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【发明授权】半浸没式太阳能海水淡化系统_北京理工大学_201710165861.9 

申请/专利权人:北京理工大学

申请日:2017-03-20

公开(公告)日:2020-07-24

公开(公告)号:CN106927531B

主分类号:C02F1/14(20060101)

分类号:C02F1/14(20060101);B01D5/00(20060101);C02F103/08(20060101)

优先权:

专利状态码:失效-未缴年费专利权终止

法律状态:2023.03.07#未缴年费专利权终止;2017.08.01#实质审查的生效;2017.07.07#公开

摘要:本发明公开了一种半浸没式太阳能海水淡化系统,属于太阳能集热和海水淡化领域。本发明由菲涅尔镜、曲面透光膜、透光薄板、真空管、冷凝管、集水瓶等构成。本淡化系统工作时,太阳光被菲涅尔镜汇聚到海面上,并经两次折射后被真空管内侧壁面的黑色吸收涂层吸收,产生的热量用来加热真空管内的海水并使之蒸发,产生的蒸气在冷凝管表面冷凝得到淡水。另外,冷凝放出的热量用来加热冷凝管内部的海水并使之蒸发,产生的蒸气从冷凝管出口进入到由透光膜和透光薄板形成的冷凝腔中冷凝,再次得到淡水,用户可通过集水瓶上的单向阀直接收集淡水。本发明半浸没式淡化系统可直接漂浮于海面上,并采用双效蒸发结构,能够高效地实现海水淡化。

主权项:1.一种半浸没式太阳能海水淡化系统,其特征在于,包括球冠式菲涅尔镜2、曲面透光膜3、透光薄板4、异形真空管5、外壁固定有集水槽8的冷凝管15、输水管11、底部带有单向阀18的集水瓶13;其中,所述球冠式菲涅尔镜2的上表面为球面,纵截面呈圆弧形;所述曲面透光膜3为光滑的曲面透明薄膜;所述透光薄板4为导热性能良好的圆形透光薄板,圆心位置处有一个直径与冷凝管15直径相等的中心孔14,中心孔14的外边有一个能固定异形真空管5的圆环孔16,远离圆心的一侧有一个尺寸与集水瓶13口径相同的出水孔17;所述异形真空管5由内外两层管构成,管层之间抽真空,中心部分为通孔,异形真空管5上部的两层管均为圆柱结构,下部是由内侧圆柱、外侧球体围成的异形结构,并且下部的内侧圆柱面上涂有黑色吸收涂层6;另外,异形真空管球体结构的上方还有一个孔径大于输水管11的进水孔10;所述集水槽8为带有出水孔9的圆环状结构,固定于冷凝管15的外表面且高于异形真空管5内水面的位置;所述冷凝管15为下部包有保温层7的圆柱管;所述集水瓶13为颈部带有进水孔12的长颈圆底烧瓶;所述透光薄板4漂浮在海面上,球冠式菲涅尔镜2与曲面透光膜3固定在透光薄板4表面,并且曲面透光膜3处在球冠式菲涅尔镜2和透光薄板4之间的中部位置,透光薄板4的中心孔14、圆环孔16与出水孔17分别固定冷凝管15、异形真空管5和集水瓶13;其中,冷凝管15和异形真空管5的管口位置均高于透光薄板4,集水瓶13的瓶口则与透光薄板4平齐;输水管11通过异形真空管5的出水孔10连接集水槽8的出水孔9和集水瓶13的进水孔12,集水瓶13底部连接单向阀18。

全文数据:半浸没式太阳能海水淡化系统技术领域[0001]发明涉及一种半浸没式太阳能海水淡化系统,属于太阳能集热、海水淡化技术领域。背景技术[0002]淡水作为人类生活中不可缺少的重要资源,特别是在沿海地区,越来越受到人们的重视。海水淡化技术是我们获取淡水资源的重要手段,而太阳能海水淡化技术则是一种新兴的海水淡化技术。目前太阳能海水淡化技术主要分为两大类,一类是采用反渗透技术的膜法淡化系统,另一类是利用蒸馏技术的热法淡化系统。其中,目前的反渗透技术主要是利用光热f光伏发电来为系统中的泵提供动力,但是反渗透法需要更严格的海水预处理,所以更易受环境的影响,而且膜的寿命不长,维持费用高,同时大量废热废水也对环境造成了一定的影响;另一类利用蒸馏技术的热法淡化系统一般用集热器来提高集热效率以增加产水量。因此,利用太阳能海水淡化技术生产淡水是一种环保又节能的途径,但是现有的太阳能海水淡化装置存在下面4个明显的缺陷;[0003]⑴如利用太阳能电池或集热器,制造成本高,不利于推广。[0004]⑵装置中的海水存量大,热惰性高,降低了系统效率且不利于装置升级。[0005]3装置中的原水从海上提取,耗费了一定的能量。[0006]⑷装置吸收太阳能需要较大的接收面积,土地使用成本太高;因此,克服上述4个缺陷,并且强化蒸发和冷凝过程,是提高太阳能海水淡化装置性能的主要方向。发明内容[0007]有鉴于此,本发明提供了一种半浸没式太阳能海水淡化系统,该装置直接漂浮于海面上,利用太阳光且采用双效蒸发技术生产淡水。[0008]—种半浸没式太阳能海水淡化系统,包括球冠式菲涅尔镜、曲面透光膜、透光薄板、异形真空管、冷凝管、集水槽、输水管、集水瓶、单向阀;其中,球冠式菲涅尔镜的上表面为球面,纵截面呈圆弧形;曲面透光膜为光滑的曲面透明薄膜;透光薄板为圆形薄板,圆心位置处有一个直径与冷凝管直径相等的中心孔,中心孔的外边有一个正好能固定异形真空管的圆环孔,远离圆心的一侧有一个尺寸与集水瓶口径相同的出水孔;异形真空管由内外两层官构成,官层之间抽真空,中心郃分为通孔。异形真空管上部的两层管均为圆柱结构,下部是由内侧圆柱、外侧球体围成的异形结构,并且下部的内侧圆柱面上涂有黑色吸收涂层。另外,异形真空管球体结构的上方还有一个孔径略大于输水管的进水孔;集水槽为带有出水孔的圆环状结构,固定于冷凝管表面且略高于异形真空管内水面的位置;冷凝管为下部包有保温层的圆柱管;集水瓶为颈部带有进水孔的长颈圆底烧瓶。[0009]透光薄板漂浮在海面上,球冠式菲涅尔镜与曲面透光膜固定在透光薄板表面,并且曲面透光膜处在球冠式菲涅尔镜和透光薄板之间的中部位置。透光薄板的中心孔、圆环孔与出水孔分别固定冷凝管、异形真空管和集水瓶,其中,冷凝管和真空管的管口位置均略高于透光薄板,集水瓶的瓶口则与透光薄板平齐。输水管通过异形真空管的出水口连接集水槽的出水口和集水瓶的进水口。[0010]工作原理:本系统工作时,球冠式菲涅尔镜将太阳光汇聚到海面上,在空气-海水界面发生折射,并以一个很小的入射角照射到异形真空管球形外表面上,由于此时的入射角小于光线从海水进入异形真空管表面的全反射角,光线会继续折射到异形真空管内部,被异形真空管内壁面的黑色吸收涂层吸收。吸收的能量用来加热异形真空管内部的海水并使之蒸发,产生的蒸气在冷凝管外壁冷凝得到淡水并滑落到集水槽内,最后经由输水管收集到集水瓶中。另外,蒸气在冷凝管外壁冷凝时放出的潜热用来加热冷凝管内部的海水并使之蒸发,产生的蒸气进入到曲面透光膜和透光薄板所围成的冷凝腔中,并在曲面透光膜下表面和透光薄板上表面冷凝再次得到淡水,最终汇集到集水瓶中。[0011]装置说明:曲面透光膜做成曲顶结构是为了让在其表面冷凝的淡水从两端滑落并收集到集水瓶中,以防止淡水滴落回冷凝管内的海水中;冷凝管和异形真空管的上端均高于透光薄板是为了防止冷凝管中的海水污染透光薄板表面的淡水,且为了防止异形真空管内的水蒸气与其正上方透光薄板上的冷凝水进行热交换,这种情况下,在透光薄板下表面上且处于异形真空管内的地方会有水蒸气凝结,产生的淡水有一部分会滴落回真空管内的海水中,降低产水率;异形真空管下方做成球形结构是为了让光线进入其表面时的入射角小于全反射角,使光线能够进入其中,并被内侧壁面的黑色吸收涂层吸收;异形真空管球形结构上方的进水孔是为了使海水进入到异形真空管中且水面略高于进水孔的位置;用户可通过集水瓶底部的单向阀取出淡水。[0012]进一步的,为简化装置,节省成本,取消冷凝管、集水槽和输水管,装置只采用单效蒸发结构。[0013]光线经球冠式菲涅尔镜汇聚以及在海面和异形真空管外表面发生折射后被异形真空管内侧壁面的黑色吸收涂层吸收,吸收太阳光所得到的能量用以加热异形真空管内的海水并使之蒸发,产生的蒸气进入冷凝腔并在曲面透光膜下表面和透光薄板上表面冷凝,冷凝产生淡水并汇集到集水瓶中。[0014]进一步的,为实现大规模产水,改用圆柱面菲涅尔镜代替球冠式菲涅尔镜,并将聚光集热系统与蒸发系统分开布置。[0015]整个淡化系统包括圆柱面菲涅尔镜、圆柱真空管、左右保温管、隔热厚板、冷凝管、集水槽、输水管、集水瓶、球面透光膜、漂浮材料、单向阀。其中,圆柱面菲涅尔镜是截面呈圆弧形的长条状菲涅尔镜;圆柱真空管由内外两层圆管构成,管层之间抽真空,内管的上半部分弧面上涂有黑色吸收涂层;左侧保温管的左端向下弯折并与海水相通,右端与圆柱真空管相连;右侧保温管的左端与圆柱真空管相连,右端向上弯折并形成竖直圆筒结构,其中部位置开有两个进水孔,其顶部还固定有一半径与之相等的圆形隔热厚板,隔热厚板的圆心处开有一中心孔,中心孔附近还开有一小孔径的出水孔;出水孔处固定有一单向阀,并只在水从上向下经过它时打开,不允许气体从下向上流过;另外,在隔热厚板的上表面固定有一球面透光膜,它是截面形状为优弧、开口向下的部分球体结构,且其开口正好将隔热厚板表面上的中心孔和出水孔完全包含;在隔热厚板的中心孔内固定有一冷凝管,冷凝管上端略高于海平面、下端向右弯折并与右侧保温管中部偏下的出水孔固定连接。在冷凝管的外部,且低于右侧保温管中水面的部分均套有保温层;在冷凝管外侧固定有一带出水孔的集水槽,其位置略高于右侧保温管内部水面的位置。[0016]圆柱面菲涅尔镜通过固定在漂浮材料中而漂浮在海面上,圆柱真空管处于圆柱面菲涅尔镜正下方的水中,左右两端分别与保温管固定连接。右侧保温管的上端固定有隔热厚板,并靠固定在隔热厚板上表面的球面透光膜漂浮在海面上。其中,球面透光膜完全包含隔热厚板上的中心孔和出水孔。另外,插入右侧保温管内部的冷凝管通过隔热厚板上的中心孔以及右侧保温管下部位置的出水孔固定,并且其上端略高于海平面。在冷凝管的外侧固定有一位置略高于右侧保温管内水平面的集水槽,集水槽上有一出水孔,一根经过右侧保温管上部出水口的输水管连接集水槽上的出水孔和集水瓶。[0017]有益效果[0018]1、本发明半浸没式淡化装置无需其他固定可直接放置在海面上,产水方便,集水简单。[0019]2、本发明实现了能量的双效利用,充分使用了水蒸气冷凝时的潜热,使得装置产水率提高。[0020]3、由于在相同的聚光面积下,圆柱面菲涅尔镜有着比球冠式菲涅尔镜更小的体积,所以采用圆柱面菲涅尔镜聚光能够使得在不大幅度增加装置体积的情况下实现大面积规模化产水。附图说明[0021]图1为本发明半浸没式太阳能海水淡化系统示意图。[0022]图2为本发明简化装置的实施例示意图。[0023]图3为本发明将球冠式菲涅尔镜改成圆柱面菲涅尔镜、并将聚光集热系统与蒸发系统分离的一个实施例的示意图。[0024]其中,i-太阳光;2_球冠式菲涅尔镜;3_曲面透光膜;4-透光薄板;5_异形真空管;6-黑色吸收涂层;7-保温层;8-集水槽;9-出水孔;10-进水孔;11-输水管;12-进水孔;13-集水瓶;14-中心孔;15-冷凝管;16-圆环孔;17-出水孔;18-单向阀;19-保温管;20-保温管;21-进水孔;22-单向阀;23-漂浮材料。[0025]另外,在图3中,2为圆柱面菲涅尔镜,3为开口向下的球面透光膜,4为隔热厚板,5为圆柱真空管。具体实施方式[0026]下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。[0027]如附图1所示,本发明提供了一种半浸没式太阳能海水淡化系统,包括:球冠式菲涅尔镜2、曲面透光膜3、透光薄板4、异形真空管5、冷凝管I5、集水槽8、输水管11、集水瓶13;其中,球冠式菲涅尔镜2的上表面为球面,纵截面呈圆弧形;曲面透光膜3为光滑的曲面透明薄膜;透光薄板4为导热性能很好的圆形透光薄板,圆心位置处有一个直径与冷凝管15直径相等的中心孔14,中心孔的外边有一个正好能固定异形真空管5的圆环孔16,远离圆心的一侧有一个尺寸与集水瓶13口径相同的出水孔I7;异形真空管5由内外两层管构成,管层之间抽真空,中心部分为通孔。异形真空管5上部的两层管均为圆柱结构,下部是由内侧圆柱、夕卜侧球体围成的异形结构,并且下部的内侧圆柱面上涂有黑色吸收涂层6。另外,异形真空管球体结构的上方还有一个孔径略大于输水管11的进水孔10;集水槽8为带有出水孔9的圆环状结构,固定于冷凝管I5表面且略高于异形真空管5内水面的位置;冷凝管lf5为下部包有保温层7的圆柱管;集水瓶13为颈部带有进水孔12的长颈圆底烧瓶。[0028]透光薄板4漂浮在海面上,球冠式菲涅尔镜2与曲面透光膜3固定在透光薄板4表面,并且曲面透光膜3处在球冠式菲涅尔镜2和透光薄板4之间的中部位置。透光薄板4的中心孔14、圆环孔16与出水孔17分别固定冷凝管15、异形真空管5和集水瓶13,其中,冷凝管15和异形真空管5的管口位置均略高于透光薄板4,集水瓶13的瓶口则与透光薄板4平齐。输水管11通过异形真空管5的出水孔10连接集水槽8的出水孔9和集水瓶13的进水孔12。[0029]工作原理:本系统工作时,球冠式菲涅尔镜2将太阳光1汇聚到海面上,在空气-海水界面发生折射,并以一个很小的入射角照射到异形真空管5的球形外表面上,由于此时的入射角小于光线从海水进入异形真空管表面的全反射角,光线会继续折射到异形真空管内部,被异形真空管内壁面的黑色吸收涂层6吸收。吸收的能量用来加热异形真空管内部的海水并使之蒸发,产生的蒸气在冷凝管15外壁冷凝得到淡水并滑落到集水槽8内,最后经由输水管11收集到集水瓶13中。另外,蒸气在冷凝管15外壁冷凝时放出的潜热用来加热冷凝管I5内部的海水并使之蒸发,产生的蒸气进入到曲面透光膜3和透光薄板4所围成的冷凝腔中,并在曲面透光膜3下表面和透光薄板4上表面冷凝再次得到淡水,最终汇集到集水瓶13中。[0030]在图2所示的一个实施例中,为简化装置,节省成本,取消冷凝管、集水槽和输水管,异形真空管5直接与透光薄板的中心孔9固定连接,整个装置只采用单效蒸发结构。[0031]光线经球冠式菲涅尔镜2汇聚以及在海面和异形真空管外表面发生折射后被异形真空管5内侧壁面的黑色吸收涂层6吸收,吸收太阳光所得到的能量用以加热异形真空管5内的海水并使之蒸发,产生的蒸气进入冷凝腔并在曲面透光膜3下表面和透光薄板4上表面冷凝,冷凝产生淡水并汇集到集水瓶7中。[0032]在图3所示的一个实施例中,改用圆柱面菲涅尔镜代替球冠式菲涅尔镜,并将聚光集热系统与蒸发系统分开布置。[0033]整个淡化系统包括圆柱面菲涅尔镜2、球面透光膜3、隔热厚板4、圆柱真空管5、集水槽8、输水管11、集水瓶13、冷凝管15、单向阀18、保温管19、保温管20、单向阀22、漂浮材料23。其中,圆柱面菲涅尔镜2是截面呈圆弧形的长条状菲涅尔镜;圆柱真空管5由内外两层圆管构成,管层之间抽真空,内管的上半部分弧面上涂有黑色吸收涂层6;保温管19的左端向下弯折并与海水相通,右端与圆柱真空管5相连;保温管20的左端与圆柱真空管5相连,右端向上弯折并形成竖直圆筒结构,其中部位置开有两个进水孔10和21,其顶部还固定有一半径与之相等的圆形隔热厚板4,隔热厚板4的圆心处开有一中心孔14,中心孔14附近还开有一小孔径的出水孔17;出水孔17下方固定有一单向阀22,并只在水从上向下经过它时打开,不允许气体从下向上流过;另外,在隔热厚板4的上表面固定有一球面透光膜3,它是截面形状为优弧、开口向下的部分球体结构,且其开口正好将隔热厚板4表面上的中心孔14和出水孔17完全包含;在隔热厚板4的中心孔14中固定有一冷凝管15,冷凝管15上端略高于海平面、下端向右弯折并与保温管20中部的进水孔21固定连接。在冷凝管15的外部,且低于保温管20中水面的部分均套有保温层7;在冷凝管15的外侧还固定有一带出水孔9的集水槽8。[0034]圆柱面菲涅尔镜2通过固定在漂浮材料23中而漂浮在海面上,圆柱真空管5处于圆柱面菲涅尔镜2正下方的水中,左右两端分别与保温管19、保温管20固定连接。保温管20的上端固定有隔热厚板4,并靠固定在隔热厚板4上表面的球面透光膜3漂浮在海面上。其中,球面透光膜3完全包含隔热厚板4上的中心孔14和出水孔I7。另外,插入保温管2〇内部的冷凝管15通过隔热厚板4上的中心孔14固定,其下端通过保温管2〇下部位置的进水孔21与海水相通,并且其上端略高于海平面。在冷凝管15外侧固定的集水槽8的位置略高于保温管20内的水平面,一根经过保温管2〇右侧上部进水孔1〇的输水管11连接集水槽8上的出水孔9和集水瓶13。[0035]综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精祌和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求:1.一种半浸没式太阳能海水淡化系统,其特征在于,包括球冠式菲涅尔镜2、曲面透光膜3、透光薄板⑷、异形真空管©、外壁固定有集水槽⑻的冷凝管15、输水管(11、底部带有单向阀(18的集水瓶(13。其中,所述球冠式菲涅尔镜2的上表面为球面,纵截面呈圆弧形;所述曲面透光膜⑶为光滑的曲面透明薄膜;所述透光薄板4为导热性能良好的圆形透光薄板,圆心位置处有一个直径与冷凝管(1¾直径相等的中心孔(14,中心孔14的外边有一个能固定异形真空管5的圆环孔(I6,远离圆心的一侧有一个尺寸与集水瓶(I3口径相同的出水孔(17;所述异形真空管(5由内外两层管构成,管层之间抽真空,中心部分为通孔。真空管⑸上部的两层管均为圆柱结构,下部是由内侧圆柱、外侧球体围成的异形结构,并且下部的内侧圆柱面上涂有黑色吸收涂层6。另外,异形真空管球体结构的上方还有一个孔径略大于输水管(11的进水孔(1〇;所述集水槽8为带有出水孔9的圆环状结构,固定于冷凝管(15的外表面且略高于异形真空管5内水面的位置;所述冷凝管(15为下部包有保温层7的圆柱管;所述集水瓶(13为颈部带有进水孔(12的长颈圆底烧瓶。所述透光薄板4漂浮在海面上,球冠式菲涅尔镜2与曲面透光膜3固定在透光薄板⑷表面,并且曲面透光膜⑶处在球冠式菲涅尔镜⑵和透光薄板⑷之间的中部位置。透光薄板4的中心孔(14、圆环孔(I6与出水孔(17分别固定冷凝管(15、异形真空管⑸和集水瓶(13,其中,冷凝管(I5和真空管⑸的管口位置均略高于透光薄板4,集水瓶13的瓶口则与透光薄板⑷平齐。输水管(11通过真空管⑸的出水孔(1〇连接集水槽⑻的出水孔⑼和集水瓶13的进水孔12,集水瓶13底部连接单向阀(18。2.如权利要求1所述的半浸没式太阳能海水淡化系统,其特征在于,取消了冷凝管15、集水槽⑻和输水管11。3.如权利要求1所述的半浸没式太阳能海水淡化系统,其特征在于,将球冠式菲涅尔镜2改为圆柱面菲涅尔镜2并与曲面透光膜3分开放置在海面上,并用漂浮材料23支撑圆柱面菲涅尔镜2使其漂浮在海面上,将异形真空管5改为圆柱真空管5并放置于圆柱面菲涅尔镜⑵的焦线位置上。圆柱真空管⑸左端连接向下弯折的保温管(19,右端连接带有进水孔21并向上弯折的保温管20。将透光薄板⑷改为隔热厚板⑷,并固定在保温管(20的上端。在隔热厚板4的出水孔(17处增加向上止回单向阀(22,中心孔14处固定带有集水槽8且下端保温的冷凝管(1¾。冷凝管(15的下端通过保温管20的进水孔21与海水相通。将曲面透光膜3改为开口向下的球面透光膜3并固定在隔热厚板⑷上,使其能罩住隔热厚板⑷上的所有孔。

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