一种太阳能蒸发水实时监测装置及方法

1.本发明涉及一种太阳能蒸发水实时监测装置及方法，属于水蒸发检测技术领域。


背景技术：

2.由于世界人口快速增长，淡水资源稀缺逐渐成为一个重要的全球环境问题。根据联合国统计，全球对淡水的需求每年增长约1%，在2050年将上升到20%至30%。尽管地球表面的四分之三面积被水覆盖，但其中97.5%是人类无法直接饮用的海水（咸水）。现有研究常用反渗透膜法和热蒸馏法获取淡水，但前者使用的渗透膜成本极高，后者利用的化石能源为不可再生能源。因此，利用太阳能这一绿色的可再生资源，进行海水蒸发淡化的装置及技术受到了广泛关注。
3.太阳能蒸发水技术的关键组件在于蒸发材料。蒸发材料的上部应将吸收的太阳辐射高效地转化为热能，其下部应将水稳定地传输到上部。蒸发材料主要包括碳基材料、生物质材料、聚合物材料、金属半导体材料。在验证蒸发材料性能的研究中，仅将氙灯（模拟太阳辐射）固定于某一位置，再计算蒸发材料的蒸发水效率。这类方法所得结果过于理想化，无法得到蒸发材料在实际使用环境中的真实情况，例如：对于不同纬度的使用环境，太阳高度角差异较大，将影响蒸发材料上部的光线射入量；在一个自然日内，太阳东升西落，光线与蒸发材料表面的夹角处于变化过程，将影响蒸发材料吸收光线的总量。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，提供一种太阳能蒸发水实时监测装置，用以解决现有技术无法实时计算蒸发材料在太阳辐射下蒸发水效率的问题。
5.同时，本发明提供一种太阳能蒸发水实时监测方法。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种太阳能蒸发水实时监测装置，包括：容器，内部设置有用于待蒸发的液态水；蒸发材料，漂浮于所述容器内部，用于蒸发所述液态水；绝缘材料，漂浮于所述容器内部并覆盖除去所述蒸发材料外的所述液态水表面；天平，设置于所述容器的下部，用于实时记录蒸发所述液态水质量；动滑轨，用于安装氙灯，并用于所述氙灯的移动；氙灯，与所述动滑轨相连接，用于模拟太阳辐射；秒表，用于记录蒸发所述液态水的时间；图形检测单元，用于实时记录所述蒸发材料表面温度、面积和轴向高度。
7.所述动滑轨包括位于中部的开槽滑轨段，所述开槽滑轨段的两端一体连接有未开槽滑轨段，滑轨电机上端连接滑轨丝杠，所述滑轨电机下端连接所述开槽滑轨段，所述滑轨丝杠上设置有丝杠螺母，所述开槽滑轨段和所述未开槽滑轨段的连接处设置有固定元件，所述固定元件与所述丝杠螺母之间连接有连杆，所述滑轨电机与l型的上支架的水平杆相
连，所述上支架的竖直杆与直线型的下支架活动连接；所述下支架固定在倾斜支撑台上。
8.所述上支架和所述下支架通过齿轮-齿条连接。
9.所述动滑轨下方的所述容器底面上设置有所述天平，所述天平上放置有旋转支撑台，所述旋转支撑台上设置有所述容器。
10.所述旋转支撑台包括下旋转支撑台，所述下旋转支撑台的下表面设置有旋转电机，所述旋转电机上设置有旋钮，所述下旋转支撑台的上表面设置有第一伸缩电机和第二伸缩电机，所述第一伸缩电机和第二伸缩电机的伸缩头顶端连接有上旋转支撑台，所述上旋转支撑台上设置有用于对所述容器进行限位的侧挡板。
11.所述倾斜支撑台包括上倾斜支撑台，所述上倾斜支撑台为上表面倾斜的楔形，所述上倾斜支撑台的倾斜角度为23
°
26'，所述上倾斜支撑台的下方设置有下倾斜支撑台，所述下倾斜支撑台的上表面设置有升降电机，所述升降电机的升降杆顶端连接有挡板，所述挡板与所述上倾斜支撑台相连，所述上倾斜支撑台和所述下倾斜支撑台之间连接有可伸缩的倾台导向杆。
12.所述监测装置设置于透明箱体内，所述箱体内设置有加热丝，加湿器向所述箱体内提供湿度，控制模块用于控制所述氙灯、所述滑轨电机、所述旋转电机、所述第一伸缩电机、所述第二伸缩电机、所述升降电机、所述加热丝和所述加湿器；所述天平、所述秒表、所述控制模块、所述图形检测单元、所述加热丝和所述加湿器分别与电脑相连。
13.所述氙灯上设置有滑块，所述滑块位于所述动滑轨的滑槽内，所述滑块与电机相连，所述电机与位移检测模块相连，所述位移检测模块与所述控制模块相连，所述控制模块用于对所述氙灯移动速度、方向、往复次数进行控制；所述电机还与光照监测模块相连，所述光照监测模块与所述控制模块相连，所述控制模块用于对所述氙灯光照强度进行控制。
14.所述蒸发材料包括竹节；所述绝缘材料包括聚乙烯泡沫或硅橡胶泡沫；所述图形检测单元包括红外摄像机。
15.一种太阳能蒸发水实时监测装置的方法，包括以下步骤：步骤一，通过氙灯模拟太阳光；步骤二，打开氙灯，按下秒表，记录t0时刻的天平数值m0、红外摄像机数值k0；步骤三，电脑连续记录t
x
时刻的天平数值m
x
、红外摄像机数值k
x
；步骤四，通过电脑获取天平数值的差值δm=m
x-m0与秒表数值的差值δt=t
x-t0，计算二者的比例δm/δt，即为蒸发材料的实时蒸发率。
16.本发明具有以下有益效果：1、本发明氙灯可以在动滑轨上以不同速度移动，模拟一个自然日内太阳辐射角度的变化，也可模拟蒸发材料处于不同纬度地区的使用状况。
17.2、本发明氙灯可以改变光照强度，模拟一个自然日内太阳辐射强度的变化。
18.3、本发明秒表、天平、图形检测单元、电机均通过数据传导线连接至同一台电脑，可实现蒸发水效率的实时监测，并可与蒸发材料表面温度建立效能关系。
附图说明
19.图1是本发明的结构示意图；图2是本发明中动滑轨的结构示意图；
图3是本发明中开槽滑轨段的结构示意图；图4是本发明中未开槽滑轨段的结构示意图；图5是图2的侧视图；图6是本发明中旋转支撑台的结构示意图；图7是本发明中倾斜支撑台的结构示意图；图8是图7的右视图；图9是本发明中大面积蒸发材料和小面积蒸发材料的结构示意图；图10是本发明氙灯的结构示意图；图11是本发明上支架相对下支架的伸缩运动示意图；图12是本发明氙灯的运行轨迹示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
21.实施例1如图1所示，一种太阳能蒸发水实时监测装置，包括蒸发材料1；绝缘材料2；液态水3；容器4；天平5；氙灯6；动滑轨7；滑轨电机8；旋转支撑台9；上支架10；下支架11；倾斜支撑台12；加热丝13；加湿器14；图形检测单元15；秒表16；控制模块17；电脑18；容器4，内部设置有液态水3；蒸发材料1，设置于容器4内部，用于蒸发液态水3；绝缘材料2，设置于容器4内部；天平5，设置于容器4的下部，用于实时记录蒸发液态水3质量；动滑轨7，用于安装氙灯6，并用于氙灯6的移动；氙灯6，与动滑轨7相连接，用于模拟太阳辐射；电机，与氙灯6相连接；秒表16，用于记录蒸发液态水3的时间；图形检测单元15，用于实时记录蒸发材料1表面温度、面积和轴向高度，图形检测单元15优选为红外摄像机；支撑架，用于固定动滑轨7与图形检测单元15。
22.蒸发材料1漂浮于装有液态水3的容器4内，液态水3上表面其余区域由绝缘材料2填充。
23.绝缘材料2为具有防水、隔热等特性的聚合物泡沫，选用聚乙烯泡沫或硅橡胶泡沫。
24.秒表16、天平5、红外摄像机、电机均通过数据传导线连接至同一台电脑18，可实时记录数据。
25.氙灯6在电机的控制下沿动滑轨7的移动速度为10mm/h~100mm/h。
26.氙灯6在电机的控制下的光照强度为1kw/m2~5kw/m2。
27.上支架10与下支架11通过齿轮-齿条连接，具体地，下支架11上设置有齿条，上支架10与下支架11相对应的位置设置有齿轮，通过齿轮-齿条结构，使上支架10与下支架11可做相对运动，使得上支架10带动动滑轨7等部件相对下支架11升高/降低；下支架11与倾斜
支撑台12为刚性连接；图形检测单元15可以检测蒸发材料1的表面温度、外尺寸（即面积）和轴向高度。通过图形检测单元15获取蒸发材料1的大小形状信息，调整倾斜支撑台12、动滑轨7，实现不同尺寸的蒸发材料1在同一相对位置或同样照射距离上受到氙灯照射的距离、角度、光照强度，提高检测蒸发水效率的检测精度。
28.当蒸发材料1样品的上表面面积超过s1时：电脑18通过控制模块17，控制安装于上支架10上的滑轨电机8通过滑轨丝杠7i的顺时针转动，带动丝杠螺母7h向上移动，从而通过连杆7d、7e带动固定元件7g、7f向上移动，使开槽滑轨段7b向外舒展，致使动滑轨7所形成的氙灯移动弧形轨道变大，适应横切面面积较大的蒸发材料1样品，反之。
29.当蒸发材料1样品的轴向高度超过h1时：电脑18通过控制模块17，控制安装于下倾斜支撑台12b上的升降电机12c能够带动升降杆12d向上移动，从而带动挡板12e向上移动，使上倾斜支撑台12a向上移动，致使动滑轨7、滑轨电机8、上支架10、下支架11的组成同步远离样品，以适应轴向高度较大的蒸发材料1样品，反之。
30.上述两个调节，可以单独调节，也可同时调节，实现不同尺寸的蒸发材料1样品表面与氙灯6的距离相同。
31.具体地，如图2、图5所示，动滑轨7包括位于中部的开槽滑轨段7b，开槽滑轨段7b的两端一体连接有未开槽滑轨段7a，7c，滑轨电机8上端连接滑轨丝杠7i，滑轨电机8下端连接开槽滑轨段7b，滑轨丝杠7i上设置有丝杠螺母7h，丝杠螺母7h内部开槽与滑轨丝杠7i配合，开槽滑轨段7b和未开槽滑轨段7a，7c的连接处设置有固定元件7f，7g，固定元件7f，7g与丝杠螺母7h之间连接有连杆7d，7e，滑轨电机8与l型的上支架10的水平杆相连，上支架10的竖直杆与直线型的下支架11活动连接；下支架11固定在倾斜支撑台12上。
32.本实施例中，针对不同上表面面积和轴向高度的蒸发材料1样品，动滑轨7弧形轨道的弧度需要调节，开槽（即开槽滑轨段7b）的目的是使弧形轨道具有更好的弹性，使其能在更大的范围内弯曲以调节弧度。
33.开槽滑轨段7b的材质为低碳钢（含碳量小于0.2%）。
34.如图3所示，为开槽滑轨段7b的结构示意图，如其正视图可见，其开槽用于滑动连接氙灯6，如其侧视图可见，在开槽滑轨段7b的外面表上、下间隔式设置有若干凹槽。
35.如图4所示，为未开槽滑轨段7a，7c的结构示意图，如其正视图可见，其开槽用于滑动连接氙灯6，如其侧视图可见，在未开槽滑轨段7a，7c的外表面上未见凹槽。
36.如图6所示，动滑轨7下方的容器4底面上设置有天平5，天平5上放置有旋转支撑台9，旋转支撑台9上设置有容器4。
37.旋转支撑台9包括下旋转支撑台9a，下旋转支撑台9a的下表面设置有旋转电机，旋转电机上设置有旋钮9f，下旋转支撑台9a的上表面设置有第一伸缩电机9b和第二伸缩电机9e，第一伸缩电机9b和第二伸缩电机9e的伸缩头顶端连接有上旋转支撑台9c，上旋转支撑台9c上设置有用于对容器4进行限位的侧挡板9d。通过控制第一伸缩电机9b和第二伸缩电机9e的伸出长度，可控制上旋转支撑台9c与地面的倾斜角度，以模拟实验材料（即蒸发材料1）所处不同的实际地理纬度，并可控制上旋转支撑台9c作圆周旋转，以模拟太阳公转致使实验材料（处于地球上某一固定位置时）受太阳辐射的变化情况。
38.如图7~图8所示，倾斜支撑台12包括上倾斜支撑台12a，上倾斜支撑台12a为上表面倾斜的楔形，上倾斜支撑台12a的倾斜角度为23
°
26'，模拟地球的地轴倾斜角度。上倾斜支
撑台12a的下方设置有下倾斜支撑台12b，下倾斜支撑台12b的上表面设置有升降电机12c，升降电机12c的升降杆12d顶端连接有挡板12e，挡板12e与上倾斜支撑台12a相连，上倾斜支撑台12a和下倾斜支撑台12b之间连接有可伸缩的倾台导向杆12f，12g，12h，12i，可伸缩的倾台导向杆12f，12g，12h，12i为套杆结构。
39.如图9所示，本发明能够实现不同尺寸的蒸发材料1样品的自适应调整。针对横切面面积不同的蒸发材料1样品：安装于上支架10上的滑轨电机8通过滑轨丝杠7i的逆时针或顺时针转动，带动丝杠螺母7h上下移动，从而通过连杆7d、7e带动固定元件7g、7f上下移动，使开槽滑轨段7b向内聚拢或向外舒展，致使动滑轨7所形成的氙灯移动弧形轨道的直径变小或变大，以适应不同横切面面积的样品。针对轴向高度不同的样品：安装于下倾斜支撑台12b上的升降电机12c能够带动升降杆12d上下移动，从而带动挡板12e上下移动，使上倾斜支撑台12a上下移动，致使动滑轨7、滑轨电机8、上支架10、下支架11的组成同步远离或靠近样品，以适应不同轴向高度的样品。实现不同尺寸的样品表面与氙灯的相对距离相同。
40.如图10和图12所示，为氙灯6的结构示意图，氙灯6包括氙灯罩6a，氙灯罩6a的上部（即滑块，滑块与电机相连，电机与位移检测模块相连，位移检测模块与控制模块17相连，控制模块17用于对氙灯6移动速度、方向、往复次数进行控制；电机还与光照监测模块相连，光照监测模块与控制模块17相连，控制模块17用于对氙灯6光照强度进行控制；位移检测模块可以是滑动变阻式传感器，例如竹中dl系列；光照监测模块可以是光敏电阻式传感器，例如虹润nhr-mt30系列）与未开槽滑轨段7a、7c和开槽滑轨段7b的下部可配合，使氙灯6在动滑轨7上运动，模拟地球自转（太阳东升西落）。氙灯罩6a下面设置有氙灯光源6b。例如：模拟一个地球自然日的时间长度为x小时，则氙灯6从动滑轨7的一端向另一端转动，转动角度为180
°
，转动时间为x/2小时，初始光照强度为0.5kw/m2，以每x/24小时0.25kw/m2的速率上升至2kw/m2，此转动时间为x/4小时；再以每x/24小时0.25kw/m2的速率下降至0.5kw/m2，此转动时间为x/4小时。氙灯6向初始端的回程，转动角度为180
°
，转动时间为x/2小时，光照强度恒为0kw/m2。
41.图11为上支架10相对下支架11的伸缩运动示意图，模拟地球绕太阳公转时的轨迹为椭圆形，因此存在近日点和远日点。由于齿轮旋转360
°
的时间长度为365x小时，因此上支架10相对下支架11伸长z厘米的时间为 365x/4小时，再相对下支架11缩短z厘米的时间为365x/4小时，以此往复。
42.本发明的监测装置设置于透明箱体内，箱体内设置有加热丝13，加湿器14向箱体内提供湿度，控制模块17用于控制氙灯6、滑轨电机8、旋转电机、第一伸缩电机9b、第二伸缩电机9e、升降电机12c、加热丝13和加湿器14；天平5、秒表16、控制模块17、图形检测单元15、加热丝13和加湿器14分别与电脑18相连。
43.加热丝13和加湿器14可控制蒸发材料1样品在蒸发水的过程中，模拟其实际使用地区的气候（温湿度）。
44.本实施例中，各电气元件均由电源供电，电源优选为市电。控制模块17优选为cpu。各元件，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
45.实施例2一种太阳能蒸发水实时监测方法，通过控制模块17控制氙灯6的移动速度及光照强度，由光照监测模块监测、控制模块17控制氙灯6的光照强度状态，电机的位移检测模块
监测、控制模块17控制氙灯6在动滑轨7上的移动状态；容器4内盛有液态水3；由电脑18连接的天平5可连续记录上方装置的质量变化；由电脑18连接的红外摄像机可连续记录蒸发材料1上表面的温度变化；由电脑18连接的秒表16可连续记录时间变化。由电脑18连接的红外摄像机还可检测蒸发材料1的面积和轴向高度，继而进行调整。
46.在本实施例中，容器4选用硅橡胶泡沫材料，直径为100mm，壁厚0.5mm。绝缘材料2选用聚乙烯泡沫材料，直径为100mm，厚度5mm，中心部位放置蒸发材料1。氙灯6在动滑轨7上做往复运动，速度为50mm/h。氙灯6的初始光照强度为1kw/m2，以每小时1kw/m2的速率上升至5kw/m2，再以每小时1kw/m2的速率下降至1kw/m2，如此往复。
47.具体地，一种太阳能蒸发水的实时监测方法，包括以下步骤：步骤100，通过氙灯6模拟太阳光；氙灯6可以在电机的控制下沿氙灯滑轨（即动滑轨7）滑动，其光照强度可在1kw/m2~5kw/m2范围内调节，模拟太阳在一个自然日内的角度、光照强度变化。
48.步骤200，打开氙灯6，按下秒表16，记录t0时刻天平数值m0、红外摄像机温度数值k0；这里将t0时刻，天平记录的质量记作m0，红外摄像机的温度记作k0。
49.在执行步骤300之前，还可执行以下步骤：步骤110，控制氙灯6沿氙灯滑轨滑动，速度为10mm/h~100mm/h；步骤120，控制氙灯6光照强度在1kw/m2~5kw/m2范围内调节；上述步骤110和步骤120可以单独执行，也可同时执行，也可两个步骤均不执行。通过执行上述步骤110和步骤120可对模拟真实环境中太阳高度角的变化以及光照强度的变化。
50.步骤300，通过电脑18连续记录t
x
时刻，天平数值m
x
、红外摄像机数值k
x
；这里将t
x
时刻，天平记录的质量记作m
x
，红外摄像机的温度记作k
x
。
51.步骤400，计算蒸发材料的太阳能驱动水蒸发的实时效率；这里将电脑18获取天平数值的差值（δm=m
x-m0）与秒表16数值的差值（δt=t
x-t0），计算二者的比例（δm/δt）即为蒸发材料的实时蒸发率。
52.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。