CN114877558B - 一种沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统及其方法 - Google Patents

一种沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统及其方法，包括冷凝器、中枢换热器、蒸发器、若干个吸附床，每个吸附床包括第一换热管，中枢换热器内具有与第一换热管对应连通的第二换热管，中枢换热器用于对外供热形成供热模块；吸附床表面的光伏罩吸收太阳光对外输出电能，形成产电模块；吸附床的蒸汽出口与冷凝器蒸汽进口连通，冷凝器用于将水蒸汽冷凝为液态水，冷凝器的第一出水口连接集水箱形成产水模块；冷凝器的第二出水口与蒸发器进水口连通，且在连接管道上设置膨胀阀，蒸发器出水口与吸附床的进水口连通组成制冷模块。通过太阳能驱动的同一套系统及其方法实现多效输出，以满足沙漠居民对冷热电水的生活需求。

Description

一种沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统及其方法
技术领域
本发明属于新能源利用技术领域，尤其涉及一种沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统及其方法。
背景技术
化石能源枯竭与环境污染恶化是人类舒适生存和社会可持续发展的关键挑战，为满足经济高速发展、提升人居环境的舒适性以及有效应对气候变化，均有赖于开发先进的新能源利用技术。在此背景下，由于太阳能驱动的吸附式能源技术具有显著节能和多效输出效果等优势而受到国内外学者的广泛关注。该技术的显著特点是利用吸附剂对吸附质的吸附热效应来实现对外界的冷量和热量的输出。由于水具有环保安全等特点，采用水作为吸附质可以使吸附剂实现从沙漠空气中捕捉水分子的功能，加上吸附床采用光伏光热设计，又能实现发电功能。因此，采用太阳能驱动的吸附式技术，实现冷热电水联产的同时，显著提升了太阳能的利用效率，并且显著缓解了沙漠地区对冷热电水的紧迫需求。
近年来，由于氨系统具有较大的驱动力和显著的制冷和储热性能，基于卤化物/膨胀石墨和氨工质形成的热化学吸附技术在制冷空调和室内供热方面进行了广泛研究。如Anthony Paul Roskilly教授在Energy Conversion and Management(138(2017)651-658)上发表的“Experimental investigation on an innovative resorption system forenergy storage and upgrade”以及L.L.Vasiliev教授在Applied Thermal Engineering(38(2012)124-130)上发表的“Three adsorbers solar cooler with composite sorbentbed and heat pipe thermal control”，该研究具有较好的制冷与储热效果，但其不足之处在于无法实现集水功能，而水资源对沙漠居民的生活极为重要。基于此，在以水工质作为吸附质的吸附式空气取水方面，最近上海交通大学Ruzhu Wang教授在EnergyEnvironmental Science(14(2021)5979-5994)上发表的“Ultrahigh solar-drivenatmospheric water production enabled by scalable rapid-cycling waterharvester with vertically aligned nanocomposite sorbent”以及麻省理工学院Evelyn N.Wang教授在Science(356(2017)430-434)上发表的“Water harvesting fromair with metal-organic frameworks powered by natural sunlight”均采用吸附技术取得了较好的空气取水效果，但并未在多效联供方面提出更好的技术解决方案。此外，中国专利申请号：201110121883.8提出了一种太阳能电水联产系统，具有发电和冷凝集水的功能，但其不足之处同样缺乏制冷与供热等多效输出功能的探索，而提升沙漠的人居环境舒适性也非常紧迫。
然而，不管是采用水还是氨作为吸附质的吸附技术中，已公开的方案在同一系统中均未能实现沙漠环境下的冷热电水联产功能，而居住在沙漠的居民对冷热电水资源的需求均极为迫切。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统及其方法，通过太阳驱动的同一套系统及其方法实现多效输出，以满足沙漠居民对冷热电水的生活需求。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统，包括冷凝器、中枢换热器、蒸发器、若干个吸附床，
每个所述吸附床包括第一换热管，所述中枢换热器内具有与第一换热管对应连通的第二换热管，所述中枢换热器连接用于对外供热，所述吸附床与中枢换热器形成供热模块；
所述吸附床的蒸汽出口与所述冷凝器蒸汽进口连通，所述冷凝器用于将水蒸汽冷凝为液态水，所述冷凝器的第一出水口连接集水箱，所述吸附床与冷凝器形成产水模块；
所述冷凝器的第二出水口与蒸发器进水口连通，且在连通管道上设置膨胀阀，蒸发器出水口与所述吸附床的进水口连通，所述吸附床、冷凝器与蒸发器组成制冷模块。
优选地，所述吸附床的外表面设置光伏罩，并在所述光伏罩的内侧设置集热槽，所述集热槽的内侧与吸附床相连，所述光伏罩、集热槽形成发电模块。
优选地，所述吸附床内设置有1-50个吸附单元，所述吸附单元内填充有吸附剂。
优选地，所述吸附剂为MIL、ZIF、UiO系列金属有机框架及其衍生物、LiCl、CaCl2或水凝胶中的任意一种或混合物。
优选地，所述吸附床与冷凝器连通的管道上设置解吸阀，所述冷凝器的第一出水口处设置产水阀。
优选地，所述蒸发器出水口与吸附床连接的管道上设置吸附阀。
优选地，所述第一换热管和第二换热管连通的管道上设置换热阀和水泵，所述换热阀设置在工质从第一换热管流向第二换热管的管道上，所述水泵设置在工质从第二换热管流向第一换热管的管道上。
优选地，包括第一吸附床和第二吸附床，相应地，所述解吸阀包括第一解吸阀和第二解吸阀，所述吸附阀包括第一吸附阀和第二吸附阀；
所述第一吸附床内具有所述第一换热管，所述第二吸附床内具有第三换热管，所述中枢换热器内具有与所述第一换热管连通的所述第二换热管和与所述第三换热管连通的第四换热管，所述换热阀包括第一换热阀和第二换热阀，所述水泵包括第一水泵和第二水泵。
基于相同的发明构思，本发明还提供了上述的沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统的工作方法，包括：
发电模式：太阳照射吸附床，吸附床外部的光伏罩利用光能发电，向外输出电能；
产水模式：集热温度较高时，例如沙漠地区的白天，特别是夏季白天，吸附床内的吸附剂温度超过解吸温度的阈值，此时从吸附剂中溢出水蒸气，经冷凝器后变为冷凝水，向外界供水；
制冷模式：在夏季，需要制冷时，冷凝器产生的部分冷凝水经过膨胀阀降温降压后，在蒸发器中蒸发吸热制冷，蒸发器向外界输出冷量，吸热后的水工质再次回流到吸附床中完成制冷循环；制冷模式特别适用于沙漠地区的夏季，在白天吸附剂解析后，冷凝器冷凝，蒸发器用于给室内制冷；
供热模式：环境温度较低时，例如沙发地区的夜晚，或冬季，吸附床内的吸附剂吸附空气中的水蒸气，同时放出吸附热，吸附热传递给第一换热管内的循环工质，该工质在第一换热管和第二换热管内循环，吸附热经第二换热管传递给中枢换热器，中枢换热器汇集的吸附热用于对外供热。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
(1)本发明的吸附式冷热电水联产系统，应用在沙漠地区，由于沙漠地区昼夜温差较大，且冬夏季的环境温度变化较大，吸附床内的吸附剂在夜晚吸附水产生的吸附热收集，通过吸附床内的第一换热管，将吸附热传递给第一换热管内的工质，然后通过第一换热管和中枢换热器内的第二换热管内工质流动，将吸附热传递给第二换热管，进而通过中枢换热器传递给外部设备，向用户室内输出热量用于夜间或冬季室内供热；白天太阳升起，由于太阳的照射，吸附床温度升高，吸附剂发生解吸，水蒸气从吸附床中流出，通过管道进入冷凝器冷凝为液态水，液态水一部分进入集水箱收集，用于生活用水，另一部分液态水在膨胀阀的作用下，变为低温低压的冷凝水进入蒸发器中蒸发吸热制冷，并将冷量输送至室内进行中午或夏季的制冷，而吸热后的水再次回到吸附床内。因此，本发明通过沙漠地区昼夜和冬夏季的环境温度变化，实现太阳热驱动的高温解吸过程和夜间与冬季等自发的低温吸附过程，显著提升大气集水和制冷供热的效果。
(2)本发明的吸附床的表面设置光伏罩，可有效地利用太阳能的光能发电和热能解吸吸附剂中的水，实现了光与热的分离以提升发电效率和太阳热利用效率。
(3)本发明所述的金属有机框架及衍生物吸附剂对水工质的物理-化学耦合吸附，显著提高了复合材料对水的吸附量和传热传质能力等综合性能。
(4)本发明所述的产水模块设置对称的第一和第二吸附床可以显著提高产水量，而制冷模块在膨胀阀作用下将小流量水工质回流至吸附床可以实现明显的制冷效果。
(5)本发明所述的供热模块收集对称布置的第一和第二吸附床中吸附剂产生的吸附热至中枢换热器，导致中枢换热槽的温度大幅提升，夜间有利于向室内持续供热。
本发明可有效解决传统吸附系统仅能输出单效或双效效果的技术瓶颈，通过太阳驱动的同一套系统及其方法实现多效输出，以满足沙漠居民对冷热电水的生活需求。本发明采用吸水性能和传热传质性能良好的复合吸附剂用于冷热电水联产系统，可以显著提高室内的昼夜或跨季节热管理性能、水收集量和太阳能利用效率。该方法高效节能、简单可靠，能够显著改善沙漠的人居环境，适合推广应用。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为本发明实施例的太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统的示意图；
图2为本发明实施例的吸附床结构图。
附图标记说明：1第一吸附床；101光伏罩；102集热槽；103-第一换热管；104吸附单元；105吸附剂；106水蒸气；2冷凝器；3第二吸附床；301第三换热管；4蒸发器；401第六换热管；5中枢换热器；501第二换热管；502第四换热管；503第五换热管；6第一水泵；7第二水泵；8膨胀阀；9第一解吸阀；10第二解吸阀；11产水阀；12第一吸附阀；13第二吸附阀；14第一换热阀；15第二换热阀。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统及其方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。
参看图1，一种沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统，应用在沙漠地区，包括冷凝器2、中枢换热器5、蒸发器4、若干个吸附床，吸附床与冷凝器2连通形成产水模块，冷凝器2用于将水蒸气冷凝为液态水；同时冷凝器2与蒸发器4、吸附床形成制冷模块，吸附床与中枢换热器5形成供热模块。
在本实施例中对称设置两个吸附床，即第一吸附床1和第二吸附床3，参看图2，以第一吸附床1为例描述吸附床的结构，由于太阳能具有光能和热能的属性，因此在第一吸附床1的外表面设置光伏罩101，并在光伏罩101的内侧设置集热槽102，集热槽102的内侧与第一吸附床1相连，光伏罩101实现连续发电以进行照明或储存。
第一吸附床1内设置有1-50个吸附单元104，吸附单元104内填充有吸附剂105，吸附剂105为MIL、ZIF、UiO系列金属有机框架及其衍生物、LiCl、CaCl2或水凝胶中的任意一种或混合物。吸附剂105吸附空气中的水蒸气106，直到全部吸附剂105接近饱和，在吸附水的过程中产生吸附热，当吸附剂105的温度达到解吸温度时，吸附了水蒸气的吸附剂105发生解吸，释放水蒸气106。
参看图1，第一吸附床1内设置第一换热管103，第二吸附床3内设置第三换热管301，相应地，中枢换热器5内设置第二换热管501和第四换热管502，第一换热管103与第二换热管501连通，第三换热管301与第四换热管502连通，同时中枢换热器5内设置第五换热管503，第五换热管503与外部设备连接，用于将热量输出用于夜间或冬季室内供热。
第一换热管103和第二换热管501利用管道组成循环管路，吸附剂105吸附水产生的吸附热传递给第一换热管103内的工质，加热后的工质从第一换热管103内流向第二换热管501，在中枢换热器5内将热量传递给第五换热管503内的工质，降温后的工质从第二换热管501再流入第一换热管103内吸热。同时第三换热管301和第四换热管502原理同样如此。
为方便调节流量，在吸附床和中枢换热器5之间设置换热阀和水泵，换热阀包括第一换热阀14和第二换热阀15，水泵包括第一水泵6和第二水泵7，第一换热阀14设置在工质从第一换热管103流向第二换热管501的管道上，第一水泵6设置在工质从第二换热管501流向第一换热管103的管道上；同样的道理，第二换热阀15设置在工质从第三换热管301流向第四换热管502的管道上，第二水泵7设置在工质从第四换热管502流向第三换热管301的管路上。
第一吸附床1的蒸汽出口和第二吸附床3的蒸汽出口与冷凝器2蒸汽进口连通，冷凝器2用于将水蒸汽冷凝为液态水，冷凝器2的第一出水口可连接集水箱，白天太阳照射第一吸附床1和第二吸附床3，温度升高，当达到吸附剂105的解吸温度时，此时吸附剂105溢出大量的水蒸气，经过冷凝器2冷凝，获得液态水，液态水进入集水箱收集，集水箱内的水用作生活用水，也可以将集水箱内的水经过处理变为饮用水，解决沙漠地区的缺水问题。第一吸附床1与冷凝器2连通的管道上设置第一解吸阀9，第二吸附床3与冷凝器2连通的管路上设置第二解吸阀10，在冷凝器2的第一出水口设置产水阀11。
冷凝器2产生的冷凝水一部分作为生活用水，另一部分可作为制冷用，冷凝器2的第二出水口连通蒸发器4，并在连通管道上设置膨胀阀8，蒸发器4的出水口分别连通第一吸附床1和第二吸附床3的进水口，并且蒸发器4出水口与第一吸附床1连通的管道上设置第一吸附阀12，蒸发器4出水口与第二吸附床3连通的管道上设置第二吸附阀13。冷凝水经过膨胀阀8的作用，进行降温降压，蒸发器4内具有第六换热管401，降温降压的水进入蒸发器4，在蒸发器4内蒸发吸热，降低第六换热管401内的制冷剂温度，向外界输出制冷剂制冷，吸热后的冷凝水再次循环回到第一吸附床1和第二吸附床3内被吸附剂105捕获吸附。
本实施例系统的具体工作方法为：
在白天或夏季太阳光的照射下，光伏罩101利用光能发电，而太阳热用于加热第一吸附床1和第二吸附床3，此时吸附剂105和金属容器消耗的太阳热来加热自身的显热热容升温，当达到吸附剂105的解吸温度阈值时，太阳热主要用于吸附剂105的解吸反应，此时吸附剂105中溢出大量的水蒸气，经过冷凝器2后获得冷凝水，并向外界供应纯水。进一步地，冷凝水经过膨胀阀8后降温降压，在蒸发器4中蒸发吸热，向外界输出冷量，而小流量水工质回流至第一吸附床1和第二吸附床3中，与吸附剂105发生吸附反应。在夜间或冬季，由于环境温度较低，吸附剂105大量吸附空气中的水蒸气，此时放出大量的吸附热，经过第一换热管103、第二换热管501内的循环工质和第三换热管301、第四换热管502内的循环工质换热后，将热量输送至室内供热。
本发明根据季节不同，可调节产水阀11水，控制生活用水的水量，进而调节制冷量。由于吸附剂105每次吸附水到达饱和后停止吸附，也不再产生吸附热，因此在冬季可控制白天制冷的用水量，或收集的水全部用于生活用水，因此蒸发器4循环到第一吸附床1和第二吸附床3内的水量减少，进而夜晚吸附剂105几乎处于空载状态，此时快速吸附水蒸气后产生的大量吸附热量用于夜晚供热。
因此，本发明将吸附剂105对水工质的吸附-解吸特点，巧妙地应用在昼夜温差较大的地区，特别是缺水的沙漠地区，将空气中的水充分利用，补充缺乏的水资源，同时利用蒸发器4和中枢换热器5实现制冷、供热功能，同时充分利用太阳能的光能和热能，采用光伏罩101进行发电，可以采用蓄电池储存，用于夜晚照明。因此，本发明可有效解决传统吸附系统仅能输出单效或双效效果的技术瓶颈，通过太阳驱动的同一套系统及其方法实现多效输出，以满足沙漠居民对冷热电水的生活需求。本发明采用吸水性能和传热传质性能良好的复合吸附剂105用于冷热电水联产系统，可以显著提高室内的昼夜或跨季节热管理性能、水收集量和太阳能利用效率。该方法高效节能、简单可靠，能够显著改善沙漠的人居环境，适合推广应用。
另外，本发明可设置多个吸附床，以提高产电、产水量、制冷、和制热效果。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统，其特征在于，包括冷凝器、中枢换热器、蒸发器、若干个吸附床，
每个所述吸附床包括第一换热管，所述中枢换热器内具有与第一换热管对应连通的第二换热管，所述中枢换热器用于对外供热，所述吸附床与中枢换热器形成供热模块；
所述吸附床的蒸汽出口与所述冷凝器蒸汽进口连通，所述冷凝器用于将水蒸汽冷凝为液态水，所述冷凝器的第一出水口连接集水箱，所述吸附床与冷凝器形成产水模块；
所述冷凝器的第二出水口与蒸发器进水口连通，且在连接管道上设置膨胀阀，所述蒸发器出水口与所述吸附床的进水口连通，所述吸附床、冷凝器与蒸发器组成制冷模块；
所述吸附床与冷凝器连通的管道上设置解吸阀，所述冷凝器的第一出水口处设置产水阀；
所述蒸发器出水口与吸附床连接的管道上设置吸附阀。
2.根据权利要求1所述的沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统，其特征在于，所述吸附床的外表面设置光伏罩，并在所述光伏罩的内侧设置集热槽，所述集热槽的内侧与所述吸附床相连，所述光伏罩、集热槽形成发电模块。
3.根据权利要求1所述的沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统，其特征在于，所述吸附床内设置有1-50个吸附单元，所述吸附单元内填充有吸附剂。
4.根据权利要求3所述的沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统，其特征在于，所述吸附剂为MIL、ZIF、UiO系列金属有机框架及其衍生物、LiCl、CaCl2或水凝胶中的任意一种或混合物。
5.根据权利要求1所述的沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统，其特征在于，所述第一换热管和第二换热管连通的管道上设置换热阀和水泵，所述换热阀设置在工质从第一换热管流向第二换热管的管道上，所述水泵设置在工质从第二换热管流向第一换热管的管道上。
6.根据权利要求5所述的沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统，其特征在于，包括第一吸附床和第二吸附床，相应地，所述解吸阀包括第一解吸阀和第二解吸阀，所述吸附阀包括第一吸附阀和第二吸附阀；
所述第一吸附床内具有所述第一换热管，所述第二吸附床内具有第三换热管，所述中枢换热器内具有与所述第一换热管连通的所述第二换热管和与所述第三换热管连通的第四换热管，所述换热阀包括第一换热阀和第二换热阀，所述水泵包括第一水泵和第二水泵。
7.一种权利要求1-6任意一项所述的沙漠用太阳驱动的吸附式冷热电水联产系统的工作方法，其特征在于，包括：
发电模式：太阳照射吸附床，吸附床外部的光伏罩利用光能发电，向外输出电能；
产水模式：集热温度较高时，吸附床内的吸附剂温度超过解吸温度的阈值，此时从吸附剂中溢出水蒸气，经冷凝器后变为冷凝水，向外界供水；
制冷模式：冷凝器产生的部分冷凝水经过膨胀阀降温降压后，在蒸发器中蒸发吸热制冷，蒸发器向外界输出冷量，吸热后的水工质再次回流到吸附床中完成制冷循环；供热模式：环境温度较低时，吸附床内的吸附剂吸附空气中的水蒸气，同时放出吸附热，吸附热传递给第一换热管内的循环工质，该工质在第一换热管和第二换热管内循环，吸附热经第二换热管传递给中枢换热器，中枢换热器汇集的吸附热用于对外供热。
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