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CN111704187A - 一种荧光聚光太阳能海水淡化装置 - Google Patents

一种荧光聚光太阳能海水淡化装置 Download PDF

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Abstract

本发明一种荧光聚光太阳能海水淡化装置，该装置由荧光聚光器、浮体、淡水收集罐、黑色毛细管、冷凝腔外壳、轻质气体、隔热膜、玻璃盖板、冷凝腔等几个部分组成。本装置在工作时，太阳光线被荧光聚光器的量子点吸收后发生全反射，被传输到聚光器的侧面，此时紧贴在荧光聚光器侧面的黑色毛细管吸收聚集的光线，产生高温热能，加热毛细管内的海水使其蒸发，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比水蒸气轻的气体，迫使水蒸气向下运动，在与黑色毛细管的下端和冷凝腔外壳内壁面接触后被冷凝成淡水，最后流入淡水收集罐中。本发明的结构轻巧简易，便于安装和携带，黑色毛细管能够回收水蒸气的凝结潜热，可实现高效轻便的海水淡化。

Description

一种荧光聚光太阳能海水淡化装置
所属技术领域
本发明属于太阳能利用技术领域，具体涉及一种太阳能海水淡化装置。
背景技术
我国水资源总量为2.81万亿立方米，总量居世界第6位，但是由于人口众多，人居淡水占有量很少，仅有2300立方米，因此是全世界人均水资源最缺乏的国家之一。在合理利用和节约已有淡水资源的基础上，如何利用海洋资源进行海水淡化一直是人们热烈探讨的话题。传统的海水淡化技术，如蒸馏法、离子交换法、反渗透法都会消耗大量的不可再生能源。太阳能是一种丰富又清洁的能源，取之不尽，用之不竭，因此利用太阳能进行海水淡化是解决淡水危机及缓解环境污染的一条重要途径。
近百年来，人们一直在尝试将太阳能海水淡化技术进行商业化和规模化推广，提出了很多大规模太阳能海水淡化系统的建设方案，然而现有的太阳能海水淡化技术还存在以下缺点：
(1)结构复杂，操作繁琐，不利于拆装和携带，不适用小规模和单元化的生产。
(2)聚光装置体积庞大，聚光比低，需要配备跟踪系统，占地成本高，使装置的经济性较差。
(3)系统需要配备冗长的管路来输运海水，这会造成换热阻力增大及热量的损失，使系统的整体能量利用效率较低。
(4)装置中装有的海水容量较大，热惰性高，降低了蒸发效率，还会对设备造成腐蚀。
为了克服以上缺陷，可设计一种海上漂浮式海水淡化单元，蒸发和冷凝过程在一个狭窄的空间内完成，利用太阳光直接生产淡水。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种荧光聚光太阳能海水淡化装置，该装置可漂浮在海面上，利用收集的太阳能直接生产淡水，特别适合于小规模和单元化的生产。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种荧光聚光太阳能海水淡化装置，其特征在于，包括荧光聚光器、红外反射薄膜、反射涂层、浮体、淡水收集罐、黑色毛细管、冷凝腔外壳、轻质气体、隔热膜、玻璃盖板、冷凝腔等几个部分；荧光聚光器的上表面设有红外反射薄膜，下表面设有反射涂层，内部含有量子点；不同荧光聚光器侧面顶端通过玻璃盖板密封连接，侧面底端通过冷凝腔外壳进行密封连接，玻璃盖板、冷凝腔外壳和荧光聚光器之间形成密闭的冷凝腔；玻璃盖板为透明的玻璃板，太阳光线可透过玻璃盖板照射在黑色毛细管的下端，加热其内部吸入的海水；黑色毛细管的上端紧贴在荧光聚光器的侧面，下端向冷凝腔的中部弯曲用来冷凝向下飘散的水蒸气，同时吸收透过玻璃盖板的太阳光线，最后穿过冷凝腔外壳，伸入到海洋中，利用毛细吸力汲取海水，多个黑色毛细管在冷凝腔内并列排布；所述隔热膜贴在黑色毛细管上端面向冷凝腔的一侧，可以避免毛细管与冷凝腔内气体发生对流换热而导致温度降低；所述冷凝腔下方连接有淡水收集罐，用于收集在冷凝腔内凝结的淡水。
荧光聚光器为平面结构，能利用任意角度入射的太阳光，在使用时不需要配置太阳能跟踪装置，能有效利用直射和散射光线。当聚光器内的量子点吸收入射光线后，发射波长更长的红外光，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,每个荧光聚光器的侧面都可以用来加热黑色毛细管，在荧光聚光器的下方设置有浮体，使装置可以漂浮在海面上进行淡化，也方便黑色毛细管能源源不断地从下方汲取海水。
该装置的工作原理为：太阳光线穿过红外反射薄膜，被荧光聚光器内的量子点吸收后发生全反射，使光线被传输到聚光器的侧面。此时紧贴在荧光聚光器侧面的黑色毛细管吸收聚集的光线，产生高温热能，加热毛细管内的海水使其蒸发，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比水蒸气轻的气体，迫使水蒸气向下运动，一部分水蒸气遇到吸满冷海水的毛细管下端时被冷凝，同时向毛细管释放了凝结潜热，这部分热量随后被毛细管内海水带到毛细管上端，相当于将海水进行了回热；另一部分水蒸气被冷凝腔外壳内壁面冷凝，凝结的淡水流入到淡水罐中被收集。随着上端毛细管内的海水被不断加热蒸发，浸没在海水部分的毛细管在毛细吸力的作用下，源源不断地汲取低浓度的海水，避免了上端毛细管发生结垢。
本发明所产生的有益效果是：(1)装置结构轻巧简易，便于安装和携带，不需要用于固定的设备，灵活性较高，特别适合为海上工作平台人员提供淡水，可以将多个装置阵列排布以提高产水量。
(2)采用太阳能荧光聚光器收集太阳能，不需要配备太阳跟踪装置，建设成本低廉，还能获得较高的聚光效率。
(3)聚光系统与淡化系统一体化设计，直接利用收集的太阳能产生蒸汽，在聚光器夹层内的狭窄进行蒸发冷凝过程，减少了传热传质的阻力。
(4)利用毛细管的毛细吸力汲取海水，省却了管路传输，毛细管内的海水受热后能快速蒸发，减少了热损失，毛细管下端还能吸收水蒸气凝结时释放的潜热，提高了产水量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明使用淡水收集槽的结构示意图；
图3为本发明使用疏水排气膜的结构示意图；
其中，1-荧光聚光器；2-红外反射薄膜；3-反射涂层；4-浮体；5-淡水收集罐；6-黑色毛细管；7-冷凝板；8-海水；9-水蒸气；10-轻质气体；11-隔热膜；12-玻璃盖板；13-冷凝腔；14-量子点；15-淡水收集槽； 16-疏水排气膜；17-热海水腔；18-底板；19-补水管；20-吸热板。
具体实施方式
对下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：
如附图1所示，本发明提供了一种荧光聚光太阳能海水淡化装置，包括荧光聚光器(1)、红外反射薄膜 (2)、反射涂层(3)、浮体(4)、淡水收集罐(5)、黑色毛细管(6)、冷凝腔外壳(7)、轻质气体(10)、隔热膜(11)、玻璃盖板(12)、冷凝腔(13)等几个部分；所述荧光聚光器(1)上表面设有红外反射薄膜(2)，下表面设有反射涂层(3)，内含有量子点(14)，不同荧光聚光器侧面顶端通过玻璃盖板(12)密封连接，侧面底端通过冷凝腔外壳(7)进行密封连接，玻璃盖板(12)、冷凝腔外壳(7)和荧光聚光器(1)之间形成密闭的冷凝腔(13)；所述玻璃盖板(12)为透明的玻璃板，太阳光线可透过玻璃盖板照射在黑色毛细管(6)的下端，加热其内部吸入的海水；所述黑色毛细管(6)的上端紧贴在荧光聚光器的侧面，下端向冷凝腔(13)的中部弯曲用来冷凝向下飘散的水蒸气，同时吸收透过玻璃盖板(12)的太阳光线，最后穿过冷凝腔外壳(7)，伸入到海洋中，利用毛细吸力汲取海水，多个黑色毛细管在冷凝腔内并列排布；所述隔热膜(11)贴在黑色毛细管(6)上端面向冷凝腔(13) 的一侧，可以避免毛细管与冷凝腔(13)内气体发生对流换热而导致温度降低；所述冷凝腔(13)下方连接有淡水收集罐(5)，用于收集在冷凝腔内凝结的淡水。
荧光聚光器(1)为平面结构，能利用任意角度入射的太阳光，在使用时不需要配置太阳能跟踪装置，能有效利用直射和散射光线。当聚光器内的量子点(14)吸收入射光线后，发射波长更长的红外光，由于红外反射薄膜(2)和反射涂层(3)的存在，光线被多次反射后只能传输到聚光器的侧面，每个荧光聚光器的侧面都可以用来加热黑色毛细管(6)。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设置有浮体(4)，使装置漂浮在海面上进行淡化，也方便黑色毛细管能源源不断地从下方汲取海水。
该装置的工作原理为：太阳光线穿过红外反射薄膜(2)，被荧光聚光器(1)内的量子点(14)吸收后发生全反射，使光线被传输到聚光器的侧面。此时紧贴在荧光聚光器侧面的黑色毛细管(6)吸收聚集的光线，产生高温热能，加热毛细管内的海水使其蒸发，产生的水蒸气进入冷凝腔(13)中。由于冷凝腔内充有摩尔质量比水蒸气轻的气体，迫使水蒸气向下运动，一部分水蒸气遇到吸满冷海水的毛细管下端时被冷凝，同时向毛细管释放了凝结潜热，这部分热量随后被毛细管内海水带到毛细管上端，相当于将海水进行了回热；另一部分水蒸气被冷凝腔外壳(7)内壁面冷凝，凝结的淡水流入到淡水罐(5)中被收集。随着上端毛细管内的海水被不断加热蒸发，浸没在海水部分的毛细管在毛细吸力的作用下，源源不断地汲取低浓度的海水，避免了上端毛细管发生结垢。
如附图2所示的一个实施例中，荧光聚光器(1)侧面底端通过淡水收集槽(15)密封连接，黑色毛细管(6)下端穿过淡水收集槽，由淡水收集槽固定；玻璃盖板(12)和所述淡水收集槽(15)具有开口向上的张角。黑色毛细管(6)内产生的水蒸气在玻璃盖板(12)的下表面凝结，在重力作用下滴落在淡水收集槽(15)内。
如附图3所示的一个实施例中，使用体积较小的浮体(4)，让整个装置大部分浸没在海洋里。两个小尺寸的淡水收集槽(15)安装在玻璃盖板(13)的底端，并进行密封连接；荧光聚光器(1)侧面顶端通过疏水排气膜(16)密封连接，侧面底端通过底板(18)进行密封连接；疏水排气膜(16)下方为热海水腔(17)，热海水腔(17) 下方连接有补水管(19)，利用连通器原理从海洋里吸入海水；荧光聚光器(1)的侧面贴有吸热板(20)，当荧光聚光器(1)将太阳光线聚集到侧面时，吸热板吸收太阳辐射能转化为热能，加热蒸发腔内的海水，产生的水蒸气穿过疏水排气膜(16)，到达玻璃盖板的内表面后被冷凝为淡水，最后汇集到位于玻璃盖板底部的淡水收集槽(15)内。
由此，本发明中具体实施方式的描述，并非是对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明技术方案前提下，本领域普通技术人员对技术方案所做出的任何变形和改进将仍属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种荧光聚光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)、反射涂层(3)、浮体(4)、淡水收集罐(5)、黑色毛细管(6)、冷凝腔外壳(7)、轻质气体(10)、隔热膜(11)、玻璃盖板(12)、冷凝腔(13)等几个部分；所述荧光聚光器(1)上表面设有红外反射薄膜(2)，下表面设有反射涂层(3)，内含有量子点(14)，不同荧光聚光器侧面顶端通过玻璃盖板(12)密封连接，侧面底端通过冷凝腔外壳(7)进行密封连接，玻璃盖板(12)、冷凝腔外壳(7)和荧光聚光器(1)之间形成密闭的冷凝腔(13)；所述玻璃盖板(12)为透明的玻璃板，太阳光线可透过玻璃盖板照射在黑色毛细管(6)的下端，加热其内部吸入的海水；所述黑色毛细管(6)的上端紧贴在荧光聚光器的侧面，下端向冷凝腔(13)的中部弯曲用来冷凝向下飘散的水蒸气，同时吸收透过玻璃盖板(12)的太阳光线，最后穿过冷凝腔外壳(7)，伸入到海洋中，利用毛细吸力汲取海水，多个黑色毛细管在冷凝腔内并列排布；所述隔热膜(11)贴在黑色毛细管(6)上端面向冷凝腔(13)的一侧，可以避免毛细管与冷凝腔(13)内气体发生对流换热而导致温度降低；所述冷凝腔(13)下方连接有淡水收集罐(5)，用于收集在冷凝腔内凝结的淡水。
2.根据权利要求1所述的一种荧光聚光太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述冷凝腔(13)内充入摩尔质量比水蒸气轻的不凝性气体，聚集在冷凝腔上方，迫使产生的水蒸气向下运动。
3.根据权利要求1所述的一种荧光聚光太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述黑色毛细管(6)的下端可将向下运动的水蒸气冷凝为淡水，同时吸收水蒸汽的凝结潜热，这部分热量随后被毛细管内海水带到毛细管上端，相当于将海水进行了回热。
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