CN210214859U

CN210214859U - 一种太阳能光热海水淡化装置

Info

Publication number: CN210214859U
Application number: CN201920633068.1U
Authority: CN
Inventors: Zheng Bo; 薄拯; Huachao Yang; 杨化超; Shenghao Wu; 吴声豪; Jianhua Yan; 严建华; Kefa Cen; 岑可法
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-05-06
Filing date: 2019-05-06
Publication date: 2020-03-31
Anticipated expiration: 2029-05-06

Abstract

本实用新型公开了一种太阳能光热海水淡化装置，从上往下依次包括透光冷凝板、蒸发室和收集室；蒸发室内设有光热蒸发板，所述透光冷凝板覆盖在蒸发室上并将冷凝水引导至收集室。所述光热蒸发板包括石墨烯泡沫隔热体和覆盖在石墨烯泡沫隔热体外表面的垂直取向石墨烯吸光体。本实用新型提供的太阳能海水淡化装置具有结构简单、易于操作的特点、能够高效收集冷凝水，解决了冷凝水和蒸汽的挡光问题，提高了光热海水淡化装置的稳定性和光热转化效率，具有更好的海水淡化效果。

Description

一种太阳能光热海水淡化装置

技术领域

本实用新型涉及海水淡化技术领域，特别涉及一种太阳能光热海水淡化装置。

背景技术

伴随着环境污染和人类需求的激增，淡水资源的匮乏已变得日益严重，成为一个亟需解决的全球性问题。[L.Zhou et al.Nat.Photonics 2016,10:393-398]在全球水资源中，接近总量的97.5％为海水等咸水资源，如何通过清洁的方式从海水中提取淡水资源，是当前国际关注的热点问题。太阳能是地球上分布最广，储量最大的能源，利用太阳能驱动海水淡化的相关技术因其清洁、可持续等特点受到研究和工业领域的广泛关注。光热直接蒸发、冷凝、回收是太阳能驱动海水淡化技术的典型代表，具有操作简单、设备简易的特点。

在传统的太阳能光热蒸发海水淡化系统中，通常是利用太阳能直接加热整个海水主体，收集海水蒸发后的淡水。该方法需要加热海水整体，对流、热传导散热研究，太阳能利用率低。另外，太阳能直接加热所得海水温度低，蒸发速率小。2014年，美国麻省理工学院Gang Chen课题组提出局域化加热的概念，可以高效利用太阳能实现快速光热蒸发，相对于传统对海水整体加热的方法，减少了海水整体向环境散热等带来的能量损失，极大地提高了太阳能的利用效率[H.Ghasemi et al.Nat.Commun.2014,5:4449]。随后的相关研究对局域加热系统做了进一步优化，但是主要集中在对光热蒸发材料的研究，如：优化光热蒸发材料的吸光性和隔热性[Q.Jiang et al.Adv.Mater.2016,28:9400-9407；L.Zhou etal.Sci.Adv.2016,2:e1501227]，而在实际应用中，冷凝水不易收集、冷凝水和蒸汽阻挡入射光等问题，会严重削弱系统的光热蒸发效率和稳定性。因此，设计合理的的太阳能光热蒸发海水淡化系统，高效收集冷凝水、解决冷凝水和蒸汽的挡光问题是实现高效海水淡化的关键。

此外，现有海水淡化系统往往结构较复杂、体积较庞大，如：公开号为CN202688029U的中国专利文献公开的一种太阳能光热海水淡化装置，所述的太阳能光热海水淡化装置，通过高倍率反射聚焦太阳能光热装置吸收太阳能产生蒸汽，以该蒸汽作为海水淡化的热量来源；所述的高倍率反射聚焦太阳能光热装置，包括热量收集装置、面积远大于热量收集装置的吸热面积的反射镜、能驱动反射镜跟踪太阳运转的自动跟踪太阳装置；所述的热量收集装置位于反射镜的上方，以收集反射镜反射的太阳辐射热产生高温热从而产生蒸汽，蒸汽通过连接所述的高倍率反射聚焦太阳能光热装置与海水淡化装置的管道输送至海水淡化装置制出淡水。通过反射聚焦装置吸收太阳能产生蒸汽，但是反射聚焦装置的面积大，跟踪系统复杂，系统成本高。

所以，设计结构紧凑、成本低廉的海水淡化系统是面向实际应用的另一迫切需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种太阳能光热海水淡化装置，结构简单、易于操作、能够高效收集冷凝水，解决了冷凝水和蒸汽的挡光问题，光热海水淡化系统的稳定性和光热转化效率均大大提高，海水淡化前后盐度降低明显。

一种太阳能光热海水淡化装置，从上往下依次包括透光冷凝板、光热蒸发板、蒸发室和收集室；所述透光冷凝板覆盖在蒸发室上并将冷凝水引导至收集室，所述蒸发室内设有光热蒸发板。

所述收集室上设有收集口，透光冷凝板覆盖在蒸发室上并延伸至收集室上的收集口，将冷凝水引导至收集室。

所述蒸发室与收集室呈上下分布，其中，所述蒸发室在所述收集室之上。

优选的，所述蒸发室和收集室为一体结构。

优选的，所述太阳能光热海水淡化装置还包括抽气通道和蒸汽疏导管，所述抽气通道的一端与蒸发室连接、另一端通过蒸汽疏导管与收集室连接；所述抽气通道和蒸汽疏导管设置在蒸发室的侧壁。

优选的，所述太阳能光热海水淡化装置还包括设置在抽气通道内的抽气扇和驱动装置，所述驱动装置驱动抽气扇吸收蒸发室内的蒸汽到蒸汽疏导管。

优选的，所述驱动装置为太阳能电池板。

所述蒸发室用于储纳海水和光热蒸发板；所述光热蒸发板漂浮在海水上，用于光热蒸发海水，产生蒸汽；所述透光冷凝板覆盖在蒸发室上，阻止蒸汽向外溢出，蒸汽在透光冷凝板上冷凝，并沿着透光冷凝板流到收集室；所述蒸发室的侧壁上设置抽气通道，所述抽气扇安装在抽气通道内，用于吸收蒸发室内的蒸汽；所述蒸汽疏导管连接抽气通道和收集室，所述抽气扇吸收的蒸汽被蒸汽疏导管输送到收集室，并在收集室内冷凝；所述太阳能电池板用于光伏发电，并为抽气扇提供电能。

所述太阳能光热海水淡化装置还包括蒸发室的进水口和蒸发室的出水口，所述蒸发室进水口向蒸发室补充海水，所述蒸发室出水口排出蒸发室内的海水；所述太阳能光热海水淡化装置还包括收集室的进水口、收集室的出水口。

所述透光冷凝板是透明的。

所述太阳能光伏板的输出电压在抽气扇的工作电压范围以内。光伏板的输出电压和抽气扇的工作电压，与装置体积大小有关，体积越大，对电压要求远高，对应的工作功率也越高。

在所述太阳能光热海水淡化装置运行的过程中，内部的空间是密闭的，所述蒸发室的进水口与蒸发室的出水口是关闭，收集室的进水口和收集室的出水口是关闭的；在清洗蒸发室的过程中，所述蒸发室的进水口与蒸发室的出水口是打开的。

所述透光冷凝板的倾斜角度为10°-60°。所述倾斜为水平向下倾斜。

优选的，所述透光冷凝板的倾斜角度为30°。

所述抽气通道的位置高于光热蒸发板。防止海水通过抽气通道流到收集室。

所述光热蒸发板包括石墨烯泡沫隔热体和覆盖在石墨烯泡沫隔热体外表面的垂直取向石墨烯吸光体。

所述垂直取向石墨烯吸光体和石墨烯泡沫隔热体以共价键形式连接。

所述垂直取向石墨烯吸光体为表面经亲水官能团修饰的垂直取向石墨烯。

光热蒸发板以共价键的形式，将吸光体和隔热体连接成一个整体，兼备捕集光能、阻滞热流传递的功能，克服了常规局域加热系统中吸光体与隔热体易脱离问题，提高了系统的稳定性；所述吸光体捕集太阳能，并将光能转化为热能，产生局部高温；所述隔热体阻滞热流传递，减少散热；所述吸光体可作为液体流道，通过毛细作用传输液体到局部高温区域，实现快速光热蒸发；并且保护隔热体免受液体润湿，避免热流通过渗入的液体向外传递，解决了常规局域加热系统中液体渗入隔热体内部所引起的热损失问题，提高了系统的光热转化效率。

本实用新型与现有技术相比，具有的有益效果如下：

本实用新型提供的太阳能光热海水淡化装置，具有结构简单、易于操作的特点。

本实用新型提供的太阳能光热海水淡化装置，能够高效收集冷凝水，解决了冷凝水和蒸汽的挡光问题，提高了光热海水淡化装置的稳定性。

本实用新型提供的太阳能光热海水淡化装置具有更好的光热转化效率和海水淡化效果。

附图说明

图1为实施例1提供的太阳能光热海水淡化装置的结构示意图；

图2为实施例1提供的太阳能光热海水淡化装置的分解结构示意图；

图3为实施例1提供的太阳能光热海水淡化装置的剖面结构示意图；

图4为实施例1提供的太阳能光热海水淡化装置的光热蒸发原理示意图；

图5为实施例1提供的太阳能光热海水淡化装置的光热蒸发板的光学图和浸润性表征结果。

具体实施方式

为使本实用新型更明显易懂，以下结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。以下描述的实施例仅用于解释本实用新型，并非对本实用新型任何形式上和实质上的限制。

实施例1

如图1、图2和图3所示，抽气扇10安装在蒸发室3侧壁上的抽气通道11内，由太阳能电池板12提供的电能驱动，持续运转；蒸发室3与收集室4上下分布，组成一体结构；海水通过蒸发室进水口5注入蒸发室3；光热蒸发板2自上放入蒸发室3，并漂浮于海水之上；光热蒸发板2的上表面高度始终低于抽气通道11入口的最低高度，以防止海水通过抽气通道11和蒸汽疏导管9流到收集室4；透光冷凝板1以30°的倾斜角度覆盖在蒸发室3之上，既起到封闭蒸发室3的作用，又起到冷凝水蒸气并将冷凝水引导至收集室4的作用；光热蒸发板2吸收太阳能，并将光能转化为热能，蒸发海水；抽气扇10将蒸发室3内的蒸汽吸入抽气通道11，并通过蒸汽疏导管9将蒸汽引导至收集室4。在装置的运行过程中，蒸发室的进水口5、出水口7和收集室的进水口6、出水口8都保持关闭状态。当装置停止工作后，可以通过收集室的出水口8，转移、使用所获得的淡水。

如图4所示，光热蒸发板2包括石墨烯泡沫隔热体22和覆盖在石墨烯泡沫隔热体22外表面的垂直取向石墨烯吸光体21，所述垂直取向石墨烯吸光体21为表面经亲水官能团修饰的垂直取向石墨烯。

垂直取向石墨烯吸光体21捕集太阳能，并将光能转化为热能，形成局部高温；石墨烯泡沫隔热体22阻滞热流传递，减少散热。同时，垂直取向石墨烯吸光体21还作为液体流道23，通过毛细作用吸入液体24，使之到达局部高温区域，实现快速光热蒸发。同时，液体流道23可以保护石墨烯泡沫隔热体22免受液体24的润湿，避免热流通过渗入的液体24向外传递。

其中，光热蒸发板2的制备方法如下：

1.配置氧化石墨烯水溶液，其中，氧化石墨烯的浓度为4g L^-1，十水四硼酸钠的浓度为1mmol L^-1，乙二胺浓度为4mmol L^-1；

2.配置好的氧化石墨烯水溶液被转移到铁氟龙高温高压反应釜，在90℃环境下维持6h，随后在120℃环境下维持6h，最后，冷却到室温，获得石墨烯水凝胶；

3.用乙醇水溶液浸泡所获得的石墨烯水凝胶6h，其中，乙醇的体积分数为10％，目的是清洗石墨烯水凝胶表面残留的添加剂；

4.将清洗后的石墨烯水凝胶转移到温度为-80℃的冷冻腔，冷冻6h，然后转移到温度为0℃、气压<650Pa的干燥腔，真空干燥6h，获得石墨烯泡沫；

5.将所获得的石墨烯泡沫放置于等离子体增强化学气相沉积反应腔内，抽真空至<10Pa，然后，加热至800℃；

6.打开CH₄与H₂气阀，通入CH₄与H₂的混合气体，其中，H₂的流量为5ml min^-1，CH₄的流量为5ml min^-1，气压调整到100Pa；

7.开启电感耦合等离子体源，功率调整至250W，维持120min；

8.关闭等离子体源，关闭CH₄与H₂气阀，打开Ar气阀，通入Ar，作为冷却气体，其流量为10ml min^-1，待冷却至室温，取出垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫；

9.将所获得的垂直取向石墨烯/石墨烯泡沫复合材料暴露于臭氧浓度为200ppm的环境中，维持3min，在垂直取向石墨烯的表面修饰含氧官能团，构筑水流通道，含氧官能团包括-OH、-CHO、-CHO；其中，臭氧是通过介质阻挡放电装置产生，空气作为原料；得到光热蒸发板。

制备的光热蒸发板的光学图如图5中的a所示，外表面为黑色。经光热蒸发板的浸润性如图5中的b-d所示，外部的垂直取向石墨烯吸光体21表现出强亲水性，水接触角为26.0°，说明垂直取向石墨烯吸光体21作为水流通道，可以通过毛细作用引导水的传输；内部的石墨烯泡沫隔热体22表现强疏水性，水接触角为130.5°，说明石墨烯泡沫隔热体22排斥水的渗入，表层的水流通道可以保护石墨烯泡沫隔热体22免受水的润湿。

使用本实用新型提供的太阳能光热海水淡化装置，对盐度为3.25％的天然海水进行蒸发冷凝处理，所获得的冷凝水的盐度为0.01％，满足饮用要求；对盐度为9.85％的天然海水进行蒸发冷凝处理，所获得的冷凝水的盐度为0.01％，满足饮用要求；对盐度为16.7％的天然海水进行蒸发冷凝处理，所获得的冷凝水的盐度为0.02％，满足饮用要求。

上述是结合实施例对本实用新型作出的详细说明，但是本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何在本实用新型专利核心指导思想下所作的改变、替换、组合简化等都包含在本实用新型专利的保护范围之内。

Claims

1.一种太阳能光热海水淡化装置，其特征在于，所述太阳能光热海水淡化装置从上往下依次包括透光冷凝板、蒸发室和收集室；蒸发室内设有光热蒸发板；所述透光冷凝板覆盖在蒸发室上并将冷凝水引导至收集室。

2.根据权利要求1所述的太阳能光热海水淡化装置，其特征在于，所述太阳能光热海水淡化装置还包括抽气通道和蒸汽疏导管，所述抽气通道的一端与蒸发室连接、另一端通过蒸汽疏导管与收集室连接；所述抽气通道和蒸汽疏导管设置在蒸发室的侧壁。

3.根据权利要求1所述的太阳能光热海水淡化装置，其特征在于，所述透光冷凝板的倾斜角度为10°-60°。

4.根据权利要求1所述的太阳能光热海水淡化装置，其特征在于，所述太阳能光热海水淡化装置还包括蒸发室的进水口和蒸发室的出水口；所述太阳能光热海水淡化装置还包括收集室的进水口、收集室的出水口。

5.根据权利要求2所述的太阳能光热海水淡化装置，其特征在于，所述太阳能光热海水淡化装置还包括设置在抽气通道内的抽气扇和驱动装置，所述驱动装置驱动抽气扇吸收蒸发室内的蒸汽到蒸汽疏导管。

6.根据权利要求1所述的太阳能光热海水淡化装置，其特征在于，所述光热蒸发板包括石墨烯泡沫隔热体和覆盖在石墨烯泡沫隔热体外表面的垂直取向石墨烯吸光体。