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CN108083369B - 太阳能pv/t-膜蒸馏一体化海水系统 - Google Patents

太阳能pv/t-膜蒸馏一体化海水系统 Download PDF

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Abstract

一种太阳能PV/T‑膜蒸馏一体化海水系统，属于太阳能热利用技术领域，该系统包括光伏光热发电集热系统、扩容蒸发系统和海水淡化系统组成。本系统通过扩容蒸发器实现各系统的集成耦合，其中光伏光热组件发出的电能通过逆变器发电供给系统和用户，同时用低温进料海水冷却光伏电池，提高光伏光热组件的光电转换效率。扩容蒸发器产生的蒸汽进入冷凝组件中，预热进料海水并被冷凝为淡水，通过阀门调节进料海水以保证光伏光热组件的稳定运行，而扩容蒸发器的疏水进入到膜蒸馏组件中继续产生淡水。本发明可实现太阳能的综合利用，减少一次能源的消耗，并具有高度的自动化和独立性。

Description

太阳能PV/T-膜蒸馏一体化海水系统
技术领域
太阳能PV/T-膜蒸馏一体化海水系统，涉及一种将复合抛物面光伏光热组件和海水淡化集成在一起的联合水热电一体化系统，属于太阳能热利用技术领域。
背景技术
复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator，简写CPC)，是一种依据边缘光线原理设计的低聚光度非成像聚光器，可将接收角范围内的入射光线按理想聚光比收集到吸收体上，最早由美国芝加哥大学Winston教授从高能物理实验研究中的辐射探测器改进而来的。CPC聚光器的最大特点就是不需要随时跟踪太阳的位置，仅需要根据季节的变化及时调整CPC的方位就能实现对太阳的跟踪，系统结构简单，便于操控，因此在投资成本与自动化方面具有很大的优势。光伏/光热集热器(Photovoltaic/thermal collector，简写PVT)是利用层压或胶粘技术将太阳能电池与太阳能集热器有机结合起来。按照光生伏特原理，大约有10％～17％的太阳光能被光伏电池直接转化为电能，剩下的大部分则被转化为热能，并且这部分能量在电池板上无法散出，提高了光伏电池的温度，经研究表明，光伏电池每提升1℃，光电转换效率则降低0.5％。PVT集热器采用强制循环流体(水或空气)来吸收太阳能电池板中未被转化成电能的热量，温度升高的水或空气可用于建筑采暖、生活热水、各种工质预热等。复合抛物面聚光器与光伏光热组件相结合，通过复合抛物面提高聚光比从而增加入射辐射能，一方面提高电池的电能输出功率，而通过光伏光热组件吸收电池背板热量，降低电池板温度，提高电效率。目前，对于CPC-PV/T系统的研究主要是集中在改进系统结构和建筑一体化的应用上，然而对于CPC-PV/T系统耦合海水淡化的工程示范鲜见报道。复合抛物面聚光器与太阳能集热组件相结合，吸收太阳辐射后并将产生的热能传递到传热工质，聚光的提升使工质可获得较大出口水温。太阳能集热器可以有多种分类方式，按集热器工作的温度范围可以将其分为低温集热器(工作温度<100℃)、中温集热器(工作温度在100～200℃之间)和高温集热器(工作温度>200℃)，等等，因此太阳能集热器可作为多种不同类型温度梯度的热源。
海水淡化是指通过向海水提供能量或做功使海水中的盐和水进行分离，从中获得淡水或者浓盐水的一种技术。据盐水的分离分离过程分类，可分为热方法、膜方法和其他方法。热方法中包括多级闪蒸(multi-stage flash,MSF)、多效蒸馏(multipleeffectdistillation，MED)、压气蒸馏(vapor compression,VC)等；膜方法包括反渗透(reverseosmosis,RO)、电渗析(electrodialysis,ED)、纳滤(Nanofiltration，NF)等；其他方法还包括冰冻法、水合物法、离子交换法、增湿除湿法等。尽管上述方法有很多，但是当前工业上大规模应用的海水淡化技术只有MSF、MED、VC和RO等几种方法。由于MSF、MED、VC需要消耗大量的蒸汽和电能，而RO也需要大量的电能，会带来大量的化石燃料的消耗，造成温室气体排放、雾霾频发等环境问题。膜蒸馏过程(membrane distillation，MD)是一种膜分离过程，该过程结合传统蒸馏过程和膜过程。膜蒸馏过程中所采用的膜为微孔疏水膜，该膜只允许水蒸汽透过而不被料液润湿。膜蒸馏过程的基本原理为料液中易挥发性组分在膜两侧易挥发性组分蒸汽压差的推动下穿过微孔疏水膜的膜孔，并在微孔疏水膜的另一侧冷凝。膜蒸馏过程中料液中易挥发性组分的蒸发、冷凝过程与传统的蒸馏过程十分相似，并且使用微孔疏水膜作为相界面屏障。
槽式太阳能集热系统分为油冷却型和DSG型(直接蒸汽发生系统)，分别采用油和水为集热工质，油冷却型技术发展已基本成熟，DSG型系统是采用水作为工作介质，水在给水泵的作用下流入太阳能集热器场阵列吸收太阳辐射能量逐步变为水蒸汽。为了解决阻碍直接蒸汽发生系统稳定运行的两相流问题，华北电力大学在槽式直接蒸汽发生系统(direct steam generation，简写DSG)再循环模式的基础上做了系统改进，提出了扩容蒸发式太阳能蒸汽发生系统。扩容蒸发式太阳能蒸汽发生系统是在直接蒸汽发生系统运行时，其可靠性最高的再循环模式的基础上，将汽水分离器用扩容蒸发器取代，产生的高温蒸汽可作为热源供给工厂等，同时将扩容蒸发器产生的疏水送到回热系统，而不是返回集热场入口，这样便可保证集热器的加热部分和过热部分均为单相流。扩容蒸发器主要是依据闪蒸原理，即：高压的饱和液体进入比较低压的容器中后由于压力的突然降低使这些饱和液体变成一部分的容器压力下的饱和蒸汽和饱和液。
发明内容
本发明的目的集成太阳能光伏光热系统、海水淡化系统的优点，提出一种光伏光热组件耦合海水淡化的系统，该系统能将各子系统间参数匹配耦合，提升能源的综合利用，达到节能减排的目的。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种太阳能PV/T-膜蒸馏一体化海水系统，由太阳能光伏光热系统、扩容蒸发系统以及海水淡化系统等构成；进料海水首先作为冷媒通过制冷组件冷凝淡水蒸汽，同时被预热进入到光伏光热组件中，然后由复合抛物面聚光器对光伏光热组件聚光从而产生电能供给系统和用户；低温海水吸收背板的热能再通过PV/T中间的集热组件加热到110℃以上，接着进入扩容蒸发器扩容蒸发；扩容蒸发器产生的蒸汽进入冷凝组件冷凝为淡水，同时产生的热水进入到膜蒸馏组件中生产淡水，两个系统共同产生的淡水供给用户使用。
上述的太阳能PV/T-膜蒸馏一体化海水系统，所述的太阳能光伏光热系统包括多个光伏光热组件串联而成；光伏光热组件包括PVT框架、CPC聚光镜、光伏电池组件和导热板，CPC聚光器安装在PVT框架上，光伏电池组件位于CPC底部，背板通过粘结层粘结在导热板上，导热板下粘结着冷却电池流道；纯集热元件在光伏光热元件的中间，两边为单晶硅电池。
上述的太阳能PV/T-膜蒸馏一体化海水系统，在太阳能光伏光热系统入水口前装有压力传感器、电动调节阀。光伏光热组件发电部分装有最大功率点跟踪(MaximumPowerPoint Tracking，简写MPPT)太阳能控制器来输出最大电能，然后经过逆变器发电。由于定流量运行时，集热器出口温度随着太阳辐射强度的变化而改变，集热器的热应力会不断变化，易受到损坏，因此通过对压力传感器和电动调节阀传回的电信号进行处理，从而调节进入到光伏光热组件的海水流量，以此来保证系统稳定运行。
上述的太阳能PV/T-膜蒸馏一体化海水系统，所述的海水淡化系统包括扩容蒸发器、冷凝组件、真空泵和膜蒸馏组件组成。
本发明通过扩容蒸发器实现光伏光热发电集热系统和海水淡化的集成耦合，扩容蒸发器产生的蒸汽进入冷凝组件中，由进料海水对其冷凝变为淡水，而蒸汽中的不凝结气体由真空泵抽取以维持系统的真空状态。然后扩容蒸发器产生的热水进入到膜蒸馏组件中，由于膜两边存在的温差势能产生淡水。从扩容蒸发器产生的蒸汽中抽取一股与低温淡水混合来满足用户的日常生活热水的需求。
本发明利用低温进料海水冷却光伏光热组件中的光伏电池，在降低光伏电池工作温度的同时加热低温海水，提高光伏光热组件的综合利用效率。系统的输入端设有预处理水池对进料海水依次加入消毒剂、混凝剂、阻垢剂等药剂，再经过吸附、沉淀、过滤、除氧等步骤对进料海水进行预处理，然后放入到海水储罐中，便于系统直接利用。系统输出末端的浓海水通过污水处理池进行处理后排放。
本发明有益的效果为：通过扩容蒸发器实现光伏光热发电集热系统、海水淡化系统的集成耦合，利用各系统的优点进行系统间的优化集成，几乎可实现不需要其他能源的供给，独立由系统中产生的电能、热能和水供给系统和用户。本发明可实现太阳能的综合利用，减少一次能源的消耗，并具有高度的自动化和独立性。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1是光伏光热组件耦合海水淡化系统结构示意图。
图2是光伏光热集热组件示意图
图中各标号清单为：1、预处理水池；2、海水储罐；3、冷却组件；4、真空泵；5、压力传感器；6、电动流量调节阀；7、光伏光热组件；8、MPPT控制器；9、逆变器；10、用户；11、扩容蒸发器；12、膜蒸馏组件；13、淡水储存罐；14、水用户；15、污水处理池；16、电池板背板换热元件；17、背板换热组件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1为太阳能PV/T-膜蒸馏一体化海水系统示意图。图中，1、预处理水池；2、海水储罐；3、冷却组件；4、真空泵；5、压力传感器；6、电动流量调节阀；7、光伏光热组件；8、MPPT控制器；9、逆变器；10、用户；11、扩容蒸发器；12、膜蒸馏组件；13、淡水储存罐；14、水用户；15、污水处理池。如图所示：进料海水首先进入到预处理水池1中，依次加入消毒剂、混凝剂、阻垢剂，再经过吸附、沉淀、过滤、除氧等步骤对进料海水进行预处理，然后放入到海水储罐2中，便于系统直接利用。经过预处理的海水先通过冷却组件3，由冷却组件3内蒸汽对其进行预热后再送入光伏光热组件7中；为了保证系统稳定输出额定参数的工质，光伏光热组件7入口段用压力传感器5和电动流量调节阀6调节的入口流量。光伏光热组件7接受太阳辐射，经由MPPT控制器8追踪光伏电池的最大功率点并以最大功率输出直流电，随后输入光伏逆变器9，光伏逆变器9将输入的直流电转化为交流电，供给系统内部或用户10。最终系统产生的污水通过污水处理池15后排放出去。
图2为光伏光热组件集热器示意图。图中，16、电池板背板换热元件；17、背板换热组件。如图所示，复合抛物面聚光器对光伏光热组件7聚光，电池板背板换热元件16两边是电池板，中间是纯光热组件。冷却海水首先吸收两边电池背板热量，再由中间纯光热元件加热提高水温到110℃以上，然后将背板换热组件17产生的饱和水送入到扩容蒸发器11中进行扩容蒸发。
在扩容蒸发器11产生的大部分蒸汽送入冷却装置3中对海水预热，同时将冷凝的淡水捕捉收集到淡水罐13，冷凝产生的不凝结气体由真空泵吸收以维持冷却装置的真空。而在扩容蒸发器11中产生的热海水进入到膜蒸馏组件12中，在热能的驱动下，膜蒸馏组件12生产淡水送入淡水罐13中，通过淡水罐供给水用户14。
本发明利用扩容蒸发器11作为蒸发组件，光伏光热组件7作为供热源，膜蒸馏组件12和冷凝组件3作为海水淡化部分，通过扩容蒸发器11将热端的光伏光热组件7、冷端的膜蒸馏组件12和冷凝组件3集成耦合，其中光伏光热组件7产生的电能可供给系统使用，保证系统水热电的一体化独立输出，实现能源的综合利用。

Claims (2)

1.一种太阳能PV/T-膜蒸馏一体化海水系统，由光伏光热系统、扩容蒸发系统以及海水淡化系统组成，其特征在于：进料海水首先作为冷媒通过制冷组件冷凝淡水蒸汽，同时被预热进入到光伏光热组件中，然后由复合抛物面聚光器对光伏光热组件聚光从而产生电能供给系统和用户；低温海水吸收背板的热能再通过PV/T中间的集热组件加热到110℃以上，接着进入扩容蒸发器扩容蒸发；扩容蒸发器产生的蒸汽进入冷凝组件冷凝为淡水并加热进料海水，同时产生的热水进入到膜蒸馏组件中，在温差势能下，膜蒸馏组件不断的生产淡水，两个系统共同产生的淡水供给用户使用；
该系统通过扩容蒸发器将各系统集成耦合，光伏光热系统作为供电端为整个系统提供电能，同时也作为热源为海水淡化系统提供热能；在光伏光热系统入水口前装有压力传感器以及电动调节阀，通过阀门调节不同光照条件下进入光伏光热系统的海水来保证系统的稳定运行。
2.根据权利要求1所述的太阳能PV/T-膜蒸馏一体化海水系统，其特征是，所述的光伏光热系统由多个光伏光热组件串联而成，光伏光热组件中间是纯集热元件，两边为单晶硅电池，可在发电的同时加热海水，获得较高的出口水温。
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