太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统及方法

文档序号:25543127发布日期:2021-06-18 20:39阅读:187来源:国知局
太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统及方法

本发明涉及发电技术领域,特别是一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统及方法。



背景技术:

太阳能是取之不尽、用之不竭的洁净能源,太阳能发电方式可分为太阳能光伏发电和太阳能光热发电。太阳能光伏发电安全可靠、能源质量高,但照射的能量分布密度小,发电成本高。太阳能光热发电可实现储能和连续发电,但在我国仍处于技术创新与改进阶段。此外,海洋蕴含巨大的能量储备,包括波浪能、潮汐能、海洋温差能和盐差能等形式,是常见的可再生能源,有望取代传统的化石能源。但海水温差发电由于深海管路铺设这一挑战无法克服,难以商业应用。潮汐发电受潮汐涨落规律限制,且建造费用昂贵。海水和河水被具有离子选择性的隔膜隔开时,海水和河水的盐差能可通过离子扩散转化为电能,但这种盐差发电方式具有极大的地域限制。

因此,为实现高效光电转化和提高发电效率,现有许多不同的改进技术方案。如专利cn110932600a利用太阳光热量加热溶液,设计了一种基于温差驱动离子定向迁移的发电方法,然而温差是其唯一驱动力,无法维持稳定的电能输出且发电过程不可持续。又如专利cn110980850a利用海水中离子的跨膜电势差、跨膜浓度差以及离子热扩散三者共同作用,设计了一种海水发电和淡水获取装置,然而自然蒸发较慢,形成的浓度差不足,无法保证电能输出的稳定性,因此最终的发电性能仍有进一步提升的空间。另一方面,太阳能光热蒸腾作用可维持微通道内强烈的毛细力持续存在,将其用于协同驱动离子跨纳米膜通道运输,可显著改善离子电流的持续性和稳定性,极大提高盐差发电效率。

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:

鉴于上述问题,本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统及方法,通过太阳能海水蒸发为盐差发电提供淡水和浓缩海水,提高整个系统的工作效率,实现绿色能源的充分利用。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其包括太阳能海水蒸发模块和发电模块,

所述太阳能海水蒸发模块包括:

海水水箱,其储存海水,其上部设有用于冷凝水蒸气的第一集水流道,

第一聚光器,具有聚光作用的第一聚光器设在所述海水水箱上方,

淡水水箱,其用于储存经所述第一集水流道和第二集水流道冷凝而成的淡水;

发电模块包括:

第一浓度腔室,其容纳第一浓度范围的第一溶液且下部设有溶液液位传感器、第一浓度传感器和测量第一温度的第一温度传感器,其上部设有用于吸收太阳光热量并进行热传导的毛细芯,且毛细芯内的毛细力使第一溶液克服重力输送至其上表面,所述第一浓度腔室经由第一进口阀可开闭地连通所述淡水水箱,

第二聚光器,具有聚光作用的第二聚光器设在所述毛细芯上方以蒸发所述毛细芯输送的第一溶液,

第二集水流道,其设在所述第二聚光器和所述毛细芯之间且连通所述淡水水箱,以将所述第一溶液蒸发的水蒸气冷凝并输送到所述淡水水箱,

第二浓度腔室,其容纳第二浓度范围的第二溶液且经由阳离子选择性膜连接所述第一浓度腔室,其内部设有第二浓度传感器和测量第二温度的第二温度传感器,所述第二浓度腔室经由第二进口阀可开闭地连通所述海水水箱,第一温度大于第二温度,第二浓度大于第一浓度,

阳离子选择性膜,其设有供阳离子选择性通过的离子通道,所述离子通道的表面带有负电荷且离子通道从第二浓度腔室朝向第一浓度腔室方向上具有渐增的提供毛细抽吸力的通道尺寸,朝向第二浓度腔室的通道尺寸最窄处直径为10-20nm,朝向第一浓度腔室的通道尺寸最宽处直径为50-70nm,

外电路,其连接所述第一浓度腔室的第一电极和所述第二浓度腔室的第二电极。

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其中,所述毛细芯为固定于所述第一浓度腔室上部的氧化铜多孔结构,其呈上大下小的锥台形,可提供较大的蒸发和吸热面积。

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其中,所述氧化铜多孔结构由泡沫铜经过超声清洗、naoh和(nh4)2s2o8混合溶液氧化处理、蒸馏水清洗并室温干燥、再加热制成。

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其中,所述阳离子选择性膜内的离子通道呈锥形或梯形。

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其中,所述阳离子选择性膜内的离子通道两侧存在浓度梯度、温度梯度以及毛细力,阳离子可从所述第二浓度腔室向所述第一浓度腔室定向迁移。

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其中,所述第一浓度腔室的第一溶液可经由第一出口阀回收至海水水箱,所述第一出口阀和/或第一进口阀响应于液位传感器和第一浓度传感器,调节流量以控制第一浓度腔室中的液位和浓度。

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其中,所述第二浓度腔室的第二溶液可经由第二出口阀回收至海水水箱,所述第二出口阀和/或第二进口阀响应于第二浓度传感器,调节流量以控制第二浓度腔室中的浓度。

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其中,所述第一聚光器和/或第二聚光器为平板聚光器。

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其中盐差发电系统包括,

控制单元,所述控制单元一端连接所述液位传感器、第一浓度传感器和第二浓度传感器,另一端连接所述第一出口阀、第一进口阀、第二出口阀和第二进口阀,

响应于液位传感器和第一浓度传感器,控制单元控制所述第一出口阀和/或第一进口阀调节流量以控制第一浓度腔室中的液位和浓度,

响应于第二浓度传感器,控制单元控制所述第二出口阀和/或第二进口阀调节流量以控制第二浓度腔室中的浓度。

根据本发明另一方面,一种利用所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统的方法包括以下步骤,

第一步骤,聚光后的太阳能加热海水水箱中的海水并蒸发,产生的淡水收集于淡水水箱,并经过第一进口阀补充到第一浓度腔室而使其浓度维持在第一浓度范围,产生的浓缩海水经过第二进口阀补充到第二浓度腔室而使其浓度维持在第二浓度范围,第一进口阀的流量由溶液液位传感器或第一浓度传感器控制,第二进口阀的流量由第二浓度传感器控制,

第二步骤,第一浓度腔室上部的毛细芯吸收聚光后的太阳光热量,并将热量向下快速传导至腔室内以用于加热第一溶液,同时将第一溶液抽吸至表面进行蒸发,

第三步骤,在第一浓度腔室表面持续的蒸发作用下,阳离子选择性膜内部毛细力持续存在,在阳离子选择性膜两侧的温差soret效应、浓度梯度和毛细力的共同作用下,阳离子经由阳离子选择性膜,从第二浓度腔室持续定向迁移至第一浓度腔室,电能持续输出至外电路,

第四步骤,第一浓度腔室使用后的第一溶液和第二浓度腔室使用后的第二溶液分别经过第一出口阀和第二出口阀回收至海水水箱供再次蒸发和浓缩利用,第一出口阀的流量由液位传感器或第一浓度传感器控制,第二出口阀的流量由第二浓度传感器控制。

与现有技术相比,本发明的有益效果是:

本发明基于毛细作用和太阳能的热利用,将太阳能海水蒸发模块与发电模块相结合,极大的促进了离子的定向迁移,可实现高效、可持续的电能输出。太阳能海水蒸发模块可提供淡水和浓缩海水来维持发电模块两个腔室的浓度差。第一浓度腔室上部设有毛细芯,可吸收太阳光热量,并将热量传导至腔室内部以加热溶液,同时随着第一浓度腔室表面持续蒸发,阳离子选择性膜内部的毛细力持续存在,将发电模块上部设置为低浓度第一浓度腔室,在第一浓度腔室和第二浓度腔室之间的温差soret效应、浓度梯度和毛细力三者协同作用下,显著的提高了发电效能,具有显著的社会效益和经济效益,可广泛应用于盐差发电领域。

上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白,达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度,并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂,下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述,本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。显而易见地,下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中,用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中:

图1是根据本发明一个实施例的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统的结构示意图;

图2是根据本发明一个实施例的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统中阳离子选择性膜的示意图;

图3是根据本发明一个实施例的方法的步骤示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图3更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本发明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发明,并且能够将本发明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来作为区分组件的方式,而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。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。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解,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发明实施例的限定。

为了更好地理解,如图1所示,一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其包括太阳能海水蒸发模块和发电模块,其中,

所述太阳能海水蒸发模块包括:

海水水箱23,其储存海水,其上部设有用于冷凝水蒸气的第一集水流道3,

第一聚光器2,具有聚光作用的第一聚光器2设在所述海水水箱23上方,

淡水水箱22,其用于储存经所述第一集水流道3和第二集水流道4冷凝而成的淡水;

发电模块包括:

第一浓度腔室10,其容纳第一浓度范围的第一溶液且下部设有溶液液位传感器6、第一浓度传感器7和第一温度传感器8,其上部设有用于吸收太阳光热量并进行热传导的毛细芯5,且毛细芯5内的毛细力使第一溶液克服重力输送至其上表面,第一溶液具有第一温度,所述第一浓度腔室10经由第一进口阀20可开闭地连通所述淡水水箱22,

第二聚光器9,具有聚光作用的第二聚光器9设在所述毛细芯5上方以蒸发所述毛细芯5输送的第一溶液,

第二集水流道4,其设在所述第二聚光器9和所述毛细芯5之间且连通所述淡水水箱22,以将所述第一溶液蒸发的水蒸气冷凝并输送到所述淡水水箱22,

第二浓度腔室17,其容纳第二浓度范围的第二溶液且经由阳离子选择性膜16连接所述第一浓度腔室10,其内部设有第二浓度传感器18和第二温度传感器19,所述第二浓度腔室17经由第二进口阀21可开闭地连通所述海水水箱23,第二溶液具有第二温度,第一温度大于第二温度,第二浓度大于第一浓度,

阳离子选择性膜16,其设有供阳离子选择性通过的离子通道,所述离子通道的表面带有负电荷且离子通道从第二浓度腔室17朝向第一浓度腔室10方向上具有渐增的提供毛细抽吸力的通道尺寸,朝向第二浓度腔室17的通道尺寸最窄处直径为10-20nm,朝向第一浓度腔室10的通道尺寸最宽处直径为50-70nm,

外电路13,其连接所述第一浓度腔室10的第一电极11和所述第二浓度腔室17的第二电极15。

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其中,所述毛细芯5为固定于所述第一浓度腔室10上部的氧化铜多孔结构,其呈上大下小的锥台形,可提供较大的蒸发和吸热面积。

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其中,所述氧化铜多孔结构由泡沫铜经过超声清洗、naoh和(nh4)2s2o8混合溶液氧化处理、蒸馏水清洗并室温干燥、再加热制成。

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其中,所述阳离子选择性膜16内的离子通道呈锥形或梯形。

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其中,所述阳离子选择性膜16内的离子通道两侧存在浓度梯度、温度梯度以及毛细力,阳离子可从所述第二浓度腔室17向所述第一浓度腔室10定向迁移。

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其中,所述第一浓度腔室10的第一溶液可经由第一出口阀12回收至海水水箱23,所述第一出口阀12和/或第一进口阀20响应于液位传感器6和第一浓度传感器7,调节流量以控制第一浓度腔室10中的液位和浓度。

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其中,所述第二浓度腔室17的第二溶液可经由第二出口阀14回收至海水水箱23,所述第二出口阀14和/或第二进口阀21响应于第二浓度传感器18,调节流量以控制第二浓度腔室17中的浓度。

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其中,所述第一聚光器2和/或第二聚光器9为平板聚光器。

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其中盐差发电系统包括,

控制单元,所述控制单元一端连接所述液位传感器6、第一浓度传感器7和第二浓度传感器18,另一端连接所述第一出口阀12、第一进口阀20、第二出口阀14和第二进口阀21,

响应于液位传感器6和第一浓度传感器7,控制单元控制所述第一出口阀12和/或第一进口阀20调节流量以控制第一浓度腔室10中的液位和浓度,

响应于第二浓度传感器18,控制单元控制所述第二出口阀14和/或第二进口阀21调节流量以控制第二浓度腔室17中的浓度。

为了进一步理解本发明,在一个实施例中,一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统,其包括太阳能海水蒸发模块和发电模块,其中,

所述太阳能海水蒸发模块包括:

海水水箱23,用于储存海水并供给第二浓度腔室17,

淡水水箱22,用于储存冷凝的淡水并供给第一浓度腔室10,

第一聚光器2,用于聚光以提高太阳光的能量密度,

发电模块包括:

阳离子选择性膜16,其内设有供阳离子选择性通过的通道,

第一浓度腔室10,其下部设有溶液液位传感器6、第一浓度传感器7和第一温度传感器8,其上部设有毛细芯5,所述第一浓度腔室10位于阳离子选择性膜16之上。

第二浓度腔室17,其经由所述阳离子选择性膜16连接所述第一浓度腔室10,其内部设有第二浓度传感器18和第二温度传感器19,

外电路13,其连接所述第一浓度腔室10的第一电极11和所述第二浓度腔室17的第二电极15,

第二聚光器9,用于聚光以提高太阳光的能量密度,

所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统中,所述毛细芯5为特殊处理的氧化铜多孔结构,固定于所述第一浓度腔室10上部,其呈上大下小的锥台形,可提供较大的蒸发和吸热面积,

所述氧化铜多孔结构由泡沫铜经过超声清洗、naoh和(nh4)2s2o8混合溶液氧化处理、蒸馏水清洗并室温干燥、再加热四个步骤制成,其具有表面吸收太阳光热量、进行热量传导、提供毛细力三个作用,

所述阳离子选择性膜16内的离子通道呈锥形或梯形,通道表面带有负电荷,通道最窄处朝向第二浓度腔室17直径为10-20nm,通道最宽处朝向第一浓度腔室10直径为50-70nm,可提供毛细抽吸力,

本发明的第一聚光器2和第二聚光器9聚集太阳光,毛细芯5吸收太阳光热量,并将热量向下快速传导至第一浓度腔室10以加热腔室溶液,同时毛细芯5内部的毛细力可使溶液逆重力运输至表面蒸发。随着第一浓度腔室10表面蒸发的持续作用,阳离子选择性膜16内部的毛细力持续存在,阳离子在膜两侧温差soret效应、浓度梯度和毛细力的共同作用下定向迁移,持续输出电能至外电路13。

同时,为控制第一浓度腔室10和第二浓度腔室17的浓度差,确保发电效率,第一浓度腔室10液位低于一定高度或浓度高于一定浓度时,第一进口阀20和第一出口阀12打开使其维持一定高度和低盐浓度,当第一浓度腔室10液位高于一定高度或浓度低于一定浓度时,第一进口阀20和第一出口阀12关闭。第二浓度腔室17浓度低于一定浓度时,第二进口阀21和第二出口阀14打开使其维持高盐浓度,当第二浓度腔室17浓度高于一定浓度时,第二进口阀21和第二出口阀14关闭。

本发明基于温差soret效应、浓度梯度和毛细力协同作用下的离子高选择性跨膜运输。其中,温差soret效应是指均匀液体混合物中的组分在温差作用下向冷端或热端定向移动,在本发明中,海水中的钠离子在阳离子选择性膜两侧的温差作用下从温度较低的第二浓度腔室跨膜定向迁移到温度较高的第一浓度腔室。同时,毛细芯和阳离子选择性膜的毛细力可使溶液自发的逆重力向上爬升。

利用所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统的方法包括以下步骤,

第一步骤,太阳能加热海水使其蒸发,所得淡水收集于淡水水箱22,并补充到第一浓度腔室10以维持其第一浓度范围,所得浓缩海水补充到第二浓度腔室17以维持其第二浓度范围,

第二步骤,第一浓度腔室10上部的毛细芯5吸收太阳光热量,并将热量向下快速传导至腔室内以用于加热第一溶液,同时将第一溶液抽吸至表面进行蒸发,

第三步骤,第一浓度腔室10表面持续的蒸发作用使得阳离子选择性膜16内部毛细力持续存在,从而在膜两侧的温差、浓度梯度和毛细力的共同作用下,阳离子从第二浓度腔室17跨膜持续定向迁移至第一浓度腔室10而形成离子电流,电能持续输出至外电路13,

第四步骤,第一浓度腔室10使用后的第一溶液和第二浓度腔室17使用后的第二溶液回收至海水水箱23供再次蒸发和浓缩利用。

在一个实施方式中,如图3所示,所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统的方法包括以下步骤,

第一步骤,聚光后的太阳能加热海水水箱23中的海水并蒸发,产生的淡水收集于淡水水箱22,并经过第一进口阀20补充到第一浓度腔室10而使其浓度维持在第一浓度范围,产生的浓缩海水经过第二进口阀21补充到第二浓度腔室17而使其浓度维持在第二浓度范围,第一进口阀20的流量由溶液液位传感器6或第一浓度传感器7控制,第二进口阀21的流量由第二浓度传感器18控制,

第二步骤,第一浓度腔室10上部的毛细芯5吸收聚光后的太阳光热量,并将热量向下快速传导至腔室内以用于加热第一溶液,同时将第一溶液抽吸至表面进行蒸发,

第三步骤,在第一浓度腔室10表面持续的蒸发作用下,阳离子选择性膜16内部毛细力持续存在,在阳离子选择性膜16两侧的温差soret效应、浓度梯度和毛细力的共同作用下,阳离子经由阳离子选择性膜16,从第二浓度腔室17持续定向迁移至第一浓度腔室10,电能持续输出至外电路13,

第四步骤,第一浓度腔室10使用后的第一溶液和第二浓度腔室17使用后的第二溶液分别经过第一出口阀12和第二出口阀14回收至海水水箱23供再次蒸发和浓缩利用,第一出口阀12的流量由液位传感器6或第一浓度传感器7控制,第二出口阀14的流量由第二浓度传感器18控制。

在一个优选实施方式中,第一浓度腔室10内的液位传感器6和第一浓度传感器7控制第一浓度腔室10两侧的第一进口阀20和第一出口阀12以实时补充淡水,维持第一浓度腔室10内低盐浓度。第二浓度腔室17内的第二浓度传感器18控制第二浓度腔室17两侧的第二进口阀21和第二出口阀14以实时补充浓缩海水,维持第二浓度腔室17内高盐浓度。

工业实用性

本发明所述的一种太阳能驱动毛细力和温差协同增效的盐差发电系统及方法可以在发电领域制造并使用。

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。

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