一种基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置

本发明属于界面光热蒸发和水电联产，具体属于一种基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置。

背景技术：

1、在过去的40年中，全球用水量以每年约1％的速度增长。海水淡化是有效生产淡水的方式之一。其中，太阳能界面蒸发利用特定结构将收集的太阳辐射能转换为热能后局限在光吸收层，使水分在结构表面完成蒸发，可在太阳辐射条件较弱时实现较高的光热转换效率，在海水淡化与污水处理等多个领域有着强大的应用潜力。

2、现有的界面光热蒸发技术往往将透光面与蒸汽冷凝面重叠，通常存在三个不利因素：(1)水蒸气的汽化潜热未能得到充分利用，限制了太阳能利用效率的提升。(2)水雾在透光面上凝结，从而造成严重的光散射，降低光照辐射强度。(3)为确保水蒸气及时冷凝，蒸发室内的温度不得过高，因而限制了光热转化材料的水蒸发速率。这些不利因素使得界面光热蒸发技术在可持续能源领域的广泛应用受到限制。另一方面，光热材料影响光的吸收和热转能力，开发低成本、高效的光热材料也至关重要。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置，通过单独设置的热电转换冷凝单元将透光面与蒸汽冷凝面分离，并充分利用水蒸气的汽化潜热发电，通过集热器供给热风单元加强装置主体腔室内的流体扰动，提高蒸发室温度，有效提升了水蒸发速率及发电量。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置，包括装置主体腔室、热电转换冷凝单元和集热器供给热风单元，装置主体腔室包括顶部连通的蒸发水槽和集水槽，蒸发水槽顶部倾斜设置透光面，集水槽顶部倾斜设置热电转换冷凝单元，透光面较高一侧与热电转换冷凝单元较高一侧连接，蒸发水槽中设置碳化生物质材料，集热器供给热风单元出风口与蒸发水槽的进风口连通用于将热空气朝向集水槽通入。

3、进一步的，热电转换冷凝单元的倾斜角为55°～60°，热电转换冷凝单元包括蒸汽冷凝面和温差发电片，温差发电片嵌于蒸汽冷凝面内，蒸汽冷凝面为有机玻璃。

4、进一步的，所述集热器供给热风单元包括太阳能空气集热器和通空气管路，蒸发水槽一侧开有导风通孔，导风通孔高于碳化生物质材料设置，太阳能空气集热器的出风口经通空气管路与导风通孔连通。

5、进一步的，太阳能空气集热器向蒸发水槽中通入温度为60℃～80℃，流速为0.0001m/s～0.0008m/s的热空气。

6、进一步的，蒸发水槽侧壁上设置导水槽，导水槽的出口伸入集水槽中，导水槽为玻璃或塑料制成的v形或圆弧形结构。

7、进一步的，碳化生物质材料露出水面的高度不超过1cm。

8、进一步的，碳化生物质材料为碳化玉米芯，碳化玉米芯的碳化温度为450℃～550℃。

9、进一步的，透光面的倾斜角为30°～35°，透光面朝向蒸发水槽一侧涂敷有透光防雾薄膜，透光面材质为石英玻璃，透光防雾薄膜材质为聚对苯二甲酸乙二酯。

10、进一步的，装置主体腔室还包括装置壳身，隔板设置在装置壳身中将装置壳身分为蒸发水槽和集水槽，蒸发水槽底部设置第一导水通孔，外部水源通过入水管路经第一导水通孔与蒸发水槽连通，集水槽底部设置第二导水通孔，集水槽经第二导水通孔通过出水管路与冷凝水收集装置连通。

11、进一步的，装置壳身材质为有机玻璃，装置壳身外侧包裹保温薄膜，保温薄膜材质为高透pvc材料。

12、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

13、本发明提供一种基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置，通过设置热电转换冷凝单元，并且将透光面和热电转换冷凝单元分别设置在蒸发水槽和集水槽顶部，从而实现透光面与蒸汽冷凝面的分离；且热电转换冷凝单元可以利用温差发电，将水蒸气冷凝过程中的汽化潜热转化为电能；通过集热器供给热风单元，不仅有效提升装置主体腔室内温度并增强气流混合，而且增大热电转换冷凝单元热面温度进而提高了发电量；以碳化生物质材料为界面蒸发光热材料，碳化生物质的高度各向异性的多孔框架和良好的亲水性，不仅具有良好的热管理和输水能力，而且具有较好的吸光性能和热转换性能。

14、进一步的，本发明热电转换冷凝单元包括蒸汽冷凝面和温差发电片，通过温差发电片将水蒸气冷凝过程中的热量转化为电能，实现了能量的高效回收与利用，蒸汽冷凝面与透光面分离，避免了冷凝水对透光面的影响，提高了冷凝效率。

15、进一步的，本发明通过太阳能空气集热器对空气进行预热，热空气的引入显著提高了蒸发水槽内的温度，加速了水蒸发，且增强的气流扰动有助于热量在蒸发水槽内的均匀分布，提高了整体热效率。

16、进一步的，在透光面上设置透光防雾薄膜，透光防雾薄膜有效防止水汽在透光面凝结，提高了透光面的透光率和光热转换效率，且石英玻璃材质透光面具有高透光性和耐腐蚀性，保证了长期使用的稳定性和可靠性。

17、进一步的，本发明中碳化生物质材料优选为碳化玉米芯，通过对玉米芯进行预处理，以及碳化处理就能达到预期效果，碳化生物质材料具有良好的吸光性能，能够高效吸收太阳光能并转化为热能，其多孔结构和亲水性促进了水分的快速蒸发和热能的有效传递。

18、进一步的，装置壳身外侧包裹保温薄膜，保温薄膜的应用减少了热量的散失，提高了界面光热蒸发耦合水电联产装置整体热效率，且导水槽和导水通孔的设计优化了水流路径，提高了系统的稳定性和维护便捷性。

19、综上，本发明提供了一种创新的基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置，通过分离透光面与蒸汽冷凝面，并利用温差发电技术将水蒸气冷凝热转化为电能。增设的集热器供给热风单元，增强了装置内的温度与气流扰动，提高了蒸发速率与发电量。碳化生物质材料的应用，特别是碳化玉米芯，以其优异的热管理、吸光及热转换性能，显著提升了整体效率。透光面的防雾设计，进一步提升了光热转换性能。该装置在水电联产领域展现出高效、环保的显著优势。

技术特征：

1.一种基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置，其特征在于，包括装置主体腔室、热电转换冷凝单元和集热器供给热风单元，装置主体腔室包括顶部连通的蒸发水槽和集水槽，蒸发水槽中设置碳化生物质材料(4)，碳化生物质材料(4)作为界面蒸发光热材料，蒸发水槽顶部倾斜设置透光面(5)，集水槽顶部倾斜设置热电转换冷凝单元用于同时实现温差发电和水蒸气冷凝，透光面(5)较高一侧与热电转换冷凝单元较高一侧连接，集热器供给热风单元出风口与蒸发水槽的进风口连通用于将热空气朝向集水槽通入。

2.根据权利要求1所述的一种基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置，其特征在于，热电转换冷凝单元的倾斜角为55°～60°，热电转换冷凝单元包括蒸汽冷凝面(6)和温差发电片(7)，温差发电片(7)嵌于蒸汽冷凝面(6)内，蒸汽冷凝面(6)为有机玻璃。

3.根据权利要求1所述的一种基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置，其特征在于，所述集热器供给热风单元包括太阳能空气集热器(8)和通空气管路(9)，蒸发水槽一侧开有导风通孔，导风通孔高于碳化生物质材料(4)设置，太阳能空气集热器(8)的出风口经通空气管路(9)与导风通孔连通。

4.根据权利要求1所述的一种基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置，其特征在于，太阳能空气集热器(8)向蒸发水槽中通入温度为60℃～80℃，流速为0.0001m/s～0.0008m/s的热空气。

5.根据权利要求1所述的一种基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置，其特征在于，蒸发水槽侧壁上设置导水槽(10)，导水槽(10)的出口伸入集水槽中，导水槽(10)为玻璃或塑料制成的v形或圆弧形结构。

6.根据权利要求1所述的一种基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置，其特征在于，碳化生物质材料(4)露出水面的高度不超过1cm。

7.根据权利要求1所述的一种基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置，其特征在于，碳化生物质材料(4)为碳化玉米芯，碳化玉米芯的碳化温度为450℃～550℃。

8.根据权利要求1所述的一种基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置，其特征在于，透光面(5)的倾斜角为30°～35°，透光面(5)朝向蒸发水槽一侧涂敷有透光防雾薄膜，透光面(5)材质为石英玻璃，透光防雾薄膜材质为聚对苯二甲酸乙二酯。

9.根据权利要求1所述的一种基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置，其特征在于，装置主体腔室还包括装置壳身(1)，隔板(2)设置在装置壳身(1)中将装置壳身(1)分为蒸发水槽和集水槽，蒸发水槽底部设置第一导水通孔，外部水源通过入水管路(3)经第一导水通孔与蒸发水槽连通，集水槽底部设置第二导水通孔，集水槽经第二导水通孔通过出水管路(11)与冷凝水收集装置连通。

10.根据权利要求9所述的一种基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置，其特征在于，装置壳身(1)材质为有机玻璃，装置壳身(1)外侧包裹保温薄膜，保温薄膜材质为高透pvc材料。

技术总结本发明提供了一种基于碳化生物质的界面光热蒸发耦合水电联产装置，包括装置主体腔室、热电转换冷凝单元和集热器供给热风单元，装置主体腔室包括顶部连通的蒸发水槽和集水槽，蒸发水槽顶部倾斜设置透光面，集水槽顶部倾斜设置热电转换冷凝单元，透光面较高一侧与热电转换冷凝单元较高一侧连接，蒸发水槽中设置碳化生物质材料，集热器供给热风单元出风口与蒸发水槽的进风口连通用于将热空气朝向集水槽通入。通过单独设置的热电转换冷凝单元将透光面与蒸汽冷凝面分离，并充分利用水蒸气的汽化潜热发电，通过集热器供给热风单元加强装置主体腔室内的流体扰动，提高蒸发室温度，有效提升了水蒸发速率及发电量。技术研发人员：陈庆云,刘昌,罗宇泉,胡一佳,梁浩扬,汪文婷受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10