一种荧光聚光供能的太阳能海水淡化装置及淡化方法转让专利
申请号 : CN202010585681.8
文献号 : CN111792692B
文献日 : 2021-10-08
发明人 : 孔慧 , 马兴龙 , 郑宏飞
申请人 : 北京理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种荧光聚光供能的太阳能海水淡化装置,其特征在于,包括荧光聚光器(1)、红外反射薄膜(2)、量子点(3)、反射涂层(4)、出光口(5)、吸光板(6)、第一级亲水材料(7)、第一级支撑网(8)、第一级淡水收集槽(9)、第二级亲水材料(10)、外壳(11)、隔水板(12)、浮体(13)、浓海水腔(14)、过滤网(15)、吸水体(16)、冷凝腔(17)、淡水收集管(18)、轻质气体(19)、冷凝底板(20)、连通管(21)、第二级淡水收集槽(22)、第二级支撑网(23)、透明玻璃面(24)、海水槽(25)、凸块(26),其中:所述荧光聚光器(1)包括红外反射薄膜(2)、量子点(3)、反射涂层(4)、出光口(5);
所述荧光聚光器(1)与海水淡化装置外壳(11)密封连接,形成独立腔体;
所述荧光聚光器(1)布置在一种荧光聚光供能的太阳能海水淡化装置的上面,底部或侧面;
所述冷凝腔(17)中布置有至少一级亲水材料,各级亲水材料从吸水体(16)中将海水提升,利用荧光聚光器(1)出光口(5)的光线照射,产生水蒸气,而各级亲水材料上剩余的浓海水流动至浓海水腔(14)中;
所述冷凝腔(17)内充有摩尔质量小于水蒸气摩尔质量的不凝性的轻质气体(19),迫使水蒸气向下流动,从上到下的方向遇到淡水收集槽后冷凝产生淡水,而水蒸气的冷凝潜热用来加热紧贴在淡水收集槽底部的下一级亲水材料,产生的水蒸气自上而下继续流动,最终在冷凝底板(20)上冷凝产生淡水,由淡水收集管(18)进行淡水收集;
所述亲水材料均有支撑网进行支撑和固定;
所述冷凝底板(20)的下方是海水,进行水蒸气的冷凝;
所述太阳能海水淡化装置上安装有浮体(13),漂浮在海面上。
2.根据权利要求1所述的一种荧光聚光供能的太阳能海水淡化装置,其特征在于,所述荧光聚光器(1)通过调节红外反射薄膜(2)和反射涂层(4)的位置,使被收集的太阳光从未涂反射涂层(4)的出光口(5)位置输出太阳光。
3.根据权利要求1所述的一种荧光聚光供能的太阳能海水淡化装置,其特征在于,装置中铺设有至少一级亲水材料,利用毛细效应和虹吸效应,将海水提高并传输,形成开放式流动;通过调节第一级亲水材料(7)、第二级亲水材料(10)及其他亲水材料的吸水体和浓海水腔的位置,使相邻亲水材料流向恰好相反,形成逆流换热,提高能量利用效率;相邻亲水材料竖直上水和竖直排水面之间放置有竖直不透水隔水板(12);相邻亲水材料紧贴布置;冷凝腔(17)内充有摩尔质量小于水分子摩尔质量的轻质气体(19),使顶部荧光聚光器(1)接收光线照射后产生的水蒸气向下流动,逐级冷却后产生淡水。
4.根据权利要求1或3所述的一种荧光聚光供能的太阳能海水淡化装置,其特征在于,所述轻质气体(19)为氦气、甲烷、氢气。
5.根据权利要求1所述的一种荧光聚光供能的太阳能海水淡化装置的淡化方法,其特征在于,该方法包括:太阳光线打到荧光聚光器(1)上,穿过红外反射薄膜(2),被荧光聚光器内的量子点(3)吸收后发生全反射,使光线被传输到荧光聚光器(1)的未覆盖反射涂层(4)的表面,即出光口(5),形成高聚光比的太阳能;此时紧贴在荧光聚光器(1)出光口(5)的吸光板(6)吸收聚集的光线,产生高温热能,加热亲水材料上的海水使其蒸发,产生的水蒸气进入到冷凝腔(17)中;由于冷凝腔(17)内充有摩尔质量低于水蒸气摩尔质量的轻质气体(19),迫使水蒸气向下运动,在遇到第一级淡水收集槽(9)时,水蒸气被冷凝为淡水;与此同时,第一级淡水收集槽(9)吸收了水蒸汽的冷凝潜热,这部分热量会加热紧贴在第一级淡水收集槽(9)底部的第二级亲水材料(10)上的海水使其蒸发,产生的水蒸气继续向下运动,在下一级淡水收集槽或者冷凝腔底部的冷凝底板(20)上进行冷凝,产生淡水;装置内布置至少一级由支撑网支撑的亲水材料,这样水蒸气的冷凝潜热可以多级利用;而各级亲水材料在毛细作用和虹吸作用的影响下,并在重力作用下使海水形成开放式的流动,蒸发后的剩余海水流入浓海水腔(14)中,避免海水的浓度过高和盐分析出;而相邻亲水材料的吸水体和浓海水腔呈相反布置,海水流向恰好相反,相邻亲水材料竖直上水和竖直排水面之间放置有竖直不透水隔水板(12)并使相邻亲水材料的竖直面紧贴,从而形成逆流换热,利用亲水材料中浓海水的剩余热量加热相邻级亲水材料汲取的新鲜海水,形成回热,提高能量利用效率。
说明书 :
一种荧光聚光供能的太阳能海水淡化装置及淡化方法
技术领域
背景技术
海水淡化系统相媲美。另一方面是现有的太阳能海水淡化技术还存在以下缺点:
统利用效率低。
发明内容
亲水材料、外壳、隔水板、浮体、浓海水腔、过滤网、吸水体、冷凝腔、淡水收集管、轻质气体、
冷凝底板、连通管、第二级淡水收集槽、第二级支撑网、透明玻璃面、海水槽、凸块,其中:
浓海水腔中;
加热紧贴在淡水收集槽底部的下一级亲水材料,产生的水蒸气自上而下继续流动,最终在
冷凝底板上冷凝产生淡水,由淡水收集管进行淡水收集;
浓海水腔的位置,使相邻亲水材料流向恰好相反,形成逆流换热,提高能量利用效率;相邻
亲水材料竖直上水和竖直排水面之间放置有竖直不透水隔水板;相邻亲水材料紧贴布置;
冷凝腔内充有摩尔质量小于水分子摩尔质量的轻质气体,使顶部荧光聚光器接受光线照射
后产生的水蒸气向下流动,逐级冷却后产生淡水。
线被传输到荧光聚光器的未覆盖反射涂层的表面,即出光口,形成高聚光比的太阳能;此时
紧贴在荧光聚光器出光口的吸光板吸收聚集的光线,产生高温热能,加热亲水材料上的海
水使其蒸发,产生的水蒸气进入到冷凝腔中;由于冷凝腔内充有摩尔质量低于水蒸气摩尔
质量的轻质气体,迫使水蒸气向下运动,在遇到第一级淡水收集槽时,水蒸气被冷凝为淡
水;与此同时,第一级淡水收集槽吸收了水蒸汽的冷凝潜热,这部分热量会加热紧贴在第一
级淡水收集槽底部的第二级亲水材料上的海水使其蒸发,产生的水蒸气继续向下运动,在
下一级淡水收集槽或者冷凝腔底部的冷凝底板上进行冷凝,产生淡水;装置内布置至少一
级由支撑网支撑的亲水材料,这样水蒸气的冷凝潜热可以多级利用;而各级亲水材料在毛
细作用和虹吸作用的影响下,并在重力作用下使海水形成开放式的流动,蒸发后的剩余海
水流入浓海水腔中,避免海水的浓度过高和盐分析出;而相邻亲水材料的吸水体和浓海水
腔呈相反布置,海水流向恰好相反,相邻亲水材料竖直上水和竖直排水面之间放置有竖直
不透水隔水板并使相邻亲水材料的竖直面紧贴,从而形成逆流换热,利用亲水材料中浓海
水的剩余热量加热相邻级亲水材料汲取的新鲜海水,形成回热,提高能量利用效率。
气摩尔质量的不凝性轻质气体如氦气、甲烷、氢气,迫使水蒸气向下流动,从上到下的方向
遇到淡水收集槽和冷凝底板后冷凝产生淡水;所述海水淡化装置上安装有浮体,可漂浮在
海面上。
水淡化装置的左侧、右侧、上侧和下侧;荧光聚光器的截面可为长方形、L形、正方形中的一
种或多种;荧光聚光器可作为腔体外壳的一个面或与腔体外壳独立。
侧布置保温装置。
间放置不透水隔水板;相邻亲水材料紧贴布置。
将水蒸气冷凝潜热传递给下一级相邻亲水材料,多级利用水蒸气冷凝潜热,从而提高太阳
能能量利用效率。
外光,由于红外反射薄膜和反射涂层的存在,光线被多次反射后只能传输到聚光器的侧面,
荧光聚光器可以设计的很薄,因此会有比较高的聚光比。每个荧光聚光器出光口聚集的光
线都可以用来加热亲水材料上的海水,多个结构相同且独立的一种荧光聚光供能的太阳能
海水淡化装置可进行阵列排布。在荧光聚光器的下方或者海水淡化装置外壳上设置有浮
体,使装置漂浮在海面上进行淡化,也方便吸水体能源源不断地从下方汲取海水。
和虹吸作用,实现开放式流动并且局部蒸发,减少对大量无法直接蒸发的海水进行加热所
耗费的能量,利用太阳光直接生产淡水。
本结构是荧光物质,例如:有机染料或者量子点,均匀分散在透明的载体里面。在太阳光辐
照下,荧光物质首先吸收入射光。假定荧光物质发射光的方向是球形均匀分布,其再发射荧
光在满足一定入射角的条件下,可以借助全反射的原理,在透明载体里面进入光导模式,从
而实现在载体边缘的汇聚。聚光比高,蒸发效率高,结构简单紧凑。
层。多孔亲水材料内的海水容量很少,吸热后可以很快蒸发,也避免了过量海水向其它部件
传导的热损失。
以提高产水量。
布置在海水淡化装置的顶部、底部、侧面,直接利用出光口聚集的太阳能产生水蒸汽,在荧
光聚光器与外壳形成的密闭腔体中进行蒸发冷凝过程,减少了传热传质的阻力。
材料内的海水受热后能快速蒸发,减少了热损失;可布置多级亲水材料,从而利用上一级亲
水材料产生的水蒸气冷凝潜热来加热下一级的亲水材料,提高了能量利用效率和产水量。
水隔水板,相邻亲水材料紧贴布置,提高能量利用效率。
附图说明
壳、12‑隔水板、13‑浮体、14‑浓海水腔、15‑过滤网、16‑吸水体、17‑冷凝腔、18‑淡水收集管、
19‑轻质气体、20‑冷凝底板、21‑连通管、22‑第二级淡水收集槽、23‑第二级支撑网、24‑透明
玻璃面、25‑海水槽、26‑凸块、27‑进水管。
具体实施方式
级亲水材料7、第一级支撑网8、第一级淡水收集槽9、第二级亲水材料10、外壳11、隔水板12、
浮体13、浓海水腔14、过滤网15、吸水体16、冷凝腔17、淡水收集管18、轻质气体19、冷凝底板
20、连通管21、第二级淡水收集槽22、第二级支撑网23、透明玻璃面24、海水槽25、凸块26等
几个部分;所述荧光聚光器1与海水淡化装置外壳11密封连接,形成独立腔体;所述冷凝腔
17中布置有亲水材料,从吸水体16中将海水提升,利用荧光聚光器1照射,产生水蒸气,而剩
余的浓海水流动至浓海水腔14中;所述冷凝腔内充有摩尔质量小于水蒸气摩尔质量的不凝
性轻质气体19如氦气、甲烷、氢气,迫使水蒸气向下流动,从上到下的方向遇到第一级淡水
收集槽9和\或第二级淡水收集槽22、冷凝底板20后冷凝产生淡水;所述海水淡化装置上安
装有浮体13,可漂浮在海面上。
种荧光聚光供能的太阳能海水淡化装置的左侧、右侧、上侧和下侧;荧光聚光器1的截面可
为长方形、L形、正方形中的一种或多种;荧光聚光器1可作为腔体外壳11的一个面或与腔体
外壳11独立。
时,可在其外侧布置保温装置。
亲水材料间放置不透水隔水板12;相邻亲水材料紧贴布置。
将水蒸气冷凝潜热传递给下一级相邻亲水材料,多级利用水蒸气冷凝潜热,从而提高太阳
能能量利用效率。
外光,由于红外反射薄膜2和反射涂层的存在,光线被多次反射后只能传输到聚光器的特定
出光口,荧光聚光器可以设计的很薄,厚度在4‑8mm之间,因此会有比较高的聚光比。在荧光
聚光器的下方或者海水淡化装置外壳上设置有浮体4,使装置漂浮在海面上进行淡化,也方
便吸水体可以源源不断地从下方汲取海水。
子点3吸收后发生全反射,使光线被传输到荧光聚光器1的未覆盖反射涂层4的表面,即出光
口,形成高聚光比的太阳能;此时紧贴在荧光聚光器出光口的吸光板6吸收聚集的光线,产
生高温热能,加热亲水材料上的海水使其蒸发,产生的水蒸气进入到冷凝腔17中;由于冷凝
腔17内充有摩尔质量低于水蒸气摩尔质量的轻质气体19,迫使水蒸气向下运动,在遇到淡
水收集槽时,水蒸气被冷凝为淡水;与此同时,淡水收集槽吸收了水蒸汽的冷凝潜热,这部
分热量会加热紧贴在淡水收集槽底部的第二级亲水材料10上的海水使其蒸发,产生的水蒸
气继续向下运动,在下一级淡水收集槽或者腔体的底部冷凝底板20上进行冷凝,产生淡水;
装置内布置至少一级由支撑网支撑的亲水材料,这样水蒸气的冷凝潜热可以多级利用;而
各级亲水材料在毛细作用和虹吸作用的影响下,使海水形成开放式的流动,蒸发后的剩余
海水流入浓海水腔14中,避免海水的浓度过高和盐分析出;而相邻亲水材料的吸水体和浓
海水腔呈相反布置,海水流向恰好相反,在亲水材料间的竖直上水和竖直排水的部分布置
有不透水隔水板并使相邻亲水材料的竖直面紧贴,从而形成逆流换热,利用亲水材料中浓
海水的剩余热量加热相邻级亲水材料汲取的新鲜海水,形成回热,提高能量利用效率。
二级亲水材料产生的水蒸气在第二级淡水收集槽内进行冷凝产生淡水。这里将外壳浸泡在
海水中,与附图1中利用冷凝底板进一步冷凝水蒸气产生淡水相比,可以降低海水淡化装置
的高度。
加热第二级亲水材料上的海水,而产生的水蒸气冷凝后产生的冷凝潜热又用来加热第三级
亲水材料上的海水。这样通过布置多级亲水材料,可以充分利用水蒸气的冷凝潜热。在各级
亲水材料以及各级支撑网以及各级淡水收集槽分别设有连通管21,如图4中,在第一级亲水
材料7、第一级支撑网8、第一级淡水收集槽9、第二级亲水材料10之间设有连通管21,这样,
通过层层设置连通管21,最终就可以将各级淡水收集槽的冷凝水汇集到下端的淡水收集管
18中进行集中回收,其中,淡水收集槽如图3中所示,在包括第一级淡水收集槽9下方还设有
第二级淡水收集槽22,以此类推,由上至下还有第三级、第四级等。同理,相对应的除设有第
一级支撑网8、第二级支撑网23外,以此类推,由上至下还有第三级、第四级支撑网。相对应
的除第一级亲水材料7、第二级亲水材料10外,以此类推,由上至下还有第三级、第四级亲水
材料。
在海水淡化装置底部的出光口位置进行光线汇聚,另一方面,布置在海水槽右侧并接近底
部的右侧荧光聚光器在接收太阳能光线照射后,光线在海水槽底部右侧的荧光聚光器的出
光口处进行汇聚,海水槽25内的海水可通过连接在海水槽25上的进水管27补给。此外,阳光
也可直接照射海水槽25进行海水加热。在靠近海水淡化装置底部铺设第一级亲水材料7,在
靠近浓海水腔端设置凸块26,使第一级亲水材料7在该处发生拱起,一方面有增强虹吸效
果,另一方面阻挡浓海水腔的海水倒灌入荧光聚光器的照射部位的海水淡化装置底部。通
过照射海水淡化装置底部的海水,产生水蒸气自下而上运动,在碰到离得最近的第二级亲
水材料10底部的隔板后发生冷凝,在第一级淡水收集槽9或\和第二级淡水收集槽22里进行
淡水收集。而第二级亲水材料10上的海水在吸收底部自下而上运动的水蒸气冷凝潜热后,
产生水蒸气,继续向上运动,经过多级亲水材料和冷凝换热之后,最后在顶部玻璃盖板上进
行冷凝。此外顶部玻璃盖板是透明玻璃面24,可以利用自然光进行顶部水蒸气的继续加热,
在顶部玻璃盖板的内表面冷凝为淡水,汇聚在玻璃盖板底部的淡水收集槽内,提升最后一
级水蒸气的温度和淡水产量。本方法便于实施,所涉及的装置结构简单,可模块化施工,灵
活性较高。
位置进行设置,使光线在荧光聚光器底部朝上的出光口进行汇聚,从而加热海水淡化装置
底部的海水产生水蒸气,自下而上向上流动,亲水材料的左端可以从L型荧光聚光器上设置
的穿孔而过,将蒸发后的剩余海水流入浓海水腔14中,经过多级亲水材料后,逐级冷却产生
淡水。荧光聚光器1的出光口可不连续;荧光聚光器1可以布置在一种荧光聚光供能的太阳
能海水淡化装置的上面和下面和侧面;荧光聚光器1的截面可为长方形、L形、正方形中的一
种或多种;荧光聚光器1可作为腔体外壳11的一个面或与腔体外壳11独立。其中,与图4、5一
致,海水槽25位于海水淡化装置的右侧,海水槽25内的海水可通过连接在海水槽25上的进
水管27补给。淡水收集槽如图4、5、6中所示,在包括第一级淡水收集槽9上方还设有第二级
淡水收集槽22,以此类推,由下而上还有第三级甚至第四级等。同理,相对应的除设有第一
级支撑网8、第二级支撑网23外,以此类推,由下而上还有第三级、第四级支撑网。相对应的
除第一级亲水材料7、第二级亲水材料10外,以此类推,由下而上还有第三级、第四级亲水材
料。
时,可在其外侧布置保温棉。
将仍属于本发明的保护范围。