一种太阳能发电协同海水淡化的耦合装置及系统

1.本发明属于能源利用技术领域，更具体地，涉及一种太阳能发电协同海水淡化的耦合装置及系统。


背景技术：

2.现如今，全球经济快速发展所带来的环境污染与资源消耗问题日益严重。其中，淡水资源短缺是当代人类面临的主要问题之一，而海水淡化技术是解决水资源缺乏的重要措施。
3.目前，应用反渗透膜法及蒸馏法是市场中的主流。现有的反渗透膜技术虽前期成本较低，但后期维护及管理成本高且难度大。蒸馏法设备造价高，且能源消耗大，不适合大规模海水淡化工程。
4.现阶段海水淡化环保产品的思路大多为利用太阳能发电获取能源，然后利用太阳能产生的电能加热蒸馏海水，将海水淡化，此方式对能源利用的效率较低，所以没有被大量广泛的利用。且现阶段没有将太阳能发电装置和海水淡化良好耦合的装置。在此背景下，设计一种节能环保，成本低廉，安全可靠，效率较高，可以同时产生清洁能源和淡水的设备至关重要。


技术实现要素：

5.本发明通过提供一种太阳能发电协同海水淡化的耦合装置及系统，解决现有技术中太阳能发电装置和海水淡化装置无法高效耦合的问题。
6.本发明提供一种太阳能发电协同海水淡化的耦合装置，包括：光伏电池、热连接层、保温层、底座平台和储水装置；所述储水装置包括顶棚和回流槽，所述顶棚、所述回流槽分别与所述底座平台连接；所述热连接层位于所述顶棚和所述底座平台之间，所述热连接层的上表面镶嵌有所述光伏电池，所述光伏电池对红外光的透过率大于80％，所述热连接层的下表面与所述保温层接触；
7.所述热连接层用于吸收海水和红外光，用于吸收所述光伏电池发电过程中产生的热量，以及用于使海水蒸发得到水蒸气；所述保温层用于保存住海水蒸发所需的热量；所述顶棚用于将水蒸气冷凝为冷凝水；所述回流槽用于收集所述冷凝水。
8.优选的，所述热连接层采用垂直石墨烯复合薄膜作为结构主体。
9.优选的，所述太阳能发电协同海水淡化的耦合装置还包括：海水初步过滤层；所述海水初步过滤层贴于所述保温层之下；所述海水初步过滤层用于对透过所述底部平台流入的海水进行初步过滤。
10.优选的，所述太阳能发电协同海水淡化的耦合装置还包括：电能储存装置；所述电能储存装置安装在所述底座平台内，所述光伏电池与所述电能储存装置电连接，所述电能储存装置用于存储所述光伏电池产生的电能。
11.优选的，所述顶棚采用pve透明聚酯材料制备而成，所述回流槽采用pve聚酯材料
制备而成。
12.优选的，所述保温层采用硅溶胶吸热涂料制备而成。
13.优选的，所述回流槽环绕在所述底座平台的外围；所述顶棚罩在所述热连接层及所述光伏电池的上方，所述顶棚通过支架安装在所述底座平台上，所述顶棚的边缘向所述回流槽弯折。
14.优选的，所述底座平台或所述回流槽的下方安装漂浮装置，所述耦合装置作为浮式海洋平台；或者，所述底座平台的下方安装连接固定装置，所述底座平台通过所述连接固定装置固定在海上平台上，所述耦合装置作为固定式海洋平台。
15.优选的，所述海水初步过滤层采用生物质能衍生的碳材料制备而成。
16.本发明提供一种太阳能发电协同海水淡化的耦合系统，包括多个上述的太阳能发电协同海水淡化的耦合装置，多个所述太阳能发电协同海水淡化的耦合装置中的回流槽连通。
17.本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
18.在发明中，提供的太阳能发电协同海水淡化的耦合装置包括光伏电池、热连接层、保温层、底座平台和储水装置；储水装置包括顶棚和回流槽，且分别与底座平台连接；热连接层位于顶棚和底座平台之间，热连接层的上表面镶嵌有光伏电池，光伏电池对红外光的透过率大于80％，热连接层的下表面与保温层接触；通过热连接层吸收海水和红外光，吸收光伏电池发电过程中产生的热量，以及使海水蒸发得到水蒸气；利用保温层保存住海水蒸发所需的热量；通过顶棚将水蒸气冷凝为冷凝水；通过回流收集所述冷凝水。本发明利用太阳能协同生产电力和淡水，光伏电池和热连接层共同吸收利用太阳能全光谱波段，能够有效拓宽太阳能的光谱利用范围，利用热连接层充当位于热连接层顶部的红外高透过性的光伏电池的散热装置，将海水淡化与光伏电池发电良好耦合，能够有效提高净水和发电效率。本发明结构简单、成本低廉、工作可靠、节能环保，并且可以在大量海洋海岛等实际场景中应用。
附图说明
19.图1为本发明实施例提供的一种太阳能发电协同海水淡化的耦合装置的结构示意图；
20.图2为本发明实施例提供的一种太阳能发电协同海水淡化的耦合装置的纵向剖面图。
21.其中，1
‑
光伏电池、2
‑
顶棚、3
‑
回流槽、4
‑
铆钉、5
‑
热连接层、6
‑
支架、7
‑
钢丝、8
‑
电能储存装置、9
‑
保温层、10
‑
海水初步过滤层、11
‑
底座平台、12
‑
防水电路；
[0022]5‑1‑
有机纤维材料、5
‑2‑
防水热互连层。
具体实施方式
[0023]
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
[0024]
实施例1：
[0025]
实施例1提供一种太阳能发电协同海水淡化的耦合装置，包括：光伏电池、热连接
层、保温层、底座平台和储水装置；所述储水装置包括顶棚和回流槽，所述顶棚、所述回流槽分别与所述底座平台连接；所述热连接层位于所述顶棚和所述底座平台之间，所述热连接层的上表面镶嵌有所述光伏电池，所述光伏电池对红外光的透过率大于80％，所述热连接层的下表面与所述保温层接触。
[0026]
所述热连接层用于吸收海水和红外光，用于吸收所述光伏电池发电过程中产生的热量，以及用于使海水蒸发得到水蒸气；所述保温层用于保存住海水蒸发所需的热量；所述顶棚用于将水蒸气冷凝为冷凝水；所述回流槽用于收集所述冷凝水。
[0027]
其中，所述热连接层可采用垂直石墨烯复合薄膜作为结构主体。垂直石墨烯复合薄膜具体是指垂直排列的石墨烯纳米管与乙烯
‑
醋酸乙烯共聚物经热压形成的复合薄膜。
[0028]
所述顶棚可采用pve透明聚酯材料制备而成，所述回流槽可采用pve聚酯材料制备而成。所述保温层可采用硅溶胶吸热涂料制备而成。
[0029]
一种具体的结构中，所述回流槽环绕在所述底座平台的外围；所述顶棚罩在所述热连接层及所述光伏电池的上方，所述顶棚通过支架安装在所述底座平台上，所述顶棚的边缘向所述回流槽弯折。例如，所述顶棚呈半球形，边缘向所述回流槽弯曲。
[0030]
此外，耦合装置可作为固定式海洋平台或浮式海洋平台灵活应用。例如，所述底座平台或所述回流槽的下方安装漂浮装置，所述耦合装置作为浮式海洋平台。例如，在回流槽的下表面嵌上泡沫板，以给装置提供浮力。或者，所述底座平台的下方安装连接固定装置，所述底座平台通过所述连接固定装置固定在海上平台上，所述耦合装置作为固定式海洋平台。
[0031]
实施例2：
[0032]
实施例2在实施例1的基础上添加海水初步过滤层；所述海水初步过滤层贴于所述保温层之下；所述海水初步过滤层用于对透过所述底部平台流入的海水进行初步过滤。
[0033]
具体的，所述海水初步过滤层可采用生物质能衍生的碳材料制备而成。
[0034]
实施例3：
[0035]
所述实施例3在实施例1或实施例2的基础上添加电能储存装置；所述电能储存装置安装在所述底座平台内，所述光伏电池与所述电能储存装置电连接，所述电能储存装置用于存储所述光伏电池产生的电能。
[0036]
实施例4：
[0037]
实施例4提供一种太阳能发电协同海水淡化的耦合系统，包括多个太阳能发电协同海水淡化的耦合装置，所述太阳能发电协同海水淡化的耦合装置可采用实施例1至实施例3中任意一种具体结构。
[0038]
优化方案中，多个所述太阳能发电协同海水淡化的耦合装置中的回流槽连通，使水的利用更加便利。此外，还可以去掉所述电能储存装置，使电能直接被利用。
[0039]
下面对本发明做进一步的说明。
[0040]
太阳能光伏电池由于其便利、无污染公害、不受地域限制、维护便捷等优点，被广泛运用。然而考虑到太阳能发电的基本原理，目前市面上大部分太阳能光伏电池均存在能量转化效率低的劣势，其中温度对其的影响不容忽视。本发明从另一个角度切入，将太阳能发电与海水淡化装置结合，通过海水蒸发淡化过程中的吸热效应，达到为太阳能电池降温从而减缓其效率降低的目的。
[0041]
太阳能电池通常只能利用波长在200～800nm之间的紫外光和可见光，而波长在800～3000nm之间的红外光未能被有效利用。且这部分红外光会产生热效应致使太阳能电池温度升高，导致太阳能电池发电效率降低、使用寿命减少。太阳能电池的发电效率会随着电池温度的上升而下降，当电池温度每升高1℃时，光电转换效率会下降0.3％～0.5％。然而红外光产生的热效应可以作为海水淡化的天然热源，通过热界面材料对太阳能电池板发电过程中产生的热量加以利用，并且通过选择性吸收涂层对光伏发电带隙以外光子的太阳能频谱进行光热转换利用，不仅能拓宽太阳能的光谱利用范围，而且能有效利用海水及制淡的吸收过程降低太阳能电池的温度，从而提高太阳能的整体利用效率，使太阳能发电和海水淡化皆能发挥较高效率。
[0042]
本发明基于上述考虑，提供一种耦合装置和耦合系统，即提供光伏发电协同海水淡化的海洋平台，利用太阳全光谱辐射的协同生产电力和清洁淡水，并提高太阳能利用效率。
[0043]
参见图1、图2，本发明提供的一种太阳能发电协同海水淡化的耦合装置包括：光伏电池1、顶棚2、回流槽3、热连接层5、电能储存装置8、保温层9、海水初步过滤层10、底座平台11。其中，所述热连接层5包括有机纤维材料5
‑
1和防水热互连层5
‑
2。
[0044]
所述防水热互连层5
‑
2作为所述热连接层5的结构主体，用于连接所述光伏电池1和所述有机纤维材料5
‑
1，所述防水热互连层5
‑
2吸收转化透过所述光伏电池1的红外光并将其转化为热量导出至所述有机纤维材料5
‑
1，热量聚集于所述有机纤维材料5
‑
1使海水蒸发得到水蒸气；所述保温层9用于保存住海水蒸发所需的热量；所述顶棚2用于将水蒸气冷凝为冷凝水；所述回流槽3用于收集所述冷凝水。
[0045]
其中，所述防水热互连层5
‑
2为采用垂直石墨烯和eva复合的材料层，所述有机纤维材料5
‑
1可采用以下材料：添加了碳纳米管(cnt)和藻酸钠(sa)的还原氧化石墨烯(rgo)、碳化处理的植物、碳纳米管(cnt)/纤维素纳米晶体复合海绵、插入式bnf植绒板。
[0046]
整体上，所述顶棚2通过支架6固定在所述底座平台11上。所述底座平台11的下方由数根钢丝7连接铆钉4，利用所述铆钉4将耦合装置固定在海上平台或海岸周围。通过阳光照射，所述热连接层5大量吸热，当海水达到温度后，海水由压力透过装置底部的所述海水初步过滤层10被初步过滤，而后海水通过水的毛细现象不断被所述热连接层5吸取，使得海水可以被反复净化。所述保温层9由硅溶胶吸热涂料构成，紧密贴于所述热连接层5之下。所述海水初步过滤层10由生物质能衍生的碳材料构成，紧密贴于所述保温层9之下，所述海水初步过滤层10直接接触海水，水分子透过生物质能衍生的碳材料向上运输；所述热连接层5、所述保温层9、所述海水初步过滤层10这三层形成夹心结构。同时所述保温层9由于其吸热效率高，可将所述光伏电池1产生的热量吸收下来并达到保温效果。净化所得的淡水通过所述顶棚2冷凝回流，收集至所述回流槽3。与此同时，所述热连接层5吸收大量热量，成为了红外高透过性的所述光伏电池1的良好散热系统，为所述光伏电池1提供了优越的工作环境，使得所述光伏电池1可以充分发电，而发电所产生的能源通过防水电路12存入所述电能储存装置8。所述光伏电池1发电产生的热量为海水净化提供了能量，使海水净化系统更加高效。本发明提供的耦合装置提高了红外高透过性光伏电池的工作效率，使发电量得到充分的提高，也同时提高了净水效率。在本发明大量应用实施过程中，即在耦合系统中，可将所述光伏电池1大量连接，并排除掉电能储存装置8，使得能源的利用更加有效直接，也可将
所述回流槽3相连，使淡化后的水源得到集中利用。
[0047]
本发明中的储水装置为位于所述底座平台11顶部的所述顶棚2及所述底座平台11外围的所述回流槽3，所述顶棚2在空间上将所述热连接层5及其上面的所述光伏电池1罩住，所述顶棚2呈半球形，且边缘向所述回流槽3弯曲。
[0048]
本发明主要包括顶部的红外高透过性的光伏发电层和太阳能蒸发制淡热界面复合层。太阳能蒸发制淡热界面复合层包括前文所述的太阳能热界面海水淡化材料(即热连接层)、保温层、海水初步过滤层。太阳能蒸发制淡热界面复合层充当顶部红外高透过性的光伏电池的冷却装置，以提高其效率，而顶部的红外高透过性的光伏电池产生的热能被太阳能蒸发制淡热界面复合层重新利用，以产生更清洁的水。本发明提供的装置是将海水淡化和全光谱太阳能发电充分结合的耦合装置。
[0049]
在利用太阳能吸热净水的过程中，吸收了镶嵌在太阳能蒸发制淡热界面复合层之中的红外高透过性的光伏电池发电时产生的热量，为红外高透过性的光伏电池提供了良好的散热系统，而红外高透过性的光伏电池在发电过程中，产生的热量也使平台中的太阳能蒸发制淡热界面复合层更好的产生淡水。本发明拓宽了太阳能的光谱利用范围，这种耦合装置使二者皆可充分发挥自身作用。所述保温层可以保存住蒸发所需的热量，使此装置效率高，所述海水初步过滤层可过滤掉海水中的部分杂志，使装置重复使用，简便环保。
[0050]
本发明的工作原理是：将此耦合装置放置于海上，并利用铆钉固定在海上平台或海岸周围，海水由压力透过装置底部的活性炭被初步过滤，之后海水通过水的毛细现象不断被太阳能热界面海水淡化材料吸取，阳光照射后，太阳能蒸发制淡热界面复合层充分吸热，所得热量使海水达到温度时，将海水蒸发。蒸发的淡水通过顶棚冷凝至回流槽，而海水不断被蒸发净化，使该装置可以得到反复利用。与此同时，太阳能热界面海水淡化材料大量吸收热量，为处于太阳能蒸发制淡热界面复合层中的红外高透过性的光伏电池提供了良好的散热系统，硅溶胶吸热涂料由于其吸热效率高，可将太阳能光伏电池产生的热量吸收下来并达到保温效果，使得红外高透过性的光伏电池发电所产生的热量被及时吸收以提高其效率，也使太阳能热界面海水淡化材料更好地产生淡水，二者耦合使太阳能热界面海水淡化材料的净水效率和红外高透过性的光伏电池的发电效率充分提高。海水初步过滤层能过滤掉海水中部分杂质，使装置可以重复长时间使用。
[0051]
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。