高效凹面聚光集熱海水蒸餾淡化及供暖混合裝置

宋春龍梅超悅*

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院上海201400)

張庚華

(武警政治學(xué)院訓(xùn)練部信息管理中心上海200435)

何璟恒柳博偉陳東生

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院上海201400)

指導(dǎo)教師：陳東生(1978-)，男，博士，副教授，主要從事薄膜電池研究.

摘 要：在便攜的高效凹面聚光集熱裝置基礎(chǔ)上,通過(guò)綜合利用所獲得的太陽(yáng)熱輻射能實(shí)現(xiàn)海水淡化蒸餾、溫差發(fā)電以及溫箱供暖，從而達(dá)到太陽(yáng)能高效綜合利用的目的.為島礁等特殊環(huán)境下的海水淡化與供暖需求提供一種途徑.

關(guān)鍵詞：凹面聚光海水淡化溫差發(fā)電供暖

收稿日期：(2014-06-03)

作者簡(jiǎn)介：*宋春龍(1991-)，男，在讀本科生.

1引言

隨著能源的日益短缺，一方面,能量的獲取新方式亟待開(kāi)拓，另一方面,從廣袤的海洋中汲取淡水也尤為重要.在工業(yè)上，通常采用的熱蒸餾法以及半透膜法，其中前者常以煤電作為代價(jià)，能耗較高，后者技術(shù)要求高,成本較高,并且要想實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益二者的規(guī)模都十分龐大.

本文闡述了基于蒸餾法，利用高效凹面聚光集熱裝置，聚集太陽(yáng)熱輻射加熱蒸餾裝置達(dá)到海水蒸餾淡化、溫箱供暖目的的一套裝置.并接上溫差發(fā)電組件，將所得熱能轉(zhuǎn)化為電能，以保障自身電能使用.從而實(shí)現(xiàn)島礁、船只等特殊環(huán)境下小規(guī)模的海水淡化與供暖需求，同時(shí)保證了能耗的清潔、可再生.

2裝置設(shè)計(jì)與基本原理

2.1聚光供熱

2.1.1基本原理

選用凹面聚光太陽(yáng)灶，其聚光面為凹球面形鏡面.太陽(yáng)光平行主軸垂直照射凹球面，遇到鏡面反光，則光線都會(huì)反射聚焦到定點(diǎn)位置，達(dá)到聚光的效果.只要將盛裝海水的容器置于光線會(huì)聚的焦面便可達(dá)到加熱的目的[1].

2.1.2機(jī)械部分

在有陽(yáng)光直射的屋頂或者空曠處安裝好太陽(yáng)灶，對(duì)準(zhǔn)焦面，然后在焦面通過(guò)架子固定好熱交換裝置，從熱交換裝置中引出3根管道，分別為海水進(jìn)水口管道、出水口管道和淡化海水出水口管道，屋內(nèi)安裝的是散熱片以及蒸餾水收集箱.

2.1.3凹面聚光裝置介紹

使用的凹面聚光裝置主體為六瓣型太陽(yáng)灶，可折疊，方便安裝，灶體重量輕，容易搬運(yùn)，采用優(yōu)質(zhì)碳鋼，抗腐蝕，不生銹，采用真空鍍鋁反光薄膜，反光效率為97%，工作效率極高，如圖1所示.

圖1　太陽(yáng)灶實(shí)物裝置圖

晴日功率：1 000 W

焦斑溫度：800℃

直徑大?。?50 cm

重量：15 kg

(注：以上數(shù)據(jù)為市面上出售的太陽(yáng)灶標(biāo)稱功率.通俗地表述，以2.5 m2太陽(yáng)灶為例，用好的反光膜燒開(kāi)4kg自來(lái)水最快只需要17～18min.)

2.1.4系統(tǒng)原理

如圖2所示，該系統(tǒng)主要由太陽(yáng)灶、加熱蒸餾壺、海水輸送管、淡水/熱水輸出管、淡水收集/散熱裝置這幾部分組成.其中海水經(jīng)過(guò)海水輸送管送入加熱蒸餾壺后，海水的加熱以及蒸餾均在加熱蒸餾壺中完成，而蒸餾水隨輸出管道輸出收集備用，熱水也由保溫管道輸出后，直接輸入室內(nèi)的散熱片實(shí)現(xiàn)供暖，或者儲(chǔ)存到高效保溫箱備用.

圖2　系統(tǒng)原理圖

①太陽(yáng)灶;②加熱蒸餾壺;③海水輸送管;④淡水/熱水輸出管;⑤淡水收集/散熱裝置

2.2海水蒸餾

加熱蒸餾壺放大圖如圖3所示.

圖3　加熱蒸餾壺原理圖

其原理為，如1箭頭所示，海水從上端緩慢流入中空凹陷壺蓋，經(jīng)過(guò)壺壁向容器內(nèi)四周不斷添加海水.海水經(jīng)過(guò)被太陽(yáng)灶加熱后的壺底部后被加熱并一部分轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?，?箭頭所示.蒸汽上升到頂部，遇到冷海水經(jīng)過(guò)的壺蓋后，冷凝為淡水，如3箭頭所示，順著凹陷的壺蓋匯集到壺內(nèi)固定好的漏斗中，并經(jīng)過(guò)管道輸出，經(jīng)收集后備用.而剩余部分未來(lái)得及蒸發(fā)的被加熱的海水，則從底部的孔中流出經(jīng)由保溫管道輸出.另外為了增加熱水的質(zhì)量，可以在壺底部增設(shè)一個(gè)溫控開(kāi)關(guān)，當(dāng)壺底達(dá)到一定溫度時(shí)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，才使海水流入[2].

2.3供暖

輸出的熱水，經(jīng)過(guò)保溫管道，可以直接輸送到室內(nèi)，流經(jīng)常規(guī)的暖氣散熱片，即可達(dá)到供暖的目的.也可用高性能的保溫箱進(jìn)行儲(chǔ)存，方便隨時(shí)供暖，以及夜間或沒(méi)有太陽(yáng)光時(shí)段供暖.

2.4溫差發(fā)電

溫差熱發(fā)電技術(shù)是一種利用高、低溫?zé)嵩粗g的溫差，采用低沸點(diǎn)工作流體作為循環(huán)工質(zhì)，在朗肯循環(huán)基礎(chǔ)上，用高溫?zé)嵩醇訜岵⒄舭l(fā)循環(huán)工質(zhì)產(chǎn)生的蒸汽推動(dòng)透平發(fā)電的技術(shù).主要是利用塞貝爾效應(yīng)，將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能.以半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊為基礎(chǔ)制造的半導(dǎo)體發(fā)電機(jī),只要半導(dǎo)體兩端存在溫差即可發(fā)電，如圖4[3].

圖4　溫差發(fā)電示意圖

3裝置可行性驗(yàn)證

由于制作條件有限，本文未能完全按照設(shè)計(jì)完成蒸餾壺等部件，但通過(guò)可靠的部件替代制成如圖5所示的裝置.

經(jīng)過(guò)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出了如表1所示的相關(guān)數(shù)據(jù)(選用直徑1.8 m球面太陽(yáng)灶，晴日室溫16℃)，并表明了該裝置的切實(shí)可行性.

表1　裝置各方面效率參數(shù)

圖5　可行性驗(yàn)證裝置

4結(jié)束語(yǔ)

本裝置通過(guò)常用的便攜的組件相結(jié)合，為小規(guī)模的綠色海水淡化以及供暖提供了一種方式.雖然沒(méi)能做出完全依照設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的實(shí)物，但通過(guò)現(xiàn)有的條件，從側(cè)面驗(yàn)證了該套裝置具有一定可行性.在現(xiàn)今構(gòu)建環(huán)境友好型社會(huì)的要求下具有較為領(lǐng)先的意義.

特別值得一提的是，海水中溶解的氣體絕大多數(shù)為大氣中所含氣體，而其他溶解的易揮發(fā)物如溴等含量甚微，而一次蒸餾淡化海水的途徑目前也具有較為廣泛的應(yīng)用.因此，默認(rèn)在本面向中小型海水淡化需求的裝置中，對(duì)蒸餾結(jié)果影響甚微[4].

參 考 文 獻(xiàn)

1任宏琛,陳曉夫.太陽(yáng)灶技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006

2趙國(guó)華,童忠東. 海水淡化工程技術(shù)與工藝.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004

3吳郅俊,廖承菌，等.半導(dǎo)體溫差發(fā)電期間應(yīng)用探討.云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013(5):23～26

4鄭鴻飛.太陽(yáng)能海水淡化原理與技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013

A Mixed Device of Seawater Distillation-Desalination and

Heating with High Efficiency Concave Collecting Light and Heat

Song ChunlongMei Chaoyue

(Shanghai University of Electric Power,Shanghai201400)

Zhang Genghua

(Politics Acadamy of Chinese Armed Police Force,Shanghai200435)

He JinghengLiu BoweiChen Dongsheng

(Electric Power Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai201400)

Abstract：On the basic of the high efficiency concave, using the light and heat of the sun to distill seawater, generate electricity and heating. Then we can using the power of the sun efficiently, what offer a way to distill seawater, generate electricity and heating in many special places.

Key words：concave; seawater distillation; thermo-electric generation; heating