CN115448403A - 一种光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置及方法 - Google Patents

一种光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置及方法，该装置由第一级太阳能水蒸发收集器和若干级单级余热水蒸发收集器自外而内紧密堆叠组装而成，第一级太阳能水蒸发收集器包括自上而下组装的光热/蒸发界面分离非对称蒸发器以及冷凝收集器，光热/蒸发界面分离非对称蒸发器包括紧密贴合在输水层上的光热层，以及在输水层顶端弯折处向下延伸的提盐处。输水层为条带状的亲水多孔纤维布，输水层两端均作为入水口没入海水中，形成双向水盐运输通道，输水层与光热层形状面积相适配；冷凝收集器包括盐收集器以及冷凝水收集器，冷凝水收集器材质与光热层一致，形状与输水层一致，盐收集器置于所述输水层提盐处下方。

Description

一种光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置及 方法
技术领域
本发明属于太阳能海水淡化技术领域，具体涉及一种光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置及方法。
背景技术
海水淡化是解决淡水资源危机最有效的途径之一。传统的海水淡化技术有两类：一类是高效热驱动海水淡化技术，另一类是压力驱动膜脱盐技术。考虑到化石燃料等不可持续资源的日益枯竭，以及长期燃烧后出现的环境和气候等问题，使用绿色无污染的太阳能进行海水淡化具有重要的现实意义。近年来，太阳能光热驱动界面蒸发作为一种全新型的太阳能海水淡化技术，具有良好的经济性和可持续性，适用于中大规模生活用水淡化厂和便携式取水装置，成为海水淡化领域的研究热点。
鉴于蒸汽自然向上蒸发，典型的太阳能界面蒸发器基本上都延续了光热/蒸发界面一体的结构设计，包括下方的输水层和负载于之上的光热层，光热层既负责吸热，蒸汽也从此处逸出，在其上方放置透明顶盖用于透光和蒸汽的冷凝收集。虽然通过对光热材料的设计及有效的热管理策略，太阳能驱动界面蒸发的速率得到了一定的提升，但是装置综合太阳能转换效率通常低于50％，主要限制步骤是蒸汽的冷凝收集过程：首先，顶盖上的蒸汽雾、以及产生的蒸汽会在很大程度上散射和反射太阳光，产生高达35％左右的光损耗；其次，透明顶盖通常由聚合物(如亚克力等)或玻璃制成，这些材料由于自身透过率的限制，一般具有5～20％的光损耗，且导热系数较低，不利于蒸汽冷凝所需的液化放热过程；最后，太阳光直射以及蒸汽液化放热会使顶盖温度上升，形成热屏障阻碍传热，进一步影响冷凝效果。此外，盐分阻塞蒸发器也是影响装置稳定运行的重要限制。目前的抗盐方法主要都是利用浓差将盐离子反向扩散回海水，这样会产生高盐废水污染生态环境。
综上所述，要解决上述现有太阳能光热驱动界面蒸发技术的问题，就要通过特殊的结构设计，避免蒸汽在光入射路径上凝结，降低冷凝面的温度促进蒸汽冷凝，同步水盐分离提取盐分，充分利用余热等措施来提高太阳能转换效率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种蒸发效率高、冷凝水收集效率高、成本低廉、同步提盐、应用场景广的光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置及方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：由第一级太阳能水蒸发收集器和若干级单级余热水蒸发收集器自外而内紧密堆叠组装而成；
所述第一级太阳能水蒸发收集器包括光热/蒸发界面分离非对称蒸发器和冷凝收集器；
所述光热/蒸发界面分离非对称蒸发器包括非对称结构的光热层以及紧密贴合在光热层下方的输水层，二者贴合部分的形状与面积完全相同，且输水层的两端向下延伸并下垂入海水中，在输水层的顶部盐浓度最高处设有提盐处；
所述的冷凝收集器包括设置于提盐处下方并供提盐处伸入的盐收集器，以及端部与盐收集器外壁相接底部高于海水平面的冷凝水收集器；
所述的单级余热水蒸发收集器包括两端向下延伸并下垂入海水中、另两端与盐收集器外壁相接的非对称结构的输水层，该输水层的外表面紧密贴合在上一级冷凝水收集器的内表面，且在输水层下端设置有端部与盐收集器外壁相接底部高于海水平面的冷凝水收集器；
所述的输水层与冷凝水收集器5的间隙为5～50mm。
所述的光热层和输水层均由长边第一边、短边第三边和中间弯折处的顶角棱即最高盐浓度处的第二边组成，中间弯折处的顶角为90～180°。
所述的提盐处设置在输水层中间弯折处的第二边下端。
所述的长边第一边与向下延伸并下垂入海水中的输水层宽端相接，所述短边第三边与向下延伸并下垂入海水中的输水层窄端相接。
所述的长边第一边：短边第三边的长度比为(10：1)～(1：1)，且光热层的宽度从长边第一边至短边第三边的方向依次递减且连续可调，侧边连线呈线段或曲线。
所述的光热层为具有高导热的平板及其上表面负载有能够增强光捕获的材料或微纳结构；
所述高导热的平板采用铝、铜、或合金金属导热材料制成；
所述能够增强光捕获的材料包括碳材料、半导体材料、具有等离子体基元吸收的金属纳米颗粒、黑色涂料；
所述能够增强光捕获的微纳结构包括纳米棒、纳米管、纳米锥、纳米柱阵列。
所述的输水层为条带状的亲水多孔纤维布，采用毛细吸水作用强的椰壳布、棉布、麻布、无纺布、或化纤布制成，与光热层贴合部分的形状与之保持一致，非贴合部分伸出的两端的宽度分别同光热层的第一边和第三边，向下没入海水中。
所述冷凝水收集器为具有高导热的平板及其上表面负载有能够强化蒸汽冷凝的材料或微纳结构，形状与输水层保持一致，所述高导热的平板采用铝、铜、或合金金属导热材料制成，所述能够强化蒸汽冷凝的材料包括亲水涂层。所述能够强化蒸汽冷凝的微纳结构包括纳米棒、纳米管、纳米锥、纳米柱阵列。
本发明光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集方法，包括以下步骤：太阳光照射至光热层上表面，通过光热作用转化为热能，热量向下传递至输水层，盐水通过输水层的毛细作用由两端入水口运输至光热层的下方，水吸收热量以产生水蒸汽，由于上方有光热层阻挡，促使蒸汽在输水层的下表面向下逸出即光热/蒸发界面分离，蒸汽向下传输至冷凝水收集器的上表面后快速降温冷凝成液滴流下收集，随着输水层中水被蒸发，越往上盐浓度越高，在提盐处位置盐浓度达到饱和从而析出，最后落入盐收集器中完成提盐，每一级输水层接受上一级冷凝水收集器传递的余热用于水蒸发。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、与传统膜法和热法海水淡化技术相比，本发明可以摆脱对能源及其设施的依赖。仅以太阳能作为唯一能量来源，清洁环保，无需使用传统的电力和热力能源，即无需配套电站等大型设施，极大地提高了设备普适性，极大地降低环境污染。盐分污染设备是传统海水淡化技术的共性问题，本发明在生产淡水的同时避免了盐分对设备的侵蚀，避免了对海水的预处理过程以及易耗配件(反向膜、蒸馏管等)的周期性更换，极大降低了维护成本。
2、与太阳能蒸馏器相比，本发明可以提高太阳能利用率。太阳能蒸馏器利用光照使海水整体升温蒸发，大部分的光热能量被浪费，太阳能转换效率一般在30％-45％。本发明通过特殊的材料和结构设计，使光热仅对空气/表层水界面处进行加热蒸发，从而能够将太阳能转换效率提升到80％以上。
3、提升淡化水质。传统膜法和热法海水淡化技术获得淡水的典型浓度分别为10-500ppm和1-50ppm，本发明基于热蒸发技术，获得淡水的浓度低于1ppm，达到直饮水的标准，可实现直接从海水一步生产饮用水，不仅适用于大规模、集中式的供水系统，也适合小型化、便携式装置，在海岛、沿海地区、船舶、海上平台及野外用水保障。
4、常规的光热/蒸发界面一体的蒸发技术，蒸汽向上逸出，通过透明顶盖收集，存在太阳光反射和散射损失、蒸汽不易冷凝、凝结水不易滚动收集、盐分析出阻塞蒸发器等问题。本发明通过光热/蒸发界面分离的设计，光热层只吸热，蒸汽从输水层下方逸出收集，有效避免了蒸汽向上蒸发收集设计的各种问题。同时，通过非对称的输水层设计，可以方便地调节输水层中最高盐浓度点的位置及浓度，使整个蒸发面的盐浓度低于饱和浓度，不会被阻塞，而在提盐处达到饱和浓度以析出提取，实现长效稳定的淡水生产和盐分分离提取。
5、常规的光热/蒸发界面一体的蒸发技术只有一级，透明顶盖既受光照又要进行冷凝，不仅冷凝效率低，余热也难以利用，综合太阳能效率不够理想。本发明通过多级设计，每一级输水层接受上一级冷凝水收集器传递的余热用于水蒸发，此外收集器没入海水中以降低温度促进冷凝收集，可充分利用余热同时强化蒸汽冷凝，大幅提高太阳能综合转换效率。
6、无高盐废水排放污染。目前各类海水淡化方法都无法将盐固体同时从海水中提出去，不可避免地产生高盐废水排放问题。本发明通过水盐同步分离设计，在蒸发海水过程中同步提取盐分，实现高盐废水零排放。
附图说明
图1是本发明的光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置的结构示意图；
图2是本发明的光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置的结构侧视图；
图3是本发明的光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置的结构俯视图；
其中，1是光热层，2是输水层，3是提盐处，4是盐收集器，5是冷凝水收集器，6是长边第一边，7是第二边，8是短边第三边，9是输水层宽端，10是输水层最高盐浓度处，11是输水层窄端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置，参见图1和图2，由第一级太阳能水蒸发收集器和若干级单级余热水蒸发收集器自外而内紧密堆叠组装。第一级太阳能水蒸发收集器包括自上而下组装的光热/蒸发界面分离非对称蒸发器以及冷凝收集器组成，两者的间隙为5～50mm。光热/蒸发界面分离非对称蒸发器包括紧密贴合在输水层2上的光热层1，在输水层2顶端弯折处向下延伸的提盐处3。所述光热层的长边第一边6与输水层宽端9相接，所述第二边7与输水层最高盐浓度处10相接，即为弯折处的顶角棱，所述短边第三边8与输水层窄端11相接。所述光热层1下表面与输水层2由上至下紧密贴合，贴合部分的形状面积相适配作为蒸汽产生位点。所述输水层宽端9和窄端11均向下没入海水中作为供水口形成双向水盐运输通道。所述提盐处3设置于所述输水层2中最高盐浓度处10，并向下方引出，伸入盐收集器4。
所述冷凝收集器包括盐收集器4以及冷凝水收集器5。所述盐收集器4设置于所述提盐处3的下方。所述冷凝水收集器5形状与对应的光热层1和输水层2相适配作为蒸汽冷凝收集位点。冷凝水收集器5上端与盐收集器4相连。
所述的单级余热水蒸发收集器与第一级太阳能水蒸发收集器的区别之处仅在于前者不再需要光热层和提盐处，包括自上而下组装的非对称蒸发器以及冷凝收集器组成。所述非对称蒸发器同输水层2，紧密贴合在上一级冷凝水收集器5的下表面从而利用蒸汽冷凝释放的余热用于水蒸发。所述冷凝收集器同冷凝水收集器5。单级余热水蒸发收集器依次堆叠组装。
优选地，所述光热层1为具有高导热的平板及其上表面负载有能够增强光捕获的材料或微纳结构。所述高导热的平板采用铝、铜、或合金金属导热材料制成。所述能够增强光捕获的材料包括碳材料、半导体材料、具有等离子体基元吸收的金属纳米颗粒、黑色涂料。所述能够增强光捕获的微纳结构包括纳米棒、纳米管、纳米锥、纳米柱阵列。
优选地，所述输水层2为条带状的亲水多孔纤维布，采用毛细吸水作用强的椰壳布、棉布、麻布、无纺布、或化纤布制成，与光热层1贴合部分的形状与之保持一致，非贴合部分伸出的两端的宽度分别同光热层1的第一边6和第三边8，向下没入海水中。
优选地，所述冷凝水收集器5为具有高导热的平板及其上表面负载有能够强化蒸汽冷凝的材料或微纳结构。形状与输水层2保持一致，向下没入海水中。所述高导热的平板采用铝、铜、或合金金属导热材料制成。所述能够强化蒸汽冷凝的材料包括亲水涂层。所述能够强化蒸汽冷凝的微纳结构包括纳米棒、纳米管、纳米锥、纳米柱阵列。
本发明提供了光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置在太阳能海水淡化生产清洁水并同步提盐的应用，太阳光照射至光热层1上表面，通过光热作用转化为热能，热量向下传递至输水层2，盐水通过输水层2的毛细作用由两端入水口运输至光热层1的下方，水吸收热量以产生水蒸汽，蒸汽在输水层2的下表面向下逸出光热/蒸发界面分离，蒸汽向下传输至冷凝水收集器5的上表面后快速降温冷凝成液滴流下收集，蒸汽冷凝释放的热量传输至下一级紧密贴合的输水层用于产生蒸汽，实现余热的循环利用。随着输水层2中水被蒸发，越往上盐浓度越高，在提盐处3位置盐浓度达到饱和从而析出，落入盐收集器4中完成提盐。每一级输水层接受上一级冷凝水收集器传递的余热用于水蒸发。实现长效稳定的淡水生产和盐分分离提取。
本发明依据水盐输运与传热过程的耦合作用机理及低温蒸汽强化冷凝机理，通过对蒸发器与冷凝器的结构设计有效调控热质传输完成清洁水与盐的收集。以廉价的导热材料、亲水纤维布为原材料制备光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置。
以下实施例的光催化测试方法为：利用300W氙灯(CEL-HXF300-T3，北京中教金源科技有限公司)模拟太阳光源，调节测试在不同太阳光强度下的蒸发收集性能。将光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置置于模拟光源下方照射，测试结束后测量所收集的清洁水与盐的质量，以此计算产水速率、盐收集速率、综合太阳能-收集水转换效率。
实施例1：
采用高导热的平板金属铜作为光热层和收集器的基底材料，选用炭黑作为增强光捕获的光热材料，将炭黑与PVDF按照8：1的质量比混合后涂覆与高导热平板金属铜表面得到光热层。设置光热层第一边与第三边长度比为(3：1)，且第一边、第二边、第三边之间的侧边连线为直线段构成非对称型结构，第二边所在弯折处的顶角为120°。选用椰壳布用作亲水多孔纤维布，设置输水层蒸发处形状与光热层贴合，输水层的椰壳布两端浸入下方水体中。采用条状椰壳布作为提盐处，并贴合于输水层盐浓度最高处即第二边。将光热层下表面与输水层由上至下紧密贴合得到光热/蒸发界面分离非对称蒸发器。选用亲水氧化硅作为亲水涂层涂覆于高导热平板金属铝表面得到冷凝水收集器，形状与输水层保持一致。盐收集器由材质为高导热金属铝的矩形材料构成，冷凝水收集器上端与盐收集器相连得到冷凝收集器。设置光热/蒸发界面分离非对称蒸发器与冷凝收集器间隙为5mm并自上而下堆叠组装即得到第一级太阳能水蒸发收集器。第一级太阳能水蒸发收集器除去光热层和提盐处即可得到单级余热水蒸发收集器。将第一级太阳能水蒸发收集器与单级余热水蒸发收集器自外而内紧密堆叠组装即得到光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置。以此实现了清洁水与盐的同步收集，利用冷凝潜热二次蒸发实现余热循环利用，大幅提高太阳能综合转换效率。

Claims (9)

1.一种光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置，其特征在于，由第一级太阳能水蒸发收集器和若干级单级余热水蒸发收集器自外而内紧密堆叠组装而成；
所述第一级太阳能水蒸发收集器包括光热/蒸发界面分离非对称蒸发器和冷凝收集器；
所述光热/蒸发界面分离非对称蒸发器包括非对称结构的光热层(1)以及紧密贴合在光热层(1)下方的输水层(2)，二者贴合部分的形状与面积完全相同，且输水层(2)的两端向下延伸并下垂入海水中，在输水层(2)的顶部盐浓度最高处设有提盐处(3)；
所述的冷凝收集器包括设置于提盐处(3)下方并供提盐处(3)伸入的盐收集器(4)，以及端部与盐收集器(4)外壁相接底部高于海水平面的冷凝水收集器(5)；
所述的单级余热水蒸发收集器包括两端向下延伸并下垂入海水中、另两端与盐收集器(4)外壁相接的非对称结构的输水层(2)，该输水层(2)的外表面紧密贴合在上一级冷凝水收集器(5)的内表面，且在输水层下端设置有端部与盐收集器(4)外壁相接底部高于海水平面的冷凝水收集器(5)；
所述的输水层(2)与冷凝水收集器(5)的间隙为5～50mm。
2.根据权利要求1所述的光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置，其特征在于，所述的光热层(1)和输水层(2)均由长边第一边(6)、短边第三边(8)和中间弯折处的顶角棱即最高盐浓度处(10)的第二边(7)组成，中间弯折处的顶角为90～180°。
3.根据权利要求2所述的光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置，其特征在于，所述的提盐处(3)设置在输水层(2)中间弯折处的第二边(7)下端。
4.根据权利要求2所述的光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置，其特征在于，所述的长边第一边(6)与向下延伸并下垂入海水中的输水层宽端(9)相接，所述短边第三边(8)与向下延伸并下垂入海水中的输水层窄端(11)相接。
5.根据权利要求2所述的光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置，其特征在于，所述的长边第一边(6)：短边第三边(8)的长度比为(10：1)～(1：1)，且光热层(1)的宽度从长边第一边(6)至短边第三边(8)的方向依次递减且连续可调，侧边连线呈线段或曲线。
6.根据权利要求1所述的光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置，其特征在于，所述的光热层(1)为具有高导热的平板及其上表面负载有能够增强光捕获的材料或微纳结构；
所述高导热的平板采用铝、铜、或合金金属导热材料制成；
所述能够增强光捕获的材料包括碳材料、半导体材料、具有等离子体基元吸收的金属纳米颗粒、黑色涂料；
所述能够增强光捕获的微纳结构包括纳米棒、纳米管、纳米锥、纳米柱阵列。
7.根据权利要求1所述的光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置，其特征在于，所述的输水层(2)为条带状的亲水多孔纤维布，采用毛细吸水作用强的椰壳布、棉布、麻布、无纺布、或化纤布制成，与光热层(1)贴合部分的形状与之保持一致，非贴合部分伸出的两端的宽度分别同光热层(1)的第一边(6)和第三边(8)，向下没入海水中。
8.根据权利要求1所述的光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集装置，其特征在于，所述冷凝水收集器(5)为具有高导热的平板及其上表面负载有能够强化蒸汽冷凝的材料或微纳结构，形状与输水层(2)保持一致，所述高导热的平板采用铝、铜、或合金金属导热材料制成，所述能够强化蒸汽冷凝的材料包括亲水涂层。所述能够强化蒸汽冷凝的微纳结构包括纳米棒、纳米管、纳米锥、纳米柱阵列。
9.一种如权利要求1至8中任一项所述的装置的光热/蒸发界面分离的多级太阳能水蒸发收集方法，其特征在于，包括以下步骤：太阳光照射至光热层(1)上表面，通过光热作用转化为热能，热量向下传递至输水层(2)，盐水通过输水层(2)的毛细作用由两端入水口运输至光热层(1)的下方，水吸收热量以产生水蒸汽，由于上方有光热层(1)阻挡，促使蒸汽在输水层(2)的下表面向下逸出，即光热/蒸发界面分离，蒸汽向下传输至冷凝水收集器(5)的上表面后快速降温冷凝成液滴流下收集，随着输水层(2)中水被蒸发，越往上盐浓度越高，在提盐处(3)位置盐浓度达到饱和从而析出，最后落入盐收集器(4)中完成提盐，每一级输水层接受上一级冷凝水收集器传递的余热用于水蒸发。
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