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一种 太阳能光伏余热-焦 耳热梯级利用的 海 水 淡化系统

阅读：381发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种太阳能光伏余热-焦耳热梯级利用的海水淡化系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了属于可再生能源利用领域的一种太阳能光伏余热- 焦耳热梯级利用的海水淡化系统；该系统主要包括高透光玻璃盖板，太阳能光伏电池，导热硅胶，导热铝板，海水流道，电加热层，疏水膜层，凝结水流道，隔热保温层，海水储存罐，凝结水汇集罐，冲刷罐和高效翅片散热器；由多层海水淡化装置构成；淡化装置是在保温隔热层内，从上至下依次布置高透光玻璃盖板、太阳能光伏电池、导热硅胶、导热铝板、电加热层、疏水膜层、海水流道、海水储存罐与凝结水汇集罐。本发明利用太阳能光伏电池发电产生的余热及电能，原位或梯级利用能量参与海水淡化，实现了最大程度的利用太阳能，同时大幅提升了系统的蒸发效率和海水淡化能力。，下面是一种太阳能光伏余热-焦耳热梯级利用的海水淡化系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种太阳能光伏余热-焦耳热梯级利用的海水淡化系统，该系统主要包括高透光玻璃盖板，太阳能光伏电池，导热硅胶，导热铝板，海水流道，电加热层，疏水膜层，凝结水流道，隔热保温层，海水储存罐，凝结水汇集罐，冲刷罐和高效翅片散热器，其特征在于，该系统包括多层海水淡化装置；主要结构是在保温隔热层(10)内，从上至下依次布置高透光玻璃盖板(1)、太阳能光伏电池(2)、导热硅胶(3)、导热铝板(4)、电加热层(6)、疏水膜层(7)和蒸汽凝结输出层(13)；电流表(5)连接在太阳能光伏电池(2)与电加热层(6)之间；海水流道(8)从导热铝板(4)和电加热层(6)之间穿过后分别连接海水储存罐(11)与凝结水汇集罐(12)；构成第一层海水淡化装置；从第二层开始，电加热层(6)为利用碳纳米管与聚乙烯醇在疏水膜层(7)表面合成的碳纳米管聚合物复合膜，通过两侧的电极(9)与太阳能光伏电池(2)相连，将光伏电池产生的电能转化为热能，并加热复合膜表面附近的海水成为蒸汽；在各疏水膜层(7)下面的蒸汽凝结输出层(13)汇聚后与冲刷罐(14)连通；第N层疏水膜层(7)下面为高效翅片散热器(15)。
2.根据权利要求1所述太阳能光伏余热-焦耳热梯级利用的海水淡化系统，其特征在于，所述保温隔热层材料选用聚苯乙烯泡沫或保温棉；其主要作用为减少系统向周围环境散热，提高系统的余热利用率。
3.根据权利要求1所述太阳能光伏余热-焦耳热梯级利用的海水淡化系统，其特征在于，所述高效翅片散热器用于增强底层散热能力，增大底层疏水膜层7两侧温差引起的跨膜压差，提升蒸汽跨膜输运能力，以及对底层亲水冷凝层进行冷凝。
4.一种权利要求1所述太阳能光伏余热-焦耳热梯级利用的海水淡化系统的海水淡化方法，其特征在于，该太阳能海水淡化系统的海水淡化流程包括：
在白天阳光充足时，太阳光透光高透光玻璃盖板(1)，一部分被太阳能光伏电池(2)直接转化为电能，其余的大部分被转化为余热，这些余热通过导热硅胶(3)、导热铝板(4)，传递到海水流道(8)，加热由海水储存罐(11)中输入的海水产生蒸汽，同时在疏水膜层(7)两侧形成温度差，在温差引起的蒸汽压差作用下，蒸汽透过疏水膜层(7)输送至凝结水流道(13)，凝结为水并释放潜热，凝结水流入凝结水汇集罐(12)；凝结水即淡化水；而蒸汽携带的热量以及凝结释放的潜热通过导热铝板(4)继续加热下一层冷海水，同时从第二层开始，电加热层(6)通过电极(9)与太阳能光伏电池(2)相连，并将其产生的电能转化为热能加热海水，在二者共同作用下，海水蒸发产生蒸汽，并在跨膜蒸汽压差的作用下实现跨膜输运，进入凝结水流道(13)，并凝结为水、释放潜热，凝结水流入凝结水汇集罐(12)中，而蒸汽携带的热量及凝结释放的潜热继续传递到下一层与光伏驱动电加热层所产生的焦耳热共同加热海水，以此类推，直到第N层，如此实现太阳能光伏余热-焦耳热梯级利用海水淡化，提高了系统的蒸发效率，增强了系统的整体海水淡化能力；
在夜晚没有阳光时，向冲刷罐(14)中注入海水，在水头压力、重力以及盐差的共同作用下，冲刷罐(14)中的海水经由亲水通道反向冲刷海水流道(8)，通过浓度扩散效应，除去堵塞在其中的盐，恢复亲水层毛细泵送流体的功能，进而保证海水淡化系统高效持续运行。

说明书全文

一种太阳能光伏余热-焦 耳热梯级利用的 海 水 淡化系统

技术领域

[0001] 本发明属于可再生能源领域，特别涉及一种太阳能光伏余热-焦耳热梯级利用的海水淡化系统,具体说是涉及一种全太阳能驱动光伏余热-焦耳热梯级利用的多级蒸发热渗透膜海水淡化系统。

背景技术

[0002] 水与能源密不可分，随着社会发展，水安全成为影响能源安全的重要因素之一。一方面，能源产业作为我国工业用水大户，用水量占比在40％以上，水资源对能源产业的重要性不言而喻；另一方面，目前的清洁水处理技术，特别是传统的海水淡化技术耗能高，浓缩废水排放严重污染环境。目前，海水淡化领域已大规模投产应用的技术主要有多级闪蒸技术、反渗透膜技术等，这些技术发展较为成熟、实际应用效果较好，但存在成本较高、耗能严重的问题。

[0003] 太阳能作为可再生清洁能源，已成为应对能源短缺、环境污染等问题的重要选择之一。将太阳能应用到海水淡化中，是解决水资源短缺和能源危机的有效举措。目前，常规的太阳能海水淡化技术主要包括：太阳能多效蒸馏法、太阳能多级闪蒸法、太阳能反渗透法以及太阳能渗析法等。虽然相较于传统的海水淡化技术存在一定的优势，但也存在蒸馏过程中凝结潜热未能有效利用、传热效率低、能耗高以及初始投入成本高等问题。为了解决上述问题，太阳能热光伏(PVT)膜蒸馏一体化海水淡化技术、多级被动式太阳能光热膜蒸馏技术等新型的海水淡化技术逐渐被关注。PVT膜蒸馏一体化海水淡化是利用太阳能热光伏技术进行发电的同时，利用海水冷却太阳能电池板提升其光电转化效率，然后温度升高的海水在扩容蒸发器中蒸发生成蒸汽，进而在膜组件中冷凝生成淡水。该技术不仅提升了光伏电池的光电转化效率，而且一定程度提升了海水蒸发的效率，但其所生产的电能需向外网输出或需要电池存储设备，因而系统较为复杂、成本相对较高。多级被动式太阳能光热膜蒸馏技术是在光热膜蒸馏技术的基础上，借助上层蒸汽凝结释放的潜热加热海水产生蒸汽，蒸汽在蒸汽压差的作用下实现跨膜输运，实现蒸汽潜热的多级复叠利用，从而提升了系统的蒸发效率和海水淡化性能。但由于热能是低品位能源，其能量传递过程熵增大，效率逐级递减，因而，这将导致底层膜两侧温差小、驱动力不足，蒸发效率较低，使得整体系统性能提升较为有限。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提出一种太阳能光伏余热-焦耳热梯级利用的海水淡化系统，该系统主要包括高透光玻璃盖板，太阳能光伏电池，导热硅胶，导热铝板，海水流道，电加热层，疏水膜层，凝结水流道，隔热保温层，海水储存罐，凝结水汇集罐，冲刷罐和高效翅片散热器，其特征在于，该系统包括多层海水淡化装置；主要结构是在保温隔热层10内，从上至下依次布置高透光玻璃盖板1、太阳能光伏电池2、导热硅胶3、导热铝板4、电加热层6、疏水膜层7和蒸汽凝结输出层13；电流表5连接在太阳能光伏电池2与电加热层6之间；海水流道8从导热铝板4和电加热层6之间穿过后分别连接海水储存罐11与凝结水汇集罐12；构成第一层海水淡化装置；从第二层开始，电加热层6为利用碳纳米管与聚乙烯醇在疏水膜层7表面合成的碳纳米管聚合物复合膜，通过两侧的电极9与太阳能光伏电池2相连，将光伏电池产生的电能转化为热能，并加热复合膜表面附近的海水成为蒸汽；在各疏水膜层7下面的蒸汽凝结输出层13汇聚后与冲刷罐14连通；第N层疏水膜层7下面为高效翅片散热器15。

[0005] 该太阳能海水淡化系统工作流程为：白天，阳光充足时，太阳光透光高透光玻璃盖板1，一部分被太阳能光伏电池2直接转化为电能，其余的大部分被转化为余热，这些余热通过导热硅胶3、导热铝板4，传递到海水流道8，加热由海水储存罐11中输入的海水产生蒸汽，同时在疏水膜层7两侧形成温度差，在温差引起的蒸汽压差作用下，蒸汽透过疏水膜层7输送至凝结水流道13，凝结为水并释放潜热，凝结水流入凝结水汇集罐12；凝结水即淡化水；而蒸汽携带的热量以及凝结释放的潜热通过导热铝板4继续加热下一层冷海水，同时从第二层开始，电加热层6通过电极9与太阳能光伏电池2相连，并将其产生的电能转化为热能加热海水，在二者共同作用下，海水蒸发产生蒸汽，并在跨膜蒸汽压差的作用下实现跨膜输运，进入凝结水流道13，并凝结为水、释放潜热，凝结水流入凝结水汇集罐12中，而蒸汽携带的热量及凝结释放的潜热继续传递到下一层与光伏驱动电加热层所产生的焦耳热共同加热海水，以此类推，直到第N层，如此实现太阳能光伏余热-焦耳热梯级利用海水淡化，提高了系统的蒸发效率，增强了系统的整体海水淡化能力；

[0006] 夜晚，没有阳光时，向冲刷罐14中注入海水，在水头压力、重力以及盐差的共同作用下，冲刷罐14中的海水经由亲水通道反向冲刷海水流道8，通过浓度扩散效应，除去堵塞在其中的盐，恢复亲水层毛细泵送流体的功能，进而保证海水淡化系统高效持续运行。

[0007] 本发明的有益效果包括：

[0008] 1.利用太阳能光伏电池发电产生的余热及电能，原位或梯级利用能量参与海水淡化，实现了最大程度的利用太阳能，同时大幅提升了系统的蒸发效率和海水淡化能力；

[0009] 2.利用太阳能光伏电池产生的余热以及蒸汽携带的热量和凝结释放的潜热，实现了热量的梯级重复利用，同时，降低了太阳能光伏电池的工作温度，进而提高了其光电转化效率；增强了系统整体的海水淡化能力；

[0010] 3.利用太阳能光伏电池产生的电能焦耳热加热下层海水，解决了热能逐层传递所引起的底层蒸发效率低的问题；

[0011] 4.通过将海水流道与冲刷罐相连，利用其中存储的海水在夜晚冲刷带走沉积在海水流道中的盐分，使系统能够高效可持续地进行海水淡化；

[0012] 5.本发明成本较低且绿色环保，可用于海水淡化、污水处理等领域，为传统的水处理技术能力提升及工程应用提出了新思路及解决方案。附图说明

[0013] 图1为白天太阳能海水淡化系统海水淡化示意图。

[0014] 图2为太阳能光伏余热-焦耳热梯级利用系统第1层原理图。

[0015] 图3为太阳能光伏余热-焦耳热梯级利用系统第n(n≥2)层原理图。

[0016] 图4为夜晚太阳能海水淡化系统除盐示意图。

具体实施方式

[0017] 本发明提出一种太阳能光伏余热-焦耳热梯级利用的海水淡化系统，该系统主要包括高透光玻璃盖板，太阳能光伏电池，导热硅胶，导热铝板，海水流道，电加热层，疏水膜层，凝结水流道，隔热保温层，海水储存罐，凝结水汇集罐，冲刷罐和高效翅片散热器。下面结合附图对本发明予以说明。

[0018] 图1所示为白天太阳能海水淡化系统海水淡化示意图。图中所示系统包括多层海水淡化装置；主要结构是在保温隔热层10内，从上至下依次布置高透光玻璃盖板1、太阳能光伏电池2、导热硅胶3、导热铝板4、电加热层6、疏水膜层7和蒸汽凝结输出层13；电流表5连接在太阳能光伏电池2与电加热层6之间；海水流道8从导热铝板4和电加热层6之间穿过后分别连接海水储存罐11与凝结水汇集罐12；构成第一层海水淡化装置；从第二层开始，电加热层6为利用碳纳米管与聚乙烯醇在疏水膜层7表面合成的碳纳米管聚合物复合膜，通过两侧的电极9与太阳能光伏电池2相连，将光伏电池产生的电能转化为热能，并加热复合膜表面附近的海水成为蒸汽；在各疏水膜层7下面的蒸汽凝结输出层13汇聚后与冲刷罐14连通；第N层疏水膜层7下面为高效翅片散热器15。其中，温隔热层10主要材料可以为聚苯乙烯泡沫、保温棉等，其主要作用为减少系统向周围环境散热，提高系统的余热利用率。电流表5的作用为观察记录光伏电池产生的电流大小，计算得出其光电转化效率，进而为系统的进一步优化提供借鉴。高效翅片散热器15的作用为增强底层散热能力，增大底层疏水膜层7两侧温差引起的跨膜压差，提升蒸汽跨膜输运能力，以及对底层亲水冷凝层进行冷凝。

[0019] 该太阳能海水淡化系统工作流程为：白天，阳光充足时，太阳光透光高透光玻璃盖板1，一部分被太阳能光伏电池2直接转化为电能，其余的大部分被转化为余热，这些余热通过导热硅胶3、导热铝板4，传递到海水流道8，加热由海水储存罐11中输入的海水产生蒸汽，同时在疏水膜层7两侧形成温度差，在温差引起的蒸汽压差作用下，蒸汽透过疏水膜层7输送至凝结水流道13，凝结为水并释放潜热，凝结水流入凝结水汇集罐12；凝结水即淡化水；而蒸汽携带的热量以及凝结释放的潜热通过导热铝板4继续加热下一层冷海水，同时从第二层开始，电加热层6通过电极9与太阳能光伏电池2相连，并将其产生的电能转化为热能加热海水，在二者共同作用下，海水蒸发产生蒸汽，并在跨膜蒸汽压差的作用下实现跨膜输运，进入凝结水流道13，并凝结为水、释放潜热，凝结水流入凝结水汇集罐12中，而蒸汽携带的热量及凝结释放的潜热继续传递到下一层与光伏驱动电加热层所产生的焦耳热共同加热海水，以此类推，直到第N层，如此实现太阳能光伏余热-焦耳热梯级利用海水淡化，提高了系统的蒸发效率，增强了系统的整体海水淡化能力；

[0020] 图4为夜晚太阳能海水淡化系统除盐示意图，如图所示，冲刷罐14与系统中各层的海水流道8通过亲水纤维膜相连，当夜晚来临，没有阳光时，向冲刷罐14中注入海水(白天为空罐)，在水头压力、重力和盐差等因素的共同作用下，冲刷罐14中的海水进入海水流道8中，对其进行反向冲刷，通过浓度扩散效应，带走其中沉积的盐分并流入海水储存罐11中，从而大大降低了盐分沉积对系统蒸发效率的影响，恢复亲水层毛细泵送流体的功能，进而保证海水淡化系统高效持续运行；使系统能够高效可持续地进行海水淡化。

[0021] 图2所示为太阳能光伏余热-焦耳热梯级利用系统第1层原理图，如图所示，该结构自上而下依次为高透光玻璃盖板1，太阳能光伏电池2，导热硅胶3，导热铝板4，海水流道8，电加热层6，疏水膜层7，凝结水流道13。太阳能光伏电池2可采用单晶硅电池、多晶硅电池等材料，其实验室最高光电转换效率分别能达到24.7％和18％，虽然效率较低但相较于单晶硅，多晶硅电池成本更为低廉；海水流道8采用亲水纤维膜结构，具体材料可采用混合纤维素酯、聚丙烯腈、棉织物等，利用毛细力将海水从储水罐中输送至系统中进行海水淡化；疏水膜层7可采用聚四氟乙烯多孔膜、聚甲基丙烯酸甲酯膜，或利用1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯氢硅对纤维膜进行疏水改性得到，其主要作用为实现蒸汽与海水分离，在跨膜蒸汽压差的作用下，使蒸汽完成跨膜输运。阳光透过高透光玻璃盖板1，一部分被太阳能光伏电池2直接转化为电能，剩余的大部分转化为热能；所产生的电能作用于下面各层的电加热层，提高蒸发效率；所产生的热量通过导热硅胶3、导热铝板4作用于系统第1层，用以加热海水产生蒸汽，蒸汽在由温差形成的跨膜压差的作用下，透过疏水膜层7进入凝结水流道13，凝结为水并释放潜热。

[0022] 图3为太阳能光伏余热-焦耳热梯级利用系统第n(n≥2)层原理图，如图所示，该结构主要包括导热铝板4，电加热层6，疏水膜层7，海水流道8，电极9，凝结水流道13。电加热层6为利用碳纳米管与聚乙烯醇在疏水膜层7表面合成的碳纳米管聚合物复合膜，通过两侧的电极9与太阳能光伏电池2相连，将光伏电池产生的电能转化为热能加热表面附近的海水转化为蒸汽，提升下面各层的海水蒸发效率，同时增大疏水膜层7两侧蒸汽压差，强化蒸汽的跨膜输运能力；凝结水流道13也是亲水纤维膜结构，具体材料可采用混合纤维素酯、聚丙烯腈、棉织物等，蒸汽透过疏水膜层在凝结水流道13中凝结为水并流入凝结水汇集罐中。太阳能光伏-余热梯级利用系统上层凝结水流道13中蒸汽携带的热量以及其凝结释放的潜热，通过导热铝板4导入下面一层继续加热海水产生蒸汽，与此同时电加热层6将光伏电池产生的电能转化为热能加热附近海水产生蒸汽，在二者的共同作用下，使得蒸发效率大大提高，产生的蒸汽在跨膜蒸汽压差的作用下，透过疏水膜层7进入凝结水流道13中凝结为水，随后流入凝结水汇集罐中，蒸汽携带的热量及释放的潜热继续加热下层海水，实现余热的梯级高效利用。

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