一种太阳能辅助增强盐差循环发电系统及方法与流程

本公开属于盐差发电技术领域，特别涉及一种太阳能辅助增强盐差循环发电系统及方法。

背景技术：

传统的主流发电方式存在着发电效率低、污染环境且不可再生等缺点。因此，加强新能源循环利用，寻求能源经济与环境保护协调发展正是我们面临的问题。而盐差能作为一种蓝色能源，具有清洁、可再生的特点，也是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。大多数盐差能均用于发电，而反电渗析是将盐差能转换为电能的主要方法之一，但是现有方法功率密度比较低，存在反电渗析(red)模块结构复杂、耗水量大、需要不断补充新鲜浓淡水等问题，并且反电渗析对离子交换膜的要求比较高，导致通过反电渗析法发电的成本高。

而现有的能量转换器件主要集中在直接将盐差能转化为电能，这限制了其跨膜电流通量和输出功率密度。实际上，在海洋能利用过程中涉及各种形式的能源转换，特别是无污染、零排放和可再生的太阳能。而将两种能量转化为单一能量能够增强整体的能量输出。因此，如何巧妙地设计一种高效可靠、可持续的能量转换系统来协同利用太阳能和盐差能，对于提高整体的发电性能是非常重要的。

背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种太阳能辅助增强盐差循环发电系统，能够协同利用太阳能和盐差能，增加离子发电系统中的跨膜电流量，提高发电系统发电性能。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种太阳能辅助增强盐差循环发电系统，包括：发电装置和辅助发电装置；其中，

所述发电装置包括多个低盐液室、多个高盐液室以及多个阳离子选择性纳米薄膜和多个阴离子选择性纳米薄膜；

所述低盐液室和所述高盐液室交替设置，且所述低盐液室的数量比所述高盐液室的数量多一个或者所述高盐液室的数量比所述低盐液室的数量多一个；

所述多个所述阳离子选择性纳米薄膜和所述阴离子选择性纳米薄膜数量相同并通过甲基硅油密封，且交替设置在相邻的低盐液室和高盐液室之间；

所述辅助发电装置包括可移动遮光板，用于对所述阳离子选择性纳米薄膜和所述阴离子选择性纳米薄膜的一部分进行遮挡，使得阳光对所述阳离子选择性纳米薄膜和所述阴离子选择性纳米薄膜的另一部分进行照射。

优选的，所述阳离子选择性纳米薄膜和所述阴离子选择性纳米薄膜通过光照激发载流子，所述载流子迁移产生电化学势能差辅助盐差发电。

优选的，所述阳离子选择性纳米薄膜和所述阴离子选择性纳米薄膜为多层多孔半导体薄膜。

优选的，所述多层半导体薄膜的总厚度不超过5um，每层薄膜的厚度不超过10nm，层间距为1-10nm。

优选的，所述阳离子选择性纳米薄膜和所述阴离子选择性纳米薄膜包括与所述低盐液室和高盐液室连通的离子通道。

优选的，所述离子通道的长度不超过15mm。

优选的，所述遮光板采用绝热材料，包括如下任一：聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫、玻璃纤维。

优选的，所述系统还包括信号采集装置，所述信号采集装置包括第一电极、第二电极和信号采集器，所述第一电极、第二电极与所述信号采集器相连，用于采集所述系统的电流信号，并根据所述电流信号对所述遮光板进行调整。

本公开还提供一种太阳能辅助增强盐差循环发电的方法，包括如下步骤：

s100：调节遮光板对所述阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜的一部分同时进行遮挡，对所述阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜的另一部分进行光照；

s200：所述阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜的受光照部分激发载流子并迁移产生电化学势能差；

s300：高盐液室内的阳离子和阴离子在电化学势能差和盐差的共同作用下分别通过阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜向低盐液室移动，直至高盐液室和低盐液室的盐差为0；

s400：保持光照不变，高盐液室内的阳离子和阴离子继续在电化学势能差的作用下向低盐液室移动，直至系统电流改变方向，此时，所述低盐液室的盐液浓度高于所述高盐液室的盐液浓度；

s500：采集系统电流信号并调整遮光板对所述阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜的另一部分同时进行遮挡，并重复步骤s200至步骤s400。

优选的，所述阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜为多层多孔半导体薄膜。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、能够协同利用太阳能和盐差能，增加了离子发电系统中的跨膜电流量，提高了发电系统的发电性能。

2、不需要不断补充高盐液和低盐液，能够大大降低发电系统的耗水量。

3、通过改变纳米薄膜上的光照方向，可以实现循环发电。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种太阳能辅助增强盐差循环发电系统结构示意图；

图2是本公开另一个实施例提供的一种太阳能辅助增强盐差循环发电系统结构示意图；

图3是本公开另一个实施例提供的一种基于太阳能辅助增强盐差循环发电系统的非对称太阳光照下阳离子选择性纳米薄膜中离子流动示意图；

图4是根据本发明一个实施例的基于太阳能辅助增强盐差循环发电系统的非对称太阳光照下阴离子选择性纳米薄膜中离子流动示意图；

附图中的标记如下：

1-第一电极；2-第二电极；3-低盐液室；4-阳离子选择性纳米薄膜；5-高盐液室；6-阴离子选择性纳米薄膜；7-信号采集器；8-遮光板；9-甲基硅油。

具体实施方式

下面将参照附图1至附图4详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。

一个实施例中，本公开提供一种太阳能辅助增强盐差循环发电系统，包括：发电装置和辅助发电装置；其中，

所述发电装置包括多个低盐液室3、多个高盐液室5以及多个阳离子选择性纳米薄膜4和多个阴离子选择性纳米薄膜6，所述低盐液室3和所述高盐液室5交替设置，且所述低盐液室3的数量比所述高盐液室5的数量多一个或者所述高盐液室5的数量比所述低盐液室3的数量多一个；

所述阳离子选择性纳米薄膜4和所述阴离子选择性纳米薄膜6数量相同并通过甲基硅油9密封，且交替设置在相邻的低盐液室3和高盐液室5之间；

所述辅助发电装置包括可移动遮光板8，用于对所述阳离子选择性纳米薄膜4和所述阴离子选择性纳米薄膜6的一部分进行遮挡，使得阳光对所述阳离子选择性纳米薄膜4和所述阴离子选择性纳米薄膜6的另一部分进行照射。

本实施例协同利用太阳能和盐差能，增加了离子发电系统中的跨膜电流量，从而提高发电系统的发电性能，通过利用太阳能辅助盐差发电，不需要补充高盐液和低盐液，大大降低了发电系统的耗水量。同时，通过改变纳米薄膜上的光照方向，可实现循环发电，具有可持续性。

另一个实施例中，所述阳离子选择性纳米薄膜和所述阴离子选择性纳米薄膜通过光照激发载流子，所述载流子迁移产生电化学势能差辅助盐差发电。

本实施例中，由于高盐液室和低盐液室存在浓度差，盐液中的阳离子通过阳离子选择性纳米薄膜4由高盐液室5向低盐液室3定向移动，阴离子通过阴离子选择性纳米薄膜6由高盐液室5向低盐液室3定向移动，从而产生一个由盐差引起的离子扩散电流is，如图1所示，由于第一个低盐液室3和第一个高盐液室5之间设置为阳离子选择性纳米薄膜4，因此低盐液室3比高盐液室5多一个。此时，调节遮光板8使太阳光照射于阳离子选择性纳米薄膜4和阴离子选择性纳米薄膜6一侧，薄膜表面吸收太阳能并激发载流子，载流子迁移产生电化学势能差，使得盐液中的阳离子通过阳离子选择性纳米薄膜4由高盐液室5向低盐液室3定向移动，阴离子通过阴离子选择性纳米薄膜6由高盐液室5向低盐液室3定向移动，同时产生离子电流ip，由于两离子电流方向相同，因此，在太阳能和盐差能作用下，将产生跨膜离子电流i＝is+ip直至高盐液室和低盐液室内盐液浓度达到平衡。此时，盐差作用减弱甚至反向，盐液中的阳离子和阴离子在太阳光为主导的驱动下，继续通过阳离子选择性纳米膜和阴离子选择性纳米薄膜由高盐液室5向低盐液室3中定向移动，并且产生i＝ip-is的跨膜电流。最终，低盐液室3中的盐液浓度高于高盐液室5中的盐液浓度，如图2所示，此时，原来的低盐液室3变为高盐液室3’，原来的高盐液室5变为低盐液室5’。继续调节遮光板对使太阳光照射于阳离子选择性纳米薄膜4和阴离子选择性纳米薄膜6的另一侧，此时高盐液室3’内的阳离子和阴离子分别通过阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜向低盐液室5’定向移动，从而实现循环发电。

另一个实施例中，所述阳离子选择性纳米薄膜和所述阴离子选择性纳米薄膜为多层多孔半导体薄膜。

另一个实施例中，所述多层半导体薄膜的总厚度不超过5um，每层薄膜的厚度不超过10nm，层间距为1-10nm。

本实施例中，为了提高纳米薄膜的光电性能及阳离子或阴离子的传输性能，使得阳离子或阴离子能够选择性通过，多层半导体薄膜的总厚度不超过5um，每层薄膜的厚度不超过10nm，层间距为1-10nm，如果层间距过大，双电层作用不明显，会影响阳离子或阴离子选择性通过。

另一个实施例中，所述阳离子选择性纳米薄膜和所述阴离子选择性纳米薄膜包括与所述低盐液室和高盐液室连通的离子通道。

本实施例中，如图3所示，阳离子选择性纳米薄膜中的离子通道形成了带负电荷的表层，当离子通道减小到1-10nm时，上下表层的双电层重合，依照静电理论，通道内仅能通过阳离子。由于纳米薄膜两侧盐溶液存在浓度差，在盐差能驱动下，阳离子由高盐液室通过阳离子选择性纳米通道迁移至低盐液室。同时，左侧非对称太阳光照下，膜表面受激发产生载流子(本实施例中，空穴迁移速率大于电子，否则，改变对应非对称太阳光照方向)，其迁移速率差会在膜上形成电化学势差，驱动阳离子由高盐液室通过阳离子选择性纳米通道迁移至低盐液室。通过太阳能和盐差能协同作用，产生的跨膜离子电流增加。

另外，如图4所示，阴离子选择性纳米薄膜中的离子通道形成了带正电荷的表层，当离子通道减小到1-10nm时，上下表层的双电层重合，依照静电理论，通道内仅能通过阴离子。由于纳米薄膜两侧盐溶液存在浓度差，在盐差能驱动下，阴离子由高盐液室通过阴离子选择性纳米通道迁移至低盐液室。同时，左侧非对称太阳光照下，膜表面受激发产生载流子(本实施例中，空穴迁移速率大于电子，否则，改变对应非对称太阳光照方向)，其迁移速率差会在膜上形成电化学势差，驱动阴离子由高盐液室通过阴离子选择性纳米通道迁移至低盐液室。通过太阳能和盐差能协同作用，产生的跨膜离子电流增加。

另一个实施例中，所述离子通道的长度不超过15mm。

本实施例中，为了降低膜阻，保持阳离子或阴离子的传输性能，离子通道的长度不超过15mm，否则离子通道过长会导致膜阻增大，从而影响阳离子或阴离子通过。

另一个实施例中，所述遮光板采用绝热材料，包括如下任一：聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫、玻璃纤维。

另一个实施例中，所述系统还包括信号采集装置，所述信号采集装置包括第一电极1、第二电极2和信号采集器7，所述第一电极1、第二电极2与所述信号采集器7相连，用于采集所述系统的电流信号，并根据所述电流信号对所述遮光板进行调整。

本实施例中，第一电极和第二电极分别设置于发电系统的第一盐液室和最后一个盐液室内，当高盐液室内的阳离子和阴离子在电化学势能差的作用下向低盐液室移动直至系统电流改变方向时，信号采集器通过第一电极和第二电极采集系统电流信号并控制遮光板移动，使得阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜原来被遮挡的一侧接受光照，从而使得盐液中的阳离子和阴离子反向定向移动，实现循环发电。为了保持盐液的电中性，第一电极和第二电极表面发生电化学氧化还原反应，且产生的电子会通过外部的负载电路转移。

另一个实施例中，本公开还提供一种太阳能辅助增强盐差循环发电方法，包括如下步骤：

s100：调节遮光板对所述阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜的一部分同时进行遮挡，对所述阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜的另一部分进行光照；

s200：所述阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜的受光照部分激发载流子并迁移产生电化学势能差；

s300：高盐液室内的阳离子和阴离子在电化学势能差和盐差的共同作用下分别通过阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜向低盐液室移动，直至高盐液室和低盐液室的盐差为0；

s400：保持光照不变，高盐液室内的阳离子和阴离子继续在电化学势能差的作用下向低盐液室移动，直至系统电流改变方向，此时，所述低盐液室的盐液浓度高于所述高盐液室的盐液浓度；

s500：采集系统电流信号并调整遮光板对所述阳离子选择性纳米薄膜和阴离子选择性纳米薄膜的另一部分同时进行遮挡，并重复步骤s200至步骤s400。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。