一种基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器及其设计方法

技术领域

本发明涉及太阳能海水淡化领域，尤其涉及的是一种基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器及其设计方法。

背景技术

太阳能界面蒸发技术作为一种高效的海水淡化技术，因其响应速率快，装置成本低廉等优势受到广泛关注。近年来已经有许多相关的报道，通过开发新颖的吸光和水输运材料以及设计不同的系统结构来提高系统的蒸发性能。尽管这些不同的研究从不同的角度对蒸发器性能的提升提供了不同的思路，但是仍存在一些问题没有能够解决。一方面，虽然蒸发性能得到了提升，但是淡水的收集一直是一个难题。使用冷凝板进行蒸汽的冷凝和回收，不仅会使冷凝水回流到蒸发器内，而且蒸汽在顶部的聚集也会影响系统的光吸收效率。同时，蒸汽的冷凝热会随着冷凝过程散失到环境中去，严重限制了蒸发性能的进一步提升。另一方面，对于界面蒸发中的“界面”性质也缺乏定量的描述，不能将体积蒸发和界面蒸发定量得区分开来。同时，界面蒸发也存在一些问题，过于表面的光吸收特性会导致较大的热辐射损失和热对流损失，从而降低系统的蒸发效率。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器及其设计方法，旨在解决现有技术中太阳能界面蒸发器的蒸发效率低，冷凝水收集困难的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于界面特性优化的吸收层，其中，包括：

吸光材料层，为光吸收效率>95％的黑色的多孔亲水材料层；

其中，当吸光材料层吸满水且所述吸光材料层受到太阳光照射时，系统的最高温度的位置位于所述吸光材料层的内部。

所述的基于界面特性优化的吸收层，其中，所述吸光材料层的最高温度的位置通过所述吸光材料层的吸收系数来调整，所述吸收层的吸收系数为10

所述的基于界面特性优化的吸收层，其中，所述吸光材料层为亲水改性的多孔黑色海绵，孔径为20-60PPI。

所述的基于界面特性优化的吸收层，其中，所述亲水改性的多孔黑色海绵为亲水改性的聚氨酯海绵。

一种所述的基于界面特性优化的吸收层的制备方法，其中，包括步骤：

对聚氨酯海绵进行超声清洗后干燥；

将所述聚氨酯海绵浸泡在多巴胺溶液中搅拌12-24个小时；其中，所述多巴胺溶液为溶解有多巴胺盐酸盐的稀释盐酸缓冲液，所述多巴胺溶液中盐酸的浓度为1-2mol/L，所述多巴胺溶液中多巴胺的浓度为1-3g/L；

对处理过的聚氨酯海绵进行清洗后干燥，得到亲水改性的聚氨酯海绵。

一种基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器，其中，包括：第一密封层，设置于所述第一密封层的吸收层，依次堆叠于所述吸收层的若干个蒸发单元；所述蒸发单元包括：

依次设置的蒸发层、过滤层、冷凝层、第二密封层；

其中，所述第一密封层为透光且不透气不透水的膜层；

所述吸收层为如上所述的基于界面特性优化的吸收层，所述吸收层用于吸收太阳光并转化成热能；

所述蒸发层用于与海水蓄水池连通；

所述过滤层为透气且不透水的膜层；

所述冷凝层用于与淡水收集池连通；

所述第二密封层为不透气且不透水的膜层。

所述的基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器，其中，所述吸收层的尺寸、所述蒸发层的尺寸以及所述冷凝层的尺寸，均小于所述过滤层的尺寸；和/或

所述第一密封层选自聚乙烯膜、聚氯乙烯膜、聚偏二氯乙烯膜中的至少一种；和/或

所述过滤层为聚四氟乙烯滤膜，孔径为1-10微米，厚度为0.1-1毫米。

所述的基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器，其中，所述蒸发层通过海水输送通道与所述海水蓄水池连通；

所述冷凝层通过淡水收集通道与所述淡水收集池连通；

其中，所述蒸发层、所述冷凝层、所述海水输送通道以及所述淡水收集通道均采用吸水织物。

所述的基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器，其中，所述吸水织物为超亲水的纤维纸巾。

所述的基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器，其中，所述基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器还包括：

冷却层，位于远离太阳光的蒸发单元的外侧。

一种如上任意一项所述的基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器的设计方法，其中，包括步骤：

提供一第一密封层、一吸收层、若干蒸发层、若干过滤层、若干冷凝层以及若干第二密封层；

将一吸收层、一蒸发层以及一过滤层依次置于所述第一密封层的下方，并将所述过滤层的四周连接在所述第一密封层上；将一冷凝层以及一第二密封层依次置于所述过滤层的下方，并将所述第二密封层的四周连接在所述过滤层上，得到一蒸发单元；

将另一蒸发层以及另一过滤层依次置于上一蒸发单元的第二密封层的下方，并将所述另一过滤层的四周连接在所述第二密封层上；将另一冷凝层以及另一第二密封层依次置于所述过滤层的下方，并将所述第二密封层的四周连接在所述另一过滤层上，得到另一蒸发单元，直至制备完所有蒸发单元，得到基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器。

有益效果：本申请中通过调节吸光层的光吸收系数，合理得改变光在吸光材料层中的吸收位置，使其不在吸收层的最表面被完全吸收，而是在上表面靠下的位置，也就是吸收层的内部。通过减少系统的热辐射损失和热对流损失来提高系统的性能，确保蒸发效率较高。同时，多级蒸发结构一方面可以循环多次利用蒸汽的冷凝热，使系统的蒸发效率突破理论极限，另一方面解决了界面蒸发技术中冷凝水收集困难的问题。

附图说明

图1是本发明中界面位置和界面厚度的概念示意图。

图2是本发明中不同的聚氨酯海绵的孔径和吸收系数的对应关系。

图3是本发明中基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器的结构示意图。

图4是本发明中多级蒸发器级数对蒸发效率的影响。

附图标记说明：

1、第一密封层；2、吸收层；3、蒸发层；4、过滤层；5、冷凝层；6、冷却层；7、海水输送通道；8、淡水收集通道；9、海水蓄水池；10、淡水收集池。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，我们提出了“界面位置(X)”和“界面厚度(δ)”两个全新的概念，用于理解蒸发器中光学传输，热量传递以及水、汽输运的相互作用，从而指导蒸发器材料参数和器件结构的合理设计。其中，“界面位置(X)”被定义为系统中最高温度的截面的位置；“界面厚度(δ)”被定义为过热度不超过10％的区域的厚度，具体如图1所示。过热度在这里被定义为系统内最高温度与远端环境温度的差值。同时，通过界面位置(X)来区分界面蒸发，过渡蒸发和体积蒸发三种不同的蒸发类型。当界面位置(X)位于靠近液面上方过热度10％的位置之内时，此时的蒸发类型被认为是界面蒸发区域；当界面位置(X)位于靠近液面下方过热度10％的位置之内时，此时的蒸发类型被认为是体积蒸发区域；界面位置(X)位于液面下方其他中间位置的部分时，被认为是过渡蒸发区域。

对于现有技术中典型的太阳能界面蒸发结构，太阳光总是在系统的最表面的位置被吸收，界面位置(X)位于空气-水界面(也就是界面蒸发区域)，通过加热空气-水界面少部分的水来提高蒸发效率。但是我们通过理论模拟和实验分析发现，通过合理地调控光吸收特性(吸收系数)，使入射光位于上表面靠下的位置被完全吸收，界面位置(X)位于体积蒸发区域或过渡蒸发区域时，可以获得较大的蒸发效率，特别的，界面位置(X)位于过渡蒸发区域时，可以获得最大的蒸发效率。

本申请提供了一种基于界面特性优化的吸收层，包括：

吸光材料层，为光吸收效率>95％的黑色的多孔亲水材料层；

其中，当吸光材料层吸满水且所述吸光材料层受到太阳光照射时，系统的最高温度的位置位于所述吸光材料层的内部。

具体地，当系统运行时，由于毛细作用，吸光材料层会吸满待蒸发的水，同时太阳光会被吸光材料层吸收，与传统的设计不同，在本发明中，光是在吸光材料层的内部被完全吸收的，而不是其最表面的位置。则吸光材料层的最高温度的位置(即界面位置(X))位于吸光材料层的内部，并不是先接触到太阳光的吸光材料层的表面，因此界面位置(X)位于体积蒸发区域或过渡蒸发区域。

本申请提出了“界面位置”和“界面厚度”来量化蒸发器中光学传输，热量传递以及水、汽输运的相互作用，从而指导蒸发器参数和器件结构的合理设计。根据界面特性的不同，定量的将蒸发类型分为：表面蒸发，过渡蒸发，体积蒸发。通过模型和实验验证发现，在过渡蒸发区域工作的蒸发器比常规设计的表面蒸发区域工作的蒸发器具有更好的蒸发性能。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述吸光材料层的最高温度的位置通过所述吸光材料层的吸收系数来调整，所述吸收层的吸收系数为10

具体地，吸光材料层的吸收系数不同，界面位置(X)也就不同，当吸光材料层的吸收系数为10

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述吸光材料层的吸收系数为400m

具体地，本发明通过理论模拟和实验的分析发现，当吸光材料层的吸收系数为400m

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述吸光材料层为亲水改性的多孔黑色海绵，孔径为20-60PPI。

具体地，吸光材料层采用亲水改性的多孔黑色海绵，亲水改性有利于海绵在海水中的浸润，使海绵充分接触海水，确保较好的传热效果。多孔有利于提高海绵与海水的接触面积，确保更佳的传热效果。黑色有利于海绵吸收太阳光，并将太阳光转化为热能。采用不同孔径的亲水改性的多孔黑色海绵时，吸光特性不相同，即吸收系数(α)不相同。当孔径为20-60PPI的范围内时，可以较好维持吸光材料层的吸收系数在10

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述亲水改性的多孔黑色海绵为亲水改性的聚氨酯海绵。

具体地，可以采用亲水改性的聚氨酯海绵作为亲水改性的多孔黑色海绵。如图2所示，首先通过紫外-可见-近红外分光光度计对不同孔径的聚氨酯海绵进行反射率和透射率的测试，然后计算出吸收率。然后根据比尔兰伯特定律计算出不同孔径聚氨酯海绵的吸收系数，结果如图2所示。在这里，聚氨酯海绵孔径的改变不会影响其孔隙率，热导率等其他物性参数的变化(α)。

请同时参阅图1-图4，基于如上任意一实施例的基于界面特性优化的吸收层，本发明提供了一种基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器的一些实施例。

如图3所示，本发明的基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器，包括：第一密封层1，设置于所述第一密封层1下方的吸收层2，依次堆叠于所述吸收层2的若干个蒸发单元；所述蒸发单元包括：

从上到下依次设置的蒸发层3、过滤层4、冷凝层5、第二密封层；

其中，所述第一密封层1为透光且不透气不透水的膜层；

所述吸收层2为上述任意一实施例的基于界面特性优化的吸收层，所述吸收层2用于吸收太阳光并转化成热能；

所述蒸发层3用于与海水蓄水池9连通；

所述过滤层4为透气且不透水的膜层；

所述冷凝层5用于与淡水收集池10连通；

所述第二密封层为不透气且不透水的膜层。

具体地，海水蓄水池9中的海水会流动至蒸发层3，太阳光透过第一密封层1后照射到吸收层2上，被吸收层2吸收并将光能转化成热能，这些热能会传导至蒸发层3中的海水上，海水受热后蒸发形成蒸汽(蒸汽中几乎不携带海水中的盐分)，由于海水朝向太阳的一方为不透气且不透水的第一密封层1，蒸汽无法透过第一密封层1，而会透过过滤层4到达冷凝层5，并在冷凝层5冷凝为液态的淡水，由于淡水受到过滤层4和第二密封层的阻碍，淡水会流动淡水收集池10内。

本申请中，由于第一密封层的较高的光学透过性，本申请中大部分太阳光是被吸收层2吸收的，而且吸收层2吸收太阳能后将其转换成热量，使得界面位置(X)位于吸收层内部，具体可以是体积蒸发区域或过渡蒸发区域，热损失更小，蒸发效率更高，有利于海水的快速蒸发。

此外，蒸发单元有若干个且依次堆叠设置，上一个蒸发单元的冷凝层5靠近下一蒸发单元的蒸发层3，上一蒸发单元的冷凝层5冷凝过程释放的热量可以经过第二密封层传导至下一蒸发单元的蒸发层3，热量在不同蒸发单元之间传导，不仅有利于上一蒸发单元的冷凝层5的冷凝，还有利于下一蒸发单元的蒸发层3的蒸发。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述吸收层2的尺寸、所述蒸发层3的尺寸以及所述冷凝层5的尺寸，均小于所述过滤层4的尺寸。

具体地，过滤层4的尺寸较大，吸收层2、蒸发层3以及冷凝层5的尺寸较小，在过滤层4完全覆盖吸收层2、蒸发层3以及冷凝层5。吸收层2和蒸发层3中的海水蒸发后全部经过过滤层4。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述第一密封层1选自聚乙烯膜、聚氯乙烯膜、聚偏二氯乙烯膜中的至少一种。

具体地，第二密封层选自聚乙烯膜、聚氯乙烯膜、聚偏二氯乙烯膜中的至少一种。第一密封层1和第二密封层均可以采用保鲜膜，具体材质可以是聚乙烯(PE)，聚氯乙烯(PVC)，聚偏二氯乙烯(PVDC)等。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述过滤层4为聚四氟乙烯滤膜，孔径为1-10微米，厚度为0.1-0.3毫米。

具体地，过滤层4为多孔过滤层4，蒸汽可以经过多孔过滤层4的孔，而海水无法经过多孔过滤层4的孔。过滤层4的孔径可以为1-10微米，厚度为0.1-0.3毫米，过滤层4的材质可以为聚四氟乙烯。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3所示，所述蒸发层3通过海水输送通道7与所述海水蓄水池9连通；所述冷凝层5通过淡水收集通道8与所述淡水收集池10连通；其中，所述蒸发层3、所述冷凝层5、所述海水输送通道7以及所述淡水收集通道8均采用吸水织物。

具体地，蒸发层3通过海水输送通道7与海水蓄水池9连通，海水蓄水池9内的海水可以经过海水输送通道7流动至蒸发层3。冷凝层5通过淡水收集通道8与淡水收集池10连通，冷凝层5内的淡水可以经过淡水收集通道8流动至淡水收集池10内。海水输送通道7可以采用吸水织物，海水输送通道7的端部没入海水蓄水池9的海水内，海水输送通道7利用通过毛细力和重力的平衡，将海水蓄水池9内的海水输送至蒸发层3，随着蒸发层3内海水的蒸发，吸收层2和蒸发层3内含水量逐渐减小，海水蓄水池9内的海水会输送至蒸发层3，增加吸收层2和蒸发层3内含水量，实现平衡。淡水收集通道8也可以采用吸水织物，淡水收集通道8的端部悬空于淡水收集池10的液面的上方，随着冷凝层5中蒸汽冷凝为淡水，在毛细力和重力的叠加下，淡水会向淡水收集通道8的端部输送，并滴入到淡水收集池10内。蒸发层3和冷凝层5也可以采用吸水织物，吸水织物在作为蒸发层3时，可以吸附海水；在作为冷凝层5时，可以吸附蒸汽，蒸汽放热后冷凝为淡水。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述吸水织物为超亲水的纤维纸巾。具体地，吸水织物可以采用超亲水的纤维纸巾。

在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图3所示，所述基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器还包括：

冷却层6，位于远离太阳光的蒸发单元的外侧。

具体地，为了进一步提高冷凝和蒸发效率，在最后一个蒸发单元的第二密封层外设置冷却层6，用于确保朝向太阳光的第一密封层1与背离太阳光的第二密封层之间的温差，提高蒸发性能。

如图4所示，蒸发效率和蒸发速率会随着蒸发单元的级数的增加而增加，不同的工况下大约8级到15级左右的情况下会达到一个最佳的蒸发性能。进一步增加系统的蒸发级数并不会蒸发性能有进一步的提升作用，反而会增加系统的复杂程度。

基于上述任意一实施例所述的基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器，本发明还提供了一种基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器的设计方法的较佳实施例：

本发明实施例的基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器的设计方法，包括以下步骤：

步骤S100、提供一第一密封层、一吸收层、若干蒸发层、若干过滤层、若干冷凝层以及若干第二密封层。

步骤S200、将一吸收层、一蒸发层以及一过滤层依次置于所述第一密封层的下方，并将所述过滤层的四周连接在所述第一密封层上；将一冷凝层以及一第二密封层依次置于所述过滤层的下方，并将所述第二密封层的四周连接在所述过滤层上，得到一蒸发单元。

步骤S300、将另一蒸发层以及另一过滤层依次置于上一蒸发单元的第二密封层的下方，并将所述另一过滤层的四周连接在所述第二密封层上；将另一冷凝层以及另一第二密封层依次置于所述过滤层的下方，并将所述第二密封层的四周连接在所述另一过滤层上，得到另一蒸发单元，直至制备完所有蒸发单元，得到基于界面特性优化的太阳能多级蒸发器。

具体地，先制备得到第一密封层、吸收层、蒸发层、过滤层、冷凝层以及第二密封层。在配置冷却层时，还需要制备冷却层。然后吸收层、蒸发层以及过滤层放置在第一密封层上，并将第一密封层的四周连接(具体可以是粘接)在第一密封层上。将冷凝层和第二密封层放置在过滤层上，并将第二密封层的四周连接(具体可以是粘接)在过滤层上，得到连接有第一密封层和吸收层的蒸发单元。

接着在上一蒸发单元的基础上制备下一蒸发单元，直至完成所有蒸发单元的制备。具体地，将蒸发层和过滤层放置于上一蒸发单元的第二密封层上，并将过滤层的四周连接(具体可以是粘接)在上一蒸发单元的第二密封层上。再将冷凝层以及第二密封层依次置于过滤层上，并将第二密封层的四周连接(具体可以是粘接)在过滤层上，得到下一蒸发单元。

由于蒸发层连接有海水输送通道，可以先将海水输送通道连接在蒸发层上后，再将过滤层的四周连接在第一密封层或第二密封层上。冷凝层连接有淡水收集通道，可以先将淡水收集通道连接在冷凝层上，再将第二密封层的四周连接在过滤层上。

步骤S400、最后一蒸发单元的外侧连接冷却层。

具体地，当需要配置冷却层时，将冷却层连接(具体可以是粘接)在远离第一密封层的第二密封层外。

所述亲水改性的聚氨酯海绵采用如下步骤得到：

步骤A100、对聚氨酯海绵进行超声清洗后干燥。

步骤A200、将所述聚氨酯海绵浸泡在多巴胺溶液中；其中，所述多巴胺溶液为溶解有多巴胺盐酸盐的稀释盐酸缓冲液，所述多巴胺溶液中盐酸的浓度为1-2mol/L，所述多巴胺溶液中多巴胺的浓度为1-3g/L。

步骤A300、对处理后的聚氨酯海绵进行清洗后干燥，得到亲水改性的聚氨酯海绵。

具体地，由于聚氨酯海绵是疏水的，将其应用于吸光层需要对其进行亲水处理。具体方法为：首先将聚氨酯海绵裁剪为合适的尺寸，然后使用无水乙醇和去离子水依次超声清洗数次以去除多余的杂质，然后将其放入鼓风干燥箱50℃进行干燥。用去离子水以1:99的比例稀释盐酸缓冲液(Tris-HCl)(pH 8.8，1.5M)并使用磁力搅拌器充分搅拌。将多巴胺盐酸盐溶解于被稀释了的盐酸缓冲液(10mM)中获得多巴胺溶液(2g L

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。