高效凹面聚光集熱海水蒸餾淡化及供暖混合裝置

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*

(上海電力學院電氣工程學院上海201400)

張庚華

(武警政治學院訓練部信息管理中心上海200435)

何璟恒柳博偉陳東生

(上海電力學院電氣工程學院上海201400)

指導教師：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上,通過綜合利用所獲得的太陽熱輻射能實現海水淡化蒸餾、溫差發電以及溫箱供暖，從而達到太陽能高效綜合利用的目的.為島礁等特殊環境下的海水淡化與供暖需求提供一種途徑.

關鍵詞：凹面聚光海水淡化溫差發電供暖

收稿日期：(2014-06-03)

作者簡介：*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拓，另一方面,從廣袤的海洋中汲取淡水也尤為重要.在工業上，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，能耗較高，后者技術要求高,成本較高,并且要想實現較好的經濟效益二者的規模都十分龐大.

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

2裝置設計與基本原理

2.1聚光供熱

2.1.1基本原理

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

2.1.2機械部分

在有陽光直射的屋頂或者空曠處安裝好太陽灶，對準焦面，然后在焦面通過架子固定好熱交換裝置，從熱交換裝置中引出3根管道，分別為海水進水口管道、出水口管道和淡化海水出水口管道，屋內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灶，可折疊，方便安裝，灶體重量輕，容易搬運，采用優質碳鋼，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　太陽灶實物裝置圖

晴日功率：1 000 W

焦斑溫度：800℃

直徑大小：150 cm

重量：15 kg

(注：以上數據為市面上出售的太陽灶標稱功率.通俗地表述，以2.5 m2太陽灶為例，用好的反光膜燒開4kg自來水最快只需要17～18min.)

2.1.4系統原理

如圖2所示，該系統主要由太陽灶、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.其中海水經過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，直接輸入室內的散熱片實現供暖，或者儲存到高效保溫箱備用.

圖2　系統原理圖

①太陽灶;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，經過壺壁向容器內四周不斷添加海水.海水經過被太陽灶加熱后的壺底部后被加熱并一部分轉變為蒸汽，如2箭頭所示.蒸汽上升到頂部，遇到冷海水經過的壺蓋后，冷凝為淡水，如3箭頭所示，順著凹陷的壺蓋匯集到壺內固定好的漏斗中，并經過管道輸出，經收集后備用.而剩余部分未來得及蒸發的被加熱的海水，則從底部的孔中流出經由保溫管道輸出.另外為了增加熱水的質量，可以在壺底部增設一個溫控開關，當壺底達到一定溫度時開關打開，才使海水流入[2].

2.3供暖

輸出的熱水，經過保溫管道，可以直接輸送到室內，流經常規的暖氣散熱片，即可達到供暖的目的.也可用高性能的保溫箱進行儲存，方便隨時供暖，以及夜間或沒有太陽光時段供暖.

2.4溫差發電

溫差熱發電技術是一種利用高、低溫熱源之間的溫差，采用低沸點工作流體作為循環工質，在朗肯循環基礎上，用高溫熱源加熱并蒸發循環工質產生的蒸汽推動透平發電的技術.主要是利用塞貝爾效應，將熱能直接轉換為電能.以半導體溫差發電模塊為基礎制造的半導體發電機,只要半導體兩端存在溫差即可發電，如圖4[3].

圖4　溫差發電示意圖

3裝置可行性驗證

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

經過實際的實驗測試得出了如表1所示的相關數據(選用直徑1.8 m球面太陽灶，晴日室溫16℃)，并表明了該裝置的切實可行性.

表1　裝置各方面效率參數

圖5　可行性驗證裝置

4結束語

本裝置通過常用的便攜的組件相結合，為小規模的綠色海水淡化以及供暖提供了一種方式.雖然沒能做出完全依照設計實現的實物，但通過現有的條件，從側面驗證了該套裝置具有一定可行性.在現今構建環境友好型社會的要求下具有較為領先的意義.

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

參 考 文 獻

1任宏琛,陳曉夫.太陽灶技術.北京:化學工業出版社,2006

2趙國華,童忠東. 海水淡化工程技術與工藝.北京:化學工業出版社,2004

3吳郅俊,廖承菌，等.半導體溫差發電期間應用探討.云南師范大學學報(自然科學版),2013(5):23～26

4鄭鴻飛.太陽能海水淡化原理與技術.北京:化學工業出版社,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