所屬技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于太陽能聚光與海水淡化利用技術(shù)領(lǐng)域。具體地說是一種充液式柔性聚光器與海水淡化結(jié)合組成的新型結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

地球上絕大部分的水幾乎都存儲在海洋中。地球上的水受到太陽光的照射后，就變成水蒸氣被蒸發(fā)到空氣中去了，水蒸氣在高空遇到冷空氣便冷凝成小水滴，小水滴形成云，最終落到陸地上形成淡水被人類使用。太陽能淡化是大自然產(chǎn)生淡水的一種基本方式。利用太陽能淡化能夠較好地兼顧能源與水源需求，節(jié)約能源、保護環(huán)境，形成巨大的經(jīng)濟和環(huán)境效益，有助于解決我國農(nóng)村苦咸水地區(qū)、孤島等地區(qū)飲用水問題，有助于推動我國淡化技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)階段我國太陽能海水淡化系統(tǒng)的聚光器主要以硬質(zhì)太陽能集熱器為主，大多安裝在陸地上，這樣便產(chǎn)生了占地面積較大，不利于緩解陸地壓力。風沙對聚光效果也有著一定的影響，不利于拆裝，需要額外裝置抽取海水等問題。

為了解決這些矛盾并充分利用海洋面積，設(shè)計了一種充液式柔性聚光水下海水淡化裝置。依據(jù)水下幾何光學原理實現(xiàn)水下的太陽能海水淡化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種基于充液式聚光器與燒瓶式真空集熱管相結(jié)合的海水淡化系統(tǒng)，利用太陽能直接產(chǎn)生淡水。該系統(tǒng)能將水下太陽能順向折射聚光，整個裝置完全自動產(chǎn)生淡水，因而具有集熱效率高產(chǎn)水量大的特點。

本發(fā)明是一種基于充液式聚光器的水下太陽能海水淡化系統(tǒng)，主要裝置包括：充液式柔性聚光器、燒瓶式真空集熱管，液面平衡管、自虹吸冷凝器、淡水收集器、單向閥、隔水透氣膜和淡水導流管。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

充液式柔性聚光器在充液后變形為類似碟式菲涅爾透鏡的形狀。內(nèi)部充滿折射率比海水大的液體。光線經(jīng)聚光器上下表面發(fā)生兩次折射后，被置于充液式柔性聚光器下端的燒瓶式真空集熱管接收，在集熱管表面形成光板，加熱集熱管內(nèi)部的海水使海水蒸發(fā)。蒸汽上行經(jīng)過隔水透氣膜充滿整個燒瓶式真空集熱管的上部空間，并在自虹吸冷凝器螺旋狀冷凝管外壁處。冷凝器內(nèi)海水在左右溫差的作用下發(fā)生自動循環(huán)。液面平衡管下端伸入集熱管內(nèi)部自由液面以下，上端經(jīng)集熱管上部的密封端所開小孔伸出以保持液面平衡。蒸發(fā)的海水在重力作用下落在隔水透氣膜上，基于其無法使水通過的特點，淡水流入淡水導流管中形成液膜最終流入淡水收集器中被收集起來。

工作原理：

充液式柔性聚光器可充入不同壓力的液體，從而適應不同深度的壓力，使其保持穩(wěn)定形狀及焦距。太陽光經(jīng)過充液式柔性聚光器上表面時，從折射率相對較小的海水射入折射率相對較大的所充液體從而發(fā)生折射角小于入射角的折射。繼而經(jīng)過下表面從折射率相對較大的所充液體射入折射率相對較小的物質(zhì)發(fā)生折射角大于入射角的折射，從而實現(xiàn)順向折射聚光。所聚光打到真空集熱管球狀結(jié)構(gòu)處。之所以設(shè)計為燒瓶式是因為海水折射率大于真空，為防止光線入射角大于或等于臨界角度從而出現(xiàn)全反射，無法被選擇性吸收膜吸收。

腔內(nèi)自由液面高度由液面平衡管控制，平衡管下端位于集熱管球狀結(jié)構(gòu)下方一些，自由液面以下。使液面在壓力平衡的作用下恰好位于球狀結(jié)構(gòu)開始處上下。光線被高溫內(nèi)管外表面上的選擇性吸收膜吸收，內(nèi)管表面溫度不斷上升，高溫的內(nèi)管加熱腔內(nèi)海水，在自由液面處產(chǎn)生水蒸氣。水蒸氣上行通過隔水透氣膜并充滿整個隔水透氣膜上方區(qū)域。自虹吸冷凝器內(nèi)在水下充滿海水，在整套系統(tǒng)未運行之前冷凝器內(nèi)海水保持穩(wěn)定。上行的水蒸氣與充滿冷海水的螺旋冷凝管段外表面接觸并在表面冷凝成液滴，液滴在重力的作用下下落。部分淡水直接進入淡水導流管，部分落在隔水透氣膜上，由膜的特性可知水無法滲透穿過該膜從而沿著膜的坡度流入淡水導流管形成液膜。最終進入淡水收集器從而把淡水收集起來。

自虹吸冷凝器中螺旋冷凝段內(nèi)海水因冷凝放熱而使得溫度升高，密度降低，由于浮升力的作用溫度較高的海水則沿著螺旋冷凝管上升。從而使海水導出管內(nèi)海水與到出管出口處海水產(chǎn)生壓差同時使海水導入管口處海水與管內(nèi)海水產(chǎn)生壓差進而實現(xiàn)自虹吸。海水導出管出口以上部分均被隔熱層包裹，以控制其內(nèi)水溫小于冷凝管內(nèi)水溫從而保證正常循環(huán)。控制冷凝速度使冷凝速度大于等于蒸發(fā)速度以保持腔內(nèi)壓力。

進一步的，將燒瓶式真空集熱管內(nèi)自虹吸冷凝器替換換為外部球狀冷凝器，同時改變淡水收集器位置。

進一步的，將槽式菲涅爾透鏡式充液式柔性聚光器替換為凸透鏡式充液式柔性聚光器。

進一步的，將充液式聚柔性光器設(shè)計為充液后上表面呈近似階梯狀的透鏡形狀。

有益效果：

(1)本發(fā)明有利于緩解陸地壓力，充分利用了海洋面積，消除了風沙對聚光效果的影響。同時為如何利用海下太陽能提出了新的思路。

(2)本發(fā)明可以將低能流密度的太陽光束匯聚成高能流密度的焦斑，并使該焦點在聚光裝置的下方，實現(xiàn)了折射式順向聚焦，這樣熱接收器就可以安裝在聚光器下方有利于接收器對該太陽光的接收和轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)高溫聚能，也使此類接收裝置的設(shè)計、安裝、調(diào)試和維修維護帶來方便。

(3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊，能規(guī)模使用。整個裝置所有部件包括充液式柔性聚光器、燒瓶式真空集熱管、冷凝管等有規(guī)則的布置在一個區(qū)域內(nèi)，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常緊湊，容易加工和標準化生產(chǎn)，制造成本低。可以將本裝置通過排列組合，形成大規(guī)模海水淡化系統(tǒng)，從而實現(xiàn)海下太陽能海水淡化系統(tǒng)大規(guī)模、低成本普及應用。

(4)本發(fā)明打破了以往硬質(zhì)聚光器的慣性思維，提出了一種新型的充液式柔性聚光器的概念，為今后聚光器的設(shè)計提供了一種新的思路和方向。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明光路運行原理圖；

圖3為本發(fā)明運行原理圖；

圖4為本發(fā)明冷凝裝置為球狀冷凝器的實施例；

圖5為本發(fā)明充液式柔性聚光器設(shè)計為凸透鏡形狀的實施例；

圖6為本發(fā)明充液式柔性聚光器形狀為充液后上表面呈近似階梯狀的透鏡形狀。

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—燒瓶式真空集熱管；6—高溫內(nèi)管；7—隔熱層；8—隔水透氣膜；9—牽拉繩索；10—淡水收集器；11—單向閥；12—固定環(huán)；13—開孔支架；14—淡水導流管；15—選擇性吸收膜；16—開口；17—所充液體；18—透明支架19—液面平衡管；20—入射光線；21—正常光線；22—聚光器焦點；23—折射光線；24—循環(huán)海水；25—自由液面；26—原海水；27—淡水；28—凝結(jié)液膜；29—凝結(jié)液滴。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明提供了一種基于充液式聚光器的水下太陽能海水淡化系統(tǒng)。其裝置主要包括：充液式柔性聚光器1、自虹吸冷凝器4、燒瓶式真空集熱管5、高溫內(nèi)管6、隔熱層7、隔水透氣膜8、淡水收集器10、單向閥11、和淡水導流管14、選擇性吸收膜15和液面平衡管19。

其中充液式柔性聚光器1置于整套裝置最上方，其上連有與淡水收集器10上固定環(huán)12相連的牽拉繩索9，以此來固定其位置。燒瓶式真空集熱管5下端開口與焦平面處于同一水平面并由與淡水收集器10相連的開孔支架13固定。自虹吸冷凝器4倒置于燒瓶式真空集熱管5內(nèi)部，下端海水入水段經(jīng)淡水導流管14并由其下半部開口引出，另一側(cè)附有隔熱層7由燒瓶式真空集熱管5下方引出，并保持進水口出水口齊平。冷凝液滴滴落至凹型隔水透氣膜8上流入淡水導流管14，最終進入下方淡水收集器10。液面平衡管19由自由液面25經(jīng)燒瓶式真空集熱管5內(nèi)部最后通過其上部密封端開孔伸出。

如附圖1、3所示，裝置的運行原理和分布解釋如下：

平行的入射光線20沿豎直方向入射，大部分光線將經(jīng)過充液式柔性聚光器1以及聚光器內(nèi)所充液體17發(fā)生兩次折射，光線都會入射到燒瓶式真空集熱管5上，其中大部分會射到燒瓶式真空集熱管5的球狀區(qū)域。光線在經(jīng)過燒瓶式真空集熱管外管表面經(jīng)歷第三次折射，入射到高溫內(nèi)6外壁面上，被壁面上選擇性吸收膜15吸收。因此高溫內(nèi)管6溫度逐漸升高，加熱內(nèi)腔內(nèi)部原海水26，使原海水26溫度逐漸升高，自由液面25開始出現(xiàn)蒸汽并不斷增多。高溫蒸汽上行通過隔水透氣膜8，在自虹吸冷凝器4螺旋冷凝管表面冷凝形成凝結(jié)液滴29，并在重力的作用通過淡水導流管14形成冷凝液膜28繼而流入淡水收集器10，匯集淡水27。最后可由單向閥11引出。

圖2是本發(fā)明的光路原理圖。利用光學原理對其進行進一步分析。入射光線20首先抵達充液式柔性聚光器1上表面，因所充液體17折射率大于海水，所以發(fā)生折射角小于入射角的折射，隨后光線抵達聚光器下表面，同樣因所充液體17折射率大于海水，所以要發(fā)生折射角大于入射角的折射。經(jīng)過兩次折射的入射光線均被燒瓶式真空集熱管5外表面接收，大部分在其球狀區(qū)域形成有效光斑。因球狀區(qū)域表面呈弧狀，相較于常規(guī)真空集熱管減少了入射角從而有效避免光線的全反射。使更多光線能被高溫內(nèi)管6外壁上的選擇性吸收膜15所吸收。入射光線經(jīng)歷第三次折射后最終被選擇性吸收膜15吸收。

如圖4所示一個實施例中，將自虹吸冷凝器4替換為外置球狀冷凝器4，受熱蒸發(fā)的水蒸氣在壓差的作用下上升進入被隔熱層包裹的蒸汽通道使其能順利進入球狀冷凝器。水蒸氣在冷凝器內(nèi)冷凝沿沿著淡水導流管進入淡水收集器。替換安裝更為簡便。

如圖5所示一個實施例中，將充液式柔性聚光器1設(shè)計為凸透鏡形式聚光器，使整個聚光器均為柔性且無需支架，制作工藝要求更低。

如圖6所示一個實施例中，充液式柔性聚光器充液后形變?yōu)樯媳砻娉式齐A梯狀的透鏡形狀，以相互鉸鏈可固定的透明薄板對薄膜進行支撐，對傾斜入射的光線有更好的聚光效果。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。