一种应用于小型岛礁的太阳能温差发电与空气取水一体化装置的制作方法

本发明涉及多能互补及可再生能源利用、温差发电、热电制冷技术领域，具体而言，尤其涉及一种应用于小型岛礁的太阳能温差发电与空气取水一体化装置。

背景技术：

我国是一个海洋大国，海洋面积广袤，随着当今世界各国海洋意识的提升，海洋的开发与海洋权益保护日渐引起重视，海洋中的岛礁更是维护海洋权益的前沿阵地。目前我国有很多小型岛礁，陆地面积较小且地处偏远，仅容得下很少的人生活居住或者不适宜人类居住，如海洋中的岩礁，不能维持人类居住或者其本身的经济生活，但是作为国家领土的一部分，对于一个国家的主权来说必不可缺，或者海面中的小型礁石或者礁盘，平时仅驻守很少的士兵或者仅作为周期性巡防人员巡视登岛的临时落脚点。

在这种情况下，采用传统发电手段不具有可行性，例如柴油发电所需要的柴油需要从大陆运输到海岛上，运输成本高且运输周期较长。同时，由于陆地面积小，蓄水能力有限，淡水资源匮乏，淡水保障需要依靠外部补给，在特殊时期容易受复杂军事斗争和台风影响。以上问题严重制约了我国海洋开发与海洋权益保护战略实施。所以实现该种小型岛礁的电能与淡水的自给自足对于国家国防战略与海洋的开发具有重要的意义。而现有的装置一般功能多为发电或者制淡水，功能过于单一，不能同时解决电力与淡水短缺的问题。同时，装置布置工程量大，成本较高，且对于岛礁周边海洋环境造成了一定影响。

因此，有必要开发一种新型的集温差发电与制淡水与一体的装置用以有效解决以上问题。

技术实现要素：

根据上述提出小型岛礁地形的特殊性导致的电力与水力短缺的技术问题，而提供一种应用于小型岛礁的太阳能温差发电与空气取水一体化装置。本发明可以同时实现发电与取水两种功能，且提供了一种自动补水装置，可以为一体化主单元的开式水箱中的海水补给因蒸发而带来的损失水量。在白天日照充足的情况下，利用塞贝克效应进行太阳能温差发电，并将产生的电能存入蓄电装置中，可以为小型岛礁的一些用电设备如航标、导航设备、监测设备等供电。而在夜晚，空气湿度变大，利用帕尔帖效应冷凝湿空气取水，以满足岛上人员的日常淡水需求或者为巡防登岛人员提供淡水。

本发明采用的技术手段如下：

一种应用于小型岛礁的太阳能温差发电与空气取水一体化装置，其特征在于，包括：

槽式太阳能集热单元，用于加热传热介质使其升温并保持预设温度，所述槽式太阳能集热单元通过工质泵与一体化主单元中的温差发电组件相连，将传热介质泵送到所述一体化主单元作为温差发电组件的热端；

一体化主单元，用于温差发电与空气取水，包括一个开式水箱、温差发电组件、设置在所述开式水箱下部的半导体制冷片以及设置在所述半导体制冷片的冷凝室，其中，所述温差发电组件包括设置在所述开式水箱四周的温差发电片和设置在所述温差发电片的外侧的热端面板，所述热端面板的内部设有用于通入高温传热介质的蛇形流道；

自动补水单元，用于补给所述开式水箱中的海水蒸发，所述自动补水单元的补水软管与所述开式水箱上的补水口相连通；

加湿与预冷单元，包括与设置在所述开式水箱侧面的加湿室入口相连通的加湿室、促进空气进入冷凝室同时提高加湿室中海水蒸发的风扇以及预冷器，所述预冷器用于将从所述加湿室中出来的湿空气与从所述冷凝室上出来不凝气在所述预冷器中进行热交换并预冷；

蓄电与供电单元，储存温差发电产生的电能与蓄电装置中，用于供给小型岛礁上的用电设备及作为夜晚冷凝取水的电能来源。

进一步地，所述开式水箱内盛装有海水，当白天阳光充足时，所述一体化主单元处于发电工况，所述开式水箱中的海水作为温差发电组件的冷端；当夜晚取水工况时，所述开式水箱中的海水作为半导体制冷片的散热端，所述半导体制冷片的冷端位于所述冷凝室的顶部，通过帕尔帖制冷效应冷却进入冷凝室内的湿空气至露点以下。

进一步地，经所述槽式太阳能集热单元加热后的传热介质通过工质泵分别泵送到所述热端面板的蛇形流道中作为温差发电的热端，所述传热介质分别在四周的热端面板内的蛇形流道中流过，后流出热端面板回到所述槽式太阳能集热单元进行再升温后再次流回热端面板内的蛇形流道进行温差发电；所述热端面板上的传热介质流入口与流出口相对设置，使开式水箱中海水温度保持均匀。

进一步地，所述冷凝室中的半导体制冷片的冷端与所述冷凝室的四周设有用于促进液滴聚集变大的聚四氟乙烯疏水膜，所述冷凝室内还设有回流板，所述开式水箱底部设有向下开口的出水口，淡水通过出水口流经过滤器流入储水器中。

进一步地，所述自动补水单元主要由内水箱、外水箱、设置在所述内水箱外部的浮力装置、固定在所述外水箱下部的顶杆以及设置在所述内水箱底部的封口片、弹簧和补水软管组成，其中，所述封口片的两端通过弹簧与所述内水箱的底部相连接。

进一步地，所述外水箱的底部设有通海口，所述浮力装置外部设有若干个滑块，所述滑块与设置在所述外水箱内侧的导轨滑道相连接，所述内水箱通过所述浮力装置浮在所述外水箱内部的液面上。

进一步地，当所述内水箱处于落潮较低水位时，所述顶杆将所述封口片顶开，海水进入所述内水箱中；当所述内水箱处于涨潮高水位时，所述封口片将内水箱的进水口密封，所述内水箱在所述浮力装置的带动下升高直至补水软管向所述开式水箱内补水。

进一步地，所述冷凝室的一侧上端设有空气进入口和设置在所述冷凝室一侧下端的不凝气体排出口，所述预冷器设置在不凝气排出管路上，不凝气体与即将进入冷凝室内的湿空气在预冷器中进行热交换对进气进行预冷，回收排出的不凝气体中的部分冷量。

进一步地，所述加湿室底部与所述开式水箱相通，所述开式水箱中的海水利用连通器原理引入加湿室中作为加湿源，所述加湿室入口为可提高空气流速及蒸发量的收缩型进气口。

进一步地，所述半导体制冷片热端的一部分不与开式水箱底部贴合，在悬出的半导体制冷片的上部设置重力热管，重力热管的冷端为加湿室内的海水，通过重力热管强化传热，将半导体制冷片热端热量传入加湿室中的海水，对海水加热促进蒸发。

本发明是一种将太阳能槽式温差发电与半导体制冷技术结合的装置，与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供了一种应用于偏远地区小型岛礁的装置，现有的同类装置功能过于单一，而本发明装置可以充分利用岛礁上丰富的太阳能进行温差发电，所产生的电能除可用于供给岛上的一些用电设备外，还可以在夜间通过冷凝湿空气取水，一举解决了小型岛礁上电能与淡水短缺的难题。

(2)本发明设计了一种利用潮汐现象对开式水箱进行补水的装置，不消耗电能，可有效节约岛上电能。

(3)本发明将温差发电与空气取水装置一体化，通过一个装置同时实现发电与取水功能，白天阳光充足时进行利用赛贝克效应进行太阳能温差发电，在夜晚可利用帕尔贴效应冷凝湿空气取水。

(4)本发明一体化主单元中的空气取水部分中的加湿器采用升温后的海水作为加湿源，风扇可提高冷凝室的进气量，同时也可提高加湿室内作为加湿源的海水表面空气流速，可加速海水表面蒸发，进而对进气进行加湿。该加湿室设计实现了对于风扇的再次利用，提高了空气取水子系统的取水量。

(5)本发明回收部分半导体制冷片热端散热的热量用于海水加湿，同时回收不凝气体的冷量对进气进行预冷，减少了能量的浪费。

(6)本发明清洁，无污染，对于海洋生态与环境保护具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明温差发电与空气取水一体化装置的结构示意图。

图2为本发明一体化主单元的结构示意图。

图3为本发明一体化主单元温差发电部分的俯视图。

图4为本发明自动补水单元的整体结构示意图。

图5为本发明自动补水单元的俯视图。

图6为本发明自动补水单元的内水箱进水口处的结构示意图。

图7为本发明自动补水单元的内水箱进水过程流程示意图，其中，(a)涨潮时，顶杆与封口片分开；(b)落潮时，顶杆与封口片接触，(c)落潮时，封口片被顶杆顶开；(d)涨潮中，封口片在弹簧作用下闭合。

图中：1、槽式太阳能集热单元；2、自动补水单元；21、内水箱；22、外水箱；23、补水软管；24、浮力装置；25、通海口；26、封口片；27、顶杆；28、弹簧；29、导轨滑道；3、工质泵；4、一体化主单元；41、补水口；42、开式水箱；43、温差发电片；44、加湿室入口；45、热端面板；46、半导体制冷片；47、回流板；5、风扇；6、加湿室；7、预冷器；8、冷凝室；81、空气进入口；82、不凝气体排出口；9、过滤器；10、储水器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种应用于小型岛礁的太阳能温差发电与空气取水一体化装置，包括：

槽式太阳能集热单元1，用于加热传热介质使其升温并保持预设约200℃的温度，所述槽式太阳能集热单元1通过工质泵3与一体化主单元4中的温差发电组件相连，将升温后的传热介质泵送到所述一体化主单元4作为温差发电组件的热端；同时，槽式太阳能集热单元1的日光跟踪装置，可保证日光入射强度最大，并在如台风、暴风雨等极端天气时实现自我保护。

如图2所示，一体化主单元4，用于温差发电与空气取水，包括一个开式水箱42、温差发电组件、设置在所述开式水箱42下部的半导体制冷片46以及设置在所述半导体制冷片46的冷凝室8，其中，所述温差发电组件包括设置在所述开式水箱42四周的温差发电片43和设置在所述温差发电片43的外侧的热端面板45，所述热端面板45的内部设有用于通入高温传热介质的蛇形流道；

所述开式水箱42内盛装有海水，当白天阳光充足时，所述一体化主单元4处于发电工况，所述开式水箱42中的海水作为温差发电组件的冷端；半导体制冷片46布置在开式水箱42底部，在夜晚岛礁空气湿度较大时，利用蓄电装置中剩余的电能冷凝湿空气实现空气取水，当夜晚取水工况时，所述开式水箱42中的海水作为半导体制冷片46的散热端，所述半导体制冷片46的冷端位于所述冷凝室8的顶部，通过帕尔帖制冷效应冷却进入冷凝室内的湿空气至露点以下。

如图3所示，经所述槽式太阳能集热单元1加热后的传热介质通过工质泵3分别泵送到所述热端面板45的蛇形流道中作为温差发电的热端，所述传热介质分别在四周的热端面板45内的蛇形流道中流过，后流出热端面板45回到所述槽式太阳能集热单元1进行再升温后再次流回热端面板45内的蛇形流道进行温差发电；所述热端面板45上的传热介质流入口与流出口相对设置，使开式水箱42中海水温度保持均匀。温差发电产生的电能储存在蓄电装置中，可以为小型岛礁上一些用电设备进行供电、为守岛或巡防登岛人员进行电能补充，多余的电能可在夜晚进行冷凝取水。

所述冷凝室8中的半导体制冷片46的冷端与所述冷凝室8的四周设有用于促进液滴聚集变大的聚四氟乙烯疏水膜，所述冷凝室8内还设有回流板47，所述开式水箱42底部设有向下开口的出水口，淡水通过出水口流经过滤器9流入储水器10中。

如图4所示，自动补水单元2，用于补给所述开式水箱42中的海水蒸发，无需消耗多余的电能，只需要利用海洋中的潮汐现象所引发的涨潮与落潮现象即可进行自动补水。所述自动补水单元2主要由内水箱21、外水箱22、设置在所述内水箱21外部的浮力装置24、固定在所述外水箱22下部的顶杆27以及设置在所述内水箱21底部的封口片26、弹簧28和补水软管23组成，其中，所述封口片26的两端通过弹簧28与所述内水箱21的底部相连接。

所述外水箱22的底部设有通海口25，通过连通器原理，保持外水箱22液面始终与外部海水液面相同；所述浮力装置24外部设有若干个滑块，所述滑块与设置在所述外水箱22内侧的导轨滑道29相连接，所述内水箱21通过所述浮力装置24浮在所述外水箱22内部的液面上。

如图5所示，当外水箱22内水位升高时，内水箱21浮力装置24在浮力作用下升高，浮力装置24上的滑块也随着浮力装置24的升高而沿着滑块向上移动。如图6所示，顶杆27位于外水箱22底部，封口片26两端通过弹簧28与内水箱21底部相连接。

当落潮，外水箱22内部液面较低，相应地内水箱21也处于一个较低的位置。顶杆27克服与封口片26两端弹簧28的弹力，封口片26被顶开，海水开始进入内水箱21，如图7(a)-(c)。

当涨潮时，随着外水箱22内侧液面的升高，内水箱21因为浮力装置的浮力作用也随着升高，封口片26与顶杆27分离，封口片26在弹簧28弹力作用下闭合，如图7(d)所示，海水停止进入内水箱21，此时内水箱21内海水高度高于外水箱22高度，内外水箱存在液面高度差。

随着涨潮进行，海水液面继续上升，内水箱21在浮力装置24的浮力作用下继续升高，当升高到一定程度时，补水软管23开始向开式水箱42内部补水。

加湿与预冷单元，包括与设置在所述开式水箱42侧面的加湿室入口44相连通的加湿室6、促进空气进入冷凝室8同时提高加湿室6中海水蒸发的风扇5以及预冷器7，所述预冷器7用于将从所述加湿室6中出来的湿空气与从所述冷凝室8上出来不凝气在所述预冷器7中进行热交换并预冷；

所述冷凝室8的一侧上端设有空气进入口81和设置在所述冷凝室8一侧下端的不凝气体排出口82，经过冷凝取水后的不凝气体通过排出口排出。所述预冷器7设置在不凝气排出管路上，不凝气体与即将进入冷凝室8内的湿空气在预冷器7中进行热交换对进气进行预冷，回收排出的不凝气体中的部分冷量。

加湿器6利用蒸发原理对冷凝室8中进气进行加湿，所述加湿室6底部与所述开式水箱42相通，所述开式水箱42中的海水利用连通器原理引入加湿室6中作为加湿源，在加湿室6进气口处安装小型风扇5，促进空气进入冷凝室8，同时提高加湿室6中待蒸发海水表面空气流速，促进加湿室6中海水蒸发。同时加湿室6空气入气口为收缩型进气口，可进一步提高加湿源表面空气流速，提高蒸发量进而提高冷凝取水量。

所述半导体制冷片46热端的一部分不与开式水箱42底部贴合，在悬出的半导体制冷片46的上部设置重力热管，重力热管的冷端为加湿室6内的海水，通过重力热管强化传热，将半导体制冷片46热端热量传入加湿室6中的海水，对海水加热促进蒸发。

加湿室6外进行隔热处理。

蓄电与供电单元，在白天太阳充足的情况下，太阳能温差发电产生的电能储存在蓄电装置中，以备岛上日常使用，可用来供给航标或者导航装置等其他用电设备，对于多余的电能，在夜晚利用帕尔贴效应冷凝湿空气取水，以备岛上人员或者巡防员日常使用，可有效解决岛上淡水短缺的问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。