技术领域
[0001] 本
发明涉及
海水淡化技术领域，具体涉及一种自适应太阳能
海水淡化装置。
背景技术
[0002]
饮用水资源枯竭和卫生条件恶化是全球人类面对的严峻挑战之一。有预测称，到了2025年，世界上将有半数的国家面临
淡水资源紧张的严峻形势，而到2050年，世界上75％的人口将面临水资源短缺的困境。因此，提升水资源供给能
力和研发消毒
净化技术就显得至关重要。目前，在水资源净化和海水淡化领域中，
反渗透膜分离技术占据主导地位。然而，该方法不但成本高，对环境影响也比较大。因此，有必要开发一种既能满足实际需要，又符合“可持续”原则的水资源净化方案。
[0003] 为解决这一需求，2017年，纽约州立大学布法罗分校的甘巧强课题组和复旦大学的江素华课题组等合作，设计出一种便携式太阳能蒸馏器。如图1所示，该太阳能蒸馏器是通过将
碳涂布纸放在漂浮在水源上的聚苯乙烯
块上来净化，湖水被碳涂布纸的末端吸到纸的上表面，把阳光射入
蒸发出来的水收集起来就是饮用水。该蒸馏器不需要昂贵笨重的光学聚焦组件，通过使用价格低廉的
炭黑粉末、亲水多孔纸张和聚苯乙烯
泡沫塑料制成的“黑纸”，可以使太阳能转换效率达到88％(太阳能的88％都被用于蒸发水)。这使得1平方米大小的这种装置在太阳光下每小时可纯化1升左右的水，而且无需光学装置聚光，这一速度是当前商用装置的数倍。更重要的是，这种装置的原材料成本小于2美元每平方米，极具大规模推广的市场前景。但是，该便携式太阳能蒸馏器用于净化(淡化)矿物质较高的淡水或海水时，随着无纺纸光照面水分的蒸发，水中的矿物质(盐分)浓度会不断升高，并最终生成结晶，这使得蒸发过程效率下降直至中断，所以，该装置是不能用于海水淡化的，也不能用于高矿物水的净化。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题在于针对上述
现有技术存在的吸收效率低、不能用于海水淡化和高矿物水净化的不足，提供一种自适应太阳能海水淡化装置，通过循环蒸发组件实现海水淡化循环往复过程，并通过其他辅助技术手段进一步提高工作效率。
[0005] 本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
[0006] 一种自适应太阳能海水淡化装置，包括机箱和设置于所述机箱内的海水箱，所述机箱的上方设有透明罩，所述透明罩和机箱之间形成蒸发箱；所述海水淡化装置还包括若干循环蒸发组件，所述循环蒸发组件包括上
转轮、下转轮和环绕在所述上转轮与下转轮上的
无纺布；所述海水箱下部盛装海水，所述下转轮部分或全部浸没于海水中；所述海水箱的上壳体对应所述上转轮的安装
位置开设有蒸发窗口，所述上转轮的上部从所述蒸发窗口伸出后位于所述蒸发箱内；所述无纺布作为蒸发介质的载体，环绕在两个转轮上按设计要求匀速或步进转动。
[0007] 上述方案中，所述淡化装置还包括海水
泵，所述海水泵的进水端通过外部海水
过滤器与外部海水连通、出水端与所述海水箱连通，所述海水泵连续或间歇工作以增加所述海水箱内海水与外部海水的流动，保证海水箱下部海水的含盐量与外部海水一致。
[0008] 上述方案中，所述无纺布的表面涂有
石墨烯。
[0009] 上述方案中，所述海水箱的上壳体内侧铺设有泡沫
隔热材料。
[0010] 上述方案中，所述海水淡化装置还包括溢水管，所述海水箱内标记有海水水位线，所述溢水管的上端与所述海水水位线平齐、下端与外部海水连通。
[0011] 上述方案中，所述淡化装置还包括冷凝装置和贯流
风扇；所述冷凝装置采用
半导体制冷器件，半导体制冷器件的热端设置于所述海水箱底部内侧、冷端设置于所述海水箱底部外侧；所述贯流风扇将上层蒸发箱中的含水空气循环至所述海水箱下部的冷凝层。
[0012] 上述方案中，所述半导体制冷器件的热端设置有浸入海水中的热端
散热片，冷端设置有冷端
散热片。
[0013] 上述方案中，所述机箱的最下层为淡水收集箱，所述淡水收集箱与冷凝层之间通过设置隔
热层隔开，所述隔热层开设有排水孔，冷凝淡水经所述排水孔流入所述淡水收集箱。
[0014] 上述方案中，所述淡水收集箱开设有总出水口，所述总出水口内侧设置有淡水过滤单元，所述淡水过滤单元采用环型
活性炭过滤包，所述环型活性炭过滤包包括设有进水孔的外壁和设有出水孔的内壁，所述外壁与内壁之间填充环柱形碳化包，所述内壁的内侧为中空的柱型腔体，所述柱型腔体形成出水管，所述出水管的一端封闭，出水管的另一端与所述总出水口连通。
[0015] 上述方案中，所述机箱的侧边设置设备箱，所述设备箱的顶部安装有
太阳能电池板，设备箱内部设有蓄能
电池组，
太阳能电池板将太阳能转
化成电能储存于所述蓄能电池组，所述蓄能电池组用于给设备箱内的设备供电。
[0016] 本发明的有益效果在于：
[0017] 1、本发明在海水箱内设置若干循环蒸发组件，将作为蒸发介质载体的无纺布环绕于上下两个转轮上，位于蒸发窗口的蒸发载体是从下层海水中上升而来，其中所
吸附的海水含盐量是和下层海水箱中的海水一致的，蒸发窗口的介质经过一段时间的蒸发后，所吸附的海水含盐量因水分的蒸发而上升，当其含盐量上升至接近结晶浓度时，上转轮和下转轮运转，新的含盐量较低的含新鲜海水的蒸发介质载体运转到蒸发窗口，开始新一轮的蒸发过程，而含盐量较高的原蒸发窗口介质载体区域则随着机构的运转向下，直到进入下方海水中，在下方海水的稀释下介质载体中的海水含盐量恢复到和下方海水一致的水平，上述过程循环往复，海水淡化得以实现。
[0018] 2、本发明使用增厚的针刺无纺布替无纺纸，改变后的无纺布具有更大的展开蒸发表面积，理论上该项措施可以使蒸发效率可提高10％以上；为了进一步提高蒸发效率，将蒸发介质载体
表面处理的涂布材料由碳黑改为
石墨烯，从而对太阳幅射有更宽的吸收
频谱和更高的吸收效率，理论上该项措施可使蒸发效率提高5％以上。
[0019] 3、为了进一步提高蒸发效率，本发明还设计了强制冷凝循环，一方面，改变了水蒸气的收集方式，使透明罩的形态扁平化，便于生产、运输、携带，并在海上风浪等恶劣使用环境中有更强的物理性能；另一方面，由于蒸发箱内空气湿度的降低，使透明罩内不再
凝结水气，提高了阳光到达蒸发介质表面的强度，从而提高了总体蒸发效率，并且由于蒸发
箱体内空气湿度的降低，远低于空气的水气饱和极限，这也提高了系统的总体蒸发效率。
[0020] 4、本发明自适应太阳能海水淡化装置不需要外部
能源输入(太阳光除外)，也不需要外部调整运行方式，海水过滤器上
水体传感器感受到水位设定高度，装置自行启动工作，反之装置停止运行，特别适用于浮岛或船上海水淡化或饮用水净化。
附图说明
[0021] 下面将结合附图及
实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0022] 图1是现有的便携式太阳能蒸馏器的结构示意图；
[0023] 图2是本发明自适应太阳能海水淡化装置的主视图；
[0024] 图3是本发明自适应太阳能海水淡化装置的侧视图；
[0025] 图4是本发明自适应太阳能海水淡化装置的俯视图；
[0026] 图5是本发明自适应太阳能海水淡化装置的淡水过滤单元的横剖视图；
[0027] 图6是海水淡化模块600*600*200
单体简化后的三视图；
[0028] 图7是海水淡化模块1200*1200*400单体简化后的三视图；
[0029] 图8是阵列海水淡化模块(1200*1200*400)*4简化后的三视图。
[0030] 图中：10、透明罩；11、蒸发箱；12、冷凝层；13、
通风口出口；14、通风口进口；20、海水箱；21、泡沫隔热材料；22、海水水位线；30、循环蒸发组件；31、上转轮；311、上
转轴；32、下转轮；321、下转轴；34、无纺布；41、热端散热片；42、冷端散热片；43、半导体制冷器件；50、贯流风扇；60、淡水收集箱；61、隔热层；62、淡水过滤单元；621、外壁；622、进水孔；623、内壁；624、出水孔；625、环柱形碳化包；626、柱型腔体；627、塞子；70、设备箱；71、太阳能电池板；
72、蓄能电池组；73、步进
电机；74、
电路控制元件；75、海水泵；751、进水端；752、出水端；
753、海水过滤器；76、水平仪；80、溢水管；90、机箱。
具体实施方式
[0031] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0032] 如图2-4所示，为本发明一较佳实施例的自适应太阳能海水淡化装置，包括机箱90、设置于机箱90上方的透明罩10、设置于机箱90内的海水箱20、位于机箱90底部的淡水收集箱60、设置于机箱90侧面的设备箱70。透明罩10和机箱90之间形成蒸发箱11。海水箱20设置于机箱90的中上部，机箱90的上壳体同时作为海水箱20的上壳体。海水箱20底部的下方一定距离设置隔热层61，海水箱20底部与隔热层61之间形成冷凝层12，隔热层61与机箱90底部之间形成淡水收集箱60。
[0033] 本发明的海水淡化装置还包括若干循环蒸发组件30，循环蒸发组件30包括上转轮31、下转轮32和环绕在上转轮31与下转轮32上的石墨烯涂布无纺布34。海水箱20下部盛装海水，下转轮32部分或全部浸没于海水中。海水箱20的上壳体在对应上转轮31的安装位置开设有蒸发窗口，蒸发窗口的宽度等于上转轮31的直径，上转轮31的上半部分从蒸发窗口伸出后位于装置的蒸发箱11内。蒸发介质接受太阳
能量，使介质中的水分蒸发并收集，从而达到海水淡化的目的。石墨烯涂布无纺布34作为蒸发介质的载体，环绕在两个转轮上按设计要求以较慢的速度匀速或步进转动。这样，位于蒸发窗口的蒸发载体是从下层海水中上升而来，其中所吸附的海水含盐量是和下层海水箱20中的海水一致的，蒸发窗口的介质经过一段时间的蒸发后，所吸附的海水含盐量因水分的蒸发而上升，当其含盐量上升至接近结晶浓度时，上转轮31和下转轮32运转，新的含盐量较低的含新鲜海水的蒸发介质载体运转到蒸发窗口，开始新一轮的蒸发过程，而含盐量较高的原蒸发窗口介质载体区域则随着机构的运转向下，直到进入下方海水中，在下方海水的稀释下介质载体中的海水含盐量恢复到和下方海水一致的水平。上述过程循环往复，海水淡化得以实现。进一步优化，循环蒸发组件30可根据需要以阵列的方式排布设计。
[0034] 进一步优化，本实施例中，淡化装置还包括设置于设备箱70内的海水泵75，海水泵75的进水端751与外部海水连通、出水端752与海水箱20连通，海水泵75连续或间歇工作以增加海水箱20内海水与外部海水的流动，保证海水箱20下部海水的含盐量与外部海水一致。海水泵75的出水端752口处安装有海水过滤器753，用于过滤外部海水中的杂物，海水过滤器753上安装有开机水位传感器(图未示)，当水位传感器
感知到预设水位时，淡水装置启动工作，反之停机。
[0035] 进一步优化，本实施例中，循环蒸发组件30的下转轮32安装于下转轴321上，上转轮31安装于上转轴311上，上转轴311与下转轴321上下平行安装，且上转轴311安装于海水箱20的上壳体处，下转轴321安装于海水箱20内。淡化装置还包括设置于设备箱70内的步进电机73，步进电机73的输出端与下转轴321连接，使下转轮32作为循环蒸发组件30的主动轮，上转轮31作为循环蒸发组件30的从动轮。
[0036] 进一步优化，本实施例中，使用增厚的针刺无纺布34替无纺纸，改变后的无纺布34具有更大的展开蒸发表面积，理论上该项措施可以使蒸发效率可提高10％以上。为了进一步提高蒸发效率，将蒸发介质载体表面处理的涂布材料由碳黑改为石墨烯，从而对太阳幅射有更宽的吸收频谱和更高的吸收效率。理论上，该项措施可使蒸发效率提高5％以上。
[0037] 进一步优化，本实施例中，海水箱20的上壳体内侧面铺设有泡沫隔热材料21，相邻循环蒸发组件30之间的上壳体内侧面也铺设有泡沫隔热材料21，泡沫隔热材料21用以提高蒸发箱11
温度，循环蒸发组件30能够降低冷凝层12温度，从而提高蒸发箱11和冷凝层12的温差，从而提高蒸发效率。
[0038] 进一步优化，本实施例中，海水淡化装置还包括溢水管80，海水箱20内标记有海水水位线22，溢水管80的上端与海水水位线22平齐、下端与外部海水连通。当海水箱20内的海水超过海水水位线22时，海水通过溢水管80溢出，避免水位过高淹没上转轮31，影响蒸发效率。
[0039] 进一步优化，本实施例中，为了进一步提高蒸发效率，本发明还设计了强制冷凝循环，包括冷凝装置和贯流风扇50。冷凝装置采用半导体制冷器件43，半导体制冷器件43的热端设置于海水箱20底部内侧、冷端设置于海水箱20底部外侧。贯流风扇50设置于机箱90内、位于海水箱20外部，蒸发箱11下部一侧设置通风口出口13、另一侧设置通风口进口14。上层蒸发箱11中的含水空气在贯流风扇50的带动下，循环至下面的冷凝层12，并在冷凝层12集中通过半导体制冷器件43的冷端散热片42表面，空气中的水蒸气遇冷凝结成水滴并汇集成水经隔热层61上的排水孔流入淡水收集箱60中。
[0040] 进一步优化，本实施例中，在半导体制冷器件43的热端设置有浸入海水中的热端散热片41，通过海水箱20中流动的循环海水有效的散热，提高了半导体制冷器件43的制冷效率。
[0041] 本发明设计的强制冷凝循环方式，改变了水蒸气的收集方式，使透明罩10的形态扁平化，便于生产、运输、携带，并在海上风浪等恶劣使用环境中有更强的物理性能。强制的冷凝循环方式，使上层蒸发箱11体中的空气湿度下降，这带来三个结果：(1)透明罩10将不会有水气凝结，这提高了阳光到达蒸发介质表面的强度，从而提高了总体蒸发效率；(2)由于蒸发箱11体内空气湿度的降低，远低于空气的水气饱和极限，这也提高了系统的总体蒸发效率；(3)在强制冷凝循环中，蒸发箱11的温度有所下降，这使得蒸发效率也随之下降。但综合考量，强制冷凝循环的蒸发效率还是大大提高的。强制冷凝循环使用贯流风机，贯流风机的长形风轮结构，使整个蒸发箱11内空气均匀流通循环，保证了各蒸发窗口的外部工作条件的一致性。
[0042] 进一步优化，在淡水收集箱60的总出水口内侧设置淡水过滤单元62，用于吸附净化水中的可挥发异味物质，提高了净化水的饮用
质量。具体的，结合图2和图5，淡水过滤单元62采用环型活性炭过滤包，环型活性炭过滤包包括设有进水孔622的外壁621和设有出水孔624的内壁623，外壁621与内壁623之间填充环柱形碳化包625，内壁623的内侧为中空的柱型腔体626，柱型腔体626形成出水管，出水管的一端封闭，出水管的另一端与总出水口连通。淡水从进水孔622进入环柱形碳化包625进行过滤后经出水孔624流至柱型腔体626，最终从总出水口排出。总出水口配置有塞子627。
[0043] 进一步优化，本实施例中，本装置设计了功率匹配的太阳能电池板71和蓄能电池组72，太阳能电池板71安装于设备箱70的顶部，蓄能电池组72安装于设备箱70内部，太阳能电池板71将太阳能转化成电能储存于蓄能电池组72中，用于给设备箱70内的各个设备供电，从而实现了装置在不提供太阳光线以外的能源的前提下自主运行，大大提高了装置的实用性能各使用范围。
[0044] 进一步优化，本实施例中，太阳能电池板71上设有水平仪76，用于保证安装时整个装置水平，从而保证与太阳光的最大
接触面积。
[0045] 进一步优化，本实施例中，设备箱70内还设有电路控制元件74，分别实现：(1)太阳能电池板71及蓄能电池组72充放电控制；(2)可调节的步进电机73伺服控制；(3)基于蒸发箱11空气湿度的强制冷凝循环贯流风机启停控制；(4)基于海水
盐度和海水温度的海水泵75启停控制；(5)装置的故障自检控制和通讯报告。
[0046] 本装置不做任何改动，亦可用于饮用水的净化，本发明装置可做成多种尺寸规格，考虑到不同的使用方式，推荐尺寸规格如下：
[0047] 1、饮用水净化
[0048] 如图6所示，600*600*200(长*宽*高)单体
[0049] 如图7所示，1200*1200*400(长*宽*高)单体
[0050] 2、海水淡化
[0051] 如图6所示，600*600*200(长*宽*高)单体
[0052] 如图7所示，1200*1200*400(长*宽*高)单体
[0053] 3、海水淡化(阵列组合模块)，如图8所示，
[0054] (1200*1200*400)*4，组成一个模块
[0055] 尺寸为2500*2500*1000(长*宽*高)
[0056] 内含2500*600下部淡水箱，容积为3.5吨(立方)。
[0057] 本
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0058] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和
权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
