一种水电盐联产的太阳能海水淡化装置

1.本发明属于海水淡化技术领域，具体涉及一种水电盐联产的太阳能海水淡化装置。


背景技术：

2.由于当今经济社会的快速发展，对淡水资源的需求量不断增加，然而另一方面由于环境污染导致可利用淡水减少，因而淡水资源短缺正成为全球性问题。我国人均淡水资源相对匮乏，不足全球平均水平的1/4。全球淡水只占总水资源的2.5％，而海水占97.5％。我国有较宽广的海域，可利用海水淡化获得淡水，缓解淡水紧缺的现状。
3.相比于单纯利用光照进行蒸馏和传统太阳能海水淡化技术，水电盐联产海水淡化技术具有高太阳能利用率、高价值产出、长使用寿命等优势。传统的海水淡化装置利用聚光的方式对海水进行加热，利用海水相变蒸发进行蒸馏，或利用太阳能电池板将光能转化为电能，利用电能进行海水淡化。前者对太阳能的利用效率低、产水量低。后者虽然提高了太阳能利用率，但是缺少对太阳能电池板热能的再次利用，同时若对太阳能电池没有做到有效冷却，会降低太阳能电池板的使用寿命。其次，这些传统装置只产出淡水，没有附加产品，价值产出不高。
4.目前，有很多研究转向对太阳能海水淡化装置进行热系统设计，充分利用太阳能及太阳能电池板的废热，提高太阳能电池板的光电转化效率，延长太阳能电池板的使用寿命。很多研究指出，在辐射强度1000w/m2的条件下，600-900w/m2的辐射无法被太阳能电池转化利用，而用于加热太阳能板，使光伏电池温度比环境温度有40℃的温差。太阳能电池每升高1℃，光电转化效率降低0.4-0.5％，同时温度过高会减少太阳能电池的使用寿命。因此，针对电能和海水联产的海水淡化系统，有必要提出一种带有合理散热设计的、更高效的新方法，实现淡水、电能和盐的同时生产，提高能源利用效率，实现高价值产出。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决太阳能海水淡化能量利用效率低以及太阳能电池板在持续光照下性能下降的问题，提供一种耦合太阳能电池板发电、反渗透海水淡化、膜蒸馏海水淡化和利用废热析盐的水电盐联产的太阳能海水淡化装置。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
7.一种水电盐联产的太阳能海水淡化装置，所述装置包括太阳能电池板、膜蒸馏组件、无纺布、前支撑金属管、后支撑金属管、析盐槽、高盐海水槽、基座平台、两个pp棉滤瓶、活性炭滤瓶、自吸增压泵、变压器、ro膜滤瓶、海水进水管、一级废液出水管、一级淡水出水管、二级废液出水管、二级淡水出水管、直流整流变压器、铅酸胶体蓄电池、充电控制器；
8.所述膜蒸馏组件包括两个金属盖板、两个金属支撑网和一个高分子疏水膜，所述高分子疏水膜上下依次设有金属支撑网和金属盖板；
9.所述太阳能电池板通过前支撑金属管和后支撑金属管与基座平台固连，通过设计
前支撑金属管和后支撑金属管的高度使太阳能电池板有一定倾斜角度；所述膜蒸馏组件与太阳能电池板背部固定连接；所述无纺布固定在膜蒸馏组件背面，两端分别浸在高盐海水槽与析盐槽内；
10.所述太阳能电池板通过充电控制器与铅酸胶体蓄电池相连；所述铅酸胶体蓄电池通过直流整流变压器与变压器相连；所述自吸增压泵与变压器相连；
11.所述自吸增压泵依次与pp棉滤瓶、活性炭滤瓶、pp棉滤瓶及ro膜滤瓶相连，所述ro膜滤瓶分别通过一级废液出水管、一级淡水出水管与膜蒸馏组件相连，所述二级废液出水管出水进入高盐海水槽。
12.进一步地，所述倾斜角度根据装置应用地区的日照峰值时间最佳倾角来确定。
13.进一步地，所述直流整流变压器根据铅酸胶体蓄电池的输出电压与自吸增压泵功率选择。
14.进一步地，所述自吸增压泵根据要求标称产水量选用适用功率。
15.进一步地，所述ro膜滤瓶的进水水压由增压泵确定，根据淡水产量需求选取。
16.进一步地，所述ro膜滤瓶中的ro反渗透膜可替换为uf超滤膜。
17.进一步地，所述高分子疏水膜为pvdf膜。
18.进一步地，所述直流整流变压器的功率根据自吸增压泵的功率选取的。
19.本发明相对于现有技术的有益效果为：相比于传统太阳能海水淡化系统，本装置利用了膜蒸馏组件对太阳能电池板进行了有效降温，提高了太阳能电池的光电转化效率，延长太阳能电池板使用寿命，同时充分利用了太阳能电池板的废热。在产品方面，不局限于单一的淡水产出，同时利用太阳能电池板产生的电能和废热进行了海水淡化，并对最终废液进行了产盐处理，实现了水电盐联产，提升了附加产值，提高了太阳能海水淡化系统的商用价值与应用前景。
附图说明
20.图1为水电盐联产海水淡化装置原理图；
21.图2为膜蒸馏组件原理图；
22.图3为时间＝0min时太阳能电池板与膜蒸馏系统耦合的温度分布图；
23.图4为时间＝20min时太阳能电池板与膜蒸馏系统耦合的温度分布图；
24.图5为时间＝180min时太阳能电池板与膜蒸馏系统耦合的温度分布图；
25.图6为时间＝0min时太阳能电池板的温度分布图；
26.图7为时间＝20min时太阳能电池板的温度分布图；
27.图8为时间＝180min时太阳能电池板的温度分布图；
28.图9为不同系统下太阳能电池板温度随时间变化曲线图；
29.其中，1-太阳能电池板、2-膜蒸馏组件、3-无纺布、4-前支撑金属管、5-后支撑金属管、6-析盐槽、7-高盐海水槽、8-基座平台、9-pp棉滤瓶、10-活性炭滤瓶、11-自吸增压泵、12-变压器、13-ro膜滤瓶、14-海水进水管、15-一级废液出水管、16-一级淡水出水管、17-二级废液出水管、18-二级淡水出水管、19-直流整流变压器、20-铅酸胶体蓄电池、21-充电控制器、22-金属盖板、23-金属支撑网、24-高分子疏水膜、25-3m海绵胶。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明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，均应涵盖在本发明的保护范围中。
31.本发明围绕太阳能电池板1进行了合理的热设计，利用太阳能电池板1废热进行水电盐联产，通过膜蒸馏组件2冷却太阳能电池板1、ro(reverse osmosis)反渗透淡化海水、废热析盐达到水电盐联产的目的，该装置的原理如图1所示。在太阳光照下，倾斜设置的太阳能电池板1通过充电控制器21为铅酸胶体蓄电池20充电，并同时(线路图中未示出)为ro膜滤瓶13供电，进行海水淡化。在夜晚或阴天等工况下，太阳能电池板1停止工作时，由储存在铅酸胶体蓄电池20中的电能驱动ro膜滤瓶13工作。
32.反渗透净水系统包括自吸增压泵11、预处理组件与ro膜滤瓶13，同时装有两个出水口，用于排出高浓度海水的一级废液出水管15与排出纯净水的一级淡水出水管16。海水由自吸增压泵11提供压力，先经过预处理组件，预处理组件由两个pp棉滤瓶9和一个活性炭滤瓶10组成。海水依次经过pp棉滤瓶9、活性炭滤瓶10、pp棉滤瓶9后完成预处理，去除泥沙等杂质。预处理后的海水通入ro膜滤瓶13，经过ro膜滤瓶13后分为纯净水和含高浓度盐的废水。整个过程由自吸增压泵11提供压力推动。净水口与废水口用pe软管连接到装置于太阳能电池板1背面的膜蒸馏组件2，进行后续处理。
33.膜蒸馏组件2的原理如图2所示。膜蒸馏组件2由两块金属盖板22、两张金属支撑网23、一张pvdf(聚偏氟乙烯)高分子疏水膜24通过3m海绵胶25粘合而成，侧面分别开有两个开口，两开口分别置于高分子疏水膜24两侧。高分子疏水膜24将整个膜蒸馏组件2分为两部分，上部分输送热料液，下部分输送冷料液。在高分子疏水膜24的上侧开口处通入从ro膜滤瓶13流出的高浓度海水，海水会吸收太阳能电池板1的废热，在高分子疏水膜24表面发生相变吸热，水蒸气在蒸气压差作用下扩散到pvdf高分子疏水膜24的另一侧，即淡水侧。在膜蒸馏组件2下部分通入从ro膜滤瓶13流出的净水，净水使从高分子疏水膜24另一侧扩散而来的水蒸汽冷却为蒸馏水，从出口流出膜蒸馏组件2，成为最终的纯净水产品。由于浓海水吸收太阳能电池板1的废热，所以会不断相变产生水蒸气，由于同时与高分子疏水膜24另一侧的净水存在温差，这一温差会加强水蒸气的扩散效率，所以浓海水在膜蒸馏组件2中被进一步净化，获得更多的纯净水产量。从膜蒸馏组件2中流出浓度更高的海水，这部分海水被通入用于析盐的高盐海水槽7内。
34.高盐海水槽7和析盐槽6由固连于装置的亚克力板粘合而成，整个析盐部分包括高盐海水槽7、析盐槽6、无纺布3。无纺布3用胶水粘结在膜蒸馏组件2背面，两端分别浸在高盐海水槽7与析盐槽6内。无纺布3的毛细结构可以吸收高盐海水槽7中的二级废液，运送到高盐海水槽7与膜蒸馏组件2相贴合的部分，在这部分膜蒸馏组件2对无纺布3进行传热，无纺布3吸收膜蒸馏组件2的废热，浓盐海水不断蒸发，最终析出海盐，海盐产品主要集中在析盐槽6内。
35.实施例1：
36.下面给出一种装置具体设计方案，应根据应用场景与工作要求选用相应的组件。
37.铅酸胶体蓄电池20(输出电压12v，电池容量40mah，尺寸195
×
165
×
175mm)通过充电控制器21(型号dmd-30a，充电模式pwm，尺寸134
×
70
×
32mm)与放置在基座平台8(金属箱
体)(尺寸700
×
900
×
100mm)上的太阳能电池板1(最大输出功率100w，尺寸670
×
910
×
30mm)相连，太阳能电池板1通过前支撑金属管4和后支撑金属管5与基座平台8固连，通过设计前支撑金属管4和后支撑金属管5的高度使太阳能电池板1有一定倾斜角度，应根据装置应用地区的日照峰值时间最佳倾角来确定。通过太阳能电池板1为铅酸胶体蓄电池20充电。铅酸胶体蓄电池20充电通过直流整流变压器19(最大功率1200w，应根据蓄电池的输出电压与增压自吸泵功率选用不同规格)与变压器12(与自吸增压泵11工作电压相适配)相连(变压器12与直流整流变压器19相连，自吸增压泵11与变压器12相连，图中未示出)，变压器12与自吸增压泵11(根据要求标称产水量选用适用功率，这里选用工作电压24v，功率36w自吸增压泵)相连为海水增压。海水通过海水进水管14(本装置所有管路选用pp软管)进入pp棉滤瓶9(材质食品级聚丙烯，尺寸254
×
60mm，过滤精度1/5微米)与活性炭滤瓶10(材质活性碳颗粒，滤瓶尺寸250
×
70mm，)进行预处理，预处理结束后进入ro膜滤瓶13(材质ro反渗透膜，尺寸255
×
75mm，进水水压0.1-0.4mpa)。经过ro膜滤瓶13后高浓度海水与净水分别经一级废液出水管15和一级淡水出水管16接入膜蒸馏组件2，并分别从二级废液出水管17和二级淡水出水管18流出膜蒸馏组件2，其中二级淡水出水管18连接淡水收集装置(本装置中没有体现)，二级废液出水管17接入高盐海水槽7(亚克力板粘合而成，尺寸650
×
50
×
50mm)。高盐海水槽7中的海水经无纺布3吸收在析盐槽6(亚克力板粘合而成，尺寸650
×
50
×
50mm)中获得海盐产品。
38.膜蒸馏组件2从上至下，将金属盖板22(尺寸600
×
850
×
0.5mm)、金属支撑网23(尺寸600
×
850mm，丝径0.11mm，60目)、pvdf高分子疏水膜24(600
×
850mm)、金属支撑网23、金属盖板22依次叠放，利用防水3m海绵胶25将结构包围、粘接起来，缝隙处使用环氧树脂填涂防止漏水。整个膜蒸馏组件2除了进出水口，整体应当是严格密封的。pvdf高分子疏水膜24上下部分仅能通过水蒸气，一级废液出水管15与二级废液出水管17置于上侧的金属盖板22和金属支撑网23之间，一级淡水出水管16与二级淡水出水管18置于下侧的金属盖板22和金属支撑网23之间，注意将管路与3m海绵胶25的空隙用环氧树脂填涂好防止漏水。再将整体结构利用金属胶水或环氧树脂与太阳能电池板1背部固连。
39.基于多物理场仿真的海水淡化系统温度分布模拟：利用comsol软件对膜蒸馏组件2对太阳能电池板1的降温效果进行建模仿真。因为需要得到太阳能电池板1温度的变化，所以选择研究瞬态的情况。首先设定初始温度为293.15k，光热转化成的太阳能电池焦耳热为600w/m2。为了防止薄膜pvdf高分子疏水膜24被破坏以及使进料液得到充分加热而将进料液质量流量设定为较低的0.000025kg/s，冷凝液质量流量则设定为0.001333kg/s。然后从左到右依次建立电池板、金属盖板、进料通道、pvdf膜、冷凝通道、金属盖板的几何模型，并定义它们各自的材料和基本参数。然后分别添加物理场层流、稀物质传递、固体、流体传热和多物理场非等温流动来模拟电池板与膜蒸馏系统耦合之下的物理场，建立网格并求解计算。
40.为了与带有膜蒸馏系统的太阳能电池板的温度作对照，建立一个只有太阳能电池板的模型。同样对其温度分布进行计算。
41.通过仿真计算，综合对比分析图3-图9可以看出，当温度达到稳定时，只有太阳能电池板的系统的最高温度达到332.28k，而太阳能电池板与膜蒸馏耦合的系统中太阳能电池板的最高温度仅为304.2k。由此可见，膜蒸馏系统对太阳能电池板起到了很好的降温效果。