一种利用薄膜以及石墨颗粒蒸发的太阳能蒸发器

摘要

本发明属于太阳能利用装置领域，并公开了一种利用毛细薄膜以及石墨颗粒促进蒸发的太阳能蒸发器，包括防水隔热泡沫边界体、绝热泡沫基底、毛细膜和石墨颗粒层，防水隔热泡沫边界体上水平设置有滑槽；绝热泡沫基底卡装在滑槽上；每相邻的两绝热泡沫基底之间分别设置第一毛细膜；所有绝热泡沫基底顶部均覆盖第二毛细膜；石墨颗粒层铺在第二毛细膜的顶部。本发明将绝热泡沫基底放在第二毛细膜下以减少因加热泡沫下的水体导致的热量损失，第一毛细膜和第二毛细膜可以补偿蒸发损失，水通过毛细效应从第一毛细膜被输运到石墨颗粒层，被太阳能加热并蒸发，绝热泡沫基底可以阻断从石墨颗粒层和第二毛细膜向泡沫下的水体的热量传导，有助于提高蒸发效率。

权利要求

1.一种利用毛细薄膜以及石墨颗粒促进蒸发的太阳能蒸发器，其特征在于，包括防水隔热泡沫边界体、绝热泡沫基底、毛细膜和石墨颗粒层，其中，所述防水隔热泡沫边界体上水平设置有用于容纳所述绝热基底的滑槽；

所述绝热泡沫基底设置有多个，这些绝热泡沫基底均卡装在所述防水隔热泡沫边界体的滑槽上并且均外露于所述防水隔热泡沫边界体；

每相邻的两绝热泡沫基底之间分别设置第一毛细膜，并且第一毛细膜的底端低于绝热泡沫基底的底端，以便第一毛细膜的底部浸入水中；

所有绝热泡沫基底的顶部均覆盖第二毛细膜，所述第二毛细膜与第一毛细膜接触；

所述石墨颗粒层铺在第二毛细膜的顶部，并且石墨颗粒层中石墨颗粒的平均粒径D≤

50μm，石墨颗粒层的密度ρ＝10～100g/m2 。

2.根据权利要求1所述的一种利用毛细薄膜以及石墨颗粒促进蒸发的太阳能蒸发器，其特征在于，所述第一毛细膜能通过毛细作用吸水的材料，第二毛细膜为能通过毛细作用吸水的材料。

3.根据权利要求2所述的一种利用毛细薄膜以及石墨颗粒促进蒸发的太阳能蒸发器，其特征在于，所述第一毛细膜为布料、薄纱、纸制品或多孔材料，第二毛细膜为布料、薄纱、纸制品或多孔材料。

4.根据权利要求1所述的一种利用毛细薄膜以及石墨颗粒促进蒸发的太阳能蒸发器，其特征在于，所述防水隔热泡沫边界体整体呈U形，其两个侧边的内侧面分别设置所述滑槽，所述绝热泡沫基底卡装在这两条滑槽上，以保持稳定。

5.根据权利要求1所述的一种利用毛细薄膜以及石墨颗粒促进蒸发的太阳能蒸发器，其特征在于，每个所述绝热泡沫基底均呈长方体形状。

6.根据权利要求1所述的一种利用毛细薄膜以及石墨颗粒促进蒸发的太阳能蒸发器，其特征在于，所述防水隔热泡沫边界体和/或绝热泡沫基底为密度低于0.8g/cm3、热导率低于0.1w/m/k的泡沫材料。

说明书

一种利用薄膜以及石墨颗粒蒸发的太阳能蒸发器

技术领域

[0001] 本发明属于太阳能利用装置领域，更具体地，涉及一种太阳能蒸发器。

背景技术

[0002] 太阳能是一种丰富的、对环境友好的可再生能源。利用它来部分代替化石能源有利于缓解环境污染，全球变暖等问题。因而如何高效利用太阳能成为全球性的课题。

[0003] 作为众多的太阳能利用方向中的一种，太阳能蒸汽发生技术已经有了许多实际的运用，例如脱盐作用、水的净化、油回收等等，为了提高效率，许多工作也应运而生。

[0004] 在过去数十年出现了许多收集太阳能用于蒸发的工作，传统的蒸发器利用一块黑色平板吸收太阳能并加热水，使其蒸发。尽管研究者们在此基础上做了许多改进，发展出了许多不同种类的太阳能蒸发器，例如阶梯式蒸发器和倾斜芯型蒸发器，但由于大量热损失使得传统的蒸发器的效率通常都低于50％。

[0005] 为突破蒸发效率这一瓶颈，一些研究开始尝试了纳米技术。例如将高吸收率的纳米颗粒分散在水中例如ZnO(氧化锌)、Al2O3(氧化铝)、CuO(氧化铜)、Au(金)、graphene(石墨烯)。在光照强度分别为10kw/m2和220kw/m2条件下蒸发效率分别可以达到69％和80％。虽然这种方法提高了蒸发效率，但是纳米颗粒在水中有聚集沉降的趋势，这对于纳米流体的稳定性是巨大的考验；为了取得好的蒸发效果，高强度的光照要求增加了系统的造价与复杂度；同时纳米颗粒的花费不菲、纳米尺寸的颗粒对环境也可能存在一些影响，这些原因都制约了其实际应用。

[0006] 另一种可增强蒸发的方法是热局域化蒸发，也就是将吸收的太阳能集中在蒸发表面的薄层内以减少热损失，同时可以使该区域的水保持在较高的温度，从而实现高效率的蒸发。该方法主要依靠亲水的多孔膜或泡沫材料。如由膨胀石墨和碳多孔泡沫组成的双层结构，膨胀石墨用于吸热，碳多孔泡沫用于绝热，使热量集中在蒸发面，这样可使蒸发效率在光照强度为1kw/m2时达到67％。或是使用附着有Al(铝)纳米颗粒的Al2O3(氧化铝)纳米多孔膜，在光照强度为6kw/m2的情况下可将效率提高至91％。但是这些方法对于薄膜或泡沫材料有很高的要求，因材料花费很高，难以在实际生活中应用。

发明内容

[0007] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用毛细薄膜以及石墨颗粒促进蒸发的太阳能蒸发器,其成本低、效率高，能快速有效地利用太阳能蒸发水分。

[0008] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种利用毛细薄膜以及石墨颗粒促进蒸发的太阳能蒸发器，其特征在于，包括防水隔热泡沫边界体、绝热泡沫基底、毛细膜和石墨颗粒层，其中，

[0009] 所述防水隔热泡沫边界体上水平设置有用于容纳所述绝热基底的滑槽；

[0010] 所述绝热泡沫基底设置有多个，这些绝热泡沫基底均卡装在所述防水隔热泡沫边界体的滑槽上并且均外露于所述防水隔热泡沫边界体；

[0011] 每相邻的两绝热泡沫基底之间分别设置第一毛细膜，并且第一毛细膜的底端低于绝热泡沫基底的底端，以便第一毛细膜的底部浸入水中；

[0012] 所有绝热泡沫基底的顶部均覆盖第二毛细膜，所述第二毛细膜与第一毛细膜接触；

[0013] 所述石墨颗粒层铺在第二毛细膜的顶部，并且石墨颗粒层中石墨颗粒的平均粒径D≤50μm，石墨颗粒层的密度ρ＝10～100g/m2

[0014] 优选地，所述第一毛细膜能通过毛细作用吸水的材料，第二毛细膜为能通过毛细作用吸水的材料。

[0015] 优选地，所述第一毛细膜为布料、薄纱、纸制品或多孔材料，第二毛细膜为布料、薄纱、纸制品或多孔材料。

[0016] 优选地，所述防水隔热泡沫边界体整体呈U形，其两个侧边的内侧面分别设置所述滑槽，所述绝热泡沫基底卡装在这两条滑槽上，以保持稳定。

[0017] 优选地，每个所述绝热泡沫基底均呈长方体形状。

[0018] 优选地，所述防水隔热泡沫边界体和/或绝热泡沫基底为密度低于0.8g/cm3、热导率低于0.1w/m/k的泡沫材料。

[0019] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

[0020] 1)本发明将绝热泡沫基底放在第二毛细膜下以减少因加热水体温度的热量损失，第一毛细膜和第二毛细膜可以补偿蒸发损失，水通过毛细效应从结构边界被输运到顶部，被太阳能加热并蒸发，绝热泡沫可以阻断从毛细膜顶部向泡沫下的水体的热量传导，有助于提高蒸发效率。

[0021] 2)石墨颗粒被均匀地撒落并涂抹在第二毛细膜顶部表面，以增加更多的薄膜蒸发区域，同时石墨颗粒的高太阳能吸收能力与高的热导率可以使装置的性能有进一步改善。这些颗粒可以通过过滤而轻易的回收循环，同时它的价格相比纳米材料也较便宜。

[0022] 3)石墨颗粒在纤维上形成多孔结构，里面充满了液体的弯月面，其由三个区域形成：(I)吸附或无蒸发区域，这个区域里的水由于高的分离压被石墨吸附；(II)薄膜区或过度区域。该区域水面受长距离分子力的影响；(III)本征弯月面区域，水层厚度上升得很快。在吸附区域，水紧紧附着在石墨上，没有传热传质的发生。然而在薄膜区域，水层厚度足够小以确保低的热阻，同时分离压也很微弱，因此大量的热通过此区域输运，导致很快的水蒸发速度与很小的热损失。

附图说明

[0023] 图1是本发明的分解示意图；

[0024] 图2是本发明中毛细膜覆在绝热泡沫基底上的示意图；

[0025] 图3是本发明中防水隔热泡沫边界体的示意图；

[0026] 图4是本发明中毛细膜的示意图；

[0027] 图5是本发明中单个绝热泡沫基底的示意图。

具体实施方式

[0028] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0029] 参照图1～图4，一种利用毛细薄膜以及石墨颗粒促进蒸发的太阳能蒸发器，包括防水隔热泡沫边界体1、绝热泡沫基底2、毛细膜和石墨颗粒层5，其中，[0030] 所述防水隔热泡沫边界体1上水平设置有用于容纳所述绝热基底2的滑槽11；

[0031] 所述绝热泡沫基底2设置有多个，这些绝热泡沫基底2均卡装在所述防水隔热泡沫边界体1的滑槽11上并且均外露于所述防水隔热泡沫边界体1；

[0032] 每相邻的两绝热泡沫基底2之间分别设置第一毛细膜3，并且第一毛细膜3的底端低于绝热泡沫基底2的底端，以便第一毛细膜3的底部浸入水中；

[0033] 所有绝热泡沫基底2的顶部均覆盖第二毛细膜4；

[0034] 所述石墨颗粒层5铺在第二毛细膜4的顶部，并且石墨颗粒层5中石墨颗粒的平均粒径D≤50μm，石墨颗粒层5的密度ρ＝10～100g/m2

[0035] 进一步，所述第一毛细膜3为布料、薄纱、纸制品或多孔材料，第二毛细膜4为布料、薄纱、纸制品或多孔材料。第一毛细膜3和第二毛细膜4可以选用同一种材料，也可以选用不同的材料。

[0036] 进一步，所述防水隔热泡沫边界体1整体呈U形，其两个侧边的内侧面分别设置所述滑槽11，所述绝热泡沫基底2卡装在这两条滑槽11上，以保持稳定。

[0037] 进一步，每个所述绝热泡沫基底2均呈长方体形状。

[0038] 进一步，所述防水隔热泡沫边界体1和/或绝热泡沫基底2为发泡聚乙烯。

[0039] 本太阳能蒸发器的搭建如下：将绝热泡沫放在第二毛细膜4下以减少因加热泡沫下的水体而导致的热量损失，具体地，第二毛细膜4与水体被绝热泡沫基底2所隔离，水通过毛细效应从第一毛细膜3输运到第二毛细膜4和石墨颗粒层5，被太阳能加热并蒸发。绝热泡沫基底2可以阻断从第二毛细膜4和石墨颗粒层5向泡沫下的水体的热量传导。

[0040] 材料的选择可以是很常见生活中的材料，例如毛细膜可以是布料、薄纱、纸巾等，只要它们的毛细吸水能力足够强以补偿蒸发损失；而防水隔热泡沫边界体1和绝热泡沫基底2需要防水的、密度比水小的材料，这样材料才可以浮在水上。毛细膜的毛细能力可以用回潮率衡量，对于亚麻材料，其回潮率12.5％，这一数据对比于其他的日常毛细材料比如棉花(8.5％)已经很高了。而发泡聚乙烯材料比较便宜，同时具有可回收、防腐蚀与无毒性等优点。因此，本发明优选采用的是黑色亚麻布料与发泡聚乙烯分别用作毛细膜与绝热泡沫基底2/防水隔热泡沫边界体1的材料。

[0041] 为进一步加强蒸发，石墨颗粒被均匀地撒落并涂抹在第二毛细膜顶部表面以增加更多的薄膜蒸发区域，同时石墨颗粒的高太阳能吸收能力与高的热导率可以使装置的性能有进一步改善。这些颗粒可以通过过滤而轻易的回收循环，同时石墨颗粒的价格相比纳米材料也便宜很多。

[0042] 石墨颗粒在纤维上形成多孔结构，里面充满了液体的弯月面，其由三个区域形成：(I)吸附或无蒸发区域，这个区域里的水由于高的分离压被石墨吸附；(II)薄膜区或过度区域。该区域水面受长距离分子力的影响；(III)本征弯月面区域，水层厚度上升得很快。在吸附区域，水紧紧附着在石墨上，没有传热传质的发生。然而在薄膜区域，水层厚度足够小以确保低的热阻，同时分离压也很微弱，因此大量的热通过此区域输运，导致很快的水蒸发速度与很小的热损失。

[0043] 石墨颗粒会形成一个粗糙的多孔表面，入射的光线会被颗粒吸收或者散射，部分散射光会被困在石墨颗粒组成的孔中直至被完全吸收，因此使用石墨颗粒层有较高的光吸收率。因此，由于系统有很好的热输运性能和光吸收性能，太阳能转换为蒸汽内能的比例可达80％，也就是装置的能量效率可达80％。

[0044] 由图3可知所述防水隔热泡沫边界体1为一U形结构，并且在另外两个相对的侧面上开有滑槽11；防水隔热泡沫边界体1内部空腔宽度约为0.5m，滑槽11深度约为0.01m，滑槽11高度约为0.01m。开设滑槽作为与蒸发基底2相配合的环节，使一个个绝热泡沫基底2可以紧密地嵌入滑槽11中，用以卡住并固定一个个绝热泡沫基底2于内部空腔中。

[0045] 由图5可知单个绝热泡沫基底2呈长方体形状，绝热泡沫基底2长度比U形的防水隔热泡沫边界体1的内部空腔宽度略大，其长约为0.52m，宽度约为0.03m，高度约为0.01m。为使整个蒸发效率更高，一个装置中需要有足够多的绝热泡沫基底2，所以绝热泡沫基底2在装配于框架中时，尽可能使各个绝热泡沫基底2紧密排列，相邻间隙约为2mm，此间隙即可放置第一毛细膜3。绝热泡沫基底2的固定依靠绝热泡沫基底2与防水隔热泡沫边界体1的滑槽11以及绝热泡沫基底2之间的紧密接触实现。防水隔热泡沫边界体1设置为U形是因为：

[0046] (1)方便绝热泡沫基底2装配，有序地从开口一段紧密塞入空腔中；

[0047] (2)最后一块绝热泡沫基底2可以同时起到传热局域化和边界保温的作用，使得有限空间得到最大利用。

[0048] 由图2可知，第一毛细膜3和第二毛细膜4可以采用一整块膜折叠形成，这一整块膜覆盖在绝热泡沫基底2上，并且下端浸没于水中，折叠部分的宽度约为2mm即相邻绝热泡沫基底2的间隙，同时要保证下端完全浸没于待蒸发的水中。同时在这一整块膜的上端面均匀设置有“石墨泥”即一层非常薄的石墨颗粒，以增加薄膜蒸发区域。

[0049] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。