CN115200076A - 太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统 - Google Patents
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Abstract
一种太阳能光‑电‑热耦合的能源和生活用水自供给系统,主要包括热模块、电模块、水处理模块以及清洁模块。热模块中,将太阳能集热器产生的热能传送至用户端或系统内耗热元件以弥补其能量缺口。电模块中,利用太阳能光伏板产生的电能对系统内电子元器件自供电或用户端外接负载供电,不需要外界输入能量。清洁模块中,利用高温储热装置的热能预热清洁剂,并利用电模块实现供电维持清洁器件的正常运行,将清洁剂泵送至喷淋嘴后喷出,定期清洗太阳能光伏板及太阳能集热器。最后,水处理模块可实现自然雨水及生活废水的回收利用,并将纯水重新投放入系统内或参与热能的存储与转移,实现能源高效利用和水资源循环利用,并形成闭合系统。
Description
技术领域
本发明属于新能源利用和水处理技术领域,特别是一种太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统。
背景技术
随着工业的不断发展,能源的有效生产与利用面临着巨大的挑战。此外,人口的持续增长和技术的不断进步将进一步增加总体能源需求,尤其是电力需求。传统的发电方式如火力发电等会使用大量的化石燃料,在生产电能的同时,不可避免的释放大量CO2,对环境与气候造成了很大危害。太阳能作为一种可再生能源资源,是传统化石燃料的重要替代品,其具有分布广泛丰富特点,并可实现高效零碳转换利用。同时,光伏发电系统是太阳能利用的核心途径之一。此外,还可通过太阳能集热器进行光热转换,实现太阳能的有效热利用,构建太阳能热水器、太阳灶、主动式阳光房等等。
尽管太阳能光伏系统已经大规模商业化,但光伏板面高温或积灰等因素引起的光电转换效率下降仍严重影响太阳能光伏系统发电性能的稳定。据研究,光伏组件表面温度每升高1℃,其效率就会降低0.4%-0.5%。鉴于此,光伏组件的有效冷却不仅可提高其光电转换效率,增加发电量,还可减小光伏表面热应力,有效延长其使用寿命。针对太阳能光热利用方式,集热器需配备相应的储热设备,以避免大量的热能散失到环境中,造成太阳能利用率的大幅下降。另一方面,工业生产和日常生活仍存在着大量的能源需求缺口,例如工作介质的预热、机械供电、居民供暖供电等。此外,水作为日常生活的重要基本物资,同时也是最常见的传热介质,具有较高的比热容和导热系数,可实现热量的有效储存和转移。因此,构建基于太阳能梯级利用的能源和生活用水自供给系统势在必行,其对于实现多能高效互补和水资源循环利用,践行节能减排具有重要意义。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解,因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明提出一种太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统,有效地将太阳能转换的电能和热能进行梯级利用,并利用回收水资源进行热量存储和转移,提高太阳能综合利用效率,达到节能减排的效果。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现,一种太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统,其包括:
用于提供热能到自供给系统及用户端的热模块,其中,热模块包括将太阳能转换成热能的太阳能集热器和储热装置,所述热模块用于:将太阳能集热器产生的热能传送至用户端或系统内的耗热元件以弥补其能量缺口,并结合储热装置,以提高低品位热能的利用率;
用于提供电能到自供给系统及用户端的电模块,其中,电模块包括:将太阳能转换成电能的太阳能光伏板阵列、传感器和用于将太阳能集热器产生的热能以及储热装置储存的热能调配的控制器,以及;
水处理模块,其包括:雨水及生活废水回收装置、用于降低废水含油量和过滤不溶性杂质的光热蒸发装置,其中,所述光热蒸发装置利用太阳能实现回收水的界面蒸发。
优选的,
太阳能光伏板阵列的电力出口连接用户端的用电入口及系统内所有耗电元件。
优选的,
用户端的用热入口连接所述太阳能集热器,储热装置出口连接用户端用热入口。
优选的,
太阳能光伏板阵列的背板设有双层交叉逆流水冷通道。
优选的,
太阳能光伏板阵列中的各个板的倾斜角度默认与所在位置的纬度相关联或相同。
优选的,
所述系统还包括清洁模块;
清洁模块包括:输入清洁剂的清洁剂填注口、用于过滤清洁剂的过滤器、储液罐、水泵和若干喷淋嘴。
优选的,
水处理模块还包括:水雾导流风道、用于高温蒸汽回收的电动回水装置、集水罐、反渗透装置、第一变压器及水泵。
优选的,
清洁剂填注口连接储热装置出口,清洁剂依次流经过滤器和储液罐,并由水泵泵送至若干喷淋嘴处喷出以清洁太阳能光伏板阵列及太阳能集热器表面。
优选的,
第一变压器连接电动回水装置。
优选的,
水处理模块的自然雨水及用户端的废水出口连接雨水及生活废水回收装置入口,雨水及生活废水回收装置出口连接光热蒸发装置入口,高温蒸汽由光热蒸发装置出口排出并经由水雾导流风道被送至电动回水装置,位于电动回水装置出口的集水罐连接反渗透装置入口以实现回收水的二次过滤。
和现有技术相比,本发明具有以下优点:
本发明通过光电和光热耦合效应,将太阳能转换成电能和热能加以利用,实现了可再生能源的功能化梯级利用,期间无CO2等污染物排放,具有绿色、清洁、环保和高效的特点;
此外,特别要说明的是,本发明可实现自然雨水及生活废水的回收利用,并将所获得纯水重新投放入系统内或参与热能的存储与转移,或清洁产能终端设备如光伏板和集热器等,实现能源互补利用和水资源循环使用,形成闭合系统。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述,本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。显而易见地,下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中,用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中:
图1是根据本发明一个实施例的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统的整体系统示意图;
图2是根据本发明一个实施例的光伏板背板双层交叉逆流水冷通道布置示意图;
图3是根据本发明一个实施例的自然雨水及生活废水回收装置的示意图;
图4是根据本发明一个实施例的光热蒸发装置的示意图;
图5是根据本发明一个实施例的电动回水装置的示意图;
图6(a)、图6(b)是根据本发明一个实施例的经光热蒸发装置有效去除油滴前后溶液的折光度图;
1、变压器;2、电动回水装置;3、水雾导流风道;4、雨水及废水入口;5、水泵1; 6、反渗透装置;7、集水罐;8、光热蒸发装置;9、回收装置;10、喷淋嘴1;11、太阳能光伏板阵列;12、小型发电机组;13、传感器;14、控制器;15、喷淋嘴2;16、槽式太阳能集热器;17、高温储热装置;18、水泵2;19、储液罐;20、过滤器;21、清洁剂填注口及外部水源入口;22、清洁剂;23、第一层冷水管入口;24、第一层冷水管;25、第一层冷水管出口;26、铝柱;27、第二层冷水管;28、第二层冷水管出口;29、铝板1; 30、铝板2;31、第二层冷水管入口;32、地面;33、回收水出口;34、罩网;35、网孔; 36、测流口;37、微槽;38、滤栅;39、生活废水入口;40、入射太阳光;41、排风扇; 42、反射太阳光;43、棉布吸光层;44、蒸发水蒸气;45、木材;46、光热蒸发装置; 47、水滴;48、亲水疏油层;49、油滴;50、水雾导流风道出口;51、钨电极;52、表面负离子化的液滴;53、正电极;54、电场;55、电动回水装置出口;56、集水罐出口。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图6(b)更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例,然而应当理解,可以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明,并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是,在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解,技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式,而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语,故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式,然所述描述乃以说明书的一般原则为目的,并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解,下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明,且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
在一个实施例中,本发明揭示了一种太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统,其包括:
用于提供热能到自供给系统及用户端的热模块,其中,热模块包括将太阳能转换成热能的太阳能集热器和储热装置,所述热模块用于:将太阳能集热器产生的热能传送至用户端或系统内的耗热元件以弥补其能量缺口,并结合储热装置,以提高低品位热能的利用率,
用于提供电能到自供给系统及用户端的电模块,其中,电模块包括:将太阳能转换成电能的太阳能光伏板阵列、传感器和用于将太阳能集热器产生的热能以及储热装置储存的热能调配的控制器,以及,
水处理模块,其包括:雨水及生活废水回收装置、用于降低废水含油量和过滤不溶性杂质的光热蒸发装置,其中,所述光热蒸发装置利用太阳能实现回收水的界面蒸发。
对于上述实施例,其通过光电和光热耦合效应,将太阳能转换成电能和热能加以利用,实现了可再生能源的功能化梯级利用,期间无CO2等污染物排放,具有绿色、清洁、环保和高效的特点;此外,特别要说明的是,本发明可实现自然雨水及生活废水的回收利用,并能够进一步将所获得纯水重新投放入系统内或参与热能的存储与转移。
更进一步的,还能将所获得纯水用于清洁相关的产能终端设备如光伏板和集热器等,实现能源互补利用和水资源循环使用,形成闭合系统。
更进一步的,热能调配是通过控制器实时调配的。更优的,热能被动态、分时的调配。
在一个实施例中,
太阳能光伏板阵列的电力出口连接用户端的用电入口及系统内所有耗电元件。
在一个实施例中,
用户端的用热入口连接所述太阳能集热器,储热装置出口连接用户端用热入口。
在一个实施例中,
太阳能光伏板阵列的背板设有双层交叉逆流水冷通道。
在一个实施例中,
太阳能光伏板阵列中的各个板的倾斜角度默认与所在位置的纬度相关联或相同。
在一个实施例中,
所述系统还包括清洁模块,
清洁模块包括:输入清洁剂的清洁剂填注口、用于过滤清洁剂的过滤器、储液罐、水泵和若干喷淋嘴。
在一个实施例中,
所述系统包括:
用于提供热能到自供给系统及用户端的热模块,其中,热模块包括将太阳能转换成热能的太阳能集热器、储热装置和根据用户端需求实时调控热流量的控制器与传感器,所述热模块用于:将太阳能集热器产生的热能传送至用户端或系统内的耗热元件以弥补其能量缺口,并结合储热装置,以提高低品位热能的利用率,
用于提供电能到自供给系统及用户端的电模块,其中,电模块包括:将太阳能转换成电能的太阳能光伏板阵列、传感器和用于将太阳能集热器产生的热能以及储热装置储存的热能调配的控制器,以及,
水处理模块,其包括:雨水及生活废水回收装置、用于降低废水含油量和过滤不溶性杂质的光热蒸发装置,其中,所述光热蒸发装置利用太阳能实现回收水的界面蒸发,水处理模块还包括水雾导流风道、用于高温蒸汽回收的电动回水装置、集水罐、反渗透装置、第一变压器及水泵,
清洁模块,其包括:输入清洁剂的清洁剂填注口、用于过滤清洁剂的过滤器、储液罐、水泵和若干喷淋嘴。
也就是说,本发明所揭示的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统,主要包括热模块、电模块、清洁模块和水处理模块以及清洁模块。热模块中,将太阳能集热器产生的热能传送至用户端或系统内耗热元件以弥补其能量缺口。电模块中,利用太阳能光伏板产生的电能对系统内电子元器件自供电或用户端外接负载供电,不需要外界输入能量。清洁模块中,利用高温储热装置的热能预热清洁剂,并利用电模块实现供电维持清洁器件的正常运行,将清洁剂泵送至喷淋嘴后喷出,定期清洗太阳能光伏板及太阳能集热器。最后,水处理模块可实现自然雨水及生活废水的回收利用,并将纯水重新投放入系统内或参与热能的存储与转移,实现能源高效利用和水资源循环利用,并形成闭合系统。
在一个实施例中,
水处理模块还包括:水雾导流风道、用于高温蒸汽回收的电动回水装置、集水罐、反渗透装置、第一变压器及水泵。
在一个实施例中,
清洁剂填注口连接储热装置出口,清洁剂依次流经过滤器和储液罐,并由水泵泵送至若干喷淋嘴处喷出以清洁太阳能光伏板阵列及太阳能集热器表面。
在一个实施例中,
第一变压器连接电动回水装置。
在一个实施例中,
水处理模块的自然雨水及用户端的废水出口连接雨水及生活废水回收装置入口,雨水及生活废水回收装置出口连接光热蒸发装置入口,高温蒸汽由光热蒸发装置出口排出并经由水雾导流风道被送至电动回水装置,位于电动回水装置出口的集水罐连接反渗透装置入口以实现回收水的二次过滤。
在一个实施例中,
第一变压器连接电动回水装置,清洁剂填注口连接储热装置出口,清洁剂依次流经过滤器和储液罐,并由水泵泵送至若干喷淋嘴处喷出以清洁太阳能光伏板阵列及槽式太阳能集热器表面,水处理模块中自然雨水及用户端的废水出口连接雨水及生活废水回收装置入口,雨水及生活废水回收装置出口连接光热蒸发装置入口,高温蒸汽由光热蒸发装置出口排出并经由水雾导流风道被送至电动回水装置,位于电动回水装置出口的集水罐同时连接反渗透装置入口以实现回收水的二次过滤,反渗透装置出口连接太阳能光伏板及水泵入口。
在一个实施例中,
太阳能光伏板阵列的背板设有双层交叉逆流水冷通道以及设在背板中间的多个铝柱,雨水及生活废水回收装置的入口分别设有网罩和滤栅。
在一个实施例中,
光热蒸发装置包括,
壳体,其连接回收水出口,
亲水疏油层,其设于所述壳体中,
中空环形木材,其设于所述亲水疏油层上表面以毛细力输送水滴,
棉布吸光层,其接收并反射太阳光以蒸发水滴,
排风扇,其位于所述棉布吸光层上方,
水雾导流风道,其设于所述排风扇上方。
所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统中,电动回水装置包括钨电极和一对正电极,正负电极在电动回水装置内部形成静电场。
在一个实施例中,
太阳能光伏板倾斜角度相同于所在位置的纬度。
在一个实施例中,
雨水及生活废水回收装置呈“漏斗”状,且顶部设有不锈钢网罩,回收装置内部设有若干定向导流的微槽。
在一个实施例中,
所述喷淋嘴朝向且清洗太阳能光伏板及太阳能集热器。
为了更好地理解,如图1至图5所示,所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统的优选实例中共包括四个模块,即热模块、电模块、清洁模块和水处理模块。其中热模块包括槽式太阳能集热器15(注:槽式太阳能集热器只是一种具体的选型而已,还可以选择其他适当的集热器)和高温储热装置16。电模块包括太阳能光伏板阵列11、小型汽轮机发电机组12、信息采集与控制装置如传感器13、控制器14等。清洁模块包括清洁剂填注口20、过滤器19、储液罐18、水泵17和若干喷淋嘴10。水处理模块包括雨水及生活废水的回收装置9、光热蒸发装置8、水雾导流风道3、电动回水装置 2、集水罐7、反渗透装置6、变压器1及水泵5。
所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统的优选实例中,槽式太阳能集热器15作为热源通过光热转换,将太阳能转换成热能。自太阳能集热器15回收的热能将分为三步使用。首先,这部分热能可直接传送到用户端,为用户供暖供热。其次,热能可用来预热小型汽轮机发电机组12入口工质,提高机组发电量。最后,剩余热能可通过高温储热装置存储16,利用传感器13与控制器14采集用户端需求,根据用户端供需调节热能分配比例,使能源利用率最大化。此外,高温储热装置16在冬季可向清洁模块提供热量,预热清洁剂21,避免被清洁装置11和15表面结霜。整个热能传递的过程中,水作为唯一传热流体介质由水处理模块提供并进行热能的有效存储与转移。
所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统的优选实例中,太阳能光伏板阵列11和小型汽轮机发电机组12是主要发电装置。太阳能光伏板阵列11通过光电转换,将太阳能转换成电能。同时,小型汽轮机发电机组12利用热模块提供的热量预热入口工质,提高发电效率。二者发电总量一方面提供给用户端使用,另一方面将剩余电能投入到该零碳互补分布式能源系统中,以实现系统的自运行。例如,向信息采集与控制装置如传感器13和控制器14提供电力以维持其精准测量与控制能力;向太阳能集热器15供电以维持其传动器的正常运行;向水处理模块中的电动回水装置2、反渗透装置 6及水泵5供电以分别维持其回收高温水蒸气、去除溶液可溶性杂质和纯水泵送能力;向清洁模块中的喷淋嘴10、水泵17及过滤器19供电以分别实现喷淋、泵送、过滤清洁液的功能。
所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统的优选实例中,清洁剂21 从填注口20进入输送管道,先后经过过滤器19、储液罐18以实现过滤、储存清洁剂的功能。利用水泵17将清洁剂21泵送至喷淋嘴10后喷出,定期清洗太阳能光伏板11及太阳能集热器15,减少因灰尘积聚、设备表面温度过高或结霜造成的不可逆损失。此外,考虑到冬季气温较低,喷淋至太阳能光伏板11和集热器表面15的溶液易引起表面冻结致使元件效率下降或受损,可利用高温储热装置16的热能预热清洁剂再行填注,以延长元件使用寿命。
所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统的优选实例中,利用回收装置9回收自然雨水和用户端生活废水,接着利用光热蒸发装置8去除废水中的大量油滴47并过滤溶液内的不溶性固体颗粒如泥土、残渣等。通过水雾导流风道3将光热蒸发装置8蒸出的高温水蒸气43传送到电动回水装置2,并在电动效应的作用下完成高温液滴的吸附收集。集水罐7中的净水进一步通过反渗透装置6去除溶液内的可溶性杂质如离子、有机物、病毒、细菌等,最后利用水泵5实现纯水泵送。纯水一方面被泵送至太阳能光伏板背冷通道23和26中以实现光伏板11的有效冷却,降低光伏板11表面温度,提高其光电转换效率。另一方面,小部分纯水被泵送至喷淋装置10处,稀释高浓度清洁剂21并清洁太阳能光伏板11和太阳能集热器15。最后,剩余水资源汇入热模块内的水输运通道,参与热模块中的热量转移与传递过程,实现系统能源的高效互补利用。
所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统的优选实例中,太阳能光伏板阵列11的背板设有冷却通道23和26。该双层水冷通道23和26呈交叉逆流排布,一方面降低背板温度,提高光伏板的光电转换效率;另一方面,降低温度不均匀性给光伏板带来的危害,延长光伏板的使用寿命。其中,双层水冷通道23和26和光伏板背板中间设有若干铝柱25,一方面,铝柱25可起到支撑和固定作用,提高设备承重能力;另一方面,具有高导热系数的金属铝可进一步强化背板散热效果,降低光伏表面温度。
所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统的优选实例中,雨水及生活废水的回收装置9呈“漏斗”状,且顶部设有不锈钢网罩33,以隔离树叶、石子等大型杂质,阻止其进入后续水处理系统。此外,若遇极端天气,网罩33可承接部分积雪或薄冰以避免入水口冻结。回收装置9内部设有若干微槽36,起定向导流的作用,提高雨水回收效率。生活废水入水口设有小型滤栅37,对生活废水38进行初次过滤,以防止大型食物残渣、垃圾等进入水处理系统,堵塞管道。
所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统的优选实例中,光热蒸发装置8内部的界面蒸发器由黑色棉布42、木材44和亲水疏油底座46组成。黑色棉布42 可提高对入射太阳光39的吸收能力,减少太阳光反射41以提高界面蒸发器表面温度。亲水疏油底座46可过滤废水中携带的大量油滴47,去除蒸出高温水蒸气43中的油分,并提高蒸发速率,蒸发速率可达1.2022kg/(m2·h)。如图6(a)、图6(b)所示,利用 LOHAND BIOLOGICALLH-T20折光仪测量了经光热蒸发装置蒸发前后溶液的折射率。由于油与水的折射率不同从而引起折射率偏差且折射率偏差与溶液中的含油量呈正比,溶液中的含油量越高,折射率偏差越大。如图6(a)所示,当溶液仅含体积分数为0.2%的油时,LH-T20折光仪便能敏锐的测量出溶液的折射率偏差,这充分证明了该实验方法与测量手段的正确性和可行性。而如图6(b)所示,当含油量为20%的溶液经光热蒸发装置蒸发后溶液的折射率并未出现偏差,即此时溶液中的含油量低于0.2%,充分证明了该光热蒸发装置优良的去油性。木材44质轻,可维持界面蒸发器漂浮在废水液面,并利用内部大量的三维纤维结构在毛细力的作用下将液体传送至由太阳能加热的高温蒸发区域实现界面蒸发。
所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统的优选实例中,电动回水装置2由一根钨电极49和一对正电极51组成。电极49和51由太阳能光伏板阵列11和变压器变1压实现高压供电。正负电极49和51在电动回水装置2内部形成强静电场52,从而能够使得高温水雾43进入该装置后,吸附静电场52中的空间电荷而带电,并在电动效应的作用下发生迁移并被束缚在正电极51上,从而实现高温水雾43回收的目的。此外,电动效应回收的液态水可提高下一步反渗透膜6的工作效率,且由于该液态水内部不再含有颗粒和油滴47,将进一步降低反渗透膜6的除污成本,并延长其使用寿命。
在一个实施例中,系统包含四个模块即热模块、电模块、清洁模块和水处理模块,其中,热模块包括槽式太阳能集热器和高温储热装置。电模块包括太阳能光伏板阵列、小型汽轮机发电机组、信息采集与控制装置如传感器、控制器等。清洁模块包括清洁剂填注口、过滤器、储液罐、水泵和若干喷淋嘴。水处理模块包括雨水及生活废水回收装置、光热蒸发装置、水雾导流风道、电动回水装置、集水罐、反渗透装置、变压器及水泵。在热模块中,槽式太阳能集热器作为热源通过光热转换,将太阳能转换成热能。自太阳能集热器回收的热能将分为三步使用。首先,这部分热能可直接传送到用户端,为用户供暖供热。其次,热能可用来预热小型汽轮机发电机组入口工质,提高机组发电量。最后,剩余热能可通过高温储热装置存储,利用传感器与控制器采集用户端需求,根据用户端供需调节热能分配比例,使能源利用率最大化。此外,高温储热装置在冬季可向清洁模块提供热量,预热清洁剂,避免被清洁装置表面结霜。整个热能传递的过程中,水作为唯一传热流体介质由水处理模块提供并进行热能的有效存储与转移。太阳能集热器为热模块的产热设备,通过光热转换,将太阳能转换成热能。由于水的比热容较大,因此可作为良好的储热介质。整个热能传递的过程中,水作为唯一传热流体介质由水处理模块提供并进行热能的有效存储与转移。热模块中的高温储热设备可被控制器和传感器所控制。根据传感器获取的用户端用热需求量,控制器实时调配高温储热设备中的高温水出口流量,从而实现热能的按需调配。
在一个实施例中,在电模块中,太阳能光伏板阵列和小型汽轮机发电机组是主要发电装置。太阳能光伏板阵列通过光电转换,将太阳能转换成电能。同时,小型汽轮机发电机组利用热模块提供的热量预热入口工质,提高发电效率。二者发电总量一方面提供给用户端使用,另一方面将剩余电能投入到该零碳互补分布式能源系统中,以实现系统的自运行。例如,向信息采集与控制装置如传感器和控制器提供电力以维持其精准测量与控制能力;向太阳能集热器供电以维持其传动器的正常运行;向水处理模块中的电动回水装置、反渗透装置及水泵供电以分别维持其回收高温水蒸气、去除溶液可溶性杂质和纯水泵送能力;向清洁模块中的喷淋嘴、水泵及过滤器供电以分别实现喷淋、泵送、过滤清洁液的功能。太阳能光伏板和小型发电机组为电模块的产电设备。其中,太阳能光伏板通过光电转换将太阳能转换成电能,而发电机组利用工质的运动带动其内的涡轮叶片旋转,从而将工质的机械能转换成电能。且发电机组的入口工质可被热模块中的热量预热,提高发电机组的发电效率。电模块中的电能用来弥补用户端的用电需求以及维持系统内各耗电元件的正常工作,如控制器、传感器、水泵、变压器等。
在一个实施例中,在清洁模块中,清洁剂从填注口进入输送管道,先后经过过滤器、储液罐以实现过滤、储存清洁剂的功能。利用水泵将清洁剂泵送至喷淋嘴后喷出,定期清洗太阳能光伏板及太阳能集热器,减少因灰尘积聚、设备表面温度过高或结霜造成的不可逆损失。此外,考虑到冬季气温较低,喷淋至太阳能光伏板和集热器表面的溶液易引起表面冻结致使元件效率下降或受损,可利用高温储热装置的热能预热清洁剂再行填注,以延长元件使用寿命。
在一个实施例中,在水处理模块中,利用水收集装置回收自然雨水和用户端生活废水,接着利用光热蒸发装置去除废水中的大量油滴、降低废水盐度以及过滤溶液内的不溶性固体颗粒如泥土、残渣等。通过水雾导流风道将界面蒸发器蒸出的高温水蒸气传送到电动回水装置,并在电动效应(构成水雾的液滴在吸附了高压电场电离在空间中的空间电荷后带电,在电场的作用下运动至极板的效应)的作用下完成高温液滴的吸附收集。集水罐中的净水进一步通过反渗透装置去除溶液内的可溶性杂质如离子、有机物、病毒、细菌等,最后利用水泵实现纯水泵送。纯水一方面被泵送至太阳能光伏板背冷通道中以实现光伏板的有效冷却,降低光伏板表面温度,提高其光电转换效率。另一方面,小部分纯水被泵送至喷淋装置处,稀释高浓度清洁剂并清洁太阳能光伏板和太阳能集热器。最后,剩余水资源汇入热模块内的水输运通道,参与热模块中的热量转移与传递过程,实现系统能源的高效互补利用。
在一个实施例中,水处理模块中,回收的自然雨水和生活废水首先通过光热蒸发装置。因为回收水内还有较多杂质,如油滴或大颗粒杂质如石子、食物残渣等,如直接进行反渗透过滤处理,反渗透膜将很容易被污染,从而降低反渗透膜的工作效率,因此需要对回收水进行初次的过滤。光热蒸发装置利用太阳能实现回收水的界面蒸发。其内包含一个界面蒸发器。界面蒸发器从上至下以此由黑色棉布、木材和亲水疏油底座组成。黑色棉布对太阳光的吸收率高,大幅吸收太阳光,提高界面蒸发器顶部温度,形成高温蒸发区。木材质轻,可维持界面蒸发器漂浮在废水液表面,并利用内部大量的三维纤维结构在毛细力的作用下将水传送至由太阳能加热的高温蒸发区域实现界面蒸发。亲水疏油底座主要利用其疏油性过滤掉回收水中的油滴。
综上,
本发明将太阳能集热器产生的热能传送至用户端或系统内耗热元件以弥补其能量缺口,如用户端供热需求、系统内部工质预热需求等,并设有储热设备,以提高低品位热能的利用率的同时,实现热能的动态分时调配;
本发明利用太阳能光伏板产生的电能对系统内电子元器件自供电或用户端外接负载供电,不需要外界输入能量;
本发明可以进一步在光伏板背板设有双层交叉逆流水冷通道,实现背板温度和光伏表面温度不均匀性的降低,大幅提高光伏板的光电转换效率;
本发明的雨水及生活废水入水口分别设有网罩和滤栅,实现水资源的初次过滤,且内部设有若干起定向导流作用的微槽,提高水资源回收率;
本发明光热蒸发装置的界面蒸发器可具有中空环形木材和亲水疏油底座形成的复合结构,可有效去除废水中的大量油滴并降低废水盐度,实现废水的高效快速蒸发,进而降低反渗透膜除污成本,延长其使用寿命;
本发明的电动回水装置利用光伏板和变压器供电生成强静电场,通过电动效应实现高温水雾的有效收集,有效减小了下游反渗透水净化的膜堵塞。
显而易见,本发明具有显著社会效益和循环经济效益,可广泛应用于新能源和水处理领域。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述,但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域,上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的,而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下,还可以做出很多种的形式,这些均属于本发明保护之列。
Claims (10)
1.一种太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统,其包括:
用于提供热能到自供给系统及用户端的热模块,其中,热模块包括将太阳能转换成热能的太阳能集热器和储热装置,所述热模块用于:将太阳能集热器产生的热能传送至用户端或系统内的耗热元件以弥补其能量缺口,并结合储热装置,以提高低品位热能的利用率;
用于提供电能到自供给系统及用户端的电模块,其中,电模块包括:将太阳能转换成电能的太阳能光伏板阵列、传感器和用于将太阳能集热器产生的热能以及储热装置储存的热能调配的控制器,以及;
水处理模块,其包括:雨水及生活废水回收装置、用于降低废水含油量和过滤不溶性杂质的光热蒸发装置,其中,所述光热蒸发装置利用太阳能实现回收水的界面蒸发。
2.根据权利要求1所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统,其中,优选的,
太阳能光伏板阵列的电力出口连接用户端的用电入口及系统内所有耗电元件。
3.根据权利要求1所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统,其中,
用户端的用热入口连接所述太阳能集热器,储热装置出口连接用户端用热入口。
4.根据权利要求1所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统,其中,
太阳能光伏板阵列的背板设有双层交叉逆流水冷通道。
5.根据权利要求1所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统,其中,
太阳能光伏板阵列中的各个板的倾斜角度默认与所在位置的纬度相关联或相同。
6.根据权利要求1所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统,其中,
所述系统还包括清洁模块;
清洁模块包括:输入清洁剂的清洁剂填注口、用于过滤清洁剂的过滤器、储液罐、水泵和若干喷淋嘴。
7.根据权利要求6所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统,其中,
水处理模块还包括:水雾导流风道、用于高温蒸汽回收的电动回水装置、集水罐、反渗透装置、第一变压器及水泵。
8.根据权利要求6所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统,其中,
清洁剂填注口连接储热装置出口,清洁剂依次流经过滤器和储液罐,并由水泵泵送至若干喷淋嘴处喷出以清洁太阳能光伏板阵列及太阳能集热器表面。
9.根据权利要求7所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统,其中,
第一变压器连接电动回水装置。
10.根据权利要求7所述的太阳能光-电-热耦合的能源和生活用水自供给系统,其中,
水处理模块的自然雨水及用户端的废水出口连接雨水及生活废水回收装置入口,雨水及生活废水回收装置出口连接光热蒸发装置入口,高温蒸汽由光热蒸发装置出口排出并经由水雾导流风道被送至电动回水装置,位于电动回水装置出口的集水罐连接反渗透装置入口以实现回收水的二次过滤。
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