一种太阳能驱动水电热的综合产出系统

1.本发明属于水处理技术和能源综合利用领域，具体涉及一种太阳能驱动水、电和热综合产出系统。


背景技术：

2.淡水和能源是全球各地区可持续发展的关键资源。随着化石资源的不断枯竭，环境的不断污染以及人口、经济增长等，世界正经历严重的淡水和能源危机，各国均高度重视对等可再生能源的开发，并且亟需采取必要措施来缓解现有的淡水资源问题。因此，发展高效低成本太阳能驱动的水、电和热联产技术对社会可持续发展具有重要的实际意义。
3.相比于市场上依靠化石燃料能源消耗的膜法和热法盐水淡化技术，利用地球上丰富的太阳能进行产水发电，既能够有效缓解淡水和能源紧缺问题，又可以加快“双碳”目标。当前的联产技术例如蒸发发电技术结合界面蒸发技术混合系统实现1.48 kg/m2h的产水速率和248.57 w/m2的额外电能输出；温差发电技术结合界面蒸发技术混合系统在一个标准太阳下实现87.4%的光热转换效率和27 w/m2的电能输出，但是综合产出能源结构单一，且技术要求和投入成本高，不利于推广。


技术实现要素：

4.为了解决现阶段综合能源联产成本高产率低的问题，实现不仅高效低成本的生产淡水，而且能储电和蓄热，本发明提供一种太阳能驱动水电热的综合产出系统。
5.一种太阳能驱动水电热的综合产出系统包括光伏光热组件机构1、太阳池2、蒸馏器3、平衡盐水箱4和盐热水箱5；所述光伏光热组件机构1呈斜面状设置；所述太阳池2内底面设有蓄热涂层24；太阳池2内底部设有换热盘管25；所述换热盘管25的一端连通着光伏光热组件机构1；所述蒸馏器3包括阶梯状的底座34、玻璃盖板31和淡水收集箱37；所述底座34包括五级以上的台阶，每一级台阶的顶面上设有蒸发面33，所述蒸发面33的横截面为圆弧形；所述底座34的上部固定设有矩形框架，所述玻璃盖板31呈倾斜状固定设于矩形框架的顶部，使底座34的上部形成封闭的蒸馏室，结构呈半边屋脊型；与底座34最上部台阶对应的棱形框架的一侧边板上均布开设有二个以上的盐水入口32；底座34最下部的第二台阶边缘设有溢水槽35；所述淡水收集箱37位于底座34最下部的外侧，且淡水收集箱37的顶部通过水管连通着溢水槽35的底部；底座34最下部的一级台阶上均布开设有二个以上的盐水排出口36；所述二个以上的盐水排出口36连通着电动四通阀10的第一端口；所述换热盘管25的另一端连通着所述蒸馏器3上的二个以上的盐水入口32；所述平衡盐水箱4位于蒸馏器3的下方；平衡盐水箱4的上部一侧设有平衡原水入
口41，平衡原水入口41通过串联的电动阀15连通着系统原水供应口18；平衡盐水箱4下部一侧设有平衡出口42，顶部设有平衡盐水入口43；所述平衡盐水入口43连通着电动四通阀10的第二端口；所述电动四通阀10的第四端口为排水口19；所述盐热水箱5内设有换热管51，换热管51的两端分别位于盐热水箱5外部，换热管51一端的第一入口55连通着平衡盐水箱4的平衡出口42；换热管51另一端为第一出口52，第一出口52通过第一电动三通阀16分别连通着循环泵6的入口和第二旁路管27的一端，第二旁路管27的另一端连通着电动四通阀10的第三端口；电动四通阀10的第四端口为排水口19；盐热水箱5的顶部设有用于生活热源的出口53，盐热水箱5的底部设有原水入口54，盐水入口54通过串联的止回阀14连通着系统原水供应口18；所述循环泵6的出口通过第二三通阀连通着光伏光热组件1下端的进水口，第二三通阀的第三端口连通着第一旁路管26的一端，第一旁路管26的另一端连通着光伏光热组件1上端的蒸馏口；所述综合产出系统通过光伏光热组件机构1和太阳池2对盐水进行预热，实现提高淡水的生产效率；光伏光热组件机构1的光伏电池组件能发出电能并储存，实现自行供电；所述太阳池2能用于太阳能蓄热，实现在没有太阳辐射的情况下，作为系统夜间运行的热源。
6.进一步的技术方案如下：所述光伏光热组件机构1为多晶硅电池类型，由60块165
×
165mm硅片串联组成，功率为250-265wp，峰值电压为36v。
7.所述太阳池2的内壁材料为不锈钢，太阳池2内的盐水由上至下依次形成三个区域，分别为上对流层21、非对流层22、下对流层23，所述换热盘管25位于下对流层23内；所述上对流层21中淡水层或盐浓度较低并基本呈均匀分布状态，该层的温度与气温接近，厚度为0.3-0.5m；所述非对流层22为整个太阳池2的保温绝热层，兼作热量收集和储存之用，该层内盐浓度随着深度而增加并呈梯度稳定状态，厚度为0.5-0.8m；所述下对流层23中为饱和或浓度较高的盐水溶液，下部由于热量提取、池底受热或向池底和四壁传热的结果，其内部盐浓度和温度近似均匀，该层作用是作为收集、储存和提取热量的介质，厚度为1-1.5m。
8.蓄热涂层24为覆盖的黑色绝缘材料，厚度为1-5cm。
9.所述蒸发面33的圆弧中心角度θ为15-30
°
，圆弧面的圆弧半径r为15-20cm。
10.所述蒸发面33的材料由下往上依次为隔热材料332和光热转化材料331；所述隔热材料332为聚苯乙烯、聚氨酯疏水白色泡沫或气溶胶，厚度为1-6cm；所述光热转化材料331为一层以上的黑色染色纤维布、碳基材料沉积布、等离子体沉积布或碳基材料掺混凝胶。
11.所述玻璃盖板31的倾斜角度为10-30
°
；玻璃盖板31的材料为透光率95%以上超白玻璃，厚度为3-8mm。
12.所述底座34上每一级台阶的高度h为5-10cm、宽度d为10-30cm、阶梯长度l为60-120cm；所述玻璃盖板31与水平面之间的夹角
ɑ
满足tan
ɑ = h/d。
13.所述相邻盐水进口32之间的间距m为15-30cm；所述相邻排出口36之间的间距n为10-20cm。
14.所述淡水收集箱37内设有淡水上液位传感器371和液位线372。
15.所述循环泵6为变速电动循环泵。
16.与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：（1）本发明不仅可以高效低成本的生产淡水，同时还可以储电和蓄热，综合输出水、电和热三种重要资源，为节能减排做出贡献。本发明系统利用太阳能对盐水进行预热，提高了盐水淡化装置的生产效率；该系统具备储能装置（储电和蓄热），可自行供电，同时可保证系统在没有辐照条件的情况下（夜间或阴天）正常运行；该系统兼具生活供电、提供生活热源的功能。该系统投入成本低，适用于干旱偏远的分散地区。系统综合考虑太阳能光伏光热输出与用户水、电和热能源需求的协同关系，在蒸发与冷凝温差40℃下，耦合系统可以达到1.42 kg/m2h的产水速率，提高1%的光电转化效率，实现66 w/m2的稳定电能输出，保持稳定的1.11 kg/m2h产水速率。优化太阳能采集、存储、消纳全过程的运行策略，实现用户用水负荷的柔性控制和太阳能消纳率的最大化，实现一体化太阳能驱动水、电和热综合产出系统运行的经济性与稳定性。
17.（2）本发明系统工作时，盐水流进蒸馏器前，流经光伏光热组件（pv/t）和太阳池，可预热盐水，盐水温度提高到50℃－85℃的范围内，提高蒸发效率。蒸馏器中蒸发面的几何结构是微凹型，可保持微量蓄水从而有较低的比热容，与传统的平面型蒸发面相比，增加了蒸发的有效面积。蒸馏器整体呈房脊型，内部布置阶梯型的蒸发面，可有效减小蒸发和凝结表面之间的距离，从而加速两表面之间的热质交换，进一步显著提高了蒸发率。加入光热转化材料及保温材料进行热管理，系统热损失降低，界面蒸发速率提升，能量转换效率达到70%，蒸发速率为1.16 kg/m2h。整个蒸馏过程无额外电能及机械功输入，仅依靠蒸馏器的蒸发面的新型结构和布置，最大化利用太阳能，可实现太阳能盐水淡化效率的提高，淡水产出率可提高20-50%，可达50-60%，日产水量可达6-12kg/m
³
，广泛适用于边远地区的盐水淡化。
18.（3）本发明系统的光伏光热组件（pv/t）的光伏电池组件实现发出电能并储存，除了供给系统自身的用电，多余的电量可供系统外使用，可实现66w/m2的稳定电能输出。太阳池用于太阳能蓄热，在没有太阳辐射的情况下，作为系统夜间运行的热源，保证系统连续运行。
19.（4）本发明系统的蒸馏通道出口的热量经过盐热水箱内换热器能实现生活热源的供应，盐热水箱中的换热盘管将系统外盐水加热到50℃左右。
附图说明
20.图1为本发明太阳能驱动水、电和热综合产出系统原理图。
21.图2为本发明太阳池结构示意图。
22.图3为本发明蒸馏器结构示意图。
23.图4为本发明的蒸馏器剖面图。
24.图5为本发明的蒸发面结构示意图。
25.图6为图5的横截面示意图。
26.图7为本发明淡水收集箱结构示意图。
27.图8为高水位时平衡盐水箱结构示意图。
28.图9为低水位时平衡盐水箱结构示意图。
29.图10为盐热水箱结构示意图。
30.上图中序号：光伏光热组件1、太阳池2、蒸馏器3、平衡盐水箱4、盐热水箱5、循环泵6、水流量计7、压力传感器8、温度传感器9、电动四通阀10、环境空气温度传感11、热线式风速计12、太阳能电能表13、止回阀14、电动阀15、第一电动三通阀16、生活热源17、系统原水供应口18、排水口19、太阳辐射20、上对流层（ucz）21、非对流层（ncz）22、下对流层（lcz）23、蓄热涂层24、换热盘管25、第一旁路管26、第二旁路管27、玻璃盖板31、盐水入口32、微凹型蒸发面33、底座34、溢水槽35、盐水排水口36、淡水收集箱37、太阳辐射38、光热转化材料331、隔热材料332、液位传感器371、液位线372、平衡原水入口41、平衡出口42、平衡盐水入口43、换热管51、第一出口52、生活热源出口53、原水入口54、第一入口55。
具体实施方式
31.下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地详细描述。
32.参见图1，一种太阳能驱动水电热的综合产出系统包括光伏光热组件机构1、太阳池2、蒸馏器3、平衡盐水箱4和盐热水箱5。光伏光热组件机构1呈斜面状设置，光伏光热组件机构1为多晶硅电池类型，由60块165
×
165mm硅片串联组成，功率为250-265wp，峰值电压为36v。
33.参见图2，太阳池2内底面设有蓄热涂层24；太阳池2内底部安装有换热盘管25；换热盘管25的一端连通着光伏光热组件机构1。
34.太阳池2的内壁材料为不锈钢，太阳池2内的盐水由上至下依次形成三个区域，分别为上对流层21、非对流层22、下对流层23，所述换热盘管25位于下对流层23内。
35.上对流层21中淡水层或盐浓度较低并基本呈均匀分布状态，该层的温度与气温接近，厚度为0.4m；非对流层22为整个太阳池2的保温绝热层，兼作热量收集和储存之用，该层内盐浓度随着深度而增加并呈梯度稳定状态，厚度为0.6m；下对流层23中为饱和或浓度较高的盐水溶液，下部由于热量提取、池底受热或向池底和四壁传热的结果，其内部盐浓度和温度近似均匀，该层作用是作为收集、储存和提取热量的介质，厚度为1.2m。
36.蓄热涂层24为覆盖的黑色绝缘材料，厚度为3cm。
37.参见图3，蒸馏器3包括阶梯状的底座34、玻璃盖板31和淡水收集箱37。
38.参见图5和图6，底座34包括五级以上的台阶，每一级台阶的顶面上安装有蒸发面33，蒸发面33的横截面为圆弧形。蒸发面33的圆弧中心角度θ为20
°
，圆弧面的圆弧半径r为15cm。蒸发面33的材料由下往上依次为隔热材料332和光热转化材料331；隔热材料332为聚苯乙烯，厚度为1-6cm；光热转化材料331为一层以上的黑色染色纤维布。
39.参见图4，底座34的上部固定安装有矩形框架，玻璃盖板31呈倾斜状固定安装于矩形框架的顶部，使底座34的上部形成封闭的蒸馏室，结构呈半边屋脊型。玻璃盖板31的倾斜角度为15
°
，玻璃盖板31的材料为透光率95%以上超白玻璃，厚度为5mm。
40.底座34上每一级台阶的高度h为8cm、宽度d为20cm、阶梯长度l为100cm；玻璃盖板
31与水平面之间的夹角
ɑ
满足tan
ɑ = h/d。
41.与底座34最上部台阶对应的棱形框架的一侧边板上均布开设有五个盐水入口32，相邻盐水进口32之间的间距m为20cm。底座34最下部的第二台阶边缘安装有溢水槽35。淡水收集箱37安装位于底座34最下部的外侧，且淡水收集箱37的顶部通过水管连通着溢水槽35的底部，淡水收集箱37内安装有淡水上液位传感器371，还设有液位线372，见图7。底座34最下部的一级台阶上均布开设有六个盐水排出口36，相邻排出口36之间的间距n为15cm。六个盐水排出口36连通着电动四通阀10的第一端口。参见图1，换热盘管25的另一端连通着所述蒸馏器3上的五个盐水入口32。
42.参见图8，平衡盐水箱4位于蒸馏器3的下方；平衡盐水箱4的上部一侧设有平衡原水入口41，平衡原水入口41通过串联的电动阀15连通着系统原水供应口18；平衡盐水箱4的下部一侧设有平衡出口42，顶部设有平衡盐水入口43；所述平衡盐水入口43连通着电动四通阀10的第二端口；电动四通阀10的第四端口为排水口19。
43.参见图10和图1，盐热水箱5内安装有换热管51，换热管51的两端分别位于盐热水箱5外部，换热管51一端的第一入口55连通着平衡盐水箱4的平衡出口42；换热管51另一端为第一出口52，第一出口52通过第一电动三通阀16分别连通着循环泵6的入口和第二旁路管27的一端，第二旁路管27的另一端连通着电动四通阀10的第三端口；电动四通阀10的第四端口为排水口19。盐热水箱5的顶部设有生活热水出口53，盐热水箱5的底部设有原水入口54，盐水入口54通过串联的止回阀14连通着系统原水供应口18。
44.循环泵6为变速电动循环泵，循环泵6的出口通过第二三通阀连通着光伏光热组件1下端的进水口，第二三通阀的第三端口连通着第一旁路管26的一端，第一旁路管26的另一端连通着光伏光热组件1上端的蒸馏口。
45.本发明综合产出系统通过光伏光热组件机构1和太阳池2对盐水进行预热，实现提高淡水的生产效率；光伏光热组件机构1的光伏电池组件能发出电能并储存，实现自行供电；光伏光热组件机构1产生的热量和蒸馏通道出口的热量被带走，实现生活热源的供应；太阳池2能用于太阳能蓄热，实现在没有太阳辐射的情况下，作为系统夜间运行的热源。
46.本发明的工作原理详细如下：关于蒸馏器工作情况：参见图4，当盐水从盐水入口32流入蒸馏装置时，盐水依次溢流由上到下流过各级台阶的蒸发面33。部分盐水会储存在蒸发面33内，保证了较低的比热。顶部的玻璃盖板31经过外界太阳辐射38透射，为增强蒸馏室的太阳辐射吸收底座34内的各级台阶上的光热转化材料331吸收蒸发，并在玻璃盖板31处冷凝，形成淡水，并汇聚至溢水槽35底端槽口，经水管进入淡水收集箱37中收集。当淡水上液位传感器371感应到淡水收集箱37内的淡水高于设置的阈值时，发出信号至控制器，通过控制器控制警报，提醒排出淡水收集箱37内的淡水。蒸发面33的整体布置采用阶梯型结构，可以同时增大受光照面积和蒸发面积，进一步提高蒸馏器单位面积的能量摄入量和蒸发效率。未完全蒸馏的盐水经过最下部台阶上的排水口36排出蒸馏器3。整个蒸馏过程无额外电能及机械功输入，仅依靠蒸发面33的新型结构和布置，最大化利用太阳能，实现太阳能盐水淡化效率的提高。晴天时，环境温度为35℃，等效标准太阳光照小时数为10.5的阳光照射条件下，产水速率为1.38 kg/m2h，总效率为55%。
47.关于平衡盐水箱工作情况：
参见图7和图8，电动四通阀门10安装在平衡盐水箱4的进口，通过平衡盐水入口43可引入蒸馏器3内未蒸馏完全的盐水进入平衡盐水箱4。当循环热水的温度高于设定的极限时60℃，通过打开系统内的一部分热水并排水，更换冷水，重新降低循环热水的温度20-30℃，使系统内的水温降低。平衡盐水箱4设水位线，水位较高时，排出部分盐水；水位较低时，需补充部分盐水。平衡盐水箱4通过管道41配合电动阀15与外界盐水进行更换。平衡盐水箱4通过管道42进入盐热水箱5。
48.盐热水箱工作情况：参见图9，盐热水箱5内盐水溶液水位低于标准水位时，可通过第二入口54进行盐水补充。平衡盐水箱内的盐水通过第一入口55进入盐热水箱5的换热管51，通过第一出口52流出盐热水箱5。系统外盐水通过第二入口54进入盐热水箱5中，与换热管51中的盐水换热后，通过第二出口53流出盐热水箱5，提供生活热源至50℃。通过电动四通阀10，盐水可绕过换热管51，沿第二旁路管27，可防止盐热水箱5内过热。
49.平衡盐水箱4与盐热水箱5间管路运行情况说明如下：（1）正常运行时，来自蒸馏器3的盐水通过平衡盐水入口43进入平衡盐水箱4，经过平衡出口42流出平衡盐水箱4。同时，沿第一入口55进入盐热水箱5中的换热盘管51，经过换热，通过第一出口52流出盐热水箱5，进入系统后继续循环。系统通过原水入口54进入盐热水箱5进行补水，经换热后，经生活热源出口53流出，可提供生活热源17。
50.（2）若盐热水箱5过热时，则电动三通阀门16和电动四通阀门10配合，来自蒸馏器3的盐水不经过平衡盐水箱4与盐热水箱5，沿第二旁路管27直接进入系统后，继续循环。
51.（3）参见图8，若平衡盐水箱4水位较高时，或其它需排水的情况下，通过电动四通阀门10控制，经排水口19排出系统。
52.（4）参见图9，若平衡盐水箱4水位较低时，通过关闭止回阀14和开启电动阀15配合，由系统原水入口18进入的盐水，经平衡盐水入口41进入平衡盐水箱4进行补水。
53.本发明综合产出系统在白天的工作情况：参见图1，在晴天或日照充足时，盐水溶液作为冷却液经循环泵6增压成为高压盐水溶液，进入光伏光热组件1，光伏光热组件1的发电效率随着盐水溶液的冷却提高，光伏光热组件1发电能储存于电池中，用于综合产出系统自身用电及系统外用电需求。盐水溶液被光伏光热组件1预热至60℃，能提高蒸馏初始温度至30℃，提高蒸馏效率；随后经过太阳池2底下对流层23中的换热盘管25进入太阳池2，盐水溶液可再一次预热至85℃，进一步提高蒸馏初始温度至25℃，提高蒸馏效率。预热后的盐水溶液，进入蒸馏器3，盐水溶液依次溢流进入底座34上阶梯型的各阶微凹型蒸发面33中，在光热转化材料上331吸热蒸发并在玻璃盖板31处冷凝收集，并最终储存在淡水收集箱37中。另一部分未蒸馏完全的盐水溶液通过溢水槽35和二个以上的盐水排出口36流入平衡盐水箱4。经平衡盐水箱4的平衡出口42进入换热管51与盐热水箱5中的盐水进行换热，降低至系统循环时的温度25℃，经循环泵6再次循环。盐热水箱5中的盐水被加热后，经生活热源出口53流出，可提供生活热源17。
54.本发明综合产出系统在夜间的工作情况：参见图1，在阴天或夜间系统运行时，盐水溶液经循环泵6，通过三通阀门，盐水经过光伏光热组件1提供的第一旁路管26循环。太阳池2可用于太阳能蓄热，在没有太阳辐射的情况下，可作为系统夜间或阴天运行的热源，盐水溶液同样可以被预热至65℃。盐水溶液
依次溢流进入底座34上阶梯型的各阶微凹型蒸发面33中，在光热转化材料上331吸热蒸发并在玻璃盖板31处冷凝收集，并最终储存在淡水收集箱37中。另一部分未蒸馏完全的盐水溶液通过溢水槽35和二个以上的盐水排出口36流入平衡盐水箱4。经平衡盐水箱出口42流出后，可与盐热水箱5中的盐水进行换热，降低至系统循环时的温度30℃，经循环泵6再次循环。盐热水箱5中的盐水被加热后，经生活热源出口53流出，可提供生活热源17。