TW201918455A - 太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置 - Google Patents

太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置 Download PDF

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Abstract

一種太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置，只需要結合太陽能板和熱電裝置就可以將鹽水轉化為新鮮的飲用水，不需要額外大量熱能將海水煮沸成水蒸氣，然後再冷凝成水使用。將太陽能光轉換為電與熱電裝置相結合，太陽能轉化的熱也沒有浪費掉，和熱電裝置高溫側一起用經過熱交換器做為加熱海水，並可以降低太陽能模組的溫度進而而提高發電效率。

Description

太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置
本發明係有關一種海水淡化裝置，特別是有關一種太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置。
水是生命的泉源，隨著世界人口不斷增長，經濟不斷發展，環境卻不斷惡化，水資源特別是淡水資源日漸短缺。對於淡水資源枯竭和可飲用純淨水的缺乏是所面臨的嚴峻挑戰之一，到了2025年預計全世界有超過一半以上的人口，將面臨缺水的窘境。
另一方面，眾所週知的，地求上的海水資源很豐富，海水約佔地表面積的71%，而淡水資源僅佔所有水資源的2.5%。然而，海水鹹又苦，無法直接使用。因此，利用海水脫鹽生產淡水之海水淡化技術相繼被提出應用。
最早使用的蒸餾法將鹽水先被煮沸，然後獲得水蒸氣，水蒸氣通過冷凝盤管而凝結成水。雖然蒸餾法的歷史十分悠久，但是仍然在使用，並且存在一些缺陷，例如，它需要複雜的設施和設備，還需要有大量的熱量，故能源效益相對低，運作一個水蒸餾設備，單就能源就佔了一半以上的成本。
電滲析法、蒸餾法、反滲透法、離子交換法等方法是目前工業主要使用污水淨化和海水淡化方法的主流，但是昂貴的材料成本，運轉成本和高耗能限制了這一方法的普及性。
圖1所示為美國專利(US WO2016135701A1)所揭露一種多孔薄膜海水淡化裝置示意圖。其以PVDF微孔薄膜(membrane)當作介質，海水經加熱器後之高溫熱海水從多孔薄膜海水淡化裝置的 一側之入水口流入PVDF微孔薄膜蒸發成水蒸氣。該水蒸氣經PVDF微孔薄膜流出自然冷凝成淡水並由出水口端流出。相對於傳統之海水淡化蒸餾法，由於無需將鹽水煮沸以獲得所需之水蒸氣，因此所耗費的熱能相對比較少。然而，因為熱量從薄膜的熱的一側向冷的一側流動過程中會持續損耗能量，故整體能源效率並不高外，由於鹽水輸入多孔薄膜海水淡化裝置需事先加熱，其實際在能量的消耗的成本還是很高。
因此，如何開發海水轉淡水或污水淨化以滿足經濟性和可持續性的方法勢在必行。這一類方法與裝置對於低成本和低能耗有更高的要求。換言之，為了滿足這些目標，高效率、廉價、便攜且不需要額外電力的海水淡化方法與裝置，將更能引起市場的關注和需求。
為解決上述技術問題，本發明公開了種太陽能和熱電模組併用的化裝置，包括：入水口，接收海水；太陽能板，包括太陽能板正面、太陽能板背面、太陽能正電源輸出端、與太陽能負電源輸出端；其中，該太陽能板正面接收太陽光；熱交換器，耦接該入水口，包括熱交換器正面與熱交換器背面，將該海水蒸發分離成高溫水蒸氣與未完全蒸發的海水；其中，該熱交換器正面與該太陽能板背面耦接；熱電裝置，包括發熱面、制冷面、熱電正電源輸入端與熱電負電源輸入端；其中，該發熱面與該熱交換器背面耦接；該熱電正電源輸入端與該熱電負電源輸入端分別耦接該太陽能正電源輸出端與該太陽能負電源輸出端；液氣分離器，分離該高溫水蒸氣與該未完全蒸發的海水，並將該未完全蒸發的海水經由液氣分離器排出管排出；冷凝器，與該熱電裝置之該制冷面耦接，用以冷凝該高溫水蒸氣為低溫純水；以及出水口，耦接該冷凝器，收集並輸出該低溫純水。
本發明還公開了一種太陽能和熱電模組併用的化裝置， 包括：入水口，接收海水；太陽能板，包括太陽能板正面、太陽能板背面、太陽能正電源輸出端、與太陽能負電源輸出端；其中，該太陽能板正面接收太陽光；熱交換器，耦接該入水口，包括熱交換器正面與熱交換器背面，將該海水蒸發分離成高溫水蒸氣與未完全蒸發的海水；其中，該熱交換器正面與該太陽能板背面耦接；熱電裝置，包括發熱面、制冷面、熱電正電源輸入端與熱電負電源輸入端；其中，該發熱面與該熱交換器背面耦接；該熱電正電源輸入端與該熱電負電源輸入端分別耦接該太陽能正電源輸出端與該太陽能負電源輸出端；液氣分離器，分離該高溫水蒸氣與該未完全蒸發的海水，並將該未完全蒸發的海水經由液氣分離器排出管排出；冷凝器，與該熱電裝置之該制冷面耦接，用以冷凝該高溫水蒸氣為低溫純水；出水口，耦接該冷凝器，收集並輸出該低溫純水，以及太陽真空集熱管，耦接於該太陽能板與該熱交換器間，其中，該真空熱管表面塗布奈米碳黑吸熱物質以吸收該太陽光之輻射熱。
本發明更公開了一種太陽能和熱電模組併用的化裝置，包括：入水口，接收海水；太陽能板，包括太陽能板正面、太陽能板背面、太陽能正電源輸出端、與太陽能負電源輸出端；其中，該太陽能板正面接收太陽光；熱交換器，耦接該入水口，包括熱交換器正面與熱交換器背面，將該海水蒸發分離成高溫水蒸氣與未完全蒸發的海水；其中，該熱交換器正面與該太陽能板背面耦接；熱電裝置，包括發熱面、制冷面、熱電正電源輸入端與熱電負電源輸入端；其中，該發熱面與該熱交換器背面耦接；該熱電正電源輸入端與該熱電負電源輸入端分別耦接該太陽能正電源輸出端與該太陽能負電源輸出端；液氣分離器，分離該高溫水蒸氣與該未完全蒸發的海水，並將該未完全蒸發的海水經由液氣分離器排出管排出；冷凝器，與 該熱電裝置之該制冷面耦接，用以冷凝該高溫水蒸氣為一低溫純水；出水口，耦接該冷凝器，收集並輸出該低溫純水；太陽真空集熱管，耦接於該太陽能板與該熱交換器間，其中，該真空熱管表面塗布奈米碳黑吸熱物質以吸收該太陽光之輻射熱，以及輔助電源供電系統，電性耦接該太於陽能正電源輸出端與該太陽能負電源輸出端，當該太陽光不足時用以和該太陽能板共同供應電能給該熱電裝置。
10‧‧‧太陽能板
10-1‧‧‧太陽能板背面
10-2‧‧‧太陽能板正面
10-3‧‧‧太陽能正電源輸出端
10-4‧‧‧太陽能負電源輸出端
20‧‧‧熱電裝置
10-1‧‧‧制冷面
10-2‧‧‧發熱面
20-3‧‧‧熱電正電源輸入端
20-4‧‧‧與熱電負電源輸入端
30‧‧‧熱交換器
30-1‧‧‧熱交換器背面
30-2‧‧‧熱交換器正面
40‧‧‧冷凝器
50‧‧‧入水口
60‧‧‧高溫水蒸氣
70‧‧‧液氣分離器
80‧‧‧未完全蒸發的海水
90‧‧‧出水口
100‧‧‧太陽真空集熱管
110‧‧‧輔助電源供電系統
200‧‧‧本發明第一實施例之太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置
300‧‧‧本發明第二實施例之太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置
400‧‧‧本發明第三實施例之太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置
圖1係習知之多孔薄膜海水淡化裝置示意圖。
圖2係本發明第一實施例之太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置。
圖3係本發明第二實施例之太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置。
圖4係本發明第三實施例之太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置。
以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。應理解圖示並未按照比例繪製，且僅描述其中部分結構，以及顯示行程這些結構之各層。
圖2所示為本發明第一實施例之太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置200。太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置200包括太陽能板10，熱電裝置20，熱交換器30，冷凝器40，液氣分離器70，入水口50與出水口90。
太陽能板10，包括一太陽能板正面10-2與一太陽能板背面10-1、太陽能正電源輸出端10-3與太陽能負電源輸出端10-4。當太陽光照射太陽能板正面10-2時，則有在太陽能正電源輸出端20-3與太陽能負電源輸出端20-4會有一電壓差，且吸收太陽光輻射熱所產高溫於太陽能背面10-1。太陽能板吸收太陽光輻射熱所產生的電力和輻射熱能所致的高溫之技術範疇為習之技術，在此不再在最贅述。以台灣所在的緯度來看太陽能光電板的傾斜角為23.5度，夏天最高溫度經常可以達到攝氏50度以上，也就是每上升1度℃，發電功率會下降0.3~0.5%。
熱電裝置20，包括一發熱面10-2與一制冷面10-1、熱電正電源輸入端20-3與熱電負電源輸入端20-4。當熱電裝置20之熱電正電源輸入端20-3與熱電負電源輸入端20-4有一電壓差時，則有一電流會通過熱電裝置20，進而在發熱面10-2與一制冷面10-1產生溫差。熱電裝置20產生溫差之技術範疇為習之技術，在此不再在最贅述。
太陽能正電源輸出端20-3與太陽能負電源輸出端20-4分別耦接熱電正電源輸入端20-3與熱電負電源輸入端20-4。在一實施例中，當太陽光照射太陽能板正面10-2時，一發熱面10-2維持在攝氏溫度50℃的高溫，且發熱面10-2與制冷面10-1的溫度差在42.3℃左右。
熱交換器30，包括一熱交換器正面30-2與一熱交換器背面30-1。熱交換器正面30-2與太陽能板10之太陽能背面10-1塗布導熱膠耦接，以吸收太陽光輻射熱於太陽能板10上所產高溫。熱 交換器負面30-2與熱電裝置20之發熱面10-2耦接，以吸收熱電裝置20一發熱面10-2上所產高溫。
冷凝器40，與熱電裝置20之制冷面10-1耦接，以冷凝高溫水蒸氣60。在一實施例中，海水經由入水口50進入熱交換器30產生高溫水蒸氣60和部分未完全蒸發的海水80。在此一過程中，部分未完全蒸發的海水中的鹽或細菌或大多數的污染物體並不會隨著蒸發。海水中鹽度超過26.3wt.%就會析出固體，析出的鹽沉降。
一液氣分離器(Liquid-Gas Separator)70，分離高溫水蒸氣60與部分未完全蒸發的海水80，並將部分未完全蒸發的海水80經由液氣分離器排出管70-2排出。高溫水蒸氣60經由冷凝器40以冷凝高溫水蒸氣60成純水並由出水口90排出。
在一實施例中，本發明裝置在1小時內每平方公尺可以產生0.1升，熱電系統所需的相應電能為0.032千瓦時，相當於0.3千瓦時/升的能耗，這一部分可以從太陽光電板產生足夠的電力供應。
與習知之海水淡化裝置相較，本發明裝置使用收太陽光輻射熱所產生的高溫和熱電模組的熱側來加海水以增加海水之蒸發能力，並且同時使用熱電模組之冷側冷凝高溫水蒸氣以改善冷凝性能。因此，本發明裝置在純水的生產率和功耗均有所改進。
在一實施例中，熱交換器30之出口進一步包括一熱交換出口溫度計(未示出)，用以測量調整高溫水蒸氣60的溫度與壓力。高溫水蒸氣60的冷凝溫度是視高溫水蒸氣的飽和蒸氣壓的溫度和壓力而決定的。高溫水蒸氣壓在0.006~1大氣壓範圍內，高溫水蒸氣發生凝結的溫度範圍為攝氏0.0098~100度。所以，可以藉由提高提高熱電模組的高溫一側的溫度來提高熱電模組的低溫一側的冷凝溫度，或者是提高水蒸氣的壓力來提高水蒸氣的冷凝溫度。在一實施例，熱電模組的制冷面之溫度可由該熱電模組的該發熱面溫度，或者是高溫水蒸氣的壓力調整。
圖3所示為本發明第二實施例之太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置300。與太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置200相較，太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置300進一步包括一太陽真空集熱管100，耦接於太陽能板10與熱交換器30之間。太陽真空集熱管100表面塗布奈米碳黑吸熱物質以進一步吸收太陽輻射熱。如此一來，除可增加高溫水蒸氣60之壓力外並可使高溫水蒸氣60和部分未完全蒸發的海水80之最高溫度的範圍升高到80℃~130℃。
圖4所示為本發明第三實施例之太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置400。與太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置300相較，太陽能和熱電模組併用的海水淡化裝置400進一步包括一輔助電源供電系統110，電性耦接太於陽能正電源輸出端20-3與太陽能負電源輸出端20-4。當太陽光不足時(夜間、陰天或雨天)，用以和太陽能板10共同供電給熱電裝置20。通過整體整合設計吸收太陽光的高溫能與一輔助電源供電系統110，可以實現進一步的改進的熱電設計和系統優化。
本發明裝置徹底改變水處理技術，只需要結合太陽能板和熱電裝置就可以將鹽水轉化為新鮮的飲用水，不需要額外大量熱能將海水煮沸成水蒸氣，然後再冷凝成水使用。由於太陽能光轉換為電與熱電裝置相結合，太陽能轉化的熱也沒有浪費掉，和熱電裝置高溫側一起用經過熱交換器做為加熱海水，更可以降低太陽能模組的溫度進而提高發電效率。
上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離權利要求書所界定的本發明精神和發明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變 化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本發明之範圍由後附權利要求及其合法等同物界定，而不限於此前之描述。

Claims (7)

  1. 一種太陽能和熱電模組併用的化裝置，包括：一入水口，接收一海水；一太陽能板，包括一太陽能板正面、一太陽能板背面、一太陽能正電源輸出端、與一太陽能負電源輸出端；其中，該太陽能板正面接收一太陽光；一熱交換器，耦接該入水口，包括一熱交換器正面與一熱交換器背面，將該海水蒸發分離成一高溫水蒸氣與一未完全蒸發的海水；其中，該熱交換器正面與該太陽能板背面耦接；一熱電裝置，包括一發熱面、一制冷面、一熱電正電源輸入端與一熱電負電源輸入端；其中，該發熱面與該熱交換器背面耦接；該熱電正電源輸入端與該熱電負電源輸入端分別耦接該太陽能正電源輸出端與該太陽能負電源輸出端；一液氣分離器，分離該高溫水蒸氣與該未完全蒸發的海水，並將該未完全蒸發的海水經由一液氣分離器排出管排出；一冷凝器，與該熱電裝置之該制冷面耦接，用以冷凝該高溫水蒸氣為一低溫純水；以及一出水口，耦接該冷凝器，收集並輸出該低溫純水。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該熱交換器正面與該太陽能板背面塗布導熱膠耦接。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該熱交換器之出口進一步包括一熱交換出口溫度計，用以測量調整該高溫水蒸氣的溫度與壓力。
  4. 申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該熱電模組的該發熱面與該制冷面之一溫度差在42.3℃左右。
  5. 申請專利範圍第4項所述之裝置，其中，高該熱電模組的該制冷面之溫度可由該熱電模組的該發熱面溫度，或者是高溫水蒸氣的 壓力調整。
  6. 申請專利範圍第1至5項所述之裝置，進一步包括：一太陽真空集熱管，耦接於該太陽能板與該熱交換器間，其中，該真空熱管表面塗布奈米碳黑吸熱物質以吸收該太陽光之輻射熱。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之裝置，進一步包括：一輔助電源供電系統，電性耦接該太於陽能正電源輸出端與該太陽能負電源輸出端，當該太陽光不足時用以和該太陽能板共同供應電能給該熱電裝置。
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