CN109292868A - 太阳能蒸馏装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种太阳能蒸馏装置。所述太阳能蒸馏装置包括液体盛放结构、光热转化结构、冷凝结构和液体收集结构。所述液体盛放结构包括一容纳腔体。所述容纳腔体用于盛放待蒸馏液体。所述光热转化结构设置于所述液体盛放机构内。所述光热转化结构为多层螺旋锥体结构。所述光热转化结构包括可渗透基体层和与所述可渗透基体层层叠设置的光热材料层。所述光热材料层用以吸收光能而使所述可渗透基体层吸收的所述待蒸馏液体加热蒸发为蒸汽。所述冷凝结构设置于所述蒸汽流动方向上，用以将所述蒸汽冷凝为蒸馏水。所述液体收集结构与所述冷凝结构相邻设置。所述液体收集结构用以收集所述蒸馏水。
Description
技术领域
本申请涉及光热转换领域，尤其涉及一种太阳能蒸馏装置。
背景技术
随着经济的发展，水污染日益严重。淡水资源短缺目前已成为全球最严峻的挑战之一。海水淡化作为一种清洁、可持续的获得淡水的方式得到人们的关注。利用太阳能直接蒸发海水是一种有效的海水脱盐淡化的方法，且该方法不需要额外的能源供给，符合节能减排、可持续发展的要求。
但是传统水蒸馏中，由于太阳光不能被光热转化结构充分吸收并且光热转化结构存在一定的热量损失，因此光热转换效率以及水蒸气产生率普遍较低。
发明内容
基于以上，有必要针对光热转换效率以及水蒸气产生率低的问题，提供一种太阳能蒸馏装置。
本申请提供一种太阳能蒸馏装置。所述太阳能蒸馏装置包括液体盛放结构、光热转化结构、冷凝结构和液体收集结构。所述液体盛放结构包括一容纳腔体。所述容纳腔体用于盛放待蒸馏液体。所述光热转化结构设置于所述液体盛放机构内。所述光热转化结构为多层螺旋锥体结构。所述光热转化结构包括可渗透基体层和与所述可渗透基体层层叠设置的光热材料层。所述光热材料层用以吸收光能而使所述可渗透基体层吸收的所述待蒸馏液体加热蒸发为蒸汽。所述冷凝结构设置于所述蒸汽流动方向上，用以将所述蒸汽冷凝为蒸馏水。所述液体收集结构与所述冷凝结构相邻设置。所述液体收集结构用以收集所述蒸馏水。
在其中一个实施例中，所述光热转化结构20的锥体顶角为30°-150°。
在其中一个实施例中，所述光热转化结构的锥体顶角为90°。
在其中一个实施例中，所述光热转化结构的垂直高度为2cm-8cm
在其中一个实施例中，所述光热材料层为石墨、墨粉、石墨烯、氧化石墨烯或碳纳米管中的一种。
在其中一个实施例中，所述可渗透基体层为无纺布。
在其中一个实施例中，所述光热材料层为墨粉层。
在其中一个实施例中，所述光热材料层的厚度为10μm-300μm。
在其中一个实施例中，所述光热转化结构设置于所述冷凝结构和所述液体盛放结构围成的腔体内。
在其中一个实施例中，所述太阳能蒸馏装置还包括环形凹槽，所述环形凹槽设置于所述冷凝结构的底部，用以收集被所述冷凝结构冷凝后形成的液体。
在本申请提供的太阳能蒸馏装置中，在太阳光照条件下，所述光热转化结构中的所述光热材料层将会吸收光能并且转换为热能，从而可以将由所述可渗透基体层所吸收的所述待蒸馏液体加热，使其蒸发形成蒸汽。由于所述光热转化结构为多层螺旋锥体结构，多层螺旋锥体结构的所述光热转化结构具有较多水供应通道，这样可以向所述光热材料层供应更多的所述待蒸馏水，从而能够提高所述待蒸馏水的蒸发效率。另外，所述光热转化结构的表面温度低于所述待蒸馏液体的温度。这样由于温度引起的热辐射和对流损失会被抑制。多层螺旋锥体结构的所述光热转化结构也存在光热转化结构-空气-待蒸馏液体的结构，因此内部会存在逆向的热传导，从而具有较好的蒸发效果。多层螺旋锥体结构的所述光热转换结构的表面温度低于周围环境温度，这样外界环境的能量可以通过热传导被多层螺旋锥体结构的所述光热转化结构吸收，从而实现超过外界的能量供应，从而能够进一步提高水蒸气产生率和太阳能转换效率。这样将会有大量所述待蒸馏水在所述光热转化结构的作用下蒸发为蒸汽，大量蒸汽在所述冷凝结构上，降温冷凝为蒸馏水，然后被所述液体收集结构收集，从而实现了对所述待蒸馏水的净化、收集。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的所述太阳能蒸馏装置结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的所述光热转化结构的剖视图；
图3为本申请一实施例提供的所述光热转化结构的俯视图；
图4为本申请一实施例提供的不同角度的所述光热转化结构的水蒸发量对比图；
图5为本申请一实施例提供的所述光热转化结构的蒸发率随循环次数的变化示意图；
图6为本申请一实施例提供的所述光热转化结构的低倍扫描电镜图；
图7为本申请一实施例提供的所述光热转化结构截面的扫描电镜图。
附图标记说明
10：液体盛放结构
11：容纳腔体
20：光热转化结构
21：可渗透基体层
22：光热材料层
30：冷凝结构
40：液体收集结构
50：环形凹槽
100：太阳能蒸馏装置
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请的太阳能蒸馏装置进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
请参见附图1-3，本申请提供一种太阳能蒸馏装置100。所述太阳能蒸馏装置100包括液体盛放结构10、光热转化结构20、冷凝结构30和液体收集结构40。所述液体盛放结构10包括一容纳腔体11。所述容纳腔体11用于盛放待蒸馏液体。所述光热转化结构20设置于所述液体盛放机构10内。所述光热转化结构10为多层螺旋锥体结构。所述光热转化结构20包括可渗透基体层21和与所述可渗透基体层21层叠设置的光热材料层22。所述光热材料层22设置于所述多层螺旋结构的所述光热转化结构的外表面，用以吸收光能而使所述可渗透基体层21吸收的所述待蒸馏液体加热蒸发为蒸汽。所述冷凝结构30设置于所述蒸汽流动方向上，用以将所述蒸汽冷凝为蒸馏水。所述液体收集结构40与所述冷凝结构30相邻设置。所述液体收集结构40用以收集所述蒸馏水。
所述光热材料层22可以是金属纳米粒子、气凝胶以及碳基材料，在此不做限定。所述可渗透基体层21可以是亲水聚丙烯腈、亲水性多孔纸、聚苯乙烯泡沫、聚偏氟乙烯和聚氨酯泡沫等，在此不做限定。
在本实施例中，所述可渗透基体层21可以吸收待蒸馏液体。在太阳光照条件下，所述光热转化结构20中的所述光热材料层22将会吸收光能并且转换为热能，从而可以将由所述可渗透基体层21所吸收的所述待蒸馏液体加热，使其蒸发形成蒸汽。由于所述光热转化结构20为多层螺旋锥体结构，多层螺旋锥体结构的所述光热转化结构20具有较多水供应通道，这样可以向所述光热材料层22供应更多的所述待蒸馏水，从而能够提高所述待蒸馏水的蒸发效率。另外，所述光热转化结构20的表面温度低于所述待蒸馏液体的温度。这样由于温度引起的热辐射和对流损失会被抑制。多层螺旋锥体结构的所述光热转化结构20也存在光热转化结构-空气-待蒸馏液体的结构，因此内部会存在逆向的热传导，从而具有较好的蒸发效果。多层螺旋锥体结构的所述光热转换结构20的表面温度低于周围环境温度，这样外界环境的能量可以通过热传导被多层螺旋锥体结构的所述光热转化结构20吸收，从而实现超过外界的能量供应，从而能够进一步提高水蒸气产生率和太阳能转换效率。这样将会有大量所述待蒸馏水在所述光热转化结构的作用下蒸发为蒸汽，大量蒸汽在所述冷凝结构30上，降温冷凝为蒸馏水，然后被所述液体收集结构40收集，从而实现了对所述待蒸馏水的净化、收集。
在一个实施例中，所述光热转化结构20的锥体顶角为30°-150°。
所述光热转化结构20为多层螺旋锥体结构。所述多层螺旋锥体结构的锥体顶角角度为所述光热转化结构的锥体顶角。随着所述锥体顶角的减小，所述光热转化结构20的光照面积逐渐增大。当所述多层螺旋锥体结构的角度为30°-150°时所述光热转化结构20具有较大的光照面积。而且，当所述所述多层螺旋锥体结构的角度为30°-150°时，所述光热转化结构20的垂直高度大小有利于所述待传输液体向所述光热材料层22的供应，这样可以保证有充分的待蒸馏液体的及时供应。另外，所述多层螺旋锥体结构的角度为30°-150°时可以避免所述多层螺旋锥体结构的角度过小造成传输高度过高，这样所述太阳能蒸馏装置100的高度也越高，在实际应用中可能会占据较大的空间，带来使用上的不方便。
在一个实施例中，所述光热转化结构的锥体顶角为90°。
随着所述锥体顶角的减小，所述光热转化结构20的光照面积逐渐增大。当所述多层螺旋锥体结构的角度为90°时所述光热转化结构20不仅具有较大的光照面积，而且所述光热转化结构20的垂直高度大小有利于所述待传输液体向所述光热材料层22的供应，这样可以保证有充分的待蒸馏液体的及时供应。这样所述光热转化结构20不仅具有较大的光照面积而且还能够为所述可渗透基体层21及时供应水分，不同角度的所述光热转化结构50的水蒸发量对比图如附图4所示，所述待蒸馏液体在所述光热转化结构20中具有较大的蒸发率，并且当锥体顶角为90°时具有最大的水蒸发率。
在一个实施例中，所述光热转化结构的垂直高度为2cm-8cm。
在本实施例中，所述光热转化结构20的垂直高度为2cm-8cm时，可以避免所述光热转化结构20的垂直高度过大造成的水分不能及时供而降低所述光热转化结构的水蒸发效率。
在一个实施例中，所述光热材料层22为石墨、墨粉、石墨烯、氧化石墨烯或碳纳米管中的一种。
光热转换是指通过反射、吸收或其他方式把太阳光所辐射的能量集中起来，然后转换成足够高温度的过程，以有效地满足不同负载的要求。所述光热材料层22包括石墨、墨粉、石墨烯、氧化石墨烯或碳纳米管中的一种。这样可以使所述光热材料层22的性能稳定，不易受到外界环境的影响。
在一个实施例中，所述可渗透基体层21为无纺布。
在一个实施例中，所述可渗透基体层21为无纺布。所述无纺布具有较好的吸水性，并且在完全浸湿时仍然能保持稳定的结构，这样可以实现所述光热转化结构20的多次循环使用。另外，所述无纺布类似一种多纤维纸，这样就更容易利用激光打印机将墨粉打印在上面，从而可以实现所述可渗透基体层21的批量化生产，从而可以提高所述光热转化结构20的制备效率。
在一个实施例中，光热材料层22为墨粉层。
墨粉(又称碳粉)的主要成分是由树脂和炭黑、电荷剂、磁粉等组成。在本实施例中，所述光热材料层22为墨粉层。所述墨粉层用于吸收光能，并将光能转化为热能。当使用所述墨粉层作为光热材料层22时，可以通过激光打印、化学沉积、喷涂等方式使墨粉附着于所述可渗透基体层21的表面，在此优选激光打印。采用激光打印的方法将墨粉打印在所述可渗透基体层21表面形成墨粉层时，这样操作过程简单并且很容易实现产业化制备。另外，采用墨粉作为光热材料层22时，所述墨粉可以牢固的结合于所述可渗透基体层21，在经过多次测试后仍然能够保持稳定的结构，未发现有任何脱落，以所述墨粉层做为光热材料层22时，待蒸馏液体在所述光热转化结构20表面的蒸发率随循环次数的变化如附图5所示，从图中可以看出随着循环次数的增加，水蒸发效率几乎不变，可见所述光热转化结构20的结构较稳定，可以循环利用。
请参见附图6、7，在一个实施例中，所述光热材料层22的厚度为10μm-300μm。
在本实施例中，所述光热材料层22的厚度为10μm-300μm。这样所述光热材料层22的碳粉可以尽可能均匀分布于所述可渗透基体层21，从而使所述可渗透基体层21的表面平整。所述光热材料层22的厚度也不能过大，过大会导致所述可渗透基体层21的孔洞堵塞，影响水运输。所述光热材料层22的厚度在10μm-300μm内，一方面可以保证足够的光吸收，同时又不影响水运输，这样可以实现较好的水蒸发效果。
在一个实施例中，所述光热转化结构20设置于所述冷凝结构30和所述液体盛放结构10围成的腔体内。
所述液体盛放结构10的容纳腔体被所述冷凝结构30包围。这样所述液体盛放结构10中的所有待蒸馏液体在所述光热转化结构20的作用下蒸发为蒸汽后均将接触所述冷凝结构30的表面并在所述冷凝结构30的作用下冷凝为液体，从而可以实现后续过程对所述冷凝液体的收集，这样可以保证所有的蒸汽均可在所述冷凝结构30表面冷凝从而可以大大提高冷凝后液体的收集效率。更进一步地，所述冷凝结构30的顶部为倾斜面，这样在重力的作用下，可以将周围及顶部冷凝液化的小水珠通过所述环形凹槽收集，然后再流入所述液体收集结构40中。在所述太阳能蒸馏装置100工作期间，可以通过供水侧持续供水。另外，所述太阳能蒸馏装置100是利用自然冷凝的方式，因此不需要外界提供额外的能量，更加的节能，同时又可以实现自动收集冷凝液体的效果。
在一个实施例中，所述太阳能蒸馏装置100还包括环形凹槽50，所述环形凹槽50设置于所述冷凝结构30的底部，用以收集被所述冷凝结构30冷凝后形成的液体。
在本实施例中，所述环形凹槽50设置于所述液体盛放结构10与所述光热转化结构20接触的表面四周。所述液体盛放结构10的四周被所述冷凝结构30包围，且所述环形凹槽50设置于所述容纳腔体11的四周。这样所述液体盛放结构10中的所有待蒸馏液体在所述光热转化结构20的作用下蒸发为蒸汽后均将接触所述冷凝结构30的表面并在所述冷凝结构30的作用下冷凝为液体。所述冷凝结构30周围及顶部冷凝液化的小水珠在重力的作用下可以通过所述环形凹槽50收集，然后再流入所述液体收集结构40中，这样可以大大提高所述冷凝液体的收集效率。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意组合，为使描述整洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种太阳能蒸馏装置(100)，其特征在于，包括：
液体盛放结构(10)，包括一容纳腔体(11)，所述容纳腔体(11)用于盛放待蒸馏液体；
光热转化结构(20)，设置于所述液体盛放机构(10)内，所述光热转化结构(20)为多层螺旋锥体结构，所述光热转化结构(20)包括可渗透基体层(21)和与所述可渗透基体层(21)层叠设置的光热材料层(22)，所述光热材料层(22)用以吸收光能而使所述可渗透基体层(21)吸收的所述待蒸馏液体加热蒸发为蒸汽；
冷凝结构(30)，设置于所述蒸汽流动方向上，用以将所述蒸汽冷凝为蒸馏水；
液体收集结构(40)，与所述冷凝结构(30)相邻设置，用以收集所述蒸馏水。
2.如权利要求1所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于，所述光热转化结构的锥体顶角为30°-150°。
3.如权利要求2所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于，所述光热转化结构的锥体顶角为90°。
4.如权利要求1-3任一项所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于，所述光热转化结构的垂直高度为2cm-8cm。
5.如权利要求1所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于，所述光热材料层(22)为石墨、墨粉、石墨烯、氧化石墨烯或碳纳米管中的一种。
6.如权利要求5所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于，所述可渗透基体层(21)为无纺布。
7.如权利要求5或6所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于，所述光热材料层(22)为墨粉层。
8.如权利要求5所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于，所述光热材料层(22)的厚度为10μm-300μm。
9.如权利要求1所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于，所述光热转化结构(20)设置于所述冷凝结构(30)和所述液体盛放结构(10)围成的腔体内。
10.如权利要求9所述的太阳能蒸馏装置，其特征在于，还包括环形凹槽(50)，所述环形凹槽(50)设置于所述冷凝结构(30)的底部，用以收集被所述冷凝结构(30)冷凝后形成的液体。
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