CN106915790B

CN106915790B - 一种充液式柔性聚光水下太阳能海水淡化装置

Info

Publication number: CN106915790B
Application number: CN201710165845.XA
Authority: CN
Inventors: 张楠; 郑宏飞; 陶涛; 王秋实
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2017-03-20
Filing date: 2017-03-20
Publication date: 2020-01-21
Anticipated expiration: 2037-03-20
Also published as: CN106915790A

Abstract

本发明公开了一种充液式柔性聚光的水下太阳能海水淡化装置，属于太阳能集热和海水淡化技术领域。主要装置包括：充液式柔性聚光器、烧瓶式真空集热管，液面平衡管、自虹吸冷凝器、淡水收集器、单向阀。利用充液式柔性聚光器，将入射光线进行两次折射后汇聚到烧瓶式真空集热管外管表面上并经过第三次折射被内管外表面选择性吸收涂层吸收。新鲜海水受热蒸发，水蒸气在自虹吸冷凝器冷凝段外表面遇冷凝结，沿冷凝管外表面流入淡水收集装置。收集的淡水可由单向阀取出。

Description

一种充液式柔性聚光水下太阳能海水淡化装置

所属技术领域

本发明属于太阳能聚光与海水淡化利用技术领域。具体地说是一种充液式柔性聚光器与海水淡化结合组成的新型结构。

背景技术

地球上绝大部分的水几乎都存储在海洋中。地球上的水受到太阳光的照射后，就变成水蒸气被蒸发到空气中去了，水蒸气在高空遇到冷空气便冷凝成小水滴，小水滴形成云，最终落到陆地上形成淡水被人类使用。太阳能淡化是大自然产生淡水的一种基本方式。利用太阳能淡化能够较好地兼顾能源与水源需求，节约能源、保护环境，形成巨大的经济和环境效益，有助于解决我国农村苦咸水地区、孤岛等地区饮用水问题，有助于推动我国淡化技术的发展。现阶段我国太阳能海水淡化系统的聚光器主要以硬质太阳能集热器为主，大多安装在陆地上，这样便产生了占地面积较大，不利于缓解陆地压力。风沙对聚光效果也有着一定的影响，不利于拆装，需要额外装置抽取海水等问题。

为了解决这些矛盾并充分利用海洋面积，设计了一种充液式柔性聚光水下海水淡化装置。依据水下几何光学原理实现水下的太阳能海水淡化。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于充液式聚光器与烧瓶式真空集热管相结合的海水淡化系统，利用太阳能直接产生淡水。该系统能将水下太阳能顺向折射聚光，整个装置完全自动产生淡水，因而具有集热效率高产水量大的特点。

本发明是一种基于充液式聚光器的水下太阳能海水淡化系统，主要装置包括：充液式柔性聚光器、烧瓶式真空集热管，液面平衡管、自虹吸冷凝器、淡水收集器、单向阀、隔水透气膜和淡水导流管。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

充液式柔性聚光器在充液后变形为类似碟式菲涅尔透镜的形状。内部充满折射率比海水大的液体。光线经聚光器上下表面发生两次折射后，被置于充液式柔性聚光器下端的烧瓶式真空集热管接收，在集热管表面形成光板，加热集热管内部的海水使海水蒸发。蒸汽上行经过隔水透气膜充满整个烧瓶式真空集热管的上部空间，并在自虹吸冷凝器螺旋状冷凝管外壁处。冷凝器内海水在左右温差的作用下发生自动循环。液面平衡管下端伸入集热管内部自由液面以下，上端经集热管上部的密封端所开小孔伸出以保持液面平衡。蒸发的海水在重力作用下落在隔水透气膜上，基于其无法使水通过的特点，淡水流入淡水导流管中形成液膜最终流入淡水收集器中被收集起来。

工作原理：

充液式柔性聚光器可充入不同压力的液体，从而适应不同深度的压力，使其保持稳定形状及焦距。太阳光经过充液式柔性聚光器上表面时，从折射率相对较小的海水射入折射率相对较大的所充液体从而发生折射角小于入射角的折射。继而经过下表面从折射率相对较大的所充液体射入折射率相对较小的物质发生折射角大于入射角的折射，从而实现顺向折射聚光。所聚光打到真空集热管球状结构处。之所以设计为烧瓶式是因为海水折射率大于真空，为防止光线入射角大于或等于临界角度从而出现全反射，无法被选择性吸收膜吸收。

腔内自由液面高度由液面平衡管控制，平衡管下端位于集热管球状结构下方一些，自由液面以下。使液面在压力平衡的作用下恰好位于球状结构开始处上下。光线被高温内管外表面上的选择性吸收膜吸收，内管表面温度不断上升，高温的内管加热腔内海水，在自由液面处产生水蒸气。水蒸气上行通过隔水透气膜并充满整个隔水透气膜上方区域。自虹吸冷凝器内在水下充满海水，在整套系统未运行之前冷凝器内海水保持稳定。上行的水蒸气与充满冷海水的螺旋冷凝管段外表面接触并在表面冷凝成液滴，液滴在重力的作用下下落。部分淡水直接进入淡水导流管，部分落在隔水透气膜上，由膜的特性可知水无法渗透穿过该膜从而沿着膜的坡度流入淡水导流管形成液膜。最终进入淡水收集器从而把淡水收集起来。

自虹吸冷凝器中螺旋冷凝段内海水因冷凝放热而使得温度升高，密度降低，由于浮升力的作用温度较高的海水则沿着螺旋冷凝管上升。从而使海水导出管内海水与到出管出口处海水产生压差同时使海水导入管口处海水与管内海水产生压差进而实现自虹吸。海水导出管出口以上部分均被隔热层包裹，以控制其内水温小于冷凝管内水温从而保证正常循环。控制冷凝速度使冷凝速度大于等于蒸发速度以保持腔内压力。

进一步的，将烧瓶式真空集热管内自虹吸冷凝器替换换为外部球状冷凝器，同时改变淡水收集器位置。

进一步的，将槽式菲涅尔透镜式充液式柔性聚光器替换为凸透镜式充液式柔性聚光器。

进一步的，将充液式聚柔性光器设计为充液后上表面呈近似阶梯状的透镜形状。

有益效果：

(1)本发明有利于缓解陆地压力，充分利用了海洋面积，消除了风沙对聚光效果的影响。同时为如何利用海下太阳能提出了新的思路。

(2)本发明可以将低能流密度的太阳光束汇聚成高能流密度的焦斑，并使该焦点在聚光装置的下方，实现了折射式顺向聚焦，这样热接收器就可以安装在聚光器下方有利于接收器对该太阳光的接收和转化，从而实现高温聚能，也使此类接收装置的设计、安装、调试和维修维护带来方便。

(3)本发明结构简单紧凑，能规模使用。整个装置所有部件包括充液式柔性聚光器、烧瓶式真空集热管、冷凝管等有规则的布置在一个区域内，使整个系统结构非常紧凑，容易加工和标准化生产，制造成本低。可以将本装置通过排列组合，形成大规模海水淡化系统，从而实现海下太阳能海水淡化系统大规模、低成本普及应用。

(4)本发明打破了以往硬质聚光器的惯性思维，提出了一种新型的充液式柔性聚光器的概念，为今后聚光器的设计提供了一种新的思路和方向。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明光路运行原理图；

图3为本发明运行原理图；

图4为本发明冷凝装置为球状冷凝器的实施例；

图5为本发明充液式柔性聚光器设计为凸透镜形状的实施例；

图6为本发明充液式柔性聚光器形状为充液后上表面呈近似阶梯状的透镜形状。

其中1—充液式柔性聚光器；2—透明薄膜；3—透明板；4—自虹吸冷凝器；5—烧瓶式真空集热管；6—高温内管；7—隔热层；8—隔水透气膜；9—牵拉绳索；10—淡水收集器；11—单向阀；12—固定环；13—开孔支架；14—淡水导流管；15—选择性吸收膜；16—开口；17—所充液体；18—透明支架19—液面平衡管；20—入射光线；21—正常光线；22—聚光器焦点；23—折射光线；24—循环海水；25—自由液面；26—原海水；27—淡水；28—凝结液膜；29—凝结液滴。

具体实施方式：

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种基于充液式聚光器的水下太阳能海水淡化系统。其装置主要包括：充液式柔性聚光器1、自虹吸冷凝器4、烧瓶式真空集热管5、高温内管6、隔热层7、隔水透气膜8、淡水收集器10、单向阀11、和淡水导流管14、选择性吸收膜15和液面平衡管19。

其中充液式柔性聚光器1置于整套装置最上方，其上连有与淡水收集器10上固定环12相连的牵拉绳索9，以此来固定其位置。烧瓶式真空集热管5下端开口与焦平面处于同一水平面并由与淡水收集器10相连的开孔支架13固定。自虹吸冷凝器4倒置于烧瓶式真空集热管5内部，下端海水入水段经淡水导流管14并由其下半部开口引出，另一侧附有隔热层7由烧瓶式真空集热管5下方引出，并保持进水口出水口齐平。冷凝液滴滴落至凹型隔水透气膜8上流入淡水导流管14，最终进入下方淡水收集器10。液面平衡管19由自由液面25经烧瓶式真空集热管5内部最后通过其上部密封端开孔伸出。

如附图1、3所示，装置的运行原理和分布解释如下：

平行的入射光线20沿竖直方向入射，大部分光线将经过充液式柔性聚光器1以及聚光器内所充液体17发生两次折射，光线都会入射到烧瓶式真空集热管5上，其中大部分会射到烧瓶式真空集热管5的球状区域。光线在经过烧瓶式真空集热管外管表面经历第三次折射，入射到高温内6外壁面上，被壁面上选择性吸收膜15吸收。因此高温内管6温度逐渐升高，加热内腔内部原海水26，使原海水26温度逐渐升高，自由液面25开始出现蒸汽并不断增多。高温蒸汽上行通过隔水透气膜8，在自虹吸冷凝器4螺旋冷凝管表面冷凝形成凝结液滴29，并在重力的作用通过淡水导流管14形成冷凝液膜28继而流入淡水收集器10，汇集淡水27。最后可由单向阀11引出。

图2是本发明的光路原理图。利用光学原理对其进行进一步分析。入射光线20首先抵达充液式柔性聚光器1上表面，因所充液体17折射率大于海水，所以发生折射角小于入射角的折射，随后光线抵达聚光器下表面，同样因所充液体17折射率大于海水，所以要发生折射角大于入射角的折射。经过两次折射的入射光线均被烧瓶式真空集热管5外表面接收，大部分在其球状区域形成有效光斑。因球状区域表面呈弧状，相较于常规真空集热管减少了入射角从而有效避免光线的全反射。使更多光线能被高温内管6外壁上的选择性吸收膜15所吸收。入射光线经历第三次折射后最终被选择性吸收膜15吸收。

如图4所示一个实施例中，将自虹吸冷凝器4替换为外置球状冷凝器4，受热蒸发的水蒸气在压差的作用下上升进入被隔热层包裹的蒸汽通道使其能顺利进入球状冷凝器。水蒸气在冷凝器内冷凝沿沿着淡水导流管进入淡水收集器。替换安装更为简便。

如图5所示一个实施例中，将充液式柔性聚光器1设计为凸透镜形式聚光器，使整个聚光器均为柔性且无需支架，制作工艺要求更低。

如图6所示一个实施例中，充液式柔性聚光器充液后形变为上表面呈近似阶梯状的透镜形状，以相互铰链可固定的透明薄板对薄膜进行支撑，对倾斜入射的光线有更好的聚光效果。

综上所述，以上仅为本发明较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种充液式柔性聚光水下太阳能海水淡化装置，其特征在于包括充液式柔性聚光器1、自虹吸冷凝器4、烧瓶式真空集热管5、隔水透气膜8、淡水收集器10、淡水导流管14和液面平衡管19；

其中所述充液式柔性聚光器1置于整套装置最上方，其上连有与淡水收集器10上固定环12相连的牵拉绳索9，以此来固定其位置；烧瓶式真空集热管5下端开口与焦平面处于同一水平面并由与淡水收集器10相连的开孔支架13固定；自虹吸冷凝器4倒置于烧瓶式真空集热管5内部，下端海水入水段经淡水导流管14并由其下半部开口引出，另一侧附有隔热层7由烧瓶式真空集热管5下方引出，并保持进水口出水口齐平；冷凝液滴滴落至凹型隔水透气膜8上流入淡水导流管14，最终进入下方淡水收集器10；液面平衡管19由自由液面25经烧瓶式真空集热管5内部最后通过其上部密封端开孔伸出。

2.如权利要求1所述一种充液式柔性聚光水下太阳能海水淡化装置，其特征在于，所述充液式柔性聚光器1上表面为透明柔性薄膜2，底面为透明板3，底面竖直侧与水平侧为铰接使其可以折叠；聚光器内部有与下表面内凸铰接处铰接的透明多孔支架18，其上端与透明柔性薄膜2粘合，以此保证其充液后形状为类似碟状菲涅尔透镜的形状；在其内充入折射率比海水大的液体。

3.如权利要求1所述一种充液式柔性聚光水下太阳能海水淡化装置，其特征在于，其中自虹吸冷凝器4为类似U型管状，由海水导入段、螺旋冷凝段及附有隔热层7的海水导出段组成；其中水蒸气在螺旋冷凝段外表面冷凝并沿壁面滑落，其内海水因冷凝放热升温，在浮升力的作用下使得管内海水循环流动，海水导入段与其连接位于一侧，另一侧海水导出管隔水出口以上部分均被隔热层7包裹，以控制其内水温小于冷凝段内水温从而保证管内海水正常循环；自虹吸冷凝器4下部入口及出口处于同一水平线上。