一种基于界面蒸发的高效太阳能蒸汽发生器的制作方法

本发明属于太阳能蒸汽发生器技术领域，涉及一种基于界面蒸发的高效太阳能蒸汽发生器。

背景技术：

随着现代社会的快速发展和全球人口的急剧增长，传统化石能源不断消耗，人们对能源的需求不断增加，导致越来越严重的全球能源危机和环境危机。为实现人类社会的可持续发展，加快对可再生能源的开发和高效利用已迫在眉睫。

太阳能作为一种清洁、无污染、辐射能量大、取之不尽的可再生能源，在太阳能热水器、太阳能热电站、太阳能光伏电站等领域具有广泛的应用。太阳能光热利用是一种最简单、最经济、最高效的利用方式。其中，利用太阳能产生高温蒸汽在海水淡化、蒸汽灭菌、污水净化、工业提纯、光热电站众多工业生产过程中有着重要意义。但是由于太阳能光照又存在光照强度低的问题，日常单位辐射面积功率最高仅为1kw/m²，所以在自然光照下很难产生100℃水蒸汽。在传统的太阳能光热技术中，通常使用聚光系统对自然光进行汇聚，形成高能量密度的光斑来产生高温蒸汽。然而，聚光系统一方面大幅增加了太阳能光热系统的成本，同时聚光系统的正常运转需要增加额外的机械部件与太阳追踪装置，从而增加了光热系统的复杂性，不利于光热系统的发展。另一方面，太阳光在汇聚过程中会造成不可避免的能量损耗，而且汇聚的光热转化材料表面易产生过热现象，增加了光热系统的热损失，降低了系统的光热转化效率。此外，传统太阳能光热蒸汽发生器装置庞大，系统复杂，无法满足小规模便携式应用需求。

近些年来，新兴的太阳能界面蒸发技术将太阳能光热转化从传统蒸发系统的底部加热转移至在气液界面集中加热，相应的蒸发系统具有更高的蒸汽产生效率、更快的热响应速度，而且系统结构简单，为发展高效便携式太阳能光热蒸发系统提出了新的方案。相对于低温水蒸汽，高温蒸汽的应用更为重要，然而，在低能量密度自然光照下，产生高温蒸汽仍然是一个巨大挑战。美国麻省理工的g.chen(natureenergy2016,1,16126)等人报道了一种基于热聚集的太阳能光热蒸汽发生器，通过大面积的太阳能光热吸收，然后将太阳能光热进行汇聚，加热蒸发少量的水，成功在一个太阳下产生100℃的高温蒸汽，但是该系统的蒸汽产生效率仅仅为20％。另外，在目前的太阳能界面蒸发系统中，产生的蒸汽直接从太阳能光热转化表面扩散出去。这种从吸光表面扩散溢出结构设计一方面不利于蒸汽的收集利用，另一方面蒸汽会在空气中冷凝形成水雾，严重影响太阳光的入射和吸收。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于界面蒸发的高效太阳能蒸汽发生器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于界面蒸发的高效太阳能蒸汽发生器，包括上部开口并盖有透明盖板的容器，从下到上依次盛装在容器内中的水、漂浮绝热材料、多孔蒸发器和吸光板，以及穿过所述漂浮绝热材料且一端置于水中、另一端连接所述多孔蒸发器的毛细材料，所述多孔蒸发器内还侧向引出连接外界的蒸汽出口管。

进一步的，所述透明盖板为透明玻璃板或石英板等高透光率的材料。

吸光板可以采用常规市售的具有光热转化特性的金属板或非金属板。进一步的，所述吸光板选用铝或铜材质的基体板，在基体板的表面还镀有光热转化涂层，可保证吸光板的吸光率为90-97％左右，发射率为1-8％左右。光热转化涂层可以为现有的蓝钛涂层、黑铬涂层或碳黑涂层等。

进一步的，所述多孔蒸发器由三维多孔材料制成，其下表面和上表面还经过表面处理，并分别具有亲水结构和疏水结构。

更进一步的，所述三维多孔材料为多孔铜泡沫、多孔镍泡沫或多孔碳泡沫。

进一步的，所述漂浮绝热材料为硅橡胶泡沫或聚乙烯泡沫。

进一步的，所述毛细材料为吸水性材料，其选自无尘纸、棉布、滤纸或碳纤维。

进一步的，所述容器为塑料容器，其材料选用聚乙烯、聚丙烯或聚碳酸酯；

所述蒸汽出口管选用硅胶管、橡胶管、聚氯乙烯管或铜管。

进一步的，所述容器的侧部和底部采用侧壁绝热材料包裹，所述侧壁绝热材料选用石棉、硅橡胶泡沫或聚乙烯泡沫。

本发明中，将透明盖板设置在整个蒸汽发生器顶部，以减少顶部的对流热损失。吸光板位于容器顶部，将太阳能转化为热能传递到下面的多孔蒸发器。多孔蒸发器材料表面通过化学修饰，形成浸润性可调的亲疏水结构，籍此来调节蒸发器中水的蒸发量和蒸汽温度。漂浮绝热材料将多孔蒸发器与底部水体分离，减少蒸发器向下的热传导量，同时支撑多孔蒸发结构。容器中的水通过毛细材料输送至多孔蒸发器，被加热蒸发，蒸发产生的蒸汽通过侧面的蒸汽出口管排出，或连接其他设备。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明提出的太阳能蒸汽发生器采用吸光性能高、发射率低的选择性太阳能吸光板作为光热转化材料，极大增强了对太阳光的吸收，减少了对外热量损失，提高了光热转化效率。

(2)本发明提出的蒸发器采用表面处理的多孔泡沫材料，通过调节泡沫表面的亲疏水性，改变多孔泡沫的毛细作用力，进而调节多孔泡沫表面吸附水的含量以及蒸发器的补水速率，实现对水蒸发量和蒸汽温度的调节，通过选择合适的亲水性，优化蒸发器的供水速率，能够实现在一个太阳光照下，产生100℃高温蒸汽。

(3)本发明提出的新型太阳能蒸汽发生器产生的100℃高温蒸汽，通过侧面蒸汽出口管排出，蒸汽的产生不会影响吸光板的吸光性能，蒸汽出气管可与用气设备直接相连，使用方便。

附图说明

图1为高效太阳能蒸汽发生器结构示意图；

图2是高效太阳能蒸汽发生器局部剖视图；

图3是高效太阳能蒸汽发生器产生的蒸汽温度随时间的变化图；

图中标记说明：

1-透明盖板，2-吸光板，3-多孔蒸发器，4-漂浮绝热材料，5-侧壁绝热材料，6-毛细材料，7-容器，8-水，9-蒸汽出口管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施例中，如无特别说明，则表明所采用的原料或处理工艺均为本领域的常用技术。

实施例1

如图1和图2所示的一种高效太阳能蒸汽发生器，整个太阳能蒸发器密封在一个塑料材质的容器7内，容器7外部包裹侧壁绝热材料5，透明盖板1位于蒸汽发生器的顶部，吸光板2与容器7的上部开口密封连接，吸光板2底部连接多孔蒸发器3，多孔蒸发器3下部与浸入水8中的毛细材料6相连，漂浮绝热材料4将多孔蒸发器3与容器7底部的水8分开，底部的水8通过毛细材料6向上运输到多孔蒸发器3，被加热蒸发，产生的蒸汽通过侧面蒸汽出口管9排出。

本实施例中，透明盖板1选用石英玻璃，直径为60mm，壁厚2mm。容器7选用聚乙烯材料，直径为55mm，壁厚0.5mm，高度为60mm。吸光板2选用表面镀有蓝钛涂层的铝基太阳能吸光板，直径为45mm，厚度0.5mm。多孔蒸发器3选用多孔铜泡沫，规格为30ppi，厚度为5mm。漂浮绝热材料4选用硅橡胶泡沫材料，直径50mm，厚度40mm，导热率为0.03w/mk。侧面绝热材料选用聚乙烯泡沫，包裹在容器7外，厚度为20mm。蒸汽出口管9采用内径为3mm的硅胶管。利用太阳能模拟器对该太阳能蒸汽发生器垂直照射，光照强度1kw/m²，环境温度20℃，所测的蒸汽温度如图3所示。

本实施例中，多孔蒸发器3表面修饰过程具体如下：

首先，将30ppi的多孔铜泡沫切割成直径为4cm、厚度为5mm的圆柱形样品，把样品放入4mol/l的盐酸溶液中浸泡15分钟去除污渍，取出样品，依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗，放入烘干箱内烘干。然后，将烘干后的样品置入0.065mk2s2o8与2.5mkoh的反应液中，将反应液放入60℃的恒温箱内反应1小时，取出样品，用去离子水清洗表面后烘干，从而得到亲水性多孔铜泡沫。

接着，将亲水性多孔铜泡沫放入真空釜内，滴入5微升氟硅烷(1h,1h,2h,2h-perfluorooctyltrichlorosilane)，抽真空10分钟后静置5分钟，重复3到4次气相沉积，完成对铜泡沫表面氟化处理，完成疏水性多孔铜泡沫的制备。将制备好的疏水铜泡沫下部浸入到0.065mk2s2o8与2.5mkoh的反应液中，在60℃下反应1小时，从而得到下部亲水、上部疏水的多孔铜泡沫。

实施例2

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，透明盖板1选用高硼酸玻璃，吸光板2选用表面镀黑铬涂层的吸光板，多孔蒸发器3采用多孔碳泡沫，毛细材料6采用棉布。

实施例3

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，透明盖板1选用高硼酸玻璃，吸光板2选用表面镀有蓝钛涂层的太阳能吸光板，多孔蒸发器3采用多孔碳泡沫，毛细材料6采用棉布。

实施例4

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，透明盖板1选用石英玻璃，吸光板2选用表面涂有碳黑涂层的太阳能吸光板，多孔蒸发器3采用多孔镍泡沫，毛细材料6采用纤维素或碳纤维。

实施例5

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中，透明盖板1选用石英玻璃，吸光板2选用黑铬吸光板，多孔蒸发器3采用多孔铁泡沫，毛细材料6采用滤纸。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。