一種基于反射和全反射的太陽能海水淡化裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于反射和全反射的太陽能海水淡化裝置，屬太陽能集熱和水處理【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明由上表面透明薄膜，漸變壁厚全反射實(shí)體膜和親水毛細(xì)管構(gòu)成。多個(gè)此裝置可排列組合，形成數(shù)量眾多太陽能海水淡化薄膜，組合起來漂浮在海面使用。本發(fā)明利用毛細(xì)現(xiàn)象使海水上升到毛細(xì)管上端，太陽光經(jīng)過表層透明薄膜入射，遇到內(nèi)表面發(fā)生反射或者全反射，最終將太陽光匯聚到黑色的親水纖維毛細(xì)管上產(chǎn)生熱能，實(shí)現(xiàn)海水蒸發(fā)。上升的水蒸氣通過表層透明薄膜與外界空氣對流換熱，并在透明薄膜內(nèi)側(cè)冷凝生成淡水，淡水通過反射面內(nèi)壁滑落，從支撐圓筒壁面上的出水孔流入殼體下部儲存。這些淡水經(jīng)累計(jì)輸送給用戶，也可以在海上種植小型植物。
【專利說明】一種基于反射和全反射的太陽能海水淡化裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種直接利用太陽能在海面上進(jìn)行海水淡化，提取淡水的裝置，屬太陽能集熱、海水淡化和水處理【技術(shù)領(lǐng)域】。具體地說是一種利用反射和全反射的聚光器的微型結(jié)構(gòu)，利用太陽能直接產(chǎn)生淡水的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]從海水中提取淡水的方法有多種，但在目前技術(shù)上比較成熟的有兩大類，一類是采用反滲透膜技術(shù)的膜法海水淡化系統(tǒng)，另一類為利用熱能驅(qū)動的蒸餾法海水淡化系統(tǒng)。由于滲透膜技術(shù)使用費(fèi)用高，主要是反滲透膜本身的使用壽命不長，具有一次性投資大、需要消耗常規(guī)電能等缺陷。利用熱能驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)是最成熟的，也是目前海水淡化工業(yè)的主流，但此類系統(tǒng)需要消耗大量熱能。由于此類系統(tǒng)一般還處在真空負(fù)壓下工作，因此它還需要強(qiáng)度堅(jiān)固和抗腐蝕性良好的殼體材料，這增加了它的造價(jià)和運(yùn)行成本。利用太陽能進(jìn)行海水淡化既節(jié)能又環(huán)保，因而受到人們推崇。如果在海面上能夠直接進(jìn)行海水淡化，無疑對在海上的 生產(chǎn)和生活提供巨大便利條件。但現(xiàn)有的太陽能海上淡化裝置存在下面4個(gè)明顯的缺陷；
[0003](I)需要利用太陽能光伏發(fā)電或太陽能集熱器，制造成本很高，不利于推廣；
[0004](2)現(xiàn)有裝置中海水的存量大，不利用系統(tǒng)升級，降低了系統(tǒng)效率；
[0005](3)裝置中待蒸發(fā)的原水從海上中提取方式，耗費(fèi)了一定的能量，對整個(gè)裝置的效率影響太大；
[0006](4)現(xiàn)有太陽能海水淡化裝置由于要收集太陽能，需要有較大的接收面積，土地使用成本較高；因此，克服上述4個(gè)缺陷，強(qiáng)化蒸發(fā)與冷凝過程，是提高太陽能海水淡化裝置性能的主要方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于反射和全反射的太陽能海水淡化裝置，能夠完全利用天然能量在海面上直接生產(chǎn)淡水。
[0008]一種基于反射和全反射的太陽能海水淡化裝置，包括殼體、透明全反射膜、透明薄膜、支撐圓筒、親水毛細(xì)管束和毛細(xì)管套筒；所述透明全反射膜的外形為兩端開口大小不一的弧形面回轉(zhuǎn)體，弧形面回轉(zhuǎn)體為實(shí)體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)側(cè)反射面和外側(cè)反射面均為弧形面，透明全反射膜大端至小端的壁厚形成上窄下寬的結(jié)構(gòu)；毛細(xì)管套筒內(nèi)裝有并列設(shè)置的親水毛細(xì)管束；所述親水毛細(xì)管束采用碳纖維親水毛細(xì)管束。
[0009]其整體連接關(guān)系為:透明全反射膜的小端與支撐圓筒的一端固定連接，支撐圓筒的另一端與殼體的底板固定連接，透明全反射膜的大端與殼體的開口端連接，透明薄膜將殼體的開口端和透明全反射膜的大端封閉，透明全反射膜的內(nèi)側(cè)反射面和透明薄膜形成封閉的蒸發(fā)-冷凝腔，毛細(xì)管套筒固定在殼體的底面上且位于支撐圓筒內(nèi)，毛細(xì)管套筒內(nèi)親水毛細(xì)管束對應(yīng)的殼體底面鏤空；支撐圓筒的圓周面上開有一個(gè)或一個(gè)以上的出水孔，殼體的壁面上的淡水輸送孔，用于向外界提供淡水。
[0010]進(jìn)一步的，在蒸發(fā)-冷凝腔內(nèi)充入密度小于水蒸氣的氣體，充入的氣體浮在水蒸氣的上層，可使蒸發(fā)的水蒸氣停留在蒸發(fā)-冷凝腔的底部冷凝，使得冷凝的效率更高。
[0011]進(jìn)一步的，所述支撐圓筒上周向分布的出水孔水平高度低于毛細(xì)管套筒的上端面；這樣是為了支撐圓筒內(nèi)的淡水不會阻礙從透明全反射膜射出的光線，影響毛細(xì)管黑色側(cè)面的光線吸收。當(dāng)殼體內(nèi)儲存淡水達(dá)到一定量時(shí)，可從通過淡水輸送孔給外界使用。
[0012]進(jìn)一步的，所述親水毛細(xì)管束通過毛細(xì)管網(wǎng)固定在毛細(xì)管套筒內(nèi)，毛細(xì)管網(wǎng)的網(wǎng)格間隙與親水毛細(xì)管束直徑相當(dāng)，利用導(dǎo)熱膠將親水毛細(xì)管束固定在毛細(xì)管網(wǎng)上，再將毛細(xì)管網(wǎng)固定在毛細(xì)管套筒的上端面。
[0013]進(jìn)一步的，所述透明薄膜的下表面中央和四周分別涂有疏水涂層和親水涂層，防止在親水毛細(xì)管束正上方冷凝的淡水滴落其中。
[0014]工作原理:裝置整體置于海面上，太陽光透過表層透明薄膜射入蒸發(fā)-冷凝腔，遇到內(nèi)側(cè)反射面反射到親水毛細(xì)管束頂端，另外部分大角度入射的太陽光進(jìn)入全反射膜后，光線在透明全反射膜內(nèi)經(jīng)過多次全反射，射入親水毛細(xì)管束黑色的側(cè)壁上。太陽光通過反射和全反射最終匯聚到親水毛細(xì)管束上端部，并加熱親水毛細(xì)管束上端的海水，形成蒸汽。
[0015]毛細(xì)管套筒內(nèi)的有親水毛細(xì)管束通過虹吸作用將海水引入毛細(xì)管頂端區(qū)域蒸發(fā)；經(jīng)過一段時(shí)間，親水毛細(xì)管束上層濃度大的海水下降，下層濃度低的海水上升，使得海水不斷得到補(bǔ)充；毛細(xì)管內(nèi)部上層和下層海水不停的對流稀釋，使得頂端的海水不會形成結(jié)晶堵塞毛細(xì)管；在夜間 ，這種現(xiàn)象更加明顯。
[0016]毛細(xì)管頂端的海水蒸發(fā)后遇到表層透明薄膜，與外界空氣進(jìn)行對流換熱，在頂部內(nèi)表面冷凝成淡水。在內(nèi)表面中央處有疏水涂層，四周有親水涂層，這樣冷凝的淡水，先在內(nèi)表面中央處形成，逐漸被引入四周，隨后沿內(nèi)側(cè)反射面和支撐圓筒內(nèi)壁直接滑落，進(jìn)入毛細(xì)管套筒和支撐圓筒間的環(huán)形空隙內(nèi)，當(dāng)?shù)_(dá)到出水孔高度時(shí)，從出水孔匯集至殼體底部進(jìn)行儲存。通過殼體壁面上的淡水輸送孔，可以向外界提供淡水。
[0017]為避免水蒸氣在蒸發(fā)-冷凝腔的壁面形成水滴影響聚光效果，由等壁厚不透光的反射膜代替透明全反射膜，采用透明蓋板將蒸發(fā)-冷凝腔封閉，親水毛細(xì)管束和毛細(xì)管套筒位于透明蓋板下方，支撐圓筒位于透明蓋板下方的圓周面上開有透氣孔，由反射膜的內(nèi)側(cè)反射面和支撐圓筒的豎直反射面對太陽光進(jìn)行反射，匯聚在親水毛細(xì)管束上端面，從毛細(xì)管套筒內(nèi)親水毛細(xì)管束中蒸發(fā)出來的水蒸氣從透氣孔直接進(jìn)入殼體與反射膜之間的空腔內(nèi)，在殼體的底板處通過與外界冷海水換熱，最終冷凝出淡水。在殼體及透明全反射膜之間的空腔內(nèi)充入密度小于水蒸氣的氣體，充入的氣體浮在水蒸氣的上層，可使蒸發(fā)的水蒸氣停留在空腔的底部冷凝，使得冷凝的效率更高。
[0018]有益效果:
[0019](I)本發(fā)明的裝置具有反射面，可以將太陽光聚焦利用，加熱黑色親水毛細(xì)管頂端的海水；
[0020](2)透明全反射膜的結(jié)構(gòu)，當(dāng)光線大角度傾斜入射到內(nèi)側(cè)反射面上時(shí)，由于其上附著的上薄下厚透明全反射膜屬于光密介質(zhì)，光線在透明全反射膜中發(fā)生全反射，光線仍然會被匯聚到毛細(xì)管束上部黑色外表面上，所以本發(fā)明的聚光器可以利用部分散射太陽光，具有很高的能源利用率；[0021](3)本發(fā)明在海水淡化過程中，太陽光被反射或者全反射在黑色親水毛細(xì)管的頂端，毛細(xì)管逐漸受熱增溫并把熱量傳給里面的水，水受熱膨脹，由于毛細(xì)管的虹吸作用使水不斷向上流動，從而使頂端海水得到補(bǔ)充。在夜間，毛細(xì)管頂端的濃鹽水又與海水交流，將鹽擴(kuò)散到大海中，避免了鹽的析出，利于裝置的持續(xù)使用，節(jié)省了維護(hù)和保養(yǎng)費(fèi)用；
[0022](4)由于裝置可以組合使用，可以用非金屬制造，降低了裝置造價(jià)，有利于推廣應(yīng)用。
[0023](5)本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、完全采用天然能量，直接從海水中生產(chǎn)淡水。采用反射和全反射聚光原理，聚光效率高，加快了出水時(shí)間，提高了裝置的產(chǎn)水效率，同時(shí)它還可以將本結(jié)構(gòu)通過排列組合，在海上形成大規(guī)模的太陽能海水淡化系統(tǒng)，從而滿足海上生產(chǎn)和生活的淡水需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明的運(yùn)行原理示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明的實(shí)施例示意圖；
[0027]圖4為由多個(gè)本發(fā)明組合起來種植小型植物的示意圖；
[0028]圖5為采用等壁厚不透光的反射膜代替透明全反射膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]其中，I一透明薄膜；2—內(nèi)側(cè)反射面；3—外側(cè)反射面；4一透明全反射膜；5—親水毛細(xì)管束；6—毛細(xì)管套筒；7 —出水孔；8—淡水輸送孔；9一底板；10—海水；11 一支撐圓筒；12—毛細(xì)管網(wǎng)；13—?dú)んw；14一蒸發(fā)-冷凝腔；15—太陽光；16—疏水涂層；17—未水涂層；18—儲水浮筒；19一定位錨；20—小型植物；21—溢水孔；22—淡水；23—豎直反射面；24一透明蓋板；25—透氣孔。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0031]如附圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于反射和全反射的太陽能海水淡化裝置，裝置包括殼體13、透明全反射膜4、透明薄膜1、支撐圓筒11、親水毛細(xì)管束5和毛細(xì)管套筒6 ；所述透明全反射膜4的外形為兩端開口大小不一的弧形面回轉(zhuǎn)體，弧形面回轉(zhuǎn)體為實(shí)體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)側(cè)反射面2和外側(cè)反射面3均為弧形面，透明全反射膜4大端至小端的壁厚形成上窄下寬的結(jié)構(gòu)；毛細(xì)管套筒6內(nèi)裝有并列設(shè)置的親水毛細(xì)管束；利用導(dǎo)熱膠將毛細(xì)管固定在毛細(xì)管網(wǎng)12上，再將毛細(xì)管網(wǎng)12固定在毛細(xì)管套筒6的上端面。
[0032]其整體連接關(guān)系為:透明全反射膜4的小端與支撐圓筒11的一端固定連接，支撐圓筒11的另一端與殼體13的底板9固定連接，透明全反射膜4的大端與殼體13的開口端連接，透明薄膜I將殼體13的開口端和透明全反射膜4的大端封閉，透明全反射膜4的內(nèi)側(cè)反射面2和透明薄膜I形成封閉的蒸發(fā)-冷凝腔14，毛細(xì)管套筒6固定在殼體13的底板9上且位于支撐圓筒11內(nèi)，毛細(xì)管套筒6內(nèi)親水毛細(xì)管束對應(yīng)的殼體13底板9鏤空；支撐圓筒11的圓周面上開 有一個(gè)或一個(gè)以上的出水孔7，殼體13的壁面上開有淡水輸送孔8，用于向外界提供淡水。
[0033]工作原理如附圖2所示，豎直入射的太陽光15透過上表面透明薄膜I入射到內(nèi)側(cè)反射面2上，經(jīng)反射面內(nèi)表面反射到親水毛細(xì)管束5上端面。當(dāng)光線大角度傾斜入射到內(nèi)側(cè)反射面2上時(shí)，由于附著的上薄下厚透明全反射膜4屬于光密介質(zhì)，光線進(jìn)入后，上薄下厚且透明的結(jié)構(gòu)使得部分滿足全反射條件的入射光線在透明全反射膜4中發(fā)生多次全反射，光線會被匯聚到親水毛細(xì)管束5上部黑色外表面上。親水毛細(xì)管束5逐漸受熱增溫并把熱量傳給里面的海水10，海水10受熱膨脹，在上端面處蒸發(fā)。由于毛細(xì)管的虹吸作用使水不斷向上流動，親水毛細(xì)管束5下端浸沒在海水10中，不斷吸取的低濃度海水進(jìn)行補(bǔ)充，同時(shí)上端高濃度海水向下流動，自然稀釋上端蒸發(fā)面。
[0034]海水10在親水毛細(xì)管束5上端面受熱之后，快速蒸發(fā)。產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入內(nèi)部蒸發(fā)-冷凝腔14中，在透明薄膜I下表面凝結(jié)，生成的淡水22從中央引向四周，從內(nèi)側(cè)反射面2滑落。透明薄膜I下表面中央和四周分別涂有疏水涂層16和親水涂層17，以便在親水毛細(xì)管束5正上方冷凝的淡水22不會滴落其中。在重力作用下，生成的淡水流入毛細(xì)管套筒6、支撐圓筒11和底板9所圍成的環(huán)形區(qū)域。達(dá)到一定量后，從出水孔7流入殼體13內(nèi)進(jìn)行收集。釋放的潛熱經(jīng)表層透明薄膜I傳給環(huán)境，從而完成整個(gè)蒸發(fā)與冷凝過程，實(shí)現(xiàn)用太陽能淡化海水。
[0035]支撐圓筒11上周向分布著數(shù)量眾多的出水孔7，出水孔7的水平高度低于毛細(xì)管套筒6的上端面。這 樣是為了支撐圓筒11內(nèi)的淡水不會阻礙從透明全反射膜4射出的光線，影響毛細(xì)管黑色側(cè)面的光線吸收。當(dāng)殼體8內(nèi)儲存淡水達(dá)到一定量時(shí)，可從側(cè)面底部的淡水輸送孔8給外界使用。
[0036]在蒸發(fā)-冷凝腔14內(nèi)充入密度小于水蒸氣的氣體，如氬氣等，充入的氣體浮在水蒸氣的上層，可使蒸發(fā)的水蒸氣停留在蒸發(fā)-冷凝腔的底部冷凝，使得冷凝的效率更高。
[0037]除透明薄膜I為導(dǎo)熱性良好透明材料，淡水在其下表面被冷凝。其他部分應(yīng)該用傳熱性差的非金屬不透光材料制作，使得整個(gè)裝置重量輕。
[0038]在圖3所示的一個(gè)實(shí)施例中，將裝置整體通過殼體13的底板9固定在兩個(gè)或多個(gè)儲水浮筒18的上面，在儲水浮筒18上表面開有一小口，與底板9處淡水輸送孔8對齊，使得產(chǎn)生的淡水能流入儲水浮筒18，增大儲水量。放在海中用固定錨19定位或與船體相連隨船而行。
[0039]在圖4所示的一個(gè)實(shí)施例中，將多個(gè)裝置連接在一起使用，利用裝置之間的中間空隙，種植在非含鹽基質(zhì)上的淡水澆灌小型植物20。經(jīng)裝置生成的淡水在保存在殼體13內(nèi)，為植物灌溉提供水源。多余的淡水可從殼體13底部的溢水孔21排出。在陽光充足、風(fēng)浪小的海灣防浪堤內(nèi)，可以大量使用。
[0040]在圖5所不的一個(gè)實(shí)施例中，太陽光15經(jīng)過內(nèi)側(cè)反射面2和豎直反射面23反射，匯聚在親水毛細(xì)管束5上端面。豎直反射面23下端口用透明蓋板24封閉，使蒸發(fā)-冷凝腔14成為一個(gè)密閉空間。水蒸氣不再進(jìn)入蒸發(fā)-冷凝腔14，并在其壁面形成水滴，影響聚光效果。從毛細(xì)管套筒6內(nèi)親水毛細(xì)管束5中蒸發(fā)出來的水蒸氣，從支撐圓筒11周向分布的透氣孔25直接進(jìn)入殼體13內(nèi)，在殼體13的底板9處通過與外界冷海水10換熱，最終冷凝出淡水22。在殼體13及透明全反射膜4之間的空腔內(nèi)充入密度小于水蒸氣的氣體，如氬氣等，充入的氣體浮在水蒸氣的上層，可使蒸發(fā)的水蒸氣停留在空腔的底部冷凝，使得冷凝的效率更高。
[0041]除底板9為導(dǎo)熱性好的非金屬材料，淡水在其上表面被冷凝。其他部分應(yīng)該用傳熱性差的非金屬不透光材料制作，使得整個(gè)裝置重量輕。
[0042]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi) 。
【權(quán)利要求】
1.一種基于反射和全反射的太陽能海水淡化裝置，其特征在于，所述裝置包括殼體(13)、透明全反射膜(4)、透明薄膜(I)、支撐圓筒(11)、親水毛細(xì)管束(5)和毛細(xì)管套筒(6);所述透明全反射膜(4)的外形為兩端開口大小不一的弧形面回轉(zhuǎn)體，弧形面回轉(zhuǎn)體為實(shí)體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)側(cè)反射面(2)和外側(cè)反射面(3)均為弧形面，透明全反射膜(4)大端至小端的壁厚形成上窄下寬的結(jié)構(gòu)；毛細(xì)管套筒(6)內(nèi)裝有并列設(shè)置的親水毛細(xì)管束(5)； 其整體連接關(guān)系為:透明全反射膜(4)的小端與支撐圓筒(11)的一端固定連接，支撐圓筒(11)的另一端與殼體(13)的底板(9)固定連接，透明全反射膜(4)的大端與殼體(13)的開口端連接，透明薄膜⑴將殼體(13)的開口端和透明全反射膜⑷的大端封閉，透明全反射膜(4)的內(nèi)側(cè)反射面(2)和透明薄膜(I)形成封閉的蒸發(fā)-冷凝腔(14)，毛細(xì)管套筒(6)固定在殼體(13)的底面上且位于支撐圓筒(11)內(nèi)，毛細(xì)管套筒(6)內(nèi)親水毛細(xì)管束對應(yīng)的殼體(13)底面鏤空；支撐圓筒(11)的圓周面上開有一個(gè)或一個(gè)以上的出水孔(7)，殼體(13)的壁面上開有淡水輸送孔(8)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于反射和全反射的太陽能海水淡化裝置，其特征在于，在所述在蒸發(fā)-冷凝腔(14)內(nèi)充入密度小于水蒸氣的氣體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于反射和全反射的太陽能海水淡化裝置，其特征在于，所述支撐圓筒(11)上周向分布的出水孔(7)水平高度低于毛細(xì)管套筒(6)的上端面。
4.如權(quán)利要求1或2所述的基于反射和全反射的太陽能海水淡化裝置，其特征在于，所述親水毛細(xì)管束(5)通過毛細(xì)管網(wǎng)(12)固定在毛細(xì)管套筒(6)內(nèi)，毛細(xì)管網(wǎng)(12)的網(wǎng)格間隙與親水毛細(xì)管束 (5)直徑一致，利用導(dǎo)熱膠將親水毛細(xì)管束(5)固定在毛細(xì)管網(wǎng)(12)上，再將毛細(xì)管網(wǎng)(12)固定在毛細(xì)管套筒(6)的上端面。
5.如權(quán)利要求1或2所述的基于反射和全反射的太陽能海水淡化裝置，其特征在于，所述透明薄膜(I)的下表面中央和四周分別涂有疏水涂層(16)和親水涂層(17)。
6.如權(quán)利要求1所述的基于反射和全反射的太陽能海水淡化裝置，其特征在于，由等壁厚不透光的反射膜代替透明全反射膜(4)，采用透明蓋板(24)將蒸發(fā)-冷凝腔(14)封閉，親水毛細(xì)管束(5)和毛細(xì)管套筒(6)位于透明蓋板(24)下方，支撐圓筒(11)位于透明蓋板(24)下方的圓周面上開有透氣孔(25)，由反射膜的內(nèi)側(cè)反射面(2)和支撐圓筒(11)的豎直反射面(23)對太陽光進(jìn)行反射，太陽光匯聚在親水毛細(xì)管束(5)上端面。
7.如權(quán)利要求6所述的基于反射和全反射的太陽能海水淡化裝置，其特征在于，在殼體(13)及透明全反射膜(4)之間的空腔內(nèi)充入密度小于水蒸氣的氣體。
【文檔編號】C02F103/08GK103964524SQ201410178099
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】鄭宏飛, 伍綱, 馮朝卿, 熊建銀, 康慧芳 申請人:北京理工大學(xué)