【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于海水淡化，具体涉及一种光热焦耳热协同海水淡化结构、组件、系统及制作方法。
技术介绍
1、水和能源是地球上所有生命赖以生存的基础。地球上淡水资源仅占全球水资源的3％，其中可供人类使用的淡水资源仅占全球水资源的0.3％。根据联合国发布的《世界水发展报告》显示，全球水资源使用量在过去一百年里增加了6倍，已超四分之一的人口面临着淡水资源严重短缺的问题。因此，迫切需要人类找出能解决淡水资源短缺的技术方法。其中，淡化海水以获得洁净水的水处理技术是解决该问题的有效手段。传统含盐水淡化技术包括蒸馏法和膜法，两种方法通常需要高能源供应和额外的基础设施，无法满足淡水资源匮乏地区居民的使用需求。由此可见，急需发展成本低廉、不受地区影响限制的新型水处理技术。太阳能驱动的海水淡化技术满足上述的要求，将太阳能与各种传统水处理技术相结合，安全、环保及源源不断的太阳能作为热源加热原水，使整个蒸发过程不受电力等条件限制。该技术无污染、低能耗、稳定可靠，具有巨大的应用潜力。
2、目前为止，可以将太阳能驱动的海水淡化技术分为三种方向：体相加热方式，纳米流体水蒸发方式和界面蒸发方式。界面蒸发已被证实是其中效率最高的方向。界面蒸发过程不仅涉及对太阳能的吸收和转化，还涉及能量的传递。后者的优化方向主要有两个：一是提高光热材料向其表面液体介质的传热效率，二是减少光热材料向周围环境的散热损失。界面光热蒸发过程的热损失主要由三部分组成，吸光体对周围环境的对流热损失、辐射热损失和吸光体受辐照表面到体相水的传导热损失。降低界面光热蒸发过程中的热损失，关键在
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决传统蒸发过程中因为不合理的结构配置导致的散热大、效率低和能耗高等问题，提供了一种光热焦耳热协同海水淡化结构、组件、系统及制作方法。以具有良好光热转换能力和焦耳热转换能力的疏水微孔材料为核心，摒弃传统的界面蒸发二维结构，通过设计和制备新型的具有光热焦耳热能力的三维系统结构，针对性的解决了传统二维蒸发结构热损失大、效率低和蒸发速率小等问题。
2、本专利技术所采取的技术方案是：
3、一种光热焦耳热协同海水淡化结构，包括从上至下依次设置的光吸收体、磁性材料层、能质交换通道及支撑体；所述磁性材料层通过外加磁场产生焦耳热，在光热和焦耳热的共同作用下，光吸收体表面的水加速蒸发，所述能质交换通道采用散热翅片状结构。
4、一种光热焦耳热协同海水淡化组件，包括组合池及海水蒸发结构，所述组合池下方分隔为左右依次相邻的冷凝水收集池、蒸发池和集盐池，组合池顶部设置有向冷凝池倾斜的冷凝壁，蒸发池内有海水，所述海水蒸发结构置于蒸发池中进行界面蒸发，水蒸汽遇到顶部的冷凝壁发生冷凝，冷凝水随冷凝壁回收到左侧的冷凝水收集池中，随着蒸发的进行，离子通过能质交换通道在海水蒸发结构表面析出，积累的盐通过集盐棍的平移运动收集到右侧的集盐池中，实现盐水分离过程。
5、一种光热焦耳热协同海水淡化系统，包括盐水池、淡水池、计量泵、高频电源、磁场发生器、输运管道及海水淡化组件，所述海水淡化组件通过输运管道分别与盐水池和淡水池相连，通过计量泵输送盐水池内的水并对水的输送流量进行控制，海水淡化组件蒸发后的水送入淡水池，海水淡化组件通过外加的磁场发生器激发的感应电流产生焦耳热加速蒸发，磁场发生器需要的电能由高频电源提供，高频电源的电能由光电或者风电提供。
6、一种光热焦耳热协同海水淡化结构的制作方法，包括以下步骤：
7、s1.制作亲水性碳毡作为光吸收体；
8、s2.制作三维界面蒸发结构；
9、s3.计算得出蒸发结构温度、热流方向和大小的基本情况。
10、本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：
11、如图10所示，相对于传统二维界面光热蒸发而言，三维界面光热焦耳热协同海水淡化结构采用水输运和光吸收的分层结构设计，使热量集中在光吸收体界面为水蒸发提供驱动力，可以避免对整体待蒸发水的加热，通过热量集中可以有效提高光吸收体中待蒸发水的温度，减少热量损失并提高热利用效率，从而提升太阳能到蒸汽的蒸发效率。此外，独特的能质交换通道被设计为散热翅片状结构，不仅将光吸收体和待蒸发主体水隔开，减少了光吸收体向待蒸发水的导热损失；并且能质交换通道同时进行蒸发，蒸发带来的冷却效应使通道的温度不断降低，光吸收体的积累的热量向通道转移，促进了通道的蒸发的同时减小了光吸收体表面高温带来的对流和辐射损失。甚至蒸发带来的冷却效应能将通道的温度降低到环境温度以下，该结构使得系统从环境中获取能量进行蒸发，大大提高了蒸发效率。最后，由于太阳能的不稳定性，采用光热和焦耳热协同工作的方式，通过合理的设计和智能控制，实现光热和焦耳热的协同或者间歇式工作，可以有效解决太阳能无法持续稳定供应问题，保持蒸发过程持续进行，缺水地区急需用水时也可以单独控制磁场发生器的输入功率，实现快速产淡水。
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1.一种光热焦耳热协同海水淡化结构，其特征在于：包括从上至下依次设置的光吸收体(1)、磁性材料层(2)、能质交换通道(3)及支撑体(4)；所述磁性材料层(2)通过外加磁场产生焦耳热，在光热和焦耳热的共同作用下，光吸收体(1)表面的水加速蒸发，所述能质交换通道(3)采用散热翅片状结构。
2.根据权利要求1所述的光热焦耳热协同海水淡化结构，其特征在于：所述光吸收体(1)和能质交换通道(3)均采用亲水性碳毡制成，为亲水性微孔膜。
3.根据权利要求2所述的光热焦耳热协同海水淡化结构，其特征在于：所述磁性材料层(2)采用轻型磁吸材料镍网制成。
4.一种光热焦耳热协同海水淡化组件，其特征在于：包括组合池及权利要求1～3任意一项权利要求所述的海水蒸发结构(7)，所述组合池下方分隔为左右依次相邻的冷凝水收集池(8)、蒸发池(9)和集盐池(10)，组合池顶部为向冷凝池倾斜的冷凝壁(5)，蒸发池(9)内有海水，所述海水蒸发结构(7)置于蒸发池(9)中进行界面蒸发，水蒸汽遇到顶部的冷凝壁(5)发生冷凝，冷凝水随冷凝壁(5)回收到左侧的冷凝水收集池(8)中，随着蒸发的
5.一种光热焦耳热协同海水淡化系统，其特征在于：包括盐水池(16)、淡水池(17)、计量泵(15)、高频电源(11)、磁场发生器(12)、输运管道(18)及权利要求4所述的海水淡化组件(13)，所述海水淡化组件(13)通过输运管道(18)分别与盐水池(16)和淡水池(17)相连，通过计量泵(15)输送盐水池(16)内的水并对水的输送流量进行控制，海水淡化组件(13)蒸发后的水送入淡水池(17)，海水淡化组件(13)通过外加的磁场发生器(12)激发的感应电流产生焦耳热加速蒸发，磁场发生器(12)需要的电能由高频电源(11)提供，高频电源(11)的电能由光电或者风电提供。
6.根据权利要求5所述的光热焦耳热协同海水淡化系统，其特征在于：采用光强计(19)对太阳光的强度进行检测，并利用传感器(14)对蒸发池(9)内的液面高度进行检测，所述光强计(19)和传感器(14)的数据接入到集成控制系统(20)中，根据获得的数据自动控制计量泵(15)，调节盐水的输送流量，同时自动调节磁场发生器(12)的输入功率，与太阳光的输入功率相匹配，使得输入薄膜的总功率保持不变，同时也可以通过集成控制系统(20)单独控制磁场发生器(12)的输入功率，实现快速产淡水。
7.一种权利要求1～3所述的光热焦耳热协同海水淡化结构的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种光热焦耳热协同海水淡化结构的制作方法，其特征在于：所述S1中的光吸收体(1)具体制作步骤为：选择碳纤维毡作为基底，采用98％的浓硝酸浸渍碳纤维毡并于水浴锅内80℃水浴8小时，在碳纤维毡表面附着亲水性官能团，得到所需的具有良好光热转换能力的亲水性碳毡。
9.根据权利要求7所述的光热焦耳热协同海水淡化结构的制作方法，其特征在于：所述S2中的制作三维界面蒸发结构，具体为：
10.根据权利要求7所述的光热焦耳热协同海水淡化结构的制作方法，其特征在于：所述S3中计算得出蒸发结构温度、热流方向和大小的基本情况的具体方法为：根据设计的海水淡化结构几何结构，建立物理模型，运用有限元方法求解传热基本方程，设定工作时的初始温度和边界条件，通过COMSOL计算求解，可以获得蒸发结构温度、热流方向和大小的基本情况。
...【技术特征摘要】
1.一种光热焦耳热协同海水淡化结构，其特征在于：包括从上至下依次设置的光吸收体(1)、磁性材料层(2)、能质交换通道(3)及支撑体(4)；所述磁性材料层(2)通过外加磁场产生焦耳热，在光热和焦耳热的共同作用下，光吸收体(1)表面的水加速蒸发，所述能质交换通道(3)采用散热翅片状结构。
2.根据权利要求1所述的光热焦耳热协同海水淡化结构，其特征在于：所述光吸收体(1)和能质交换通道(3)均采用亲水性碳毡制成，为亲水性微孔膜。
3.根据权利要求2所述的光热焦耳热协同海水淡化结构，其特征在于：所述磁性材料层(2)采用轻型磁吸材料镍网制成。
4.一种光热焦耳热协同海水淡化组件，其特征在于：包括组合池及权利要求1～3任意一项权利要求所述的海水蒸发结构(7)，所述组合池下方分隔为左右依次相邻的冷凝水收集池(8)、蒸发池(9)和集盐池(10)，组合池顶部为向冷凝池倾斜的冷凝壁(5)，蒸发池(9)内有海水，所述海水蒸发结构(7)置于蒸发池(9)中进行界面蒸发，水蒸汽遇到顶部的冷凝壁(5)发生冷凝，冷凝水随冷凝壁(5)回收到左侧的冷凝水收集池(8)中，随着蒸发的进行，离子通过能质交换通道(3)在海水蒸发结构(7)表面析出，积累的盐通过集盐棍(6)的平移运动收集到右侧的集盐池(10)中，实现盐水分离过程。
5.一种光热焦耳热协同海水淡化系统，其特征在于：包括盐水池(16)、淡水池(17)、计量泵(15)、高频电源(11)、磁场发生器(12)、输运管道(18)及权利要求4所述的海水淡化组件(13)，所述海水淡化组件(13)通过输运管道(18)分别与盐水池(16)和淡水池(17)相连，通过计量泵(15)输送盐水池(16)内的水并对水的输送流量进行控制，海水淡化组件(13)蒸发后的水送入淡水池(1...
【专利技术属性】
技术研发人员：石雷，陶文亮，刘甲东，单紫川，文爽，周天，孙志强，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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