一种基于离子液体的太阳能驱动盐差渗透发电装置及方法

本发明涉及发电，特别涉及一种基于离子液体的太阳能驱动盐差渗透发电装置及方法。

背景技术：

1、我国拥有丰富的海岛资源，海岛是人民生产生活的重要地区。然而，由于海岛的地理位置通常较为偏僻，其基础设施建设往往较为落后，面临着电力短缺的困境。太阳能分布广泛、蕴含量大，对其进行合理地开发利用是解决海岛能源困境的重要方式。

2、目前海岛利用太阳能的主要方式为太阳能光伏发电，利用光伏板的光生伏特效应，直接将太阳能转换为电能，实现电能供给。然而，由于海岛具有特殊的盐雾环境，会引起光伏板表面结晶，大幅降低了光电转换效率，限制了光伏发电技术在海岛环境下的应用。

3、盐差渗透发电技术是一种利用不同浓度溶液之间化学电位差进行发电的方式，具有高效、清洁等优点。但盐差渗透发电技术需要拥有不同浓度的盐溶液，这在缺乏淡水资源的海岛环境下难以满足。目前有一些技术通过对海水进行处理，获得盐度梯度进行发电。如专利cn111392796b通过利用太阳能加热海水，使其蒸发浓缩，从而得到高浓度海水。利用高浓度海水和普通海水之间的浓度梯度，驱动离子迁移进行发电。然而，由于海水的蒸发速率非常缓慢，需要大量的时间才能明显提高浓度。此外，由于普通海水也具有较高的浓度，因此高浓海水和普通海水之间的盐度梯度较小，难以实现较大的功率输出。离子液体是一种常温下呈液态的有机熔融盐，被广泛应用于海水淡化等领域。如专利cn113121371b利用离子液体和盐水之间的渗透压差，使盐水中的纯水渗透穿过半透膜，并对稀释后的离子液体进行升温处理，使其分离为水层和离子液体层。因此，使用离子液体改变海水浓度从而进行盐度梯度具有光明前景。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于离子液体的太阳能驱动盐差渗透发电装置及方法，利用离子液体和海水之间的渗透盐差，改变海水浓度，从而获得离子浓度梯度，实现电渗发电。

2、本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

3、一种基于离子液体的太阳能驱动盐差渗透发电装置，包括发电模块、流体控制模块和电能输出模块；

4、所述发电模块，包括：

5、第一腔室，其外壁面涂有太阳光选择性吸收涂层，其内盛有具有上临界共溶温度的水-ucst型离子液体混合物；

6、第二腔室和第三腔室，二者均盛有海水；

7、第四腔室，其外壁面涂有太阳光选择性吸收涂层，其内盛有具有下临界共溶温度的水-lcst型离子液体混合物；

8、第一半透膜，其设在第一腔室和第二腔室之间，在渗透压差驱动下，水分子能够在第二腔室和第一腔室间迁移；

9、第二半透膜，其设在第三腔室和第四腔室之间，在渗透压差驱动下，水分子能够在第四腔室和第三腔室间迁移；

10、纳米多孔离子选择膜，其置于第二腔室和第三腔室之间，纳米多孔离子选择膜上具有纳米通道，在盐度梯度驱动下，离子通过纳米通道从第二腔室向第三腔室定向迁移；

11、第一电极和第二电极，分别浸于第二腔室和第三腔室的海水之中，通过氧化还原反应将离子通量转换为电子电流；

12、所述流体控制模块，包括，

13、总进水泵，其通过管道与第二腔室和第三腔室相连，控制海水进入腔室；

14、总出水泵，其通过管道与第二腔室和第三腔室相连，发电过程结束后控制海水排出腔室；

15、出水泵，其通过管道与第一腔室上部相连，控制第一腔室水富集相中的液体进入过滤器；

16、过滤器，其通过管道与出水泵和第四腔室相连，对出水泵流出溶液进行过滤，过滤后的纯水注入第四腔室；

17、所述电能输出模块，包括，

18、蓄电池，其与第一电极和第二电极相连，对盐差渗透发电产生电能进行储存，并对流体控制模块和外部负载进行供电；

19、外部负载，其利用蓄电池输出电能，满足生产生活需求。

20、所述的一种基于离子液体的太阳能驱动盐差渗透发电装置，其中，所述第一腔室中的水-ucst型离子液体混合物具有上临界共溶温度，ucst型离子液体的上临界共溶温度范围为50-60℃，常温下混合物分为上层水富集相和下层ucst型离子液体富集相，发电开始之前，通过控制ucst型离子液体浓度，使水富集相渗透压与海水一致，当温度提升至ucst型离子液体的上临界共溶温度之上时，上下两相完全融合，上层液体渗透压提高，驱使第二腔室海水中的水分子向第一腔室流动。

21、所述的一种基于离子液体的太阳能驱动盐差渗透发电装置，其中，所述第一半透膜和第二半透膜均只允许水分子通过，而不允许离子通过。

22、所述的一种基于离子液体的太阳能驱动盐差渗透发电装置，其中，所述第一半透膜和第二半透膜采用nf270纳滤膜、bw30-4040反渗透膜或具有聚酰胺选择分离层的薄层复合分离膜。

23、所述的一种基于离子液体的太阳能驱动盐差渗透发电装置，其中，所述第四腔室中的水-lcst型离子液体混合物具有下临界共溶温度，其范围为30-35℃，常温下混合物为均相，通过控制lcst型离子液体浓度，使混合物渗透压与海水渗透压一致，当温度提升至lcst型离子液体的下临界共溶温度之上时，混合物分离为上层水富集相和下层lcst型离子液体富集相，上层溶液浓度减小，渗透压低于海水，在渗透压差驱使下，上层水富集相中水分子向第三腔室流动。

24、所述的一种基于离子液体的太阳能驱动盐差渗透发电装置，其中，所述水-ucst型离子液体混合物中ucst型离子液体为质子化甜菜碱双(三氟甲基磺酰基)亚胺；所述水-lcst型离子液体混合物中lcst型离子液体为四丁基磷酸三氟乙酸酯。

25、所述的一种基于离子液体的太阳能驱动盐差渗透发电装置，其中，所述第一腔室和第四腔室的壁面材料的导热系数超过100w/(m·k)，壁面外侧涂有太阳光选择性吸收涂层，太阳光选择性吸收涂层的光吸收率大于90％，热发射率低于10％。

26、所述的一种基于离子液体的太阳能驱动盐差渗透发电装置，其中，所述纳米多孔离子选择膜由mof或cof材料制成，具有良好的刚性和机械强度，厚度不超过100nm。

27、所述的一种基于离子液体的太阳能驱动盐差渗透发电装置，其中，所述纳米多孔离子选择膜上致密分布大量纳米通道，纳米通道表面带有非均匀分布的负表面电荷，靠近第二腔室的表面电荷分布较稀疏，靠近第三腔室的表面电荷分布较密集。

28、所述的一种基于离子液体的太阳能驱动盐差渗透发电装置的工作方法，包括以下步骤，

29、第一步，太阳光照射装置，太阳光选择性吸收涂层吸收太阳能并将其转换为热能，热量经第一腔室和第四腔室壁面，分别传递到腔室内的水-ucst型离子液体混合物和水-lcst型离子液体混合物中；

30、第二步，第一腔室内水-ucst型离子液体混合物获得热量，温度提高，当提升至ucst型离子液体的上临界共溶温度之上时，原本分为两相的混合物融合为单一均相，上层与第一半透膜接触区域液体渗透压提升，驱使第二腔室海水中水分子流入第一腔室，从而提高第二腔室中海水浓度；与此同时，第四腔室内水-lcst型离子液体混合物获得热量，温度提高，当温度提升至lcst型离子液体的下临界共溶温度之上时，原本为单一均相的混合物分离为两相，上层为水富集相，下层为lcst型离子液体富集相，在渗透压差驱使下，水富集相中的水分子通过第二半透膜流入第三腔室，稀释第三腔室内海水；

31、第三步，在第二腔室海水和第三腔室海水之间的浓度梯度驱使下，第二腔室中的阳离子经纳米多孔离子选择膜自发向第三腔室内迁移，从而形成离子通量，经第一电极和第二电极转换，向电能输出模块输出电流。

32、第四步，光照消失，装置温度逐渐降低，第一腔室内混合物重新分为两相，第四腔室内混合物重新融合为均相，在渗透压差驱使下，第二腔室和第三腔室中的水分子分别流回第一腔室和第四腔室，利用出水泵从第一腔室水富集相提取部分溶液，经过滤器过滤后注入第四腔室，使两腔室内渗透压与初态一致，通过总进水泵和总出水泵更换第二腔室和第三腔室海水，准备进行下次发电。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

34、本发明基于ucst和lcst型离子液体具有随温度变化发生相转变的特性，通过太阳能选择性吸收涂层、半透膜等结构，在太阳光照条件下，分别对第二腔室和第三腔室的海水进行浓缩和稀释，快速制造浓度差，从而驱使离子定向通过纳米多孔离子选择膜并转化为电能输出，可在无淡水的条件下实现高效的离子盐差渗透发电，具有显著的社会和经济效益，可广泛应用于海岛地区的发电领域。

35、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。