CN106966453B - 风光互补耦合的海水淡化装置以及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风光互补耦合的海水淡化装置以及系统，能够适应波动的太阳能风能变负荷运行，并且显著提高海水淡化效率。本发明所提供的海水淡化装置，其特征在于，包括：太阳能毛细驱动蒸发器，包括：壳体、位于壳体内的太阳能毛细蒸发芯以及换热管，太阳能毛细蒸发芯设置在壳体的中部，换热管埋设在太阳能毛细蒸发芯中，壳体被太阳能毛细蒸发芯分为上下两个腔体，下部腔体作为海水补偿室存储补入的待蒸发海水，并且通过盐水排出管道将蒸发后的浓盐水排出，上部腔体作为蒸汽室一次蒸汽；压气机，通过连杆与风力机相连，并且通过一次蒸汽管道与蒸汽室相连，排气口通过二次蒸汽管道与换热管的进气端相连；淡水收集器，与换热管的排水口相连。

Description

风光互补耦合的海水淡化装置以及系统

技术领域

本发明属于海水淡化及清洁能源利用领域，具体涉及一种基于风能与太阳能互补耦合的海水淡化装置以及系统。

背景技术

我国领土比邻太平洋，海岸线长达18000多千米，所辖海域分布着近万个岛屿。受自然、气候和交通等因素的限制，导致这些海岛的开发利用率非常低。这其中，海岛面积小，蒸发量低，大多数因缺少淡水而无法居住和开发。部分开发的岛屿也只能通过大陆管线引水、船送饮水等方式进行淡水补给。充分利用海水淡化进行淡水补给是解决这些海岛淡水补给的有效途径之一。

然而，由于海岛距离大陆较远，往往也是电力不足的地区。传统的海水淡化如反渗透技术和热法技术，需要消耗大量的高品位电能，无法在孤立海岛实现应用。但这些地区具有丰富的风能和太阳能，利用这些清洁能源进行海水淡化可以为我国开发利用海岛资源提供基础性资源保障。目前，太阳能风能海水淡化技术主要是利用太阳能的热效应进行蒸馏淡化，或是利用太阳能的光电效应发电进行淡化，亦或是利用风能驱动风机发电进行淡化。然而这些技术存在的主要问题是效率低下；此外，由于风力和太阳能的本身的间歇性和不稳定性，造成这些系统过于庞大，投资成本高。

针对效率低下的问题，专利CN204803032U公开了一种风光互补双效低温压汽蒸馏海水淡化装置，首先利用太阳能光电效应和风力发电技术产生电能进行储存，然后加热海水和驱动压气机进行海水淡化，使用压气机主要是为了利用二次蒸汽加热海水蒸发提高效率。然而，这种方法为了避开风能和太阳能得不稳定，采用风能太阳能-电能-热能的转换方式，这其中太阳能-电能的转换效率普遍低于20％，仍然限制了其整体效率的提高。此外，专利CN106145489A和CN104058473A等也公开了类似的风光互补海水淡化装置。为了克服太阳能和风能的波动性和间歇性，都采用光伏发电、风力发电和储电蓄电的风光-电-热的能量转换形式。这种互补的方式只是将太阳能和风能简单组合利用，并没有实现“1+1>2”的互补耦合效果。这些系统极其庞大复杂，其投资成本极高，限制其推广应用。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种风光互补耦合的海水淡化装置以及系统，能够适应波动的太阳能风能变负荷运行，并且显著提高新能源海水淡化技术效率。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案。

<装置>

本发明提供一种风光互补耦合的海水淡化装置，其特征在于，包括：太阳能毛细驱动蒸发器，包括：壳体、位于壳体内的太阳能毛细蒸发芯以及换热管，太阳能毛细蒸发芯设置在壳体的中部，换热管埋设在太阳能毛细蒸发芯中，壳体被太阳能毛细蒸发芯分为上下两个腔体，位于下部的腔体作为海水补偿室通过海水进水管道引入待蒸发的海水，并且通过盐水排出管道将蒸发后的浓盐水排出，位于上部的腔体作为蒸汽室用于收集海水蒸发后形成的一次蒸汽；压气机，压缩端通过连杆与风力机相连，压气腔通过一次蒸汽管道与蒸汽室相连，引入一次蒸汽，排气口通过二次蒸汽管道与换热管的进气端相连，将压缩后形成的二次蒸汽排出；淡水收集器，通过淡水管道与换热管的排水口相连，收集二次蒸汽冷凝成的淡水，其中，太阳能毛细蒸发芯包括多孔材料层和沉积在该多孔材料层上表面的太阳能吸收涂层，换热管埋设在多孔材料层的表层。

本发明所涉及的风光互补耦合的海水淡化装置，还可以具有这样的特征：多孔材料层的厚度：太阳能吸收涂层的厚度>10³:1。

本发明所涉及的风光互补耦合的海水淡化装置，还可以具有这样的特征：多孔材料层采用亲水性低导热系数材料制成。

本发明所涉及的风光互补耦合的海水淡化装置，还可以具有这样的特征：多孔材料层的厚度为50mm以上。

本发明所涉及的风光互补耦合的海水淡化装置，还可以具有这样的特征：太阳能吸收涂层采用碳基材料、黑色金属材料、金属纳米复合陶瓷材料中的任意一种材料制成。

本发明所涉及的风光互补耦合的海水淡化装置，还可以具有这样的特征：蒸汽室的上部采用低导热透明材料制成，海水补偿室的下部采用低导热耐海水腐蚀材料制成。

<系统>

本发明还提供一种风光互补耦合的海水淡化系统，其特征在于，包括：海水淡化装置，为上述<装置>中所描述的风光互补耦合的海水淡化装置；风力机，与海水淡化装置中的压气机压缩端相连；预处理部，对海水进行预处理；储液池，存储预处理后的海水，通过海水进水管道与海水淡化装置中的海水补偿室相连。

发明的作用与效果

本发明的风光互补耦合的海水淡化装置以及系统，创造性地将太阳能蒸发和风力压气相结合，利用太阳能毛细蒸发芯中的太阳能吸收涂层将太阳能聚焦在表层产生高温，同时利用多孔材料层的毛细驱动作用，将海水自动从外部抽取到高处进入多孔材料表层进行蒸发产生一次蒸汽；然后利用风力对太阳能蒸发器中产生的一次蒸汽进行压缩，使其升温升压形成二次蒸汽，再将二次蒸汽压排入蒸发器中的换热管，加热海水再次产生蒸汽，再进入压气机压缩。如此循环，实现风能和太阳能的耦合利用，对一份太阳能多次利用，可显著提高太阳能海水淡化技术的产水量。无需额外的电能和机械能输入就能运行，且可以自适应间歇波动的风能太阳能运行，可在海岛海岸线附近等太阳能和风能丰富的地区应用。

并且，由于采用特殊的太阳能毛细蒸发芯，蒸发面毛细孔弯液面能自适应不同太阳能辐照强度下的能量输入，持续蒸发。采用风力机直接驱动压气机的结构，能在不同风力强度下进行压气。

本发明的海水淡化装置以及系统的能量转换形式采用直接的光-热转换或是风能-机械能-热能转换，与其他风光耦合的风光能-电能-热能完全不同，在提高效率的基础上降低系统的复杂性，简单有效，降低成本。

附图说明

图1是本发明涉及的风光互补耦合的海水淡化系统的结构示意图。

上述图中，各部件标号如下：

10.风光互补耦合的海水淡化系统：20.海水淡化装置、30.风力机、40.预处理部、50.储液池；

21.太阳能毛细驱动蒸发器：211.壳体、211a.海水补偿室、211b.蒸汽室、212.太阳能毛细蒸发芯、212a.多孔材料层、212b.太阳能吸收涂层、213.换热管、214.海水进水管道、215.盐水排出管道；

22.压气机：221.压缩端、222.一次蒸汽管道、223.二次蒸汽管道；

23.淡水收集器：231.淡水管道。

具体实施方式

以下参照附图对本发明所涉及的风光互补耦合的海水淡化装置以及系统作详细阐述。

<实施例>

如图1所示，风光互补耦合的海水淡化系统10包括海水淡化装置20、风力机30、预处理部40、以及储液池50。

海水淡化装置20包括太阳能毛细驱动蒸发器21、压气机22、淡水收集器23。

太阳能毛细驱动蒸发器21包括壳体211、太阳能毛细蒸发芯212以及换热管213。本实施例中，壳体211、太阳能毛细蒸发芯212以及换热管213均为环形结构。

太阳能毛细蒸发芯212设置在壳体211的中部，将壳体211分为上下两个腔体，位于下部的腔体作为海水补偿室211a通过海水进水管道214引入待蒸发的海水，并且通过盐水排出管道215将蒸发后的浓盐水排出至深井中，位于上部的腔体作为蒸汽室211b用于收集海水蒸发后形成的一次蒸汽。海水补偿室211a的下部采用低导热耐海水腐蚀材料制成，可选择POM塑料。蒸汽室211b的上部采用低导热透明材料制成，可选择有机玻璃。

本实施例中，太阳能毛细蒸发芯212包括多孔材料层212a和沉积在该多孔材料层212a上表面的太阳能吸收涂层212b。

多孔材料层212a采用亲水性低导热系数材料制成，例如，采用硅藻土材料，其孔隙率在60％，平均孔径大小1.5微米，导热系数低于1W/(m·K)，并且可以用大规模建筑用砖的烧结方法制备；考虑到多孔材料层212a需具有一定的承压能力和保温能力，其厚度优选为50mm以上。

太阳能吸收涂层212b可以采用碳基材料、黑色金属材料、金属纳米复合陶瓷材料等制成。本实施例中，优选专利ZL201310189629.0所公开的高吸收纳米复合材料，其吸收率在0.9以上，具有良好的热稳定性。并且可采用工业化的气相沉积技术来制备。

多根换热管213并排埋设在多孔材料层212a的表层。利用多孔材料表面的太阳能吸收涂层212b将太阳能聚焦在表层产生高温，同时利用多孔材料的毛细驱动作用，将海水自动从储液池50抽取到高处进入多孔材料层212a的表层进行蒸发产生一次蒸汽。

压气机22的压缩端221(活塞)通过连杆与风力机30相连，内部的压气腔通过一次蒸汽管道222与蒸汽室211b相连，引入一次蒸汽，排气口通过二次蒸汽管道223与换热管213的进气端相连，将压缩后形成的二次蒸汽排至换热管213。本实施例中，压气机22采用离心式蒸汽压缩机，压缩比为2，保证进入换热管213的蒸汽可加热海水。

淡水收集器23通过淡水管道231与换热管213的排水口相连，收集二次蒸汽换热后冷凝成的淡水。

风力机30与压气机22的压缩端221相连。

预处理部40用于对海水进行预处理，本实施例中，预处理部40采用沙土对海水进行渗透和过滤处理。

储液池50存储预处理后的海水，通过海水进水管道214与海水补偿室211a相连。

在本实施例的风光互补耦合的海水淡化系统10中，在进行海水淡化时，首先采用压气机22将海水充满整个海水补偿室211a并与多孔材料层212a接触；多孔材料层212a的毛细作用力使海水液面升至其上表面；同时，太阳能吸收涂层212b吸收太阳能升温加热表层海水使其蒸发，形成一次蒸汽，并进入蒸汽室211b；然后，压气机22将一次蒸汽从一次蒸汽管道222吸进压气腔进行升温升压形成二次蒸汽；接着，二次蒸汽通过二次蒸汽管道223进入换热管213加热海水使其蒸发，同时配合太阳能加热提高蒸发量，实现太阳能和风能的耦合；二次蒸汽热量释放后冷凝成淡水经过淡水管道231进入淡水收集器23。

如上，本实施例的风光互补耦合的海水淡化系统10和海水淡化装置20的能量输入来自太阳能和风能，太阳能用于直接加热太阳能毛细蒸发芯212表面，直接蒸发海水，可实现70％以上的光热转换效率；压气机22的工质是太阳能加热海水形成的蒸汽，动力来源于风能。风力驱动风力机30转动，风力机30通过连杆驱动压气机22压缩蒸汽，使其升温升压，将风能转换能蒸汽的热能，其效率可达40％以上。高品位的二次蒸汽进入换热管213，加热海水蒸发，转换为蒸汽潜热和海水显热。通过风能和太阳能得特殊耦合方式，即利用风能提高太阳能产生的蒸汽的能量品位，将其再次利用蒸发海水，实现一份太阳能的多次利用，可以大大提高蒸发器的产水量，真正解决传统太阳能海水淡化的技术产水量低的技术瓶颈。

上述方案相对于其它的风光耦合海水淡化系统的优越性在于：

(1)真正实现风能和太阳能的耦合，提高整体的产水量。利用风力机驱动压力机提高一次蒸汽的温度和压力，形成二次蒸汽；再进入蒸发芯加热海水蒸发产生蒸汽，实现风能和太阳能的耦合利用，提高造水比10倍以上。

(2)能适应波动间歇的太阳能和风能，自适应运行。并且能利用毛细力将海水自动抽取进入蒸发腔，无需外来输入电能和机械功。同时，当太阳能和风能出现波动，装置仍然能正常运行产水。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的风光互补耦合的海水淡化装置以及系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种风光互补耦合的海水淡化装置，其特征在于，包括：

太阳能毛细驱动蒸发器，包括：壳体、位于所述壳体内的太阳能毛细蒸发芯以及换热管，所述太阳能毛细蒸发芯设置在所述壳体的中部，所述换热管埋设在所述太阳能毛细蒸发芯中，所述壳体被所述太阳能毛细蒸发芯分为上下两个腔体，位于下部的腔体作为海水补偿室通过海水进水管道引入待蒸发的海水，并且通过盐水排出管道将蒸发后的浓盐水排出，位于上部的腔体作为蒸汽室用于收集海水蒸发后形成的一次蒸汽；

压气机，压缩端通过连杆与风力机相连，压气腔通过一次蒸汽管道与所述蒸汽室相连，引入所述一次蒸汽，排气口通过二次蒸汽管道与所述换热管的进气端相连，将压缩后形成的二次蒸汽排出；

淡水收集器，通过淡水管道与所述换热管的排水口相连，收集所述二次蒸汽冷凝成的淡水，

其中，所述太阳能毛细蒸发芯包括多孔材料层和沉积在该多孔材料层上表面的太阳能吸收涂层，

所述换热管埋设在多孔材料层的表层，

所述蒸汽室的上部采用低导热透明材料制成。

2.根据权利要求1所述的风光互补耦合的海水淡化装置，其特征在于：

其中，所述多孔材料层的厚度：所述太阳能吸收涂层的厚度>10³:1。

3.根据权利要求1所述的风光互补耦合的海水淡化装置，其特征在于：

其中，所述多孔材料层采用亲水性低导热系数材料制成。

4.根据权利要求1所述的风光互补耦合的海水淡化装置，其特征在于：

其中，所述多孔材料层的厚度为50mm以上。

5.根据权利要求1所述的风光互补耦合的海水淡化装置，其特征在于：

其中，所述太阳能吸收涂层采用碳基材料、黑色金属材料、金属纳米复合陶瓷材料中的任意一种材料制成。

6.根据权利要求1所述的风光互补耦合的海水淡化装置，其特征在于：

其中，所述海水补偿室的下部采用低导热耐海水腐蚀材料制成。

7.一种风光互补耦合的海水淡化系统，其特征在于，包括：

海水淡化装置，为权利要求1至6中任意一项所描述的风光互补耦合的海水淡化装置；

风力机，与所述海水淡化装置中的压气机压缩端相连；

预处理部，对海水进行预处理；

储液池，存储预处理后的海水，通过海水进水管道与所述海水淡化装置中的海水补偿室相连。