CN115745058A - 一种GeSe基太阳能热蒸发海水淡化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GeSe基太阳能热蒸发海水淡化系统，包括，外壳体，具有第二底面、第二侧壁和半球状顶面的外壳体；具有内芯和侧壁壳的吸水柱，GeSe薄膜设置于吸水柱的顶部；内壳体放置于外壳体中，之间具有间隙，间隙中盛放有海水，第二侧壁上开设有进水口，在虹吸作用下，海水沿进水口转移至吸水柱；内壳体与吸水柱之间设置有挡板；太阳光传输经过半球状顶面，汇聚至GeSe薄膜的表面，GeSe薄膜在太阳光的照射下温度升高，加热吸水柱顶端的海水，海水受热蒸发，在内壳体的内壁凝结，沿挡板流至第一出水口，经淡水排水管排出。该系统功能全面、结构完整，可大规模制备及安装，具有良好的经济效益以及商用前景。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能利用领域，尤其涉及一种GeSe基太阳能热蒸发海水淡化系统。
背景技术
太阳能热蒸发海水淡化由于其环保、稳定生产淡水的特点，在一些光照充足、淡水资源匮乏的地区有着极大的应用前景。窄禁带宽度的半导体光热材料在受到光激发时会产生大量超越能带的光电子，随后光电子在缺陷处发生复合释放出热量。如何利用半导体光热材料淡化海水，是本发明解决的问题之一。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是提供一种GeSe基太阳能热蒸发海水淡化系统，该系统选用具有空心砖状基本结构的GeSe薄膜，基于该薄膜在400nm至2500nm光谱范围内具有良好的光吸收能力、光吸收率不低于85％，以及其在光照下具有显著的光热转化性能，升温速率可达40℃/min，表面最高温度为96℃的特点，设置内壳体和外壳体，内壳体放置于外壳体中，两者之间的间隙中用于盛放海水，内壳体中设置吸水柱，并通过在内壳体靠近底面的侧壁上设置进水口，形成虹吸效应，使得海水在自身重力的作用下沿该进水口进入内壳体中被吸水柱吸收，GeSe薄膜放置于吸水柱的顶端，在太阳光的照射下加热吸水柱顶部的海水，海水受热蒸发，淡水沿内壳体的内壁凝结，同时内壳体和外壳体之间设置有倾斜的挡板，凝结的淡水在挡板的引导下流至出水口收集。本发明的海水淡化系统集聚光、水蒸气冷却、淡水回收、海水输运等特性于一体，将GeSe光热薄膜的在光照下的海水蒸发特性进行了充分地发挥，蒸发速率达2kg m-2h-1。
为了达到上述目的，本发明至少采用如下技术方案：
一种GeSe基太阳能热蒸发海水淡化系统，包括，外壳体、内壳体、吸水柱和GeSe薄膜；所述外壳体具有第一底面和第一侧壁；所述内壳体具有第二底面、第二侧壁和半球状顶面；
吸水柱设置于所述第二底面上，具有内芯和包覆于所述内芯侧壁上的侧壁壳，GeSe薄膜设置于所述吸水柱的顶部；
所述内壳体放置于所述外壳体中，所述内壳体与所述外壳体之间具有间隙，所述间隙中盛放有海水，靠近所述第二底面的所述第二侧壁上开设有进水口，在虹吸作用下，海水沿所述进水口转移至所述吸水柱；
所述内壳体与所述吸水柱之间设置有挡板，所述挡板具有一孔洞，所述孔洞套设于所述吸水柱的侧壁壳，所述挡板与所述第二底面之间具有一夹角，所述第二侧壁靠近所述挡板一侧具有第一出水口，所述第一侧壁上具有第二出水口，一淡水排水管的一端连接至所述第一出水口，其另一端穿过所述第二出水口；
太阳光传输经过所述半球状顶面，汇聚至所述GeSe薄膜的表面，所述GeSe薄膜在太阳光的照射下温度升高，加热吸水柱顶端的海水，海水受热蒸发，在所述内壳体的内壁凝结，沿所述挡板流至第一出水口，经淡水排水管排出。
进一步地，所述侧壁壳暴露所述内芯靠近所述第二底面的一部分。
进一步地，所述侧壁壳上分布有通孔，所述通孔设置于所述挡板与所述第二底面之间的侧壁壳上。
进一步地，所述内芯的材料选用聚乙烯醇、棉花或亚麻布。
进一步地，所述半球状顶面为凸透镜，太阳光经所述凸透镜汇聚至所述GeSe薄膜表面。
进一步地，所述夹角选用锐角。
进一步地，所述夹角选用5°。
进一步地，所述GeSe薄膜的厚度为500nm至10μm。
进一步地，所述GeSe薄膜具有空心砖结构，其经剥离工艺后转移至所述吸水柱的顶部。
进一步地，所述内壳体、所述外壳体、所述挡板、所述侧壁壳的材料为玻璃、亚克力、铝、铜或不锈钢。
与现有技术相比较，本发明至少具有如下有益效果：
本发明选用光热转化性能好，升温速率高的GeSe薄膜，通过内壳体和外壳体的两层设置，其中间填充海水，使得在依赖海水自身重力的情况下，即可从内壳体侧壁底部的进水口主动向内壳体内部添加原料，省去了海水添加成本，简化了结构。另一方面，海水还能作为保温层和冷却层，加快内层产生的水蒸气冷凝过程，降低内层水汽饱和度，加快蒸发速率。本发明具有操作简单，便于安装的特点；GeSe薄膜的制备工艺简单，可大面积制备，且电剥离工艺成熟；可以最大限度地保留薄膜的吸光特性，能够实现快速高效的光热蒸发海水淡化效果；该海水淡化系统是一种功能全面、结构完整的基本单元，可大规模制备及安装，具有良好的经济效益以及商用前景。
附图说明
图1是本发明一实施例的海水淡化系统三维结构示意图。
图2是本发明一实施例的海水淡化系统的原理拆解示意图。
图3是本发明一实施例的GeSe薄膜的表面基板形貌图。
图4是本发明一实施例光照下GeSe薄膜表面红外成像照片。
图5是本发明一实施例GeSe薄膜表面温度随时间变化曲线。
图6是本发明一实施例GeSe薄膜光照下海水蒸发照片。
具体实施方式
接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从公开商业途径获得。
本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。
另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。
本发明一实施例提供一种GeSe基太阳能热蒸发海水淡化系统，如图1至图2示，该海水淡化系统包括外壳体、内壳体、吸水柱和GeSe薄膜，该GeSe薄膜具有空心砖结构，在400～2500nm波段的光吸收百分数高达90％，具有高的光吸收特性，且该GeSe薄膜具有非常显著的光热转化性能以及升温速率，能够实现高效光热转化和海水热蒸发淡化的目的。在一优选实施例中，GeSe薄膜先通过快速热蒸发法沉积在金属衬底上，例如，将金属钼片放置在石墨盒中，将0.6g硒化亚锗粉末均匀的铺在金属钼片周围，随后装有钼片以及硒化亚锗粉末的石墨盒用石墨盖子密封后放置在管式炉内，利用分子泵将管式炉内的真空度降低至10-3Pa，在蒸发阶段到来时，盒中的硒化亚锗粉末会受热蒸发随后沉积在金属钼片上，随后经过控制冷却速率为10℃/min使得晶体进一步生长从而形成具有空心砖结构的薄膜，其表面形貌示意图如图3所示。
随后从金属钼片上剥离得到具有空心砖结构的GeSe薄膜。GeSe薄膜的剥离工艺包括直流加压法、酸性溶液浸泡法、刻蚀法、撕胶带法等。在一优选实施例中选用外加电压法将GeSe薄膜从钼片上剥离。具体地，采用三电极法进行剥离，将GeSe/Mo作为工作电极，铂片电极作为对电极，Ag/AgCl组为参比电极。利用辰华电化学工作站加-2V电压，持续时间为100s，即可将GeSe薄膜从钼片上剥离。
在一优选实施例中，剥离后的GeSe薄膜漂浮在电解液中，将剥离在电解液中的GeSe薄膜转移至圆柱状聚乙烯醇海绵的顶端。随后将柱状海绵安装至内壳体中。单次剥离的GeSe薄膜的厚度为500nm至10μm。吸水柱的负载质量为50mg至5g。
该外壳体具有一底面和侧壁，在一优选实施例中，该外壳体整体上呈圆柱状；在其它实施例中，外壳体整体上也可以呈长方体柱状或正方体，不局限于该形状。内壳体具有一底面、侧壁和一半球状顶面，在一优选实施例中，内壳体整体上呈圆柱状，内壳体放置于外壳体中，与外壳体的中轴线重合；在其它实施例中，内壳体整体上也可以呈长方体柱状或正方体，不局限于该形状。
内壳体与外壳体之间具有间隙，待蒸发的海水盛放于该间隙中。内壳体靠近第二底面的侧壁上设置有进水口，海水可沿该进水口进入内壳体中。在一优选实施例中，进水口沿侧壁的周向间隔均匀布置。间隙中盛放的海水一方面作为保温套，减少内壳体内的热量损失，加快蒸发速率。另一方面，海水由于重力可通过进水口进入内层体，补充蒸发用水。
吸水柱具有内芯和侧壁壳，侧壁壳包覆于内芯的侧壁上。在一优选实施例中，吸水柱的直径为10cm，高度为30cm。吸水柱放置于内壳体中，其底面与第二底面接触，顶端放置有GeSe薄膜。在一实施例中，侧壁壳暴露内芯靠近第二底面的一部分；在另一实施例中，侧壁壳靠近第二底面的部分设置有多个通孔，通孔沿侧壁的周向均匀布置。吸水柱内芯的材料选用聚乙烯醇、棉花或亚麻布。在虹吸作用下，盛放于间隙中的海水沿进水口进入内壳体中，到达吸水柱内芯的下部，内芯吸收海水。
在一优选实施例中，内壳体的半球状顶面为一凸透镜，太阳光照射至半球状顶面，经凸透镜汇聚至吸水柱顶部的GeSe薄膜表面。在另一优选实施例中，半球状顶面的上表面设置有凸透镜，太阳光照射至该凸透镜，经凸透镜汇聚至吸水柱顶部的GeSe薄膜表面。
外壳体与内壳体之间设置有一挡板，挡板具有一孔洞，孔洞套设于吸水柱的侧壁壳上，挡板与第二底面之间具有一夹角使得该挡板倾斜，在一优选实施例中，该夹角为5°。该挡板的设置使得流入内壳体中的海水，以及海水蒸发之后沿内壳体侧壁冷凝流至挡板的淡水分隔开。
内壳体靠近挡板一侧设置有一第一出水口，外壳体上靠近该第一出水口处设置有一第二出水口，一排水管的一端连接至该第一出水口，其另一端穿过该第二出水口。
太阳光传输至半球状顶面，经凸透镜汇聚至GeSe薄膜的表面，GeSe薄膜在太阳光的照射下温度升高，加热吸水柱顶端的海水，海水受热蒸发，在内壳体的内壁凝结，流至倾斜的挡板处，倾斜的挡板引导淡水流至排水管，收集淡水。
本发明提供的海水淡化系统选用了具有良好热转化材料的GeSe薄膜，其光热转化特性如图4示，该薄膜同时具有快速升温的特性，如图5示，且本发明选用的GeSe薄膜具有空心砖结构，以及大面积的特性，该高吸收薄膜大面积、完整的负载在吸水柱上，最大限度保留了薄膜的吸光特性，本发明在实验室条件下即能够实现快速高效的光热蒸发海水淡化的效果，如图6示，该GeSe薄膜结合内壳体、外壳体的设置，内壳体与外壳体之间用于盛放海水，海水同时作为保温层和冷却层，避免了保温材料的使用，加快内层产生的水蒸气冷凝过程，降低内层水汽饱和度，加快蒸发速率。同时，海水盛放于两层之间使得依赖海水自身的重力，从内壳体底部的进水口主动向内部添加海水，节省了海水添加的成本，简化了工艺。本发明的海水淡化系统具有结构简单、便于安装的特点，其功能全面，结构完整，可大规模制备及安装，具有良好的经济效益和商用前景。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GeSe基太阳能热蒸发海水淡化系统，其特征在于，包括，外壳体、内壳体、吸水柱和GeSe薄膜；所述外壳体具有第一底面和第一侧壁；所述内壳体具有第二底面、第二侧壁和半球状顶面；
吸水柱设置于所述第二底面上，具有内芯和包覆于所述内芯侧壁上的侧壁壳，GeSe薄膜设置于所述吸水柱的顶部；
所述内壳体放置于所述外壳体中，所述内壳体与所述外壳体之间具有间隙，所述间隙中盛放有海水，靠近所述第二底面的所述第二侧壁上开设有进水口，在虹吸作用下，海水沿所述进水口转移至所述吸水柱；
所述内壳体与所述吸水柱之间设置有挡板，所述挡板具有一孔洞，所述孔洞套设于所述吸水柱的侧壁壳，所述挡板与所述第二底面之间具有一夹角，所述第二侧壁靠近所述挡板一侧具有第一出水口，所述第一侧壁上具有第二出水口，一淡水排水管的一端连接至所述第一出水口，其另一端穿过所述第二出水口；
太阳光传输经过所述半球状顶面，汇聚至所述GeSe薄膜的表面，所述GeSe薄膜在太阳光的照射下温度升高，加热吸水柱顶端的海水，海水受热蒸发，在所述内壳体的内壁凝结，沿所述挡板流至第一出水口，经淡水排水管排出。
2.根据权利要求1的所述海水淡化系统，其特征在于，所述侧壁壳暴露所述内芯靠近所述第二底面的一部分。
3.根据权利要求1的所述海水淡化系统，其特征在于，所述侧壁壳上分布有通孔，所述通孔设置于所述挡板与所述第二底面之间的侧壁壳上。
4.根据权利要求1至3任一项的所述海水淡化系统，其特征在于，所述内芯的材料选用聚乙烯醇、棉花或亚麻布。
5.根据权利要求1至3任一项的所述海水淡化系统，其特征在于，所述半球状顶面为凸透镜，太阳光经所述凸透镜汇聚至所述GeSe薄膜表面。
6.根据权利要求1至3任一项的所述海水淡化系统，其特征在于，所述夹角选用锐角。
7.根据权利要求6的所述海水淡化系统，其特征在于，所述夹角选用5°。
8.根据权利要求1至3任一项的所述海水淡化系统，其特征在于，所述GeSe薄膜的厚度为500nm至10μm。
9.根据权利要求1至3任一项的所述海水淡化系统，其特征在于，所述GeSe薄膜具有空心砖结构，其经剥离工艺后转移至所述吸水柱的顶部。
10.根据权利要求1至3任一项的所述海水淡化系统，其特征在于，所述内壳体、所述外壳体、所述挡板、所述侧壁壳的材料为玻璃、亚克力、铝、铜或不锈钢。
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