漂浮式太阳能海水淡化膜微结构中热质传递机理与强化

The solar collector and desalination unit are two separate parts in traditional solar desalination technology. There is very big thermal resistance and heat loss between them which confines the large scale application of solar desalination system. This work provides a new concept of concentrating to directly evaporating. And then, it will be carried out in a floating film. The cavities in the film will be used to collect the solar light and to heat sea water in the cavities sent by capillary. This kind of units can be combined to become very big solar desalination system which has the advantage of together with solar collector and desalination unit. It saves the land cost because it floats on the sea surface and it can made by metalloid material. This work will research the concentrating and the heat and mass transfer process in the microstructure of the film. The optimum enhanced method for concentration and heat and mass transfer will be found so as to establish ‘the light to evaporating’ theory. At the same time, the diffused principle of the vapor and salt in the hydrophile evaporation tube will be researched so as to find the suitable way to send sea water into system. Finally, the theoretical model of total system will be established. The factors which have influence on system performance will be analyzed. A function relationship about different parts will be given out.

传统的太阳能海水淡化技术中太阳能集热器与淡化器是分离的两个部件，两者之间存在巨大热阻与管路损失，限制了太阳能海水淡化技术低成本与大规模应用。本研究提出了聚光直接蒸发海水实现淡化的概念，并在漂浮式透明薄膜或板材的内部结构中实施，即利用薄膜内部空腔，实现高效太阳能聚光，让太阳光直接加热并蒸发由亲水材料送入腔内的海水，实现海水淡化过程。它的最大优势就是将太阳能集热器与海水淡化器合二为一，漂浮于海面上，省却了土地成本，并可用非金属材料制造。本项目将对淡化膜中微结构的聚光过程、微结构中热质传递的机理展开研究，找到最佳的聚光方式和热质传递的强化措施，形成一套小空间光致蒸发的优化理论。同时要对亲水蒸发管束中汽、盐扩散的机理进行研究，找到最佳的海水输入系统的方式。最后，建立总系统的理论模型，对影响系统性能的因素进行分析，从理论与实验两方面研究它们的优化匹配关系，给出总系统各部件之间的最优匹配函数。

传统的太阳能海水淡化技术中太阳能集热器与淡化器是分离的两个部件，两者之间存在巨大热阻与管路损失，限制了太阳能海水淡化技术低成本与大规模应用。本研究提出了聚光直接蒸发海水实现淡化的概念，将太阳能集热器与海水淡化器集成于一种可漂浮的透明薄膜或板材内，实现了高效的太阳能聚光与海水淡化。主要研究工作及成果包括：(1) 对实用于漂浮式海水淡化膜的微聚光结构进行了优化研究，基于聚光效率最大化和足够的蒸汽冷凝面积的要求，提出了小空间下的最优设计理论，获得了优化的设计参数，研究成果发表于Applied Energy；(2) 对聚光蒸发腔体微结构中热质传递过程进行了仿真研究，并实验验证，通过减小蒸汽浮力及凝结淡水对冷凝过程的阻碍，实现了对热质传递过程的强化；(3) 研究了小空间中蒸发速率与太阳能光强、水及界面之间的相互作用机理，得到了单位面积的蒸发产水速率公式：me=16.273e-3*hc*ΔP/hfg，及膜空间淡化过程的数学物理模型，研究成果发表于Desalination 和工程热物理学报；(4) 建立了多个实验系统，在实际天气条件下对前述数学物理模型进行了实验验证；(5) 建立了预测系统产水率的经验关联式，并在稳态条件下进行了验证；(6) 研究了系统部件之间的优化匹配关系和增强系统可靠性的技术手段，将不同材料与结构的亲水蒸发管束与蒸发腔进行匹配，从聚光、强化蒸发与凝结、流动以及结构强度等几方面探索它们之间的匹配关系，从而建立了可经实验验证的总系统设计理论和方法，研究成果发表于Applied Energy；(7) 基于本项研究的多曲面聚光和有限空间强化蒸发的技术和理论，创新设计了一种可利用海水直接灌溉的太阳能种植器，一种可嵌入地下的太阳能蒸馏器及多曲面太阳能聚光空气集热器，并申请多项专利，研究成果发表于Desalination 和太阳能学报。