CN214327182U - 用于淡水灌溉和发电的光伏膜蒸馏系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了用于淡水灌溉和发电的光伏膜蒸馏系统。该系统包括光伏电池组件、多级蒸馏装置、第二热传导层、预热层和热隔离层，多级蒸馏装置设在光伏电池组件的背面并在远离光伏电池组件的方向上逐级布置，每级蒸馏装置分别独立地包括逐层连接的第一热传导层、蒸发层、疏水多孔层和冷凝层，第一热传导层靠近光伏电池组件设置，淡水出口位于冷凝层，海水入口和浓盐水出口位于蒸发层；第二热传导层设在距离光伏电池组件最远的一级蒸馏装置的冷凝层上；预热层设在第二热传导层上，预热层内形成有与海水入口连通的液流通道。采用该系统可解决光伏发电过程中余热散失的问题，在不降低光伏发电效率的情况下实现同一块土地上进行电能和淡水的生产。

Description

用于淡水灌溉和发电的光伏膜蒸馏系统

技术领域

本实用新型属于太阳能利用技术领域，具体而言，涉及用于淡水灌溉和发电的光伏膜蒸馏系统。

背景技术

能源短缺和淡水短缺是全球可持续发展面临的两大挑战。发电厂消耗了全球总用水量的近一半，而海水淡化消耗了大量电力。此外，传统的发电方式消耗大量的化石能源，这对全球的可持续发展造成了巨大的威胁。光伏发电由于二氧化碳排放量和水消耗量极低，受到很多研究者的青睐。然而，就目前而言，光伏发电的效率仍然比较低，最先进的商用光伏电池板只能将太阳光中大约10-20％的能量转化为电能，大部分的能量都以热能的形式散失了。此外，对于一个400MW的中型光伏发电厂来说，它至少需要从整个200万m²的土地上收集阳光，这无疑大大增加了光伏发电厂的成本。

太阳能蒸馏装置可以不消耗常规能源，在海水淡化的各种过程中显示出了很好的潜力。与光伏电站类似，由于其推广需要大面积的土地和配套设备来进行海水蒸馏，这限制了其经济效益。另外，目前已经有利用太阳能来同时生产清洁水和电能的研究，但在大多数的研究中，是将太阳能蒸馏法用于清洁水生产，并将太阳能蒸馏的某些副作用用于发电，这导致太阳能发电的能源效率更低。由于这些策略的发电效率较低，将其应用于商业光伏电厂是非常不经济的。

因此，如何在不降低光伏发电效率的同时能够在同一块土地上进行电能和淡水的生产，并且充分利用光伏发电所产生的余热是当前亟需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出用于淡水灌溉和发电的光伏膜蒸馏系统。采用该系统可以解决光伏发电过程中余热散失的问题，在不降低光伏发电效率的情况下实现同一块土地上进行电能和淡水的生产。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种用于淡水灌溉和发电的光伏膜蒸馏系统。根据本实用新型的实施例，该系统包括：

光伏电池组件；

多级蒸馏装置，所述多级蒸馏装置具有海水入口、淡水出口和浓盐水出口，所述多级蒸馏装置设在所述光伏电池组件的背面并在远离所述光伏电池组件的方向上逐级布置，每级所述蒸馏装置分别独立地包括逐层连接的第一热传导层、蒸发层、疏水多孔层和冷凝层，所述第一热传导层靠近所述光伏电池组件设置，所述淡水出口位于所述冷凝层，所述海水入口和所述浓盐水出口位于所述蒸发层；

第二热传导层，所述第二热传导层设在距离所述光伏电池组件最远的一级所述蒸馏装置的冷凝层上；

预热层，所述预热层设在所述第二热传导层上，所述预热层内形成有液流通道，所述液流通道的输出端与所述海水入口连通；

热隔离层，所述热隔离层至少包裹在所述光伏电池组件的侧面、所述多级蒸馏装置的侧面、所述第二热传导层的侧面和所述预热层的侧面及底面中的至少之一。

根据本实用新型实施例的光伏膜蒸馏系统，光伏电池组件用于吸收太阳能进行发电，并产生发电余热；热隔离层用于减少整个装置的热量散失到环境中；多级膜蒸馏装置的每一级都由依次连接的四个独立的部分组成，即第一热传导层、蒸发层、疏水多孔层、冷凝层，且在距离光伏电池组件最远的一级蒸馏装置的冷凝层上又增设了第二热传导层和预热层，其中，热传导层将光伏电池组件和冷凝层所释放的热能进行传导，蒸发层利用热传导层所传来的热能将层内的海水进行蒸发形成蒸汽，疏水多孔层用于传导蒸汽，冷凝层将疏水多孔层传导来的蒸汽冷凝形成淡水，并释放一定的热能；而预热层对进入蒸发层的海水进行预热。综上，采用该系统至少具有以下优点：1、光伏发电与多级膜蒸馏装置组合而成的光伏膜蒸馏系统实现了光伏和蒸馏的一体化，能够在同一设备同一时间同一块土地上实现电力和淡水的联合生产，从而能够大大减少土地成本和设备成本。2、在光伏电池板背面安装多级膜蒸馏装置并设置第二热传导层和预热层，可以利用太阳能发电的余热进行蒸馏，并通过回收每级蒸汽冷凝过程中释放的潜热作为下一级的热源，如此循环，实现了对热能的高效和充分利用。

另外，根据本实用新型上述实施例的光伏膜蒸馏系统还可以具有如下附加的技术特征：

任选地，所述光伏电池组件、所述多级蒸馏装置、所述第二热传导层和所述预热层上下布置。

任选地，光伏膜蒸馏系统进一步包括：海水储罐、淡水储罐和浓盐水储罐，所述海水储罐的出液口与所述液流通道的输入端相连，所述淡水储罐的进液口与所述淡水出口相连，所述浓盐水储罐的进液口与所述浓盐水出口相连。

任选地，所述海水储罐中海水的液位不低于所述多级蒸馏装置中高度最高的蒸发层的高度。

任选地，所述液流通道的输出端与所述海水入口之间设有循环泵。

任选地，所述多级蒸馏装置的级数为3～10。

任选地，多级所述蒸馏装置的蒸发层连通，每级所述蒸馏装置分别独立地设有淡水出口，距离所述光伏电池组件最远的一级所述蒸馏装置设有海水入口，距离所述光伏电池组件最近的一级所述蒸馏装置设有浓盐水出口。

任选地，所述多级蒸馏装置包括至少两个蒸馏组，每个所述蒸馏组分别独立地包括1～4级所述蒸馏装置，每组所述蒸馏组中：各级所述蒸馏装置的蒸发层连通、每级所述蒸馏装置分别独立地设有淡水出口、距离所述光伏电池组件最远的一级所述蒸馏装置设有海水入口、距离所述光伏电池组件最近的一级所述蒸馏装置设有浓盐水出口。

任选地，光伏膜蒸馏系统至少满足以下条件之一：所述光伏电池组件为多晶硅太阳能电池；所述热隔离层为聚氨基甲酸酯层；所述热传导层为氮化铝层；所述冷凝层为亲水性石英玻璃纤维膜；所述疏水多孔层为多孔聚苯乙烯膜层。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型一个实施例的光伏膜蒸馏系统的结构示意图。

图2是根据本实用新型一个实施例的单级蒸馏装置的结构示意图。

图3是根据本实用新型一个实施例的单个蒸馏组的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种用于淡水灌溉和发电的光伏膜蒸馏系统。根据本实用新型的实施例，如图1所示，该系统包括：光伏电池组件11、多级蒸馏装置13、第二热传导层142、预热层18和热隔离层12。下面参考图1～3对该光伏膜蒸馏系统进行详细描述。

光伏电池组件11

根据本实用新型的实施例，光伏电池组件11用于吸收太阳能进行发电，并产生发电余热，实现光能向电能及热能的转化。

根据本实用新型的一个具体实施例，本实用新型中光伏电池组件11的类型并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如光伏电池组件11可以为多晶硅太阳能电池等，由此可以进一步提高光伏膜蒸馏系统(PV-MD)的光电转换效率，以便将更多的太阳能转换为电能并产生发电余热。再例如，可以选择现有且已商用的多晶硅太阳能电池作为光伏电池组件，如夏普公司生产的多晶硅太阳能电池等。

多级蒸馏装置13

根据本实用新型的实施例，参考图1～2所示，多级蒸馏装置13具有海水入口131、淡水出口132和浓盐水出口133，多级蒸馏装置13设在光伏电池组件11的背面并在远离光伏电池组件11的方向上逐级布置，每级蒸馏装置A分别独立地包括逐层连接的第一热传导层141、蒸发层15、疏水多孔层16和冷凝层17，第一热传导层141靠近光伏电池组件11设置，淡水出口132位于冷凝层17，海水入口131和浓盐水出口133位于蒸发层15。其中，第一热传导层141用于将光伏电池组件11和冷凝层17所释放的热能进行传导，蒸发层15利用第一热传导层141所传来的热能将层内的海水进行蒸发形成蒸汽，疏水多孔层16用于传导蒸汽，冷凝层17将疏水多孔层16传导来的蒸汽冷凝形成淡水，并释放一定的热能，由此可以利用太阳能发电的余热进行海水蒸馏，并通过回收每级蒸汽冷凝过程中释放的潜热作为下一级的热源，如此循环，实现了对热能的高效和充分利用。

根据本实用新型的一个具体实施例，本实用新型中多级蒸馏装置13的级数并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要和工程情况进行选择，例如多级蒸馏装置的级数为3～10，再例如可以为3级、5级、7级或9级等。

根据本实用新型的再一个具体实施例，如图1和3所示，多级蒸馏装置13的蒸发层15可以连通，每级蒸馏装置A分别独立地设有淡水出口132，距离光伏电池组件11最远的一级蒸馏装置A设有海水入口131，距离光伏电池组件11最近的一级蒸馏装置A设有浓盐水出口133。通过采用该设置，可以使海水与从距离光伏电池组件11最远的蒸发层15逐级靠近光伏电池组件11移动，由此不仅能够更充分的回收每级蒸汽冷凝过程中释放的潜热作为蒸馏的热源，显著提高对热能的利用率和利用效率，还能加快蒸馏效率，同时还可以大大减少海水入口与海水供给装置的直接连接及淡盐水出口的数量，简化多级蒸馏装置的内部管道结构；而通过在每级蒸馏装置A分别独立地设有淡水出口132，可以使冷凝产生的淡水能够及时排出，避免冷凝水再次蒸发影响蒸馏效率。

根据本实用新型的又一个具体实施例，参考图2和3所示，多级蒸馏装置13可以包括至少两个蒸馏组B，每个蒸馏组B可以分别独立地包括1～4级蒸馏装置A，每组蒸馏组B中：各级蒸馏装置A的蒸发层15可以连通、每级蒸馏装置A分别独立地设有淡水出口132、距离光伏电池组件11最远的一级蒸馏装置A设有海水入口131、距离光伏电池组件11最近的一级蒸馏装置A设有浓盐水出口133。发明人发现，当多级蒸馏装置的级数较多时，海水在逐级靠近光伏电池组件的移动过程中可能会出现由于蒸发量过多，导致输送至靠近光伏电池组件的蒸馏装置A中海水量较少，难以实现发电余热的充分利用的情况；此外，还可能会出现靠近光伏电池组件的蒸馏装置蒸发层中因浓盐水浓度过大而导致海盐晶体析出并在蒸发层粘结长大，影响蒸汽的流动通路的情况，而通过对多级蒸馏装置13进行分组并确保每组蒸馏装置的级数不超过4级，并在每组蒸馏组分别设置一个海水入口和一个浓盐水出口，可以有效避免上述情况发生，达到既能显著提高热能的利用率和利用效率，还能加快蒸馏效率的效果。

根据本实用新型的又一个具体实施例，本实用新型中第一热传导层141、疏水多孔层16和冷凝层17的材质并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如，第一热传导层141可以为氮化铝层，氮化铝具有较好的导热性能及耐腐蚀性能，将其用作热传导层不仅可以提高蒸馏效率，还能延长热传导层的使用寿命。另外，疏水多孔层16可以为多孔聚苯乙烯膜层，该多孔聚苯乙烯膜层可以通过电纺得到，采用该疏水多孔层既能确保蒸汽通过，又可避免蒸发层中的浓盐水及可能析出的盐粒进入冷凝层进而导致淡水质量降低。冷凝层17可以为亲水性石英玻璃纤维膜，由此可以更有利于蒸汽在冷凝层上凝结、流出，并释放一定的能量，其中，亲水性石英玻璃纤维膜可以选择非织造布结构的商用亲水性石英玻璃纤维膜。

第二热传导层142和预热层18

根据本实用新型的实施例，如图1所示，第二热传导层142可以设在距离光伏电池组件11最远的一级蒸馏装置A的冷凝层17上，具体设在冷凝层17远离光伏电池组件11的一侧，预热层18可以设在第二热传导层142远离光伏电池组件11的一侧上，预热层18内形成有液流通道181，液流通道181的输出端与海水入口131连通。通过在距离光伏电池组件最远的一级蒸馏装置的冷凝层上增设第二热传导层和预热层，可以利用距离光伏电池组件最远的一级蒸馏装置的释放的潜热为海水预热，提高海水进入蒸馏装置的温度，由此可以更充分的提高热能的利用率。

根据本实用新型的一个具体实施例，如图1所示，光伏膜蒸馏系统可以进一步包括：海水储罐19、淡水储罐20和浓盐水储罐21，海水储罐19的出液口191与液流通道181的输入端相连，淡水储罐20的进液口与淡水出口132相连，浓盐水储罐21的进液口与浓盐水出口133相连。其中，为了保证海水储罐中的海水可以转移至各级蒸馏装置中，可以控制海水储罐19中海水的液位不低于多级蒸馏装置13中高度最高的蒸发层17的高度，由此可以通过压力差来达到上述目的，其中，该过程可以利用连通器或虹吸原理来实现；也可以在液流通道181的输出端与海水入口131之间设置循环泵，通过循环泵提高输送动力，进而实现将海水储罐中的海水转移至各级蒸馏装置。

根据本实用新型的一个具体实施例，如图1所示，光伏电池组件11、多级蒸馏装置13、第二热传导层142和预热层18可以上下布置，由此可以使蒸汽上下移动，并使海水、浓盐酸和淡水能够在水平方向输入或输出，从而更有利于提高蒸馏效率。

热隔离层12

根据本实用新型的实施例，热隔离层12可以至少包裹在光伏电池组件的侧面、多级蒸馏装置的侧面、第二热传导层的侧面和预热层的侧面及底面中的至少之一，优选使热隔离层12包裹除了光伏电池组件受光面外的整个光伏膜蒸馏系统，由此可以尽可能多的减少整个装置散失到环境中热量。其中，根据本实用新型的一个具体实施例，热隔离层12可以为聚氨基甲酸酯层，由此可以进一步提高隔热效果，降低整个系统的热量损失，提高热能利用率。

综上所述，根据本实用新型实施例的光伏膜蒸馏系统，光伏电池组件用于吸收太阳能进行发电，并产生发电余热；热隔离层用于减少整个装置的热量散失到环境中；多级膜蒸馏装置的每一级都由依次连接的四个独立的部分组成，即第一热传导层、蒸发层、疏水多孔层、冷凝层，且在距离光伏电池组件最远的一级蒸馏装置的冷凝层上又增设了第二热传导层和预热层，其中，热传导层将光伏电池组件和冷凝层所释放的热能进行传导，蒸发层利用热传导层所传来的热能将层内的海水进行蒸发形成蒸汽，疏水多孔层用于传导蒸汽，冷凝层将疏水多孔层传导来的蒸汽冷凝形成淡水，并释放一定的热能；而预热层对进入蒸发层的海水进行预热。综上，采用该系统至少具有以下优点：1、光伏发电与多级膜蒸馏装置组合而成的光伏膜蒸馏系统实现了光伏和蒸馏的一体化，能够在同一设备同一时间同一块土地上实现电力和淡水的联合生产，从而能够大大减少土地成本和设备成本。2、在光伏电池板背面安装多级膜蒸馏装置并设置第二热传导层和预热层，可以利用太阳能发电的余热进行蒸馏，并通过回收每级蒸汽冷凝过程中释放的潜热作为下一级的热源，如此循环，实现了对热能的高效和充分利用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种用于淡水灌溉和发电的光伏膜蒸馏系统，其特征在于，包括：

光伏电池组件；

多级蒸馏装置，所述多级蒸馏装置具有海水入口、淡水出口和浓盐水出口，所述多级蒸馏装置设在所述光伏电池组件的背面并在远离所述光伏电池组件的方向上逐级布置，每级所述蒸馏装置分别独立地包括逐层连接的第一热传导层、蒸发层、疏水多孔层和冷凝层，所述第一热传导层靠近所述光伏电池组件设置，所述淡水出口位于所述冷凝层，所述海水入口和所述浓盐水出口位于所述蒸发层；

第二热传导层，所述第二热传导层设在距离所述光伏电池组件最远的一级所述蒸馏装置的冷凝层上；

预热层，所述预热层设在所述第二热传导层上，所述预热层内形成有液流通道，所述液流通道的输出端与所述海水入口连通；

热隔离层，所述热隔离层至少包裹在所述光伏电池组件的侧面、所述多级蒸馏装置的侧面、所述第二热传导层的侧面和所述预热层的侧面及底面中的至少之一。

2.根据权利要求1所述的光伏膜蒸馏系统，其特征在于，所述光伏电池组件、所述多级蒸馏装置、所述第二热传导层和所述预热层上下布置。

3.根据权利要求1或2所述的光伏膜蒸馏系统，其特征在于，进一步包括：海水储罐、淡水储罐和浓盐水储罐，所述海水储罐的出液口与所述液流通道的输入端相连，所述淡水储罐的进液口与所述淡水出口相连，所述浓盐水储罐的进液口与所述浓盐水出口相连。

4.根据权利要求3所述的光伏膜蒸馏系统，其特征在于，所述海水储罐中海水的液位不低于所述多级蒸馏装置中高度最高的蒸发层的高度。

5.根据权利要求1或4所述的光伏膜蒸馏系统，其特征在于，所述液流通道的输出端与所述海水入口之间设有循环泵。

6.根据权利要求5所述的光伏膜蒸馏系统，其特征在于，所述多级蒸馏装置的级数为3～10。

7.根据权利要求1或6所述的光伏膜蒸馏系统，其特征在于，多级所述蒸馏装置的蒸发层连通，每级所述蒸馏装置分别独立地设有淡水出口，距离所述光伏电池组件最远的一级所述蒸馏装置设有海水入口，距离所述光伏电池组件最近的一级所述蒸馏装置设有浓盐水出口。

8.根据权利要求1或6所述的光伏膜蒸馏系统，其特征在于，所述多级蒸馏装置包括至少两个蒸馏组，每个所述蒸馏组分别独立地包括1～4级所述蒸馏装置，每组所述蒸馏组中：各级所述蒸馏装置的蒸发层连通、每级所述蒸馏装置分别独立地设有淡水出口、距离所述光伏电池组件最远的一级所述蒸馏装置设有海水入口、距离所述光伏电池组件最近的一级所述蒸馏装置设有浓盐水出口。

9.根据权利要求1所述的光伏膜蒸馏系统，其特征在于，至少满足以下条件之一：

所述光伏电池组件为多晶硅太阳能电池；

所述热隔离层为聚氨基甲酸酯层；

所述热传导层为氮化铝层；

所述冷凝层为亲水性石英玻璃纤维膜；

所述疏水多孔层为多孔聚苯乙烯膜层。

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