基于太阳能集热器和燃料电池的海水淡化系统及方法

技术领域

本发明涉及海水淡化领域，尤其涉及一种基于太阳能集热器和燃料电池的海水淡化系统及方法。

背景技术

在常规的光伏光热加湿除湿海水淡化系统中，受天气等自然因素的影响，需要提供外加热源驱动系统，限制了海水淡化效率，同时采用来料海水冷却热湿空气产生淡水，但经过加湿过程后的浓缩海水通常直接排放，热量无法回收，导致传统加湿除湿海水淡化系统能量利用效率降低，经济性下降，而外加热源的采用还可能导致环境问题。因此，在常规加湿除湿海水淡化系统的基础上，通过太阳能集热器以及氢氧燃料电池发电维持电力的补充，并且氢气载湿能力强，作为清洁能源燃烧产物也不会污染环境，可以显著提升海水淡化能量利用效率及生产效率，具有重要的应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于太阳能集热器和燃料电池的海水淡化系统及方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于太阳能集热器和燃料电池的海水淡化系统，包括海水泵、回热器、氢氧燃料电池、太阳能集热器、加湿器、第一鼓风机、除湿器、第二鼓风机、淡水泵、储氢罐、第三鼓风机、冷凝器、淡水罐、电解池、储氧罐、蓄电池、电热器和二位三通阀；

所述氢氧燃料电池的壳体上设有用于冷却的管道，该管道一端和所述海水泵的出口相连，另一端和所述回热器的冷侧通道的进口相连；

所述二位三通阀的入口和所述回热器冷侧通道的出口管道相连，一个出口和太阳能集热器的进水口管道相连，另一个出口和所述电热器的进水口管道相连；

所述加湿器顶端的进水口分别和太阳能集热器的出水口、电热器的出水口管道相连，上端进气口和所述第一鼓风机的入口相连，下端进气口和所述电解池的阳极出气口管道相连，底端出水口和外界联通、用于排出卤水；

所述电解池的入水口和淡水罐出水口管道相连，阴极出气口与储氧罐管道相连；

所述除湿器的下端进气口和所述第一鼓风机的出口管道相连，底端出水口与和所述淡水泵的入口管道相连，上端出气口和所述第二鼓风机的入口管道相连；

所述回热器的热侧通道的入口和所述淡水泵的出口管道相连，回热器热侧通道的出口分别和所述冷凝器的出水口、除湿器的顶端进水口、淡水罐的入水口管道相连；

所述储氢罐的入口和所述第一鼓风机的出口管道相连，储氢罐的出口和所述氢氧燃料电池的阳极进气口管道相连；

所述氢氧燃料电池的阴极进气口接外界空气，出气口和所述第三鼓风机的入口相连；

所述第三鼓风机的出口和所述冷凝器的进气口管道相连；

所述蓄电池分别和所述氢氧燃料电池的电源输出端、太阳能集热器的电源输出端电气相连。

作为本发明一种基于太阳能集热器和燃料电池的海水淡化系统进一步的优化方案，所述加湿器和除湿器的填料均采用铁质材料。

作为本发明一种基于太阳能集热器和燃料电池的海水淡化系统进一步的优化方案，所述回热器采用板式回热器。

作为本发明一种基于太阳能集热器和燃料电池的海水淡化系统进一步的优化方案，所述太阳能集热器采用非聚焦型太阳能集热器。

本发明还公开了一种该基于太阳能集热器和燃料电池的海水淡化系统的工作方法，包括以下过程：

海水泵将海水抽入管道后先通过氢氧燃料电池壳体上的冷却管道，给燃料电池降温同时初步加热海水,然后通过回热器的冷侧通道经由二位三通阀进入太阳能集热器或电热器充分加热；

太阳能集热器用于白天加热并将产生的电能输入给蓄电池，电热器用于夜间加热；二位三通阀用于选择采用太阳能集热器加热还是采用电热器加热；

加热过的海水进入加湿器与电解池电解得到的氢气传热传质形成混合气体，然后由第一鼓风机吹出送入至除湿器；

除湿器将混合气体中的水蒸气冷凝，对氢气进行除湿，除湿后的氢气从除湿器的上端出气口经过第二鼓风机鼓入储氢罐，供氢氧燃料电池使用；

氢氧燃料电池采用储氢罐提供的氢气和外界接入的空气进行发电，将电能储存至蓄电池，同时将反应产生的水蒸气由第三鼓风机鼓入冷凝器冷凝；

除湿器冷凝得到的淡水经过淡水泵泵出，和冷凝器冷凝的淡水汇合，一部分进入除湿器的顶端进水口，另一部分存入淡水罐；

淡水罐中的淡水一部分作为产品收集，一部分用来作为电解池的原料，电解得到的氧气存入储氧罐作为副产品。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明将热泵循环引入到海水淡化系统中，利用循环本身的特点回收热量，同时利用氢气作为载湿气体，大幅提升了海水淡化系统的能量利用效率和生产效率，并且将氢氧燃料电池以及太阳能集热器引入到海水淡化系统中，利用蓄电池维持在无光状态继续进行海水淡化的操作，实现了系统的全天候运行，提高了经济效益；此外，该系统消除了常规海水淡化系统对化石能源的依赖，减少了对环境的污染，符合国家节能减排的战略要求。

附图说明

图1是带有热泵循环的冷却除湿式海水淡化系统。

图中，1-海水泵，2-氢氧燃料电池，3-回热器，4-太阳能集热器，5-加湿器，6-第一鼓风机，7-除湿器8-第二鼓风机，，9-淡水泵，10-储氢罐，11-第三鼓风机，12-冷凝器，13-淡水罐，14-电解池，15-储氧罐，16-蓄电池，17-电热器，18-两位三通阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。

如图1所示，本发明公开了一种基于太阳能集热器和燃料电池的海水淡化系统，包括海水泵1、回热器3、氢氧燃料电池2、太阳能集热器4、加湿器5、第一鼓风机6、除湿器7、第二鼓风机8、淡水泵9、储氢罐10、第三鼓风机11、冷凝器12、淡水罐13、电解池14、储氧罐15、蓄电池16、电热器17和二位三通阀18；

所述氢氧燃料电池2的壳体上设有用于冷却的管道，该管道一端和所述海水泵1的出口相连，另一端和所述回热器3的冷侧通道的进口相连；

所述二位三通阀18的入口和所述回热器3冷侧通道的出口管道相连，一个出口和太阳能集热器4的进水口管道相连，另一个出口和所述电热器17的进水口管道相连；

所述加湿器5顶端的进水口分别和太阳能集热器4的出水口、电热器17的出水口管道相连，上端进气口和所述第一鼓风机6的入口相连，下端进气口和所述电解池14的阳极出气口管道相连，底端出水口和外界联通、用于排出卤水；

所述电解池14的入水口和淡水罐13出水口管道相连，阴极出气口与储氧罐15管道相连；

所述除湿器7的下端进气口和所述第一鼓风机6的出口管道相连，底端出水口与和所述淡水泵9的入口管道相连，上端出气口和所述第二鼓风机8的入口管道相连；

所述回热器3的热侧通道的入口和所述淡水泵9的出口管道相连，回热器3热侧通道的出口分别和所述冷凝器12的出水口、除湿器7的顶端进水口、淡水罐13的入水口管道相连；

所述储氢罐10的入口和所述第一鼓风机8的出口管道相连，储氢罐10的出口和所述氢氧燃料电池2的阳极进气口管道相连；

所述氢氧燃料电池2的阴极进气口接外界空气，出气口和所述第三鼓风机11的入口相连；

所述第三鼓风机11的出口和所述冷凝器12的进气口管道相连；

所述蓄电池16分别和所述氢氧燃料电池2的电源输出端、太阳能集热器4的电源输出端电气相连。

所述加湿器5和除湿器7的填料均采用铁质材料。

所述回热器3采用板式回热器。

所述太阳能集热器4采用非聚焦型太阳能集热器。

本发明还公开了一种该基于太阳能集热器和燃料电池的海水淡化系统的工作方法，包括以下过程：

海水泵1将海水抽入管道后先通过氢氧燃料电池2壳体上的冷却管道，给燃料电池降温同时初步加热海水,然后通过回热器3的冷侧通道经由二位三通阀18进入太阳能集热器4或电热器17充分加热；

太阳能集热器4用于白天加热并将产生的电能输入给蓄电池16，电热器17用于夜间加热；二位三通阀18用于选择采用太阳能集热器4加热还是采用电热器17加热；

加热过的海水进入加湿器5与电解池14电解得到的氢气传热传质形成混合气体，然后由第一鼓风机6吹出送入至除湿器7；

除湿器7将混合气体中的水蒸气冷凝，对氢气进行除湿，除湿后的氢气从除湿器7的上端出气口经过第二鼓风机8鼓入储氢罐10，供氢氧燃料电池2使用；

氢氧燃料电池2采用储氢罐10提供的氢气和外界接入的空气进行发电，将电能储存至蓄电池16，同时将反应产生的水蒸气由第三鼓风机11鼓入冷凝器12冷凝；

除湿器7冷凝得到的淡水经过淡水泵9泵出，和冷凝器12冷凝的淡水汇合，一部分进入除湿器7的顶端进水口，另一部分存入淡水罐13；

淡水罐13中的淡水一部分作为产品收集，一部分用来作为电解池14的原料，电解得到的氧气存入储氧罐15作为副产品。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。