JP6779256B2 - マルチエフェクトソーラー蒸留システムおよび関連する方法 - Google Patents

Description

関連出願
この出願は、２０１４年５月１９日出願の米国仮特許出願第６２／０００２０９号、２０１５年５月１８日出願の米国特許出願第１４／７１４７０９号の利益を主張するものであり、これらの全部の内容が参照により本明細書に組み込まれる。
発明の分野
本発明は水処理の分野に関し、より詳細には、ソーラーパワーを使用した水の蒸留に関する。

発明の背景
新鮮な水は、世界の多くの地域において重要なニーズである。油田のフラッキング廃水および産業廃水などの他の汚染水すなわち液体は、また、配置する前に処理する必要がある。多くの様々な方法が、海水、または、新鮮な水を提供するために移動できない他の汚染水のために開発されている。

一つのアプローチは、沈殿および濾過システムを使用して、海水または汚染水から比較的大きな不純物を除去することである。濾過は、細菌の大きさまでのより小さな汚染物質を除去することも可能であり、また、特定の場合にはおそらくより小さな微粒子でさえも除去することが可能である。しかしながら、イオンの大きさまでの汚染物質を除去することが可能な濾過システムは、製造の観点、および、その上、維持の観点の両方において、非常に高価である。

浄水の別の方法は蒸留である。蒸留により、水からの殆どすべての不純物の除去が上手くいく。蒸留は、海水を新鮮なものにするために多くの領域において使用されている。しかしながら、ほとんどの蒸留工程は、蒸発プロセスを促進するために水が加熱されて沸騰することから、十分な蒸発を生成するためにかなりの熱を必要とする。これは、大規模な蒸留作業について特に当てはまる。

エネルギーの受動的源（例えば、太陽エネルギー）が、蒸発に必要な熱を生成するために開発されてきた。海水から新鮮な水を生成するソーラー作動蒸留システムのための一つのアプローチが特許文献１に開示されている。ソーラー作動蒸留システムは、互いに向き合った蒸発面を有する熱吸収蒸発パネルを含む。パネルは、ハウジング内に収容されている。ハウジングの各側面は、レンズのパネルを含む。各パネルのレンズは、蒸発パネルの個々の表面上に太陽エネルギーを集中させる。太陽エネルギーを各レンズのパネル上へ反射するように、ハウジングの各側面にミラーが配置されている。汚染水は、ハウジングの上部に入り、蒸発パネルの面を下に流れる。新鮮な水の回収管が、ハウジングの上部から収集タンクへ延びている。スクレーパ機構が塩および／または他の残留物を蒸発パネルの表面から除去し、残留物がハウジングの底部から定期的に除去されるようにする。

ソーラー作動蒸留システムのための別のアプローチは、ＷａｔｅｒＦＸによって提供される。ソーラートラフは、太陽光を、鉱油などの熱伝導流体（ＨＴＦ）を充填したパイプに反射する。加熱された鉱油はヒートポンプにエネルギーを付与する。熱は、海水または汚染水から新鮮な水を蒸発させるマルチエフェクトすなわち多段蒸留システムに供給される。新鮮な水を蒸発させるマルチエフェクトアプローチは、各段で基本的に前段からのエネルギーを再利用することから、効率的である。生成された蒸気は純粋な液体の水の中に凝縮し、および、残りの塩は固化して、除去され得る。

ソーラー蒸留の上述のアプローチを考慮してさえ、海水、または、新鮮な水を提供するために移動できない他の汚染水を処理するために、そのようなシステムを改善する必要が依然として存在する。

米国特許第８６１３８４０号明細書

ソーラー蒸留システムは、太陽光を反射するように構成された複数のソーラーパネル、および、前記複数のソーラーパネルと隣り合っており、処理すべき処理水を受け取って、精製処理水にするように構成された複数のレシーバを備える。該複数のレシーバは、少なくとも初段のレシーバおよび最終段のレシーバを備え、前記処理水が前記初段のレシーバから前記最終段のレシーバへ流れ、且つ、反射された前記太陽光によって加熱される。

蒸気管が前記レシーバに結合されていてもよく、個々の蒸気管が隣り合うレシーバ間に結合されている。前記処理水が各レシーバ内で加熱されるにつれて水蒸気が発生し、前記隣り合うレシーバ間の前記個々の蒸気管を経て前記水蒸気が前記最終段のレシーバに向って流れる。

戻り蒸気管が、前記最終段のレシーバに結合されていてよく、および、蒸留管が、前記水蒸気を受けるように前記戻り蒸気管に結合されていてもよい。前記蒸留管は、前記最終段のレシーバから前記初段のレシーバへ前記複数のレシーバを通って延びている。前記水蒸気が前記蒸留管を通って進むにつれて、前記水蒸気が液体に、該液体が前記精製処理水である状態で変化する。

各レシーバが前記初段のレシーバを除いて前段のレシーバからの熱エネルギーを使用して前記処理水を加熱するように、前記複数のレシーバが直列に接続されていてよい。換言すれば、前記処理水は、各レシーバが段に対応しながら、段階的に加熱され得る。前記処理水を加熱する多段またはマルチエフェクトアプローチは、各段で基本的に前段からのエネルギーを再利用するために効率的である。前記処理水が各レシーバ内で加熱されるにつれ、前記水蒸気が発生する。

各レシーバは、前記水蒸気が拡がることを可能にするように、エアギャップを除いて前記処理水で満たされていてよい。前記蒸留管は、各レシーバを通って前記エアギャップの下方へ延びていてよい。前記蒸留管は各レシーバ内で前記処理水と直接接触していてよく、および、前記水蒸気が前記蒸留管内で前記液体に変化するにつれて、熱が放出される。この相変化の間に発せられる熱を各段に供給することができ、よって、本ソーラー蒸留システムの効率をより一層向上させる。前記蒸留管の出力は、前記精製処理水を提供する。

各蒸気管は、隣り合うレシーバの前記エアギャップの間に延在していてよい。各レシーバは所定の容積を有していてよく、前記エアギャップは、前記所定の容積の約１０〜２０％であってよい。

前記複数のソーラーパネルはパラボラ型トラフとして構成されていてよく、前記複数のソーラーパネルは前記複数のソーラーパネルの焦点内に位置決めされる。各レシーバは、Ｉ字形状とダブルＹ字形状の少なくとも一方を有していてよい。

本ソーラー蒸留システムは、複数の補助熱源を、前記複数のレシーバに隣り合ってさらに備える。本ソーラー蒸留システムは、前記複数のレシーバおよび前記蒸留管を通じて前記水蒸気の流れを誘導するように、前記蒸留管に結合された真空をさらに備える。本ソーラー蒸留システムは、前記初段のレシーバに結合されたポンプであって、前記複数のレシーバを通る前記処理水の流量を制御するためのポンプをさらに備える。

前記処理水は、海水、フラッキング廃水、および、廃水のうち少なくとも１つを含むことができる。前記最終段のレシーバは、水蒸気にならない前記処理水を出力することができる。

上述したとおりのソーラー蒸留システムを使用して処理水を処理して精製処理水にするための方法が提供される。本方法は、前記複数のソーラーパネルから前記複数のレシーバへ太陽光を反射すること、および、前記複数のレシーバへ前記処理水を提供することを含む。前記処理水は前記初段のレシーバから前記最終段のレシーバへ流れ、且つ、反射された前記太陽光によって加熱され得る。前記処理水が加熱されるにつれて各レシーバ内で水蒸気を発生することができ、前記隣り合うレシーバ間の前記個々の蒸気管を経て前記水蒸気が前記最終段のレシーバに向って流れる。本方法は、前記最終段のレシーバにおける前記戻り蒸気管から前記蒸留管へ前記水蒸気を提供し、前記水蒸気が前記蒸留管を通って進むにつれて、前記水蒸気が前記精製処理水になりながら液体に変化することをさらに含む。

本発明によるマルチエフェクトソーラー蒸留システムのブロック図である。 図１に示した初段および２段目のレシーバの詳細図である。 図１に示した最終段のレシーバの詳細図である。 図１に示したレシーバおよびソーラーパネルの一実施形態の斜視図である。 図１に示したレシーバの、Ｉ字形状を有する一実施形態の側面図である。 図１に示したレシーバの、Ｙ字形状を有する別の実施形態の側面図である。 図１に示した最終段のレシーバの別の実施形態であって、そこに含まれるオーガーを持つ別の実施形態の露出された斜視図である。 図７において強調表示されたセクション１１０″の拡大断面図である。 図１に示したソーラー蒸留システムを使用して処理水を精製処理水に処理するための方法を示すフローチャートである。 本発明によるマルチエフェクトソーラー蒸留システムの別の実施形態のブロック図である。

ここで、本発明の好ましい実施形態が示されている添付図面を参照して、本発明について以下でより詳細に説明する。しかしながら、本発明は、多くの様々な形態で実施することができ、本明細書中に記載された実施形態に限定して解釈すべきでない。むしろ、この開示が完全で完璧となり、本発明の範囲を十二分に当業者に伝えるように、これらの実施形態が提供される。全体を通じて同じ参照符号は同じ要素を指し、記号ダッシュ「’」および記号２ダッシュ「″」を用いて、代替的な実施形態における同様の要素を示す。

最初に図１を参照すると、マルチエフェクトソーラー蒸留システム２０は、複数のレシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）と、該複数のレシーバに隣り合う複数のソーラーパネル４０（１）〜４０（Ｎ）を備える。各レシーバは、それぞれのソーラーパネルの焦点内に位置決めされている。

処理すべき水を一般に処理水５０と呼ぶことにする。処理水５０は、例えば、海水、油田のフラッキング廃水、または、産業廃水である場合がある。処理水５０は、それがレシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）のそれぞれを通って流れるにつれて加熱される。処理水５０が加熱されると水蒸気が生成され、このことは、精製された処理水６０を最終的に提供する。

処理水５０は段階的に加熱され、各レシーバが一段階に相当する。基本的に前段からのエネルギーを各段で再利用することから、処理水５０を加熱する多段またはマルチエフェクトアプローチが効率的である。各レシーバ内で処理水５０が加熱されると、水蒸気が生成される。

図示の実施形態では、処理水５０のわずかな割合が、それがレシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）を通過するにつれて蒸気になる。この割合は、例えば、約１０〜２０％の範囲内である可能性がある。最終段のレシーバ３０（Ｎ）は、残りの処理水５４を海に導き、あるいは、それが海水、油田フラッキング廃水、または産業排水である場合、更なる処理のために保持タンクに導く。

隣り合うレシーバ３０（１）、３０（２）間を、それらの間に接続された蒸気管３２を介して水蒸気が流れる。最終段のレシーバ３０（Ｎ）において、戻り蒸気管３４が蒸留管３６に接続されている。戻り蒸気管３４は、蒸気を蒸留管３６の入力に導く。蒸留管３６はレシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）の各々を通って延びているが、各レシーバ内を循環する処理水５２からは分離されている。

水蒸気が蒸留管３６を通って移動するにつれて、それは液体に戻る相変化をする。この相変化の間に発せられる熱が各段階に供給され、したがって、図示のマルチエフェクトソーラー蒸留システム２０の効率をより一層向上させる。蒸留管３６の出力は、精製処理水６０を提供する。

処理水５０は熱伝導流体（ＨＴＦ）の代わりにレシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）を通って流れることから、図示のマルチエフェクトソーラー蒸留システム２０は、「その場の」マルチエフェクソーラー蒸留システムとも呼ばれる。

処理水５０は、初段のレシーバ３０（１）の入力３３に入り、および、水蒸気が拡がることを可能にするように、図２に示すように上部のエアギャップ３５を除いて初段のレシーバ３０（１）を満たす。エアギャップ３５は、レシーバの容積の約１０〜２０％であってよい。蒸留管３６は、それがギャップ３５より下になるように配置されている。上述したように、蒸留管３６を処理水５０に接触させて配置することは、有利にも、水蒸気が相変化して液体に戻るときに熱が発せられることを可能にする。

初段のレシーバ３０（１）の出力３７は、２段目のレシーバ３０（２）の入力３３に接続されている。処理水５２は、水蒸気が拡がることを可能にするように、上部の別のエアギャップ３５を除いて２段目のレシーバ３０（２）を満たす。この処理は、レシーバのそれぞれについて継続する。

蒸気管３２は、隣り合うどのような２つのレシーバにおいても、エアギャップ３５と一緒に結合する。図示の例では、蒸気管３２は、初段のレシーバ３０（１）内のエアギャップ３５から２段目のレシーバ３０（２）内のエアギャップ３５へ水蒸気が移動するための通路を提供している。この処理は、レシーバのそれぞれについて継続する。最終段のレシーバ３０（Ｎ）において、戻り蒸気管３４は、その中のエアギャップ３５を図３に示すように蒸留管３６に結合させる。

より詳細にここで説明するように、マルチエフェクトソーラー蒸留システム２０は、処理水５０を所望の温度に加熱するための複数の構成要素を含む。これら構成要素は、処理水を予熱するための構造、太陽熱エネルギーの捕捉のためのパラボラ型トラフ、循環ポンプ、大きな太陽衝突捕集面積および低内部容積を有するレシーバ、および、蒸留管を含む。

処理水５０の加熱をさらに向上させるために、マルチエフェクトソーラー蒸留システム２０は、水蒸気の流れの誘導を提供するだけでなく処理水５０の沸騰温度を低下させるのに役立つように蒸留管に接続された真空ポンプすなわちシステム７２を含むことができる。加えて、太陽の運用を低くまたは全くなくすことを可能にするように、複数の補助熱源４２（１）〜４２（Ｎ）を複数のレシーバ３０（１）−３０（Ｎ）と隣り合わせて配置してもよい。補助熱源４２（１）〜４２（Ｎ）は、例えばガスバーナーであってよい。

大きな表面露出面積を持ち横に並んだポンドまたはタンクであって、温室式建物で覆われているポンドまたはタンク内に処理水５０を格納することによって、予熱を達成することができる。建物は、透明な材料から作られた側面および屋根であって、周囲の太陽エネルギーを入れ、格納されている処理水５０を温める側面および屋根を持っている。コレクタ内に凝縮する任意の水蒸気を通路に流して、これを精製処理水にするように、建物の屋根を成形してもよい。効率を高めるために最小限の熱および水蒸気が外部環境に失われるように建物を構築することができる。

ソーラーパネル４０（１）〜４０（Ｎ）は、図４に示すような大口径パラボラ型トラフとして構成することもできる。各パラボラ型トラフは、太陽光を焦点に導くための反射材料を含んでいる。反射材料は、例えば、ガラスの鏡または薄い反射膜であってもよい。パラボラ型トラフは、適切な温度への処理水５０の加熱を可能にするために、直列に配置することができる。

ポンプ７０は、処理水を図１に示すようにレシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）を通して移動させる。ポンプ７０は、処理水５０の流量を変化させる制御を含む。流量の制御により、処理水５０の蒸発速度を制御する。レシーバ３０（１）−３０（Ｎ）を通る処理水５０の流量は、例えば、毎分約５〜１５ガロンの範囲内とすることができる。当業者によって容易に理解されるように、流量は、処理水の所望の割合が、それがレシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）を通るにつれて蒸発するように選択される。流量が増加するにつれ、次いで、処理水５０を蒸発させるための所望の温度を得るためにレシーバの段数もまた増加される必要がある。流量は、レシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）によって吸収されるエネルギーに反比例する。

レシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）は、大きな太陽衝突捕集面積を備えながら、低内部容積を持つように構成される。レシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）は、太陽エネルギーがその上でパラボラ型トラフの上半分および下半分の両方から反射されるように、パラボラ型トラフ４０（１）〜４０（Ｎ）内に配置されている。レシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）は、太陽エネルギーを受けるための最適な位置にあるために役立つようにそれらを調整することができるようにマウントされている。

各レシーバの底部の充填ポートすなわち入力３３および出力３７の出口ポートは、処理水５０が入ることおよび出ることを可能にする。レシーバは、どのような特定の設計にも限定されない。レシーバ３０（１）の設計の一例は、図５に示すようなＩ字型である。Ｉ字型のレシーバ３０（１）は、対応するパラボラ型トラフ４０（１）に応じた大きさである。寸法の実例は、１２インチの垂直部分に対し直角な、垂直部分を中央に位置決めされた６インチの上部および底部である。この構造は、処理水がレシーバの長さを下に導かれることを可能にするように、内側が中空である。

垂直な辺の上部から下へ数インチは、全体の幅を増大させて蒸留管または凝縮管３６の配置を可能にするように、張り出して互いに離れる。Ｉ字型のレシーバ３０（１）は、処理水の加熱によって作られる水蒸気を収集するために封止されている。水位は、Ｉ字型のレシーバ３０（１）の上部に水蒸気の収集を可能にするギャップすなわちボイド３５が存在するように制御される。レシーバ３０（１）の上部の開口部は、隣り合うレシーバに結合された蒸気管３２に清浄な水蒸気を導く。レシーバ３０（１）の６インチ幅の上部および底部は、太陽エネルギーを捕捉するための追加の領域を提供する。全ての寸法は概算値であり、レシーバ３０（１）に沿った最適な太陽衝突捕集を確実にするように変更することができる。

レシーバの他の設計例は、図６に示すようなダブルＹ字型のレシーバ３０（１）’である。寸法は約５．６×１３インチである。この中空のダブルＹ字型のレシーバ３０（１）’ は、垂直部分の上部と底部の両方に取り付けられたＹ字型の部分を持つ細い垂直チャンバ部分を特徴としている。Ｉ字型のレシーバと同様、ダブルＹ字型のレシーバ３０（１）’は加熱の際に水蒸気を捕捉するように密封されており、同様に、内部に配置された蒸留管’３６を特徴としている。レシーバ３０（１）’の上部の開口は、隣り合うレシーバに結合された蒸気管に清浄な水蒸気を導く。

上述したように、蒸留管３６は、レシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）のそれぞれを通って延びているが、各レシーバ内を循環する処理水５２からは分離されている。蒸留管３６は、このように、水蒸気がレシーバの蒸留室から抜け出るための出口を備える。この管は熱交換器に向けられることができ、そこでは、入来する処理水は、水が形成されて、次いで精製水貯蔵タンクまたはポンド内に収集されるように、蒸気を冷却するために管を通り過ぎる。凝縮管内の蒸留された蒸気が処理水と混ざることはない。

凝縮管は、レシーバ内の流れに対し「カウンタ流れ（counter current）」を実行する。凝縮管は、蒸気の流れが処理水と反対の向きになるようにレシーバ内に形成される。これは、水蒸気中に含まれる熱がサイクルに戻されるときに水蒸気がその熱を処理水の流れの中に放出してサイクルの効率を有利にも増大させることを可能にする。

上述したように、真空ポンプすなわちシステム７２を、水が液体から蒸気に気化する温度を低くするために使用することができる。また、水蒸気がレシーバを出るポートに、真空をかけてもよい。各レシーバまたは直列の連鎖に別々に真空をかけてもよい。真空ラインの最後で、および、真空ポンプ７２に入る前に、凝縮物は、気柱から蒸留水を除去するための分離器に入ることになる。

また、上述したように、複数の補助熱源４２（１）〜４２（Ｎ）を複数のレシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）の下に配置して、太陽の運用を低くまたは全くなくすことを可能にすることができる。補助熱源４２（１）〜４２（Ｎ）は、例えばガスバーナーであって点火されていてよく、蒸留プロセスが起きるには太陽の条件が十分でない場合に、レシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）上に蒸留プロセスのための熱源を備えることができる。

ポンプ７０は、処理水をレシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）を通して移動させる。ポンプ７０は、処理水５０の流量を変化させる制御を含む。処理水の非常に大きな割合が蒸発されるように、処理水の流れを遅くすることもできる。その結果、蒸発した処理水からの残りの塩分または閉じ込められたものが蓄積して、最終段のレシーバ３０（Ｎ）″中に沈殿物を形成する。沈殿物を最終段のレシーバ３０（Ｎ）″から強制的に出すために、その中にオーガー１００″が含まれている。オーガー１００″は、蓄積された沈殿物を出口ポートから強制的に出す。蒸留管３６はオーガー１００″の中心を通る。最終段のレシーバ３０（Ｎ）″に結合されたモータ１０２″がオーガー１００″を駆動する。

太陽エネルギーの収集およびレシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）への誘導の効率をさらに増大するために、各ソーラーパネル４０（１）は、ベースによって担持される、調整可能な複数のソーラーコレクタパネルを含むことができる。受けるエネルギーの量を最大にするようにレシーバ３０（１）が配置されている焦点線に、各ソーラーコレクタパネルから反射されたときに太陽の放射がより正確に整列するように、各ソーラーコレクタパネルを位置について調整または偏倚させることができる。

ソーラーコレクタパネルは共同して放物線形状を有し、および、互いに分離している。連結されたソーラーコレクタパネルは、パネル位置決め装置である。パネル位置決め装置は、受けるエネルギーの量を最大にするようにレシーバが配置されているそれぞれの焦線線の整列を決定するために使用される光センサデバイスに基づいて、ソーラーコレクタパネルを移動させる。

上述したレシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）のさらに別の特徴は、金属製のレシーバをガラス管セクション内に配置することである。ガラス管セクションは、熱が金属製のレシーバから逃げることを防ぐ。各ガラス管セクションは、隣り合うガラス管セクションと拡張バッフルを介して接続する。ガラス管セクションの端部の金属製シールは拡張バッフルに結合されている。拡張バッフルは、ガラス管セクションへの破損を回避するように金属製シールの拡張および収縮を可能にする。また、ガラス管セクションを通して、真空に吸引してもよい。

処理水５０がレシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）を通って流れていたとしても、熱伝導流体（ＨＴＦ）を代わりに流してもよい。加熱されたＨＴＦは、その後、ヒートポンプに動力を供給することになる。熱はその後、海水または汚染水から新鮮な水を濃縮するマルチエフェクトまたは多段蒸留システムに供給することができる。

レシーバ内の流れに対して「カウンタ流れ（counter current）」を実行している凝縮管の代替として、凝縮管は、レシーバ内の流れに「共同の流れ（co-current）」を実行することができる。精製された処理水は、最終段のレシーバから処理水と共に出る。

別の態様は、処理水５０を処理して精製処理水６０にするための方法であって、ソーラー蒸留システム２０を使用する方法に向けられる。開始（ブロック２０２）から、方法は、ブロック２０４において、太陽光を複数のソーラーパネル４０（１）〜４０（Ｎ）から複数のレシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）に反射することを含む。処理水５０は、ブロック２０６において、処理水が初段のレシーバ３０（１）から最終段のレシーバ３０（Ｎ）へ流れており、且つ、反射された太陽光によって加熱されている状態で、複数のレシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）に提供される。ブロック２０８において、各レシーバ内で、処理水５０が加熱されるにつれて水蒸気が生成される。水蒸気は、隣り合うレシーバ間のそれぞれの蒸気管３２を介して、最終段のレシーバ３０（Ｎ）に向けて流れる。ブロック２１０において、最終段のレシーバ３０（Ｎ）の戻り蒸気管３４から蒸留管３６に水蒸気が供給される。水蒸気が蒸留管３６を通って進むにつれて、水蒸気は液体に、該液体が精製処理水６０である状態で変化する。本方法は、ブロック２１２で終了する。

熱伝導流体（ＨＴＦ）を使用するマルチエフェクトソーラー蒸留システム３００の別の実施形態について、ここで図１０を参照して説明する。図示のマルチエフェクトソーラー蒸留システム３２０は、複数のレシーバ３３０（１）〜３３０（Ｎ）、および、該複数のレシーバと隣り合う複数のソーラーパネル４４０（１）〜４４０（Ｎ）を含む。各レシーバは、それぞれのソーラーパネルの焦点内に配置される。処理水を上記実施形態と同様にレシーバ３３０（１）〜３３０（Ｎ）内で加熱する代わりに、熱伝導流体（ＨＴＦ）が加熱される。ＨＴＦは、例えば、鉱物油またはグリコールであってよい。

ＨＴＦストレージ３８０は、加熱されるようにレシーバ３３０（１）〜３３０（Ｎ）を通って流れる熱伝導流体を提供する。ポンプ３７０は、レシーバ３０（１）〜３０（Ｎ）を通して熱伝導流体を移動させ、および、熱伝導流体の流量を変化させる制御を含む。

熱伝導流体は、それがレシーバ３３０（１）〜３３０（Ｎ）のそれぞれを通って流れるにつれて加熱される。上記の処理水５０と同様、熱伝導流体は段階的に加熱され、各レシーバが一段階に相当する。各段は基本的に前段からのエネルギーを再利用するため、熱伝導流体を加熱する多段またはマルチエフェクトアプローチが効率的である。

最終段のレシーバ３３０（Ｎ）では、加熱されたＨＴＦが熱交換器３８２に供給される。処理水３５０はまた、蒸気に変換するために熱交換器３８２に供給される。熱交換器３８２は、加熱されたＨＴＦがグリッドを介して送られる、例えば、急速熱交換器であってもよい。処理水３５０は、次いでグリッド上に飛散または噴霧され、次いで水蒸気および／または蒸気になる。このタイプの熱交換器３８２はまた、当業者に容易に理解されるように急速交換器として知られている。処理水３５０がＨＴＦと接触することはない。

ＨＴＦ熱交換器３８２によって生成された蒸気は、蒸留管３３６に導かれる。蒸留管３３６はレシーバ３３０（１）〜３３０（Ｎ）のそれぞれを通って延びており、しかしながら、各レシーバ内を循環するＨＴＦとは分離している。熱交換器３８２の出力に備えられたＨＴＦは、再循環されてＨＴＦストレージ３８０に戻る。

蒸留管３３６を通って蒸気が進むにつれて、それは相変化して液体に戻る。この相変化の間に発せられる熱はそれぞれの個々の段階に供給され、このように、図示のマルチエフェクトソーラー蒸留システム３２０の効率をさらに向上させる。蒸留管３３６の出力は、精製処理水３６０を出力する。

蒸留管３３６は、各レシーバ内を循環するＨＴＦと接触する。ＨＴＦは、有利には、水蒸気が相変化して液体に戻るときに熱が発せられることを可能にし、ＨＴＦの沸騰温度を同様に下げるのに役立つ。

マルチエフェクトソーラー蒸留システム３２０は、水蒸気の流れの向きを規定するための、蒸留管３３６に連結された真空ポンプすなわちシステム３７２を含んでもよい。加えて、太陽の運用を低くするまたは全くなくすことを許容するように、複数の補助熱源３４２（１）〜３４２（Ｎ）を複数のレシーバ３３０（１）〜３３０（Ｎ）に隣り合って配置してもよい。補助熱源３４２（１）〜３４２（Ｎ）は、例えばガスバーナーであってよい。

蒸留（すなわち、凝縮）管３３６は、レシーバ内の流れに対して「カウンタ流れ（counter current）」を実行する。凝縮管は、蒸気の流れがＨＴＦに対し反対方向になるようにレシーバ内に形成される。これにより、水蒸気が、その熱をＨＴＦの流れの中に放出して、水蒸気に含まれる熱がサイクル中に戻されるにしたがってサイクルの効率を有利に高めることが可能になる。

補助熱源３４２（１）〜３４２（Ｎ）は、例えばガスバーナーであって点火されていてよく、蒸留プロセスが起きるには太陽の条件が十分でない場合に、レシーバ３３０（１）〜３３０（Ｎ）上に蒸留プロセスのための熱源を備えることができる。

本発明の多くの変更および別の実施形態が、前述の説明および関連する図面に提示された教示の利益を有する当業者の心に思い浮かぶ。したがって、本発明は開示された特定の実施形態に限定されないこと、および、修正および実施形態は特許請求の範囲の範囲内に含まれることを意図していることが理解される。

Claims (20)

1. ソーラー蒸留システムであって、
   太陽光を反射するように構成された複数のソーラーパネルと、
   前記複数のソーラーパネルと隣り合っており、少なくとも初段のレシーバおよび最終段のレシーバを備えており、処理をして精製処理水とすべき処理水を受け取るように構成された複数のレシーバと、
   水蒸気を受けるように、前記最終段のレシーバと結合する戻り蒸気管と、
   水蒸気を受けるように前記戻り蒸気管に結合されており、前記複数のレシーバを通って延びており且つ各レシーバ内の前記処理水と直接接触する蒸留管であって、前記水蒸気が本蒸留管を通って進むにつれて、前記水蒸気が前記精製処理水になりながら液体に変化する、蒸留管と
   を備えたソーラー蒸留システム。
2. 前記処理水は、前記初段のレシーバから前記最終段のレシーバへ流れ、および、反射された前記太陽光によって加熱され、前記蒸留管は前記最終段のレシーバから前記初段のレシーバへ前記複数のレシーバを通って延びており、および、前記戻り蒸気管は前記最終段のレシーバに結合されている、請求項１に記載のソーラー蒸留システム。
3. 前記複数のレシーバに結合された複数の蒸気管をさらに備えており、隣り合うレシーバ間に個々の蒸気管が結合されており、および、前記処理水が各レシーバ内で加熱されるにつれて前記水蒸気が発生し、前記隣り合うレシーバ間の前記個々の蒸気管を経て前記水蒸気が流れる、請求項１に記載のソーラー蒸留システム。
4. 各レシーバが前記初段のレシーバを除いて前段のレシーバからの熱エネルギーを使用して前記処理水を加熱するように、前記複数のレシーバは直列に接続されている、請求項１に記載のソーラー蒸留システム。
5. 各レシーバは、前記水蒸気が拡がることを可能にするように、エアギャップを除いて前記処理水で満たされている、請求項１に記載のソーラー蒸留システム。
6. 各蒸気管は、隣り合うレシーバの前記エアギャップの間に延在する、請求項５に記載のソーラー蒸留システム。
7. 各レシーバは所定の容積を有し、前記エアギャップは、前記所定の容積の約１０〜２０％である、請求項５に記載のソーラー蒸留システム。
8. 前記複数のソーラーパネルはパラボラ型トラフとして構成されており、前記複数のレシーバは前記複数のソーラーパネルの焦点内に位置決めされている、請求項１に記載のソーラー蒸留システム。
9. 各レシーバは、Ｉ字形状とダブルＹ字形状の少なくとも一方を有している、請求項８に記載のソーラー蒸留システム。
10. 複数の補助熱源を、前記複数のレシーバと隣り合ってさらに備える、請求項１に記載のソーラー蒸留システム。
11. 前記複数のレシーバおよび前記蒸留管を通じて前記水蒸気の流れを誘導するように、前記蒸留管に結合された真空ポンプをさらに備える、請求項１に記載のソーラー蒸留システム。
12. 前記複数のレシーバのうちの一つに結合されたポンプを、前記複数のレシーバを通る前記処理水の流量を制御するためにさらに備える、請求項１に記載のソーラー蒸留システム。
13. 前記処理水は、海水、フラッキング廃水、および、廃水のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載のソーラー蒸留システム。
14. 前記最終段のレシーバは、水蒸気にならない前記処理水を出力する、請求項１に記載のソーラー蒸留システム。
15. ソーラー蒸留システムを使用して処理水を処理して精製処理水にするための方法であって、該ソーラー蒸留システムが、複数のソーラーパネルと、前記複数のソーラーパネルと隣り合っており、少なくとも初段のレシーバおよび最終段のレシーバを備える複数のレシーバと、前記最終段のレシーバと結合された戻り蒸気管と、前記戻り蒸気管に結合されており、前記複数のレシーバを通って延びている蒸留管とを備えている、方法において、
    前記複数のソーラーパネルから前記複数のレシーバへ太陽光を反射すること、
    前記処理水が反射された前記太陽光によって加熱されている状態で、前記複数のレシーバを通して前記処理水を流すこと、
    前記処理水が加熱されるにつれて前記複数のレシーバ内で水蒸気を発生すること、および、
    前記戻り蒸気管から前記蒸留管へ、前記蒸留管が各レシーバ内の前記処理水と直接接触する状態で前記水蒸気を提供し、および、前記水蒸気が前記蒸留管を通って進むにつれて、前記水蒸気が液体に、該液体が前記精製処理水である状態で変化すること
    を含む方法。
16. 前記処理水は、前記初段のレシーバから前記最終段のレシーバへ流れ、および、反射された前記太陽光によって加熱され、前記蒸留管は前記最終段のレシーバから前記初段のレシーバへ前記複数のレシーバを通って延びており、および、前記戻り蒸気管は前記最終段のレシーバに結合されている、請求項１５に記載の方法。
17. 前記複数のレシーバに結合された複数の蒸気管をさらに備えており、隣り合うレシーバ間に個々の蒸気管が結合されており、および、前記処理水が各レシーバ内で加熱されるにつれて前記水蒸気が発生し、前記隣り合うレシーバ間の前記個々の蒸気管を経て前記水蒸気が流れる、請求項１５に記載の方法。
18. 各レシーバが初段のレシーバを除いて前段のレシーバからの熱エネルギーを使用して前記処理水を加熱するように、前記複数のレシーバは直列に接続されており、および、各レシーバは、前記水蒸気が拡がることを可能にするように、エアギャップを除いて前記処理水で満たされている、請求項１５に記載の方法。
19. 前記蒸留管は各レシーバを通って前記エアギャップの下方に延びており、および、前記水蒸気が前記蒸留管内で前記液体に変化するにつれて熱が放出される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記ソーラー蒸留システムは、前記蒸留管に結合された真空ポンプをさらに備え、本方法は、前記複数のレシーバおよび前記蒸留管を通じて前記水蒸気の流れを誘導するように、前記蒸留管の真空を吸引することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。

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