阅读说明：本技术 一种毛细管阵列供水光热界面蒸发结构和方法 (Capillary array water supply photo-thermal interface evaporation structure and method ) 是由 骆周扬 申震 刘春红 祁志福 陈彪 吴恒刚 吴善宏 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及毛细管阵列供水光热界面蒸发结构,包括水源、隔热材料、毛细管、光热转化材料和光源；隔热材料固定或漂浮于水源上方,毛细管排列成阵列结构嵌入隔热材料中,毛细管下端接触水源,毛细管上端与光热转化材料接触；水源中的液体通过毛细管进入光热材料蒸发界面,在光源照射下蒸发。本发明的有益效果是：本发明利用毛细管阵列嵌入隔热材料中,为光热转化材料供水,同时实现良好的汲水和隔热效果,并且具有更精确简单的供水-热损失平衡的调节性能,实现高效的光-热界面蒸发,获得更高的太阳能利用效率。(The invention relates to a capillary array water supply photo-thermal interface evaporation structure, which comprises a water source, a heat insulation material, a capillary, a photo-thermal conversion material and a light source; the heat insulating material is fixed or floats above the water source, the capillaries are arranged into an array structure and embedded into the heat insulating material, the lower ends of the capillaries are contacted with the water source, and the upper ends of the capillaries are contacted with the photothermal conversion material; liquid in the water source enters the evaporation interface of the photo-thermal material through the capillary tube and is evaporated under the irradiation of the light source. The invention has the beneficial effects that: the invention utilizes the capillary array to be embedded into the heat insulation material to supply water for the photothermal conversion material, simultaneously realizes good water absorption and heat insulation effects, has more accurate and simple water supply-heat loss balance adjusting performance, realizes high-efficiency light-heat interface evaporation, and obtains higher solar energy utilization efficiency.)

一种毛细管阵列供水光热界面蒸发结构和方法

技术领域

本发明涉及海水淡化、光热蒸发领域，尤其涉及一种毛细管阵列供水光热界面蒸发结构和方法。

背景技术

太阳能海水淡化热法技术主要利用太阳能的光热资源，加热海水发生相变蒸发后，通过冷凝收集得到淡水。光-热太阳能海水淡化技术具有效率高、成本低廉且维护简单等优势，是目前主流的太阳能海水淡化技术。传统多级蒸发等热法海水淡化或是太阳能蒸馏器，吸热介质包括海水和基底，不仅对蒸发部分的水进行加热，还加热了最后排出的浓水。尽管在大型海水淡化设施里，被加热的浓水可以通过换热器进行热量回收，或是利用冷凝潜热对水体进行预热，但是不可避免会存在浓水热量损失的问题；在小型的海水淡化设备中，这部分直接排放浓水带去的热量损失比例几乎与浓水-蒸发流量比例相当。而界面蒸发方法则是在海水和空气界面处布置吸光材料，加热界面处的薄液层并使其蒸发，利用吸水芯或是漂浮吸水材料将海水不断地汲取至加热界面，使光热蒸发过程不断进行下去。这种加热方式将太阳光转化的热能有效地应用在界面处的薄液层，可以大幅减少蒸发过程的热量损失，从而提高蒸发温度和效率。相关文献有：张学镭,卜跃刚,刘强等在电力科学与工程,2017,33(12):1-8.上刊载的《太阳能海水淡化的新技术发展现状[J]》；Tao,P.,Ni,G.,Song,C.等在Nat Energy3,1031–1041(2018).上刊载的《Solar-driven interfacialevaporation》。

光-热界面蒸发技术主要特点和优势在于减少了蒸发加热过程中的热损失，特别是减少向海水的漏热损失。因此该技术需要将光-热材料与海水通过隔热材料分隔开，利用尽量小面积的导水通道，将水从海水中汲取至加热界面。但是，该技术也需要综合平衡供水-热损失的关系：若导水通道面积过小，或是导水效率不高，虽然可以减少光热材料的漏热损失，但这样不仅会使得蒸发界面供水不足，降低光-热蒸发效率，还会导致严重的“积盐”现象，减少受光面积，从而进一步降低了光-热蒸发效率。现有的技术均采用棉布、纱布等纤维布作为吸水单元，存在着汲水效率低、热损失率高、吸水通道面积调节不可控等缺点。相关文献有：Ni,G.,Zandavi,SH.,等在Energy Environ.Sci.,2018,11,1510-1519.上刊载的《A salt-rejecting floating solar still for low-cost desalination》。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种毛细管阵列供水光热界面蒸发结构和方法，将一定尺寸的毛细管排列成阵列结构，嵌入隔热材料中，为光热转化材料供水，实现太阳能光热界面蒸发。

这种毛细管阵列供水光热界面蒸发结构，包括水源、隔热材料、毛细管、光热转化材料和光源；隔热材料固定或漂浮于水源上方，毛细管排列成阵列结构嵌入隔热材料中，毛细管下端接触水源，毛细管上端与光热转化材料接触；水源中的液体通过毛细管进入光热材料蒸发界面，在光源照射下蒸发。

作为优选：水源包括无悬浮颗粒物的海水、淡水、非腐蚀性的工业废水或非腐蚀性的有机试剂。

作为优选：隔热材料包括热导系数≤0.1W/(m·K)的聚苯乙烯、聚氨酯疏水白色泡沫或气溶胶；隔热材料厚度为1-6cm。

作为优选：毛细管包括内壁表面具有亲水性的玻璃管、塑料管或陶瓷管；毛细管长度大于隔热材料厚度1-2cm，毛细管半径r满足公式(其中γ为水源表面张力系数，θ为液体和毛细管的接触角，ρ为液体密度，g为重力加速度，h为毛细管长度)。

作为优选：光热转化材料包括吸光率≥80％的单层或多层黑色染色纤维布，活性炭、石墨烯、碳纳米管等碳基材料沉积布，纳米金、银等等离子体沉积布，碳基材料掺混凝胶。

作为优选：光源包括模拟太阳光、自然条件下的太阳光或通过聚光设备得到的聚光太阳光，其光照面积范围大于光热界面蒸发区域。

这种毛细管阵列供水光热界面蒸发结构的毛细管阵列排布方法，包括以下步骤：

步骤1)、毛细管阵列根据光热界面蒸发平面形状，排布为相应的极坐标等距发散圆形或直角坐标等距矩形；

步骤2)、阵列中毛细管数量与间距大小根据光热蒸发供水-热损失平衡进行调节：供水需求高则增加毛细管数量，减少间距；热损失过高则减少毛细管数量，增加间距；

步骤3)、调控光热界面积盐现象：设置初始间距；当光热蒸发过程未产生积盐现象时，按照倍率减少毛细管数量，等间隔地增加间距，直至产生积盐现象。

这种毛细管阵列供水光热界面蒸发结构的蒸发方法，水源中的液体通过毛细管汲取至光热转化材料中，在光源照射下发生光热界面蒸发。

本发明的有益效果是：本发明利用毛细管阵列嵌入隔热材料中，为光热转化材料供水，同时实现良好的汲水和隔热效果，并且具有更精确简单的供水-热损失平衡的调节性能，实现高效的光-热界面蒸发，获得更高的太阳能利用效率。

附图说明

图1为本发明中毛细管阵列供水光热界面蒸发结构示意图；

图2为本发明中海水光热界面蒸发流程示意图；

图3为本发明中毛细管阵列供水调控光热界面蒸发方法示意图。

附图标记说明：水源1、隔热材料2、毛细管3、光热转化材料4、光源5。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

本发明使用毛细管阵列嵌入隔热材料中作为导水通道，可以利用“毛细现象”实现良好的汲水效果，在单位面积上具有较高的导水效率和相对较低的热损失率，具有更精确简单的供水-热损失平衡的调节性能，有望应用于光-热界面蒸发技术中，获得更高的太阳能利用效率。

如图1所示，所述毛细管阵列供水光热界面蒸发结构，包括漂浮于海水上方的具有低热导率的隔热泡沫，毛细玻璃管间隔排列成矩阵结构嵌入隔热泡沫中，毛细玻璃管下端接触海水，毛细玻璃管上端与光热转化材料接触，海水通过毛细玻璃管通道穿过隔热泡沫，进入光热转化材料蒸发界面，在太阳光照射下蒸发。

隔热泡沫为：挤塑聚苯乙烯泡沫板(XPS)，密度为30kg/m³，导热系数为0.03W/m·K，其厚度为2至3cm。

毛细玻璃管为：毛细玻璃管内壁表面具有亲水性，毛细管长度为3至4cm，毛细管半径r为0.5mm，满足公式(其中γ为含盐量3.5％的海水表面张力系数0.07345J·m^-2，θ为液体和毛细管的接触角20°，ρ为海水密度1026.2kg·m^-3，g为重力加速度9.8m·s^-2，h为毛细管长度)。

毛细玻璃管阵列为：光热界面蒸发平面形状为10×10cm正方形，毛细玻璃管阵列中毛细管间距为0.5cm，阵列毛细管数量为21×21。

光热转化材料为：10×10cm正方形的双层黑色纱布或活性炭沉积纤维棉布，太阳光谱范围的吸光率分别为90％和93％。

海水界面蒸发的流程为：如图2所示，海水浸润毛细玻璃管阵列，被竖直汲取至光热转化材料纤维布中，通过纤维布内部的毛细通道扩散至整个蒸发界面；蒸发界面中的光热转化材料将吸收的太阳光转化为热，加热材料中吸附的海水，使其升温并蒸发。

毛细玻璃管阵列调控光热界面蒸发的方法为：阵列中毛细玻璃管数量与间距大小和毛细管粗细与长短可以根据光热蒸发供水-热损失平衡进行调节：如图3所示，按水源种类和隔热材料厚度选择毛细管材料，设置毛细管长度和直径；按光热蒸发界面设置毛细管阵列形状和初始间距；当光热蒸发过程未产生“积盐”现象时，按照倍率减少毛细管数量，等间隔地增加间距，直至产生“积盐”现象，从而减少热损失，提高光热界面蒸发效率。

毛细管阵列供水光热界面蒸发实例如下：使用模具切出直径为20cm，厚度为2cm的挤塑聚苯乙烯泡沫板隔热材料，在泡沫中间嵌入10×10cm正方形毛细玻璃管阵列；毛细玻璃管阵列中21×21根毛细管长度为3cm，彼此间距为0.5cm；毛细玻璃管下部与含盐量3.5％的海水接触，将水运输至10×10cm正方形的双层黑色纱布或活性炭沉积纤维棉布，在其表面吸收太阳光加热水实现界面蒸发；实验结果表明在1kW/m²的标准太阳光照射条件下，扣除了无光条件下的背景蒸发，活性炭沉积纤维棉布材料的蒸发速率为0.82kg/m²*h，双层黑色纱布材料的蒸发速率为0.66kg/m²*h。

毛细管阵列供水调控光热界面蒸发实例如下：使用模具切出直径为20cm，厚度为2cm的挤塑聚苯乙烯泡沫板隔热材料，在泡沫中间嵌入10×10cm正方形毛细玻璃管阵列；毛细玻璃管阵列中21×21根毛细管长度为3cm，彼此间距分别为0.5、1、2.5、5cm；毛细玻璃管下部与含盐量3.5％的海水接触，将水运输至10×10cm正方形的活性炭沉积纤维棉布，在其表面吸收太阳光加热水实现界面蒸发；实验结果表明在1kW/m²的标准太阳光照射条件下，扣除了无光条件下的背景蒸发，毛细管间距分别为0.5、1、2.5、5cm的活性炭沉积纤维棉布材料的蒸发速率分别为0.82、0.85、0.9、0.86kg/m²*h，其中5cm间距毛细管的光热蒸发过程产生了积盐。