一种可实现淡水-盐-电联产的太阳能海水淡化装置及其制作方法与流程

[0001]
本发明涉及海水淡化技术领域，具体涉及一种可实现淡水-盐-电联产的太阳能海水淡化装置及其制作方法。


背景技术：

[0002]
太阳能是一种新兴的可再生能源，它具有环保无害、能量巨大、无需开采运输等优点。利用太阳能进行海水淡化获取淡水，在解决传统海水淡化技术高能耗、高污染、高成本等问题上具有极大的应用价值，逐渐成为学者们研究的热点。
[0003]
常用的太阳能海水淡化装置在设计和使用过程中往往会出现能量利用率低，成本远远大于收益等情况，得到最大的利用效率需要在能量转换的各个环节进行改善。
[0004]
在太阳能蒸发过程中，热量会有损耗，减少热量损失可大大提高蒸汽生产效率。该过程中的损失主要包括向下方水体热传导的损失、向周围空间热辐射的损失以及与空气对流换热的损失。传统的海水淡化装置多采用体相加热蒸发技术，该方法由于吸收体与水体存在直接接触，导致吸收体吸收的大部分热量以热传导的方式快速散失到水体中，极大降低了蒸汽生产效率。


技术实现要素：

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本发明的目的之一是提供一种可实现淡水-盐-电联产的太阳能海水淡化装置，能够实现高效水蒸发，同时能量利用效率高。
[0006]
本发明的目的之二是提供上述可实现淡水-盐-电联产的太阳能海水淡化装置的制作方法，制作成本低。
[0007]
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种可实现淡水-盐-电联产的太阳能海水淡化装置，包括蒸发部分、冷凝部分和产电部分，所述蒸发部分置于盛水槽中，所述蒸发部分对应盛水槽的上方垂直设置有一支撑壳体，所述支撑壳体的截面为直角三角形，所述蒸发部分包括吸光层、输水层和热阻层，所述吸光层为负载光热转换材料的基体材料，所述吸光层设置在热阻层的上表面，所述输水层设置在热阻层的四个侧面，所述冷凝部分包括多个均匀涂覆超疏水膜的热管，所述热管的热端插入支撑壳体的直板面，热管的冷端插入蒸发用水体中，所述产电部分包括多个半导体制冷片和蓄电池，所述半导体制冷片安装在所述支撑壳体的直板面，多个半导体制冷片与蓄电池串联构成储电回路。
[0008]
优选的，所述光热转换材料为碳基光吸收体材料或等离激元金属材料，所述基体材料为纱布或滤纸。
[0009]
更优选的，所述碳基光吸收体材料为碳黑、石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种，所述等离激元金属材料为au、ag、cuo中的一种或多种。
[0010]
优选的，所述输水层为纱布、无纺布或滤纸。
[0011]
优选的，所述热阻层为xps保温板或eps保温板。
[0012]
本发明还提供上述可实现淡水-盐-电联产的太阳能海水淡化装置的制作方法，包括以下步骤：
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(1)制作蒸发部分：
[0014]
首先配制具有良好稳定性的分散剂溶液，向其中加入光热转换材料并超声混合；再将基体材料放入溶液中浸泡，干燥得到吸光层；最后将吸光层粘贴于热阻层上表面，并在热阻层侧面粘贴输水层；
[0015]
(2)制作冷凝部分：
[0016]
分别配制铸膜液1和铸膜液2；将热管放入铸膜液1中浸泡，待成膜后取出，干燥后再放入铸膜液2中浸泡，待成膜后取出并干燥；
[0017]
(3)制作产电部分：
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首先将半导体制冷片连接固定，在连接处涂覆一层热阻材料以减少散热；在制冷片两端接入用电回路；将制冷片与蓄电池连接，构成储电回路；
[0019]
(4)将蒸发部分置于盛水槽中，将热管的一端插入支撑壳体的直板面，并将热管冷端置于蒸发用水体中，将半导体制冷片和蓄电池固定在支撑壳体的直板面，完成组装。
[0020]
优选的，步骤(1)中，所述分散剂溶液的配制过程是：将氟塑料和/或n-乙烯基酰胺类聚合物溶于有机溶剂所得。
[0021]
优选的，步骤(2)中，所述铸膜液1为高分子有机硅化合物溶于有机溶剂所得，所述铸膜液2为碳材料经改性后与正硅酸乙酯混合成的溶液，所述热管为常温吸液芯式热管。
[0022]
优选的，步骤(3)中，所述热阻材料为导热硅胶。
[0023]
本发明在利用界面加热技术进行海水淡化的基础上，同时引入高效换热技术和热电转换技术，以蒸发部分的吸光层为核心部件，依次衔接输水层、热阻层、热管、半导体制冷片等部件，构建出由蒸发、冷凝和产电三部分组成的可实现淡水-盐-电联产的高效太阳能海水淡化装置，将界面加热、强化换热和热电转换技术进行了有效耦合。
[0024]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
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(1)本发明充分利用界面加热过程中的余热，实现能量多级利用，提高了能量的利用效率和装置的蒸发效率。能量损失减少，有助于节省燃料和减轻温室效应，节约资源、保护环境；
[0026]
(2)本发明在海水淡化的同时兼顾产电，除获取淡水资源外，对中间产物进行利用并产出盐和电能，丰富了产品的多样性；产出的电能通过蓄电池储存，可接入不同的电器进行供电；
[0027]
(3)本发明成本造价低廉，经济收益十分可观，且装置设计制作绿色环保，对环境零污染，还可以用于污水处理。另外，在装置达到预期寿命后，材料能够被回收利用；
[0028]
(4)本发明用途多样，适用于家庭日常用水需求，在淡水资源缺乏地区，可成为日常生活用水的主要来源；还可用于野外单兵作战临时获取饮用水的装置，同时所产出的电能可对电子通讯设备进行供电。
附图说明
[0029]
图1为本发明的一种可实现淡水-盐-电联产太阳能海水淡化装置的系统示意图；
[0030]
图中，1-蒸发部分，2-热管，3-半导体制冷片，4-蓄电池，5-盛水槽，6-支撑壳体。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0032]
以下实施例中所使用的材料和试剂，如无特殊说明，均为市售商品。
[0033]
如图1所示，本发明提供一种可实现淡水-盐-电联产的太阳能海水淡化装置，包括蒸发部分1、冷凝部分和产电部分，所述蒸发部分1置于盛水槽5中，所述蒸发部分1对应盛水槽5的上方垂直设置有一支撑壳体6，所述支撑壳体6的截面为直角三角形，所述蒸发部分1包括吸光层、输水层和热阻层，所述吸光层为负载光热转换材料的基体材料，所述吸光层设置在热阻层的上表面，所述输水层设置在热阻层的四个侧面，所述冷凝部分包括多个均匀涂覆超疏水膜的热管2，所述热管2的热端插入支撑壳体6的直板面，热管2的冷端插入蒸发用水体中，所述产电部分包括多个半导体制冷片3和蓄电池4，所述半导体制冷片3安装在所述支撑壳体6的直板面，多个半导体制冷片3与蓄电池4串联构成储电回路。
[0034]
本实施例中，基体材料为纱布，光热转换材料为碳黑，输水层为无纺布，热阻层为xps保温板，氟塑料为聚偏二氟乙烯(pvdf)，n-乙烯基酰胺类聚合物为聚乙烯吡咯烷酮(pvp)，有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)，高分子有机硅化合物为聚二甲基硅氧烷(pdms)，碳材料为碳纳米管(cnt)粉末，热管为常温吸液芯式热管。
[0035]
其中所述热管2可以直接购买，也可以自制。本实施例通过机械加工、清洗、焊接、检漏、抽真空、充装、密封等工序进行热管制作。
[0036]
所述太阳能海水淡化装置的制作过程如下：
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步骤1：分别称取3.0g pvdf和0.9g pvp，真空干燥后加入到90ml dmf中混合，在60℃水浴中磁力搅拌30min，得到淡黄色的分散剂溶液a；
[0038]
步骤2：称取0.135g碳黑颗粒，加入到溶液a中，在水浴条件下超声10min，得到浓度为1.5g/l的黑色溶液b；
[0039]
步骤3：切取大小为30cm
×
30cm的空白纱布浸入黑色溶液b，直接物理吸附10s，之后用镊子将纱布平铺在玻璃片表面，在60℃下真空干燥30min，清洗和自然干燥后得到布基碳黑薄膜；
[0040]
步骤4：切取大小为5cm
×
5cm
×
2cm的xps保温板36块，紧密固定于布基碳黑薄膜的下表面；
[0041]
步骤5：裁取一定长度的无纺布胶粘固定于各xps保温块侧面，令其从装置四周延伸至水体；
[0042]
步骤6：所有热管部件，包括管壳、端盖、阀门等，在彻底清洗干燥后采用钎焊的方式焊接，然后用气泡法对管体所有焊缝以及连接点进行检漏，充装丙酮密封液，最后检验热管工作性能；
[0043]
步骤7：称取1.5g pdms混合溶液(溶液与固化剂质量比10:1)，混合均匀后加入30ml正己烷，搅拌均匀，得到铸膜液1；
[0044]
步骤8：称取30mg cnt粉末、100ml无水乙醇、6ml氨水、12ml去离子水。将cnt粉末与无水乙醇混合后搅拌均匀，在30℃下水浴超声30min。将氨水与去离子水混合后倒入cnt溶液，在800rpm转速下磁力搅拌1h，最后用移液器分批加入1ml teos溶液，继续搅拌至混合充分，得到铸膜液2；
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步骤9：将配置好的热管放入铸膜液1中浸泡，待成膜后取出并干燥。再将热管放入
铸膜液2中浸泡，待成膜后取出并干燥。将热管的热端固定在装置内，冷端置于用于蒸发的水体中；
[0046]
步骤10：将6-8枚边长为40mm的半导体制冷片串联，固定于热管所在壁面上，并在半导体制冷片与热管所在壁面相接触的部分涂覆导热硅胶。将从半导体制冷片引出的正负极导线按照“长进短出”的原则与蓄电池相连。
[0047]
工作原理：将装置漂浮于模拟海水/海水表面，水充满下方盛水槽5充当蒸发水体。蒸发过程中，吸光层受到太阳光照射，其表面的光热转换材料吸收太阳光并转换成热量，传递给基体材料中的水分，这一表层的水受热发生相变，蒸发产生水蒸气，并使得海水中的盐分在基体材料表面析出，同时，热阻层四周的输水层通过毛细作用将水输送到吸光层进行补水，这样，蒸发部分1便源源不断地产生水蒸气。在换热部分，水蒸气在装置内不断上升，接触热管2的热端表面遇冷发生凝结，热管2表面涂覆的超疏水膜促进水蒸气发生珠状凝结，提高换热效率；另一方面，热管2通过管内吸液芯的毛细力，将热端吸收的热量转移至浸入到蒸发水体中的冷端，强化换热的同时预热水体，提高了水的蒸发速率。在产电部分，随着蒸发的不断进行，装置的内外壁面逐渐出现较大的温差，安装在装置壁面上的半导体制冷片3通过帕尔贴效应进行热电转换，在其两端产生电压，产出电能，最后被蓄电池4储存。
[0048]
本发明采用界面加热技术，利用负载在基体材料表面的光热转换材料将太阳能转化成热能，实现海水蒸发，同时析出盐；所述冷凝部分采用强化换热技术，使产生的蒸汽发生凝结，获得淡水；所述产电部分采用热电转换技术，将装置内外的低品位温差能转化为电能并进行储存。该太阳能海水淡化装置在仅依靠太阳能为唯一的能量来源的同时，可实现淡水、盐、电的三联产。
[0049]
以上所述仅为本发明的实施方式，本发明的保护范围不限于上述的实施案例，凡依本发明申请专利范围所做变化和修饰，皆应属本发明的涵盖范围，本申请所要求的保护范围如本申请权利要求书所示。