技术领域
[0001] 本
发明涉及
海水淡化技术领域，特别是一种自维持
海水淡化系统及淡化方法。
背景技术
[0002] 水是世界上最普遍的物质之一，总体积为14.1亿立方公里，但其中只有2％是
淡水。87％的淡水被封冻在两极及高山的
冰层和
冰川中，难以利用。便于人类利用的淡水资源只有21000立方公里左右。这些淡水资源在
时空上分布不均，加上人类的不合理利用，使世界上许多地区面临着严重的水资源危机。
[0003] 我国水资源储备粮位列世界第六，占全球水资源的6％，但人均淡水资源低于世界平均，为缓解淡水危机，世界各个主要国家均在进行着海水淡化的研究。海水淡化即利用海水脱盐生产淡水。现有的海水淡化技术包括蒸馏法和膜法两大类，其中低
多效蒸馏法、多级闪蒸法和
反渗透膜法是全球主流技术。然而上述技术均存在能耗高，海水淡化能耗高，结构分散，设备投资大，难处理高含盐量海水等问题。
[0004] 背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的
现有技术的信息。
发明内容
[0005] 鉴于上述问题，本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的
缺陷而提供一种自维持海水淡化系统及淡化方法。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
[0006] 一种自维持海水淡化系统包括海水
蒸发模
块、浓差发电模块和离子
风收集模块，其中，
[0007] 所述海水蒸发模块包括：
[0008] 平板聚光器，其聚集太阳光以提高太阳光的
能量密度，
[0009] 蒸发层，其朝向所述平板聚光器，所述蒸发层吸收所述
太阳能并转换为
热能以在其表面蒸发海水，
[0010]
隔热给水层，其配置成对蒸发层隔热且通过毛细
力吸取海水供给蒸发层，[0011] 浓差发电模块包括：
[0012] 第一浓度腔室，其内设有溶液液位
传感器或溶液浓度传感器，以及第一
电极，所述第一浓度腔室位于隔热给水层之下，
[0013] 第二浓度腔室，其经由可通过阳离子的纳米
薄膜连接所述第一浓度腔室，所述第二浓度腔室设有浸入海水的第二电极，其中，第一浓度腔室的第一浓度高于第二浓度腔室的第二浓度，第一电极和第二电极基于两个腔室的浓度差与
温度差产生
电流，[0014] 锂
电池蓄电组，其连接所述第一电极和第二电极以储存
电能，
[0015] 海水池，其经由
泵连接所述第一浓度腔室以供给海水，
[0016] 离子风收集模块包括：
[0017]
变压器，其连接所述锂电池蓄电组以增加
电压，
[0018] 鼓风机，其连接所述锂电池蓄电组，用以输送过饱和水蒸气至接地极，[0019] 电晕极，其连接所述变压器，高压尖端放电使得饱和水蒸气带电并与接地极形成
电场以驱动饱和水蒸气至接地极，
[0020] 接地极，其线接地，用以形成电场吸引过饱和水蒸气在其上冷凝，[0021] 收集腔，所述收集腔位于接地极之下，用以收集和储存蒸馏水。
[0022] 所述的自维持海水淡化系统中，所述隔热给水层和蒸发层均浮于所述第一浓度腔室的液面上。
[0023] 所述的自维持海水淡化系统中，纳米薄膜包括从第一浓度腔室朝向第二浓度腔室的尺寸逐渐减缩的离子通道，所述离子通道包括锥形孔通道或梯形孔通道以及连通所述锥形孔通道或梯形孔通道的圆形孔通道，锥形孔通道或梯形孔通道开口大的一端朝向所述第一浓度腔室，锥形孔通道或梯形孔通道开口小的一端朝向所述第二浓度腔室，圆形孔通道与所述开口小的一端连结且尺寸小于所述开口小的一端。
[0024] 所述的自维持海水淡化系统中，圆形孔通道的平均孔径为2-30nm，锥形孔通道或梯形孔通道平均直径为2-10μm。
[0025] 所述的自维持海水淡化系统中，所述泵连接溶液
液位传感器或溶液浓度传感器，所述泵响应于溶液液位传感器或溶液浓度传感器的测量数据而启停。
[0026] 所述的自维持海水淡化系统中，纳米薄膜为一层或多层的多孔
半导体薄膜，每层厚度不超过100nm，总厚度不超过300nm。
[0027] 所述的自维持海水淡化系统中，所述蒸发层由
石墨、氮化
碳或碳
纳米管材料制成，厚度为5-10mm。
[0028] 所述的自维持海水淡化系统中，所述隔热给水层为多孔亲水材料，其孔隙率为60％-80％，所述隔热给水层与蒸发层通过
烧结或涂层方法连接以贯通，厚度为30-50mm。
[0029] 所述的自维持海水淡化系统中，电晕极包括若干均匀排列的钨针，其间距为15-40mm，变压器生成的电压为10-30kV。
[0030] 所述的自维持海水淡化系统中，所述接地极为不锈
钢金属网，其金属网孔为方形孔，孔径为1-3mm。
[0031] 所述的自维持海水淡化系统中，所述隔热给水层隔绝所述蒸发层与其下海水层的热
对流，所述隔热给水层通过毛细力吸取海水供给蒸发层。
[0032] 根据本发明的另一方面，一种所述的自维持海水淡化系统的淡化方法包括以下步骤，
[0033] 平板聚光器聚集太阳光，蒸发层吸收所述太阳光能并将其转换为热能，通过隔热给水层的毛细力给水，在蒸发层表面发生蒸发，
[0034] 连通海水淡化模块的第一浓度腔由于蒸发，腔内浓度、温度上升，驱动腔内阳离子经由纳米薄膜内的离子通道进入第二浓度腔产生电流并储存于锂电池蓄电组中，[0035] 经由变压器连通电晕极，驱动钨针尖端放电，形成带电水蒸气与电场，并辅以鼓风机促使经由蒸发层产生的过饱和水蒸气穿过接地极，在接地极上
凝结并收集。
[0036] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0037] 本发明基于高效吸光材料，实现太阳能体吸收，并在其表面即时蒸发，光能利用效率有极大的提升，且
蒸发器结构简单，成本极低，无需再外加热能。且基于溶液蒸发形成盐结晶将堵塞隔热给水层从而使其失效的技术难点，通过在其下设置低浓度第二浓度腔，并以具有阳离子通道的纳米薄膜隔离，降低第一浓度腔室浓度防止结晶，同时利用两浓度腔之间形成的浓度差与温度差发电。通过锂电池蓄电组储存电能，并供给鼓风机和离子风发生装置，利用离子风高电压低功率的特点，促使水蒸气在电晕极电离带电并形成电场，驱动并吸引带电水蒸气富集于接地极，蒸气收集效率比单纯的拦截收集有极大提升。所述的自维持海水淡化系统具有结构紧凑，能量转换效率高，蒸气收集效率高等优势，具有显著的社会效益和
循环经济效益，可广泛运用于太阳能海水淡化领域，且适合小体积，单人携带。
[0038] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照
说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
[0039] 通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些
实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
[0040] 在附图中：
[0041] 图1是根据本发明一个实施例的自维持海水淡化系统的结构示意图；
[0042] 图2是根据本发明一个实施例的淡化方法的步骤示意图。
[0043] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
[0044] 下面将参照附图1至附图2更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0045] 需要说明的是，在说明书及
权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0046] 为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
[0047] 为了更好地理解，如图1所示，一种自维持海水淡化系统包括海水蒸发模块1、浓差发电模块19和离子风收集模块20，其中，
[0048] 所述海水蒸发模块1包括：
[0049] 平板聚光器8，其聚集太阳光以提高太阳光的
能量密度，
[0050] 蒸发层4，其朝向所述平板聚光器8，所述蒸发层4吸收所述太阳能并转换为热能以在其表面蒸发海水，
[0051] 隔热给水层5，其配置成隔绝所述蒸发层4与其下海水层的热对流，所述隔热给水层5通过毛细力吸取海水供给蒸发层4，
[0052] 浓差发电模块19包括：
[0053] 第一浓度腔室15，其内设有溶液液位传感器或溶液浓度传感器6，以及第一电极13，所述第一浓度腔室15位于隔热给水层5之下，
[0054] 第二浓度腔室16，其经由可通过阳离子的纳米薄膜12连接所述第一浓度腔室15，所述第二浓度腔室16设有浸入海水的第二电极14，其中，第一浓度腔室15的第一浓度高于第二浓度腔室16的第二浓度，第一电极和第二电极基于两个腔室的浓度差与温度差产生电流，
[0055] 锂电池蓄电组18，其连接所述第一电极13和第二电极14以储存电能，[0056] 海水池11，其经由泵10连接所述第一浓度腔室15以供给海水，
[0057] 离子风收集模块20包括：
[0058] 变压器17，其连接所述锂电池蓄电组18以增加电压，
[0059] 鼓风机2，其连接所述锂电池蓄电组18，用以输送过饱和水蒸气至接地极7，[0060] 电晕极3，其连接所述变压器17，高压尖端放电使得饱和水蒸气带电并与接地极7形成电场以驱动饱和水蒸气至接地极7，
[0061] 接地极7，其线接地，用以形成电场吸引过饱和水蒸气在其上冷凝，[0062] 收集腔9，所述收集腔9位于接地极7之下，用以收集和储存蒸馏水。
[0063] 所述的自维持海水淡化系统的优选实施例中，所述隔热给水层5和蒸发层4均浮于所述第一浓度腔室15的液面上。
[0064] 所述的自维持海水淡化系统的优选实施例中，纳米薄膜12包括从第一浓度腔室15朝向第二浓度腔室16的尺寸逐渐减缩的离子通道，所述离子通道包括锥形孔通道或梯形孔通道以及连通所述锥形孔通道或梯形孔通道的圆形孔通道，锥形孔通道或梯形孔通道开口大的一端朝向所述第一浓度腔室15，锥形孔通道或梯形孔通道开口小的一端朝向所述第二浓度腔室16，圆形孔通道与所述开口小的一端连结且尺寸小于所述开口小的一端。
[0065] 所述的自维持海水淡化系统的优选实施例中，圆形孔通道的平均孔径为2-30nm，锥形孔通道或梯形孔通道平均直径为2-10μm。
[0066] 所述的自维持海水淡化系统的优选实施例中，所述泵连接溶液液位传感器或溶液浓度传感器6，所述泵响应于溶液液位传感器或溶液浓度传感器6的测量数据而启停。
[0067] 所述的自维持海水淡化系统的优选实施例中，纳米薄膜12为一层或多层的多孔半导体薄膜，每层厚度不超过100nm，总厚度不超过300nm。
[0068] 所述的自维持海水淡化系统的优选实施例中，所述蒸发层4由石墨、氮化碳或
碳纳米管材料制成，厚度为5-10mm。
[0069] 所述的自维持海水淡化系统的优选实施例中，所述隔热给水层5为多孔亲水材料，其孔隙率为60％-80％，所述隔热给水层5与蒸发层4通过烧结或涂层方法连接以贯通，厚度为30-50mm。
[0070] 所述的自维持海水淡化系统的优选实施例中，电晕极3包括若干均匀排列的钨针，其间距为15-40mm，
[0071] 所述的自维持海水淡化系统的优选实施例中，所述接地极7为
不锈钢金属网，其金属网孔为方形孔，孔径为1-3mm，变压器17生成的电压为10-30kV。
[0072] 所述的自维持海水淡化系统的优选实施例中，所述泵10连接控制流量的流量
阀。
[0073] 为了进一步理解本发明，在一个实施例中，一种自维持海水淡化系统包括海水蒸发模块1、浓差发电模块19和离子风收集模块20，其中，
[0074] 所述海水蒸发模块包括：
[0075] 平板聚光器8，其聚集太阳光以提高光的能量密度，
[0076] 蒸发层4，其几乎完全吸收经由平板聚光器集聚的太阳能能并将其转换为热能，在其表面进行海水蒸发，
[0077] 隔热给水层5，其隔绝蒸发层与其下海水层的热对流并通过毛细力吸取海水供给蒸发层。
[0078] 浓差发电模块包括：
[0079] 第一浓度腔室15，其内设有溶液高度、浓度传感器6和第一电极13，所述第一浓度腔室15位于隔热给水层5之下，
[0080] 第二浓度腔室16，其经由可通过阳离子的纳米薄膜12连接所述第一浓度腔室15，所述第二浓度腔室16设有浸入海水的第二电极14，其中，
[0081] 第一浓度腔室15的第一浓度高于第二浓度腔室16的第二浓度，
[0082] 锂电池蓄电组18，其连接所述第一电极13和第二电极14，用以储存电能，[0083] 海水池11，其经由可通过高度、浓度传感器6控制的泵10连接所述第一浓度腔室，用以供给海水。
[0084] 离子风收集模块包括：
[0085] 变压器17，其连接所述锂电池蓄电组，用以增加电压，
[0086] 鼓风机2，其连接所述锂电池蓄电组，用以输送过饱和水蒸气至接地极，[0087] 电晕极3，其连接所述变压器，高压尖端放电使得饱和水蒸气带电并与接地极7形成电场，驱动饱和水蒸气至接地极
[0088] 接地极7，其线接地，用以形成电场吸引过饱和水蒸气在其上冷凝，[0089] 收集腔9，所述收集腔位于接地极之下，用以收集和储存蒸馏水。
[0090] 所述的自维持海水淡化系统中，所述蒸发层4为石墨、氮化碳、碳纳米管等高吸收率碳材料，厚度约为5-10mm，
[0091] 所述隔热给水层为天然木材或碳
泡沫等多孔亲水材料，孔隙率为60％-80％，其与蒸发层通过烧结或涂层方法连接，相互贯通，厚度约为30-50mm，
[0092] 所述隔热给水层5和蒸发层4均浮于所述第一浓度腔室15之上，贴近液面且随液面高度变化而变化，
[0093] 所述纳米薄膜12为一层或多层多孔半导体薄膜，每层厚度不超过100nm，总厚度不超过300nm，所述纳米薄膜12包括从第一浓度腔室15朝向第二浓度腔室16的减缩型离子通道，所述离子通道包括锥形孔通道或梯形孔通道以及连通所述锥形孔通道或梯形孔通道的圆形孔通道，锥形孔通道或梯形孔通道开口大的一端朝向所述第一浓度腔室，锥形孔通道或梯形孔通道开口小的一端朝向所述第二浓度腔室，圆形孔通道与所述开口小的一端连结且尺寸小于所述开口小的一端，其中圆形孔通道的平均孔径为2-30nm，锥形孔通道或梯形孔通道的平均直径为2-10μm。
[0094] 所述电晕极3由若干均匀排列的钨针组成，其间距为15-40mm，
[0095] 所述接地极7为不锈钢金属网，其金属网孔为方形孔，孔径为1-3mm，[0096] 所述离子风收集模块的工作电压为10-30kV。
[0097] 本发明的平板聚光器8聚集太阳光，蒸发层4吸收太阳光能并将其转换为热能，通过隔热给水层5的毛细力给水，在蒸发层4表面发生蒸发，与海水淡化模块连通的第一浓度腔15因溶液蒸发，腔内浓度、温度上升，驱动腔内阳离子经由纳米薄膜12内的离子通道进入第二浓度腔，在其外
电路产生电流，外电路电能储存于锂电池蓄电组18中。
[0098] 锂电池蓄电组18经由变压器17连通电晕极3，驱动钨针尖端放电，形成带电水蒸气与电场，并辅以鼓风机2促使经由蒸发层4产生的过饱和水蒸气穿过接地极7，在接地极7的不锈钢金属网上凝结并于收集腔9收集。
[0099] 同时，为防止第一浓度腔室15溶液蒸干，第一腔室内溶液下降至一定高度或浓度高于一定浓度时，开启泵10，经由海水池11补充溶液，当第一腔室内溶液高于一定高度或浓度低于一定浓度时，关闭泵10。
[0100] 本发明对太阳能进行聚集和高效利用，吸收波段宽，吸收效率高，蒸发系统简单可靠。浓差发电系统采用带有阳离子通道的薄膜隔离两浓度腔室，解决结晶问题的同时利用浓差、温差发电，为离子风收集模块供给所需电能；离子风收集模块结构紧凑，收集效率高，能耗少，可自维持。本发明利用太阳能蒸发海水，宽波段高效利用太阳能，同时利用产生的浓差与温差发电，供给离子风收集所需电能，具有显著社会效益和循环经济效益，可广泛应用于海水淡化领域。
[0101] 如图2所示，一种所述的自维持海水淡化系统的淡化方法包括以下步骤，[0102] 平板聚光器8聚集太阳光，蒸发层4吸收所述太阳光能并将其转换为热能，通过隔热给水层5的毛细力给水，在蒸发层4表面发生蒸发，
[0103] 连通海水淡化模块的第一浓度腔由于蒸发，腔内浓度、温度上升，驱动腔内阳离子经由纳米薄膜12内的离子通道进入第二浓度腔产生电流并储存于锂电池蓄电组18中，[0104] 经由变压器17连通电晕极3，驱动钨针尖端放电，形成带电水蒸气与电场，并辅以鼓风机2促使经由蒸发层4产生的过饱和水蒸气穿过接地极7，在接地极7上凝结并收集。
[0105] 在一个实施方式中，第一腔室内溶液下降至一定高度或浓度高于一定浓度时，开启泵10，经由海水池11补充溶液，当第一腔室内溶液高于一定高度或浓度低于一定浓度时，关闭泵10。
[0107] 本发明所述的自维持海水淡化系统及淡化方法可以海水淡化领域制造并使用。
[0108] 以上结合具体实施例描述了本
申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
[0109] 为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、
修改、改变、添加和子组合。
