均，与人口、经济发展水平不匹配，水资源浪费、水污染等问题更加剧了淡水资源危机，我国的沿海地区也面临着用水紧张问题。《海水淡化利用发展行动计划（2021—2025年）》（发改环资〔2021〕711号）指出，我国55个沿海地级以上城市中有51个为缺水城市，12个海岛县全部为缺水县，水资源供需矛盾十分突出。因此，海水淡化技术逐渐成为补充和储备水资源的主要手段。
太阳能海水淡化主要是利用太阳能的热能和光伏发电产生的电能进行海水淡化。根据加热方式，太阳能海水淡化蒸馏技术可分为被动式太阳能蒸馏系统与主动式太阳能蒸馏系统。被动式太阳能蒸馏系统不依靠附加部件，仅依靠太阳能光照时产生的热量进行海水淡化，如单级或多级倾斜式太阳能蒸馏器，回热式球面聚光式太阳能蒸馏器等；主动式太阳能蒸馏系统则是在被动式系统的基础上增加辅助设备，有效地改善了系统内部的传热传质过程，且对凝结过程中的潜热进行回收利用，如单级或多级附加集热器的盆式蒸馏器，自然或强迫循环式太阳能蒸馏器等。
但是，传统的海水淡化系统仍有待改进的地方，比如消耗大量能源但产能不足，不仅加快能源短缺还会造成环境污染。因此，为符合可持续发展的需要，结合可再生能源与海水淡化已成趋势，其中太阳能逐渐成为了蒸馏法的重要能源。目前的淡化系统存在的缺陷包括：蒸馏时，产生的水蒸汽直接在冷凝器处冷凝，水蒸气的凝结潜热未回收利用，而是散失到大气环境。同时由于太阳能能量具有低密度性和不稳定性的特点，系统易受天气变化影响导致无法连续运行生产淡水。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在公开一种海水蒸馏系统，尤指一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统及工作方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统，其特征在于，所述的蒸馏系统主要包括太阳能集热装置、蒸馏装置、光伏储能装置和热电装置，
其中，所述的蒸馏装置主要包括蒸馏水箱、冷凝器和蒸馏水收集箱，所述的蒸馏水箱为箱体结构，顶部设置有与冷凝器连接的蒸汽入口，所述的冷凝器包括冷凝管与冷凝外壳，冷凝管设置在冷凝外壳内部，且冷凝外壳上开设有蒸馏水出口，蒸馏水出口处通过蒸馏输水管连接至蒸馏水收集箱；
所述的热电装置包括热电热泵与水冷板，其中热电热泵的热端水冷板通过热量输送管连通至蒸馏水箱中，蒸馏水箱通过管路回连至热端水冷板处；热电热泵的冷端水冷板通过冷水输送管连通至冷凝器中，冷凝器通过潜热输送管回连至冷端水冷板处；
所述的太阳能集热装置与蒸馏装置连接，所述的光伏储能装置与热电装置供电连接。
优选地，所述的热电热泵与水冷板通过螺栓连接，热电热泵与水冷板的导热面处涂设有导热硅脂层。
优选地，所述的太阳能集热装置设有海水存放箱、太阳能集热板与集热输水管，太阳能集热板与海水存放箱接触连接以加热海水，海水存放箱通过集热输水管连通至蒸馏水箱开设的蒸馏箱进水口处。
优选地，所述的光伏储能装置主要包括蓄电池与太阳能光伏板，通过太阳能光伏板与热电装置电性连接。
优选地，所述的集热输水管、热量输送管、潜热输送管的管路上分别连接有水泵。
优选地，所述的蒸馏水箱和蒸馏水收集箱分别连接有出水管及出水控制阀门。
优选地，所述的冷凝器与冷端水冷板连接的管路上还可以增设连接恒温水箱。
一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统的工作方法，其特征在于，所述的工作方法包括以下步骤：
1）将待蒸馏的海水传输至太阳能集热装置中，通过太阳能集热板吸收太阳能热量而对海水进行预加热；
2）将预加热的海水输入到蒸馏水箱中，加热过程中产生的水蒸气在蒸汽入口处到达冷凝器，并在冷凝器内凝结成水珠，水珠沿着冷凝外壳的内壁、冷凝器的冷凝管外壁往下流，并从蒸馏水出口处经蒸馏输水管流入蒸馏水收集箱中；
3）蒸馏水箱的水加热蒸发时，热电热泵同步工作，其热端水冷板产生热量并通过热量输送管输送至蒸馏水箱中以进一步加热海水；当蒸馏水箱温度高时，需加大热电热泵的工作电流，以提高热端水冷板的温度；其冷端水冷板吸收冷水的热量，并将热量转移至热端水冷板，同时将冷端水冷板的冷水通过冷水输送管输送到冷凝器中以实现水蒸气的冷凝；
4）当水蒸气冷凝时，凝结释放的潜热通过潜热输送管输送回冷端水冷板处，以提高热电热泵冷端水冷板温度；根据逆卡诺循环原理，当冷端温度提高时，热泵的制热性能系数增大，从而提高了热电热泵热端的制热效率；
5）光伏储能装置工作时，通过太阳能光伏板进行发电，蓄电池进行储能，晴天，太阳能光伏板为蒸馏系统的热电热泵、水泵提供电力；夜晚或者阴雨天气，蒸馏系统使用蓄电池的能源继续工作，从而达到连续工作，可提高了日产水量。
本发明的有益效果体现在：本发明的蒸馏系统充分回收冷凝器处水蒸气的冷凝潜热，用于加热海水，提高系统能源利用效率，在太阳光照不足或夜晚也可正常工作，弥补太阳能间歇性的缺点，本发明亦可以离网运行，适用于淡水资源紧缺、且远离国家能源网络的海岛或偏远地区。
本发明利用热电热泵进行能量回收，将其水冷板将产生的热量用于加热待蒸发的蒸馏水箱的苦咸海水，同时将其冷量用于冷凝水蒸气，热源水在热电热泵冷端水冷板被吸热降温，在冷凝器处回收水蒸气的凝结潜热，将热量搬运到热电热泵冷端水冷板处，从而提高热电热泵冷端水冷板的并温度，增强热电热泵的加热性能。
本发明还利用了太阳能的光热、光电，通过太阳能集热板把太阳能转化为热能，用以加热待蒸发海水，从而对海水进行预加热并传输到蒸馏水箱中；太阳能光伏板吸收太阳能使其转变为电能，为蒸馏系统的热电热泵、水泵提供电源，不消耗常规能源，属于零碳产品。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
附图标注说明：1-太阳能集热板，2-蒸馏箱进水口，3-集热输送控制泵，4-蒸馏水箱，5-蒸汽入口，6-冷凝器，7-蒸馏水出口，8-蒸馏水收集箱控制阀，9-蒸馏水收集箱，10-蒸馏水箱控制阀，11-热电热泵，12-冷端水冷板，13-热端水冷板，14-热量输送控制泵，15-恒温水箱，16-潜热输送控制泵，17-蓄电池，18-太阳能光伏板。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式：
一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统，其特征在于，所述的蒸馏系统主要包括太阳能集热装置、蒸馏装置、光伏储能装置和热电装置，
其中，所述的蒸馏装置主要包括蒸馏水箱4、冷凝器6和蒸馏水收集箱9，所述的蒸馏水箱4为箱体结构，顶部设置有与冷凝器6连接的蒸汽入口5，所述的冷凝器6包括冷凝管与冷凝外壳，冷凝管设置在冷凝外壳内部，且冷凝外壳上开设有蒸馏水出口7，蒸馏水出口7处通过蒸馏输水管连接至蒸馏水收集箱9；
所述的热电装置包括热电热泵11与水冷板，其中热电热泵11的热端水冷板13通过热量输送管连通至蒸馏水箱4中，蒸馏水箱4通过管路回连至热端水冷板13处；热电热泵11的冷端水冷板12通过冷水输送管连通至冷凝器6中，冷凝器6通过潜热输送管回连至冷端水冷板12处；所述的热电热泵11与水冷板通过螺栓连接，热电热泵11与水冷板的导热面处涂设有导热硅脂层；
所述的太阳能集热装置与蒸馏装置连接，所述的太阳能集热装置设有海水存放箱、太阳能集热板1与集热输水管，太阳能集热板1与海水存放箱接触连接以加热海水，海水存放箱通过集热输水管连通至蒸馏水箱4开设的蒸馏箱进水口2处；
所述的光伏储能装置与热电装置供电连接；所述的光伏储能装置主要包括蓄电池17与太阳能光伏板18，通过太阳能光伏板18与热电装置电性连接；
进一步地，所述的集热输水管、热量输送管、潜热输送管的管路上分别连接有水泵；分别为集热输送控制泵3、热量输送控制泵14、潜热输送控制泵16；所述的蒸馏水箱4和蒸馏水收集箱9分别连接有出水管及出水控制阀门，控制阀门分别为蒸馏水箱控制阀10和蒸馏水收集箱控制阀8；所述的冷凝器6与冷端水冷板12连接的管路上还可以增设连接恒温水箱15；
一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统的工作方法，所述的工作方法包括以下步骤：
1）将待蒸馏的海水传输至太阳能集热装置中，通过太阳能集热板1吸收太阳能热量而对海水进行预加热；
2）将预加热的海水输入到蒸馏水箱4中，加热过程中产生的水蒸气在蒸汽入口5处到达冷凝器6，并在冷凝器6内凝结成水珠，水珠沿着冷凝外壳的内壁、冷凝器的冷凝管外壁往下流，并从蒸馏水出口7处经蒸馏输水管流入蒸馏水收集箱9中；
3）蒸馏水箱4的水加热蒸发时，热电热泵11同步工作，其热端水冷板13产生热量并通过热量输送管输送至蒸馏水箱4中以进一步加热海水；当蒸馏水箱4温度高时，需加大热电热泵11的工作电流，以提高热端水冷板13的温度；其冷端水冷板12吸收冷水的热量，并将热量转移至热端水冷板13，同时将冷端水冷板12的冷水通过冷水输送管输送到冷凝器6中以实现水蒸气的冷凝；
4）当水蒸气冷凝时，凝结释放的潜热通过潜热输送管输送回冷端水冷板12处，以提高热电热泵11冷端水冷板12温度；根据逆卡诺循环原理，当冷端温度提高时，热泵的制热性能系数增大，从而提高了热电热泵11热端的制热效率；
5）光伏储能装置工作时，通过太阳能光伏板18进行发电，蓄电池17进行储能，晴天，太阳能光伏板18为蒸馏系统的热电热泵11、水泵提供电力；夜晚或者阴雨天气，蒸馏系统使用蓄电池17的能源继续工作，从而达到连续工作，可提高了日产水量。
本实施例可回收水蒸气的冷凝潜热，提高系统的能源利用率，从而降低每单位淡水的能耗，本实施例的冷凝器6的冷凝管内冷水流经热电热泵11冷端水冷板12时，热量被热电热泵11转移至热端水冷板13，冷水温度降低，当中水作为工质，在冷凝器6处回收水蒸气的凝结潜热，并将热量搬运到热电热泵11冷端水冷板12，以提高热电热泵11冷端水冷板12温度，增强热电热泵11的加热性能；因此除了太阳能加热海水外，热电热泵11也可加热海水，提高系统运行温度进而提高淡水的生产效率，实现双热源海水加热。
在无太阳光照或者阴天情况，本实施例也可正常工作，本实施例的热电热泵11不但使蒸馏系统热源温度高，而且在无太阳光照情况下，即使太阳能集热器暂时不能加热海水，但热电热泵11的热端可继续加热海水蒸发，弥补了太阳能间歇性的缺点。
本实施例的蒸馏系统，其核心器件热电热泵11简单可靠，对环境友好，热电热泵11既可以制冷也可以制热，且制冷不用制冷剂，故无泄漏，无污染，清洁卫生；结构体积小，无机械传动部件，故无磨损、无噪声、无振动，维修量少，寿命长，可靠性高，且最大加热效率超过电加热的2倍。
本实施例的蒸馏系统能离网运行，利用海水淡化技术结合丰富的太阳能资源，适用于淡水资源紧缺、且远离国家能源网络的海岛或偏远地区，是一种低成本、零碳的急用取水选择。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制，本行业的技术人员，在本技术方案的启迪下，可以做出一些变形与修改，凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统，其特征在于，所述的蒸馏系统主要包括太阳能集热装置、蒸馏装置、光伏储能装置和热电装置，
其中，所述的蒸馏装置主要包括蒸馏水箱、冷凝器和蒸馏水收集箱，所述的蒸馏水箱为箱体结构，顶部设置有与冷凝器连接的蒸汽入口，所述的冷凝器包括冷凝管与冷凝外壳，冷凝管设置在冷凝外壳内部，且冷凝外壳上开设有蒸馏水出口，蒸馏水出口处通过蒸馏输水管连接至蒸馏水收集箱；
所述的热电装置包括热电热泵与水冷板，其中热电热泵的热端水冷板通过热量输送管连通至蒸馏水箱中，蒸馏水箱通过管路回连至热端水冷板处；热电热泵的冷端水冷板通过冷水输送管连通至冷凝器中，冷凝器通过潜热输送管回连至冷端水冷板处；
所述的太阳能集热装置与蒸馏装置连接，所述的光伏储能装置与热电装置供电连接。
2.根据权利要求1所述的一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统，其特征在于，所述的热电热泵与水冷板通过螺栓连接，热电热泵与水冷板的导热面处涂设有导热硅脂层。
3.根据权利要求1所述的一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统，其特征在于，所述的太阳能集热装置设有海水存放箱、太阳能集热板与集热输水管，太阳能集热板与海水存放箱接触连接以加热海水，海水存放箱通过集热输水管连通至蒸馏水箱开设的蒸馏箱进水口处。
4.根据权利要求1所述的一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统，其特征在于，所述的光伏储能装置主要包括蓄电池与太阳能光伏板，通过太阳能光伏板与热电装置电性连接。
5.根据权利要求3所述的一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统，其特征在于，所述的集热输水管、热量输送管、潜热输送管的管路上分别连接有水泵。
6.根据权利要求1所述的一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统，其特征在于，所述的蒸馏水箱和蒸馏水收集箱分别连接有出水管及出水控制阀门。
7.根据权利要求1所述的一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统，其特征在于，所述的冷凝器与冷端水冷板连接的管路上还可以增设连接恒温水箱。
8.一种回收冷凝潜热的太阳能海水淡化蒸馏系统的工作方法，其特征在于，所述的工作方法包括以下步骤：
1）将待蒸馏的海水传输至太阳能集热装置中，通过太阳能集热板吸收太阳能热量而对海水进行预加热；
2）将预加热的海水输入到蒸馏水箱中，加热过程中产生的水蒸气在蒸汽入口处到达冷凝器，并在冷凝器内凝结成水珠，水珠沿着冷凝外壳的内壁、冷凝器的冷凝管外壁往下流，并从蒸馏水出口处经蒸馏输水管流入蒸馏水收集箱中；
3）蒸馏水箱的水加热蒸发时，热电热泵同步工作，其热端水冷板产生热量通过热量输送管输送至蒸馏水箱中以进一步加热海水；当蒸馏水箱温度高时，需加大热电热泵的工作电流，以提高热端水冷板的温度；其冷端水冷板吸收冷水的热量，并将热量转移至热端水冷板，同时将冷端水冷板的冷水通过冷水输送管输送到冷凝器中以实现水蒸气的冷凝；
4）当水蒸气冷凝时，凝结释放的潜热通过潜热输送管输送回冷端水冷板处，以提高热电热泵冷端水冷板温度；
5）光伏储能装置工作时，通过太阳能光伏板进行发电，蓄电池进行储能，晴天，太阳能光伏板为蒸馏系统的热电热泵、水泵提供电力；夜晚或者阴雨天气，蒸馏系统使用蓄电池的能源继续工作。
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