所屬技術領域

本發(fā)明太陽能聚光發(fā)電與海水淡化利用技術領域。具體地說是一種充氣式水下太陽能聚光器與太陽能電池板以及蒸餾式海水淡化裝置相結合的新型結構。

背景技術：

太陽是地球的生命之源，每天大約5.5×10²¹kj太陽能到達地球。如此巨大的能量大部分被占地球表面積的71％海洋吸收。而現有的利用太陽能的裝置設計時，往往只考慮在陸地上如何安裝使用，因而對于海洋來說這些裝置并不適用，這就造成了海洋里的太陽能被大量的白白浪費。

近年來，人類有向海洋發(fā)展的趨勢，對海洋的探索越來越多，不但水上航行器日益增多，而且隨著人們對水下探索的逐漸深入，水下潛航器或者水下工作裝置也日益增多，因此潛航器或者水下工作裝置的能量補給以及生活用水問題也逐漸擺在了人們的面前。目前，人們?yōu)闈摵狡鞯妊b置充電或補充能量，主要依靠基站或者補給船的方式進行，而這大大限制了潛航器的活動空間。如果能夠就近利用自然的能量為潛航器充電，顯然是非常有意義的。在海洋中，自然的能量也有很多，比如有海水的溫差能、海洋流動能、潮汐能以及海面上豐富的太陽能等。然而，海洋的溫差大約只有25℃左右，加之溫差發(fā)電效率很低，因此利用溫差發(fā)電為潛航器提供較大電力似乎不可行；利用海洋流動能和潮汐能發(fā)電，效率可以較高，但需要龐大的裝置，這對潛航器的有限空間來說攜帶如此龐大的裝置是不允許的。

由于水下太陽光的密度已經變得很低，如果采用普通的光伏電池發(fā)電，將需要很大的電池面積，這是條件不允許的，也是沒有必要的。我們可以將水下的太陽光聚集起來，實現水下聚光，減少電池的使用量。此外，我們還可以利用太陽能電池板產生的余熱來加熱海水，從而達到蒸餾海水產生淡水。這種復合裝置既實現太陽能熱電的綜合利用，提高太陽能利用率又解決了水下潛航器上人員的用電和用水難題。因此，研究水下聚光裝置就變得十分必要。

技術實現要素：

本發(fā)明提供了一種將充氣式聚光器、太陽能電池組和蒸餾法海水淡化系統(tǒng)相結合的裝置，利用太陽能發(fā)電和生產淡水。該復合裝置在海水下工作，所以海上大風對系統(tǒng)運行影響比較小，抵抗惡劣天氣性能強。充氣式聚光器內壁內側鍍有反射膜并且由于內壁外側的海水折射率大于內部空氣折射率，這使得即使有部分光線透過反射膜只要其入射角大于臨界角將發(fā)生全反射，這種利用了反射和全反射匯聚光線的聚光器提高了對進入光線利用率。非工作狀態(tài)時，通過將柔性充氣式聚光器夾層中氣體放出，聚光器可折疊變小，使得整個系統(tǒng)便于攜帶及存儲。整個系統(tǒng)不僅利用太陽能產生電能，還利用了電池板發(fā)電過程中產生的余熱來蒸餾淡化海水，提高系統(tǒng)的能量利用率。

一種充氣式水下太陽能聚光發(fā)電及海水淡化的復合裝置，主要裝置包括柔性充氣式聚光器、充氣閥、太陽能電池板、通氣匯水器、冷凝器、導管、進排氣閥、淡水儲蓄箱。

本發(fā)明所采用的技術方案和工作原理是：柔性充氣式聚光器可充入不同質量的氣體以適應不同深度水下壓力，而柔性充氣式聚光器內部大量的具有通孔限位隔膜可以限制聚光器兩個外表面的相對位置以保證聚光器在充入氣體后表面不會過分外凸，從而使其保持合適復合拋物面形狀。當傾斜入射或平行于聚光器對稱軸的光線進入水下經柔性充氣式聚光器鍍膜表面反射或多次反射后在太陽能電池板上匯集，由于光伏效應，太陽能電池板將光能轉化為電能對外輸出；在產生電能的同時，太陽能電池板所產生的余熱將從電池板背面導出，從而達到冷卻電池板加熱海水的目的。由于冷凝器和淡水儲蓄箱是由導管相連接，可通過淡水儲蓄箱上進排氣閥控制冷凝器中的氣體量，以使得在冷凝器中形成的自由液面剛好沒過太陽能電池板上端且不超過通氣匯水器的細通孔的最低點。電池板背面海水受熱后將在冷凝器內部的自由液面處產生蒸汽，蒸汽經通氣匯水器上的細通孔進入冷凝器。由于冷凝器外壁的海水溫度較低，進入冷凝器中的高溫蒸汽將在冷凝器的內壁冷凝形成淡水滴。水滴在重力的作用下，沿通氣匯水器上槽道流經一端連接淡水儲蓄箱的導管，最終匯集到淡水儲蓄箱。

此外，由于充氣式水下聚光器夾層內的氣體折射率小于海水的折射率，即使少部分光線透過鍍膜的反射面，只要其入射角大于或等于臨界角，光線將在其表面發(fā)生全反射后在太陽能電池板上匯集，從而防止了這部分光線透過反射面，增大了充氣式聚光器的聚光效率，進而提高了整個復合裝置的能量利用率。

有益效果：

(1)本發(fā)明能量利用率高。本發(fā)明將太陽能發(fā)電和海水淡化技術相結合，使得復合裝置系統(tǒng)吸收的太陽能全部被合理利用，提高了系統(tǒng)能量效率。打破了傳統(tǒng)裝置中太陽能只能發(fā)電或產熱單一利用模式，做到了熱電聯合利用。此外，由于柔性充氣式聚光器內部為空氣，當水下光線入射角大于等于臨界角，即使少量透過反射膜的光線也將發(fā)生全反射，從而被太陽能電池板接收。這種柔性充氣式聚光器通過對入射光線反射和全反射匯集聚光，進一步提高了系統(tǒng)能量利用率。

(2)本發(fā)明充分利用了廣闊海洋水下光能，為水下工作裝置，例如潛航器、小型潛艇等，提供了續(xù)航能源，使其更好地完成水下作業(yè)任務，同時還可以解決這些水下工作裝置中人員用水難題。

(3)本發(fā)明可以將低能流密度太陽光束匯聚成高能流密度的焦斑，并使得焦點在聚光器下方，實現了反射式順向聚焦，這樣使得接收器可以安裝在聚光器的下方，方便了整個系統(tǒng)裝置的設計和安裝。而且在非工作狀態(tài)時，柔性充氣式聚光器可通過放氣來減小其體積，從而使得整個系統(tǒng)變得簡便，易于攜帶與存儲。

(4)本發(fā)明裝置結構緊湊，制造成本低，運行穩(wěn)定，維護費用少，使用壽命長，可以規(guī)?；瘧?。整套裝置所有部件包括柔性充氣式聚光器、太陽能電池板、通氣匯水器、冷凝器以、導管、淡水儲蓄箱以及進排氣閥門。這些部件規(guī)則的布置在一個區(qū)域，使得整個裝置非常緊湊。系統(tǒng)各個部件易于加工和標準化生產，制造成本低。整個系統(tǒng)是在水下運行，可以抵抗海上大風等惡劣天氣，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，維護費用小，系統(tǒng)使用壽命長。本裝置可以通過排列組合布置于海面下，形成大規(guī)模發(fā)電和生產淡水系統(tǒng)，從而實現了海下太陽能光伏和海水淡化的低成本、規(guī)?；瘧谩?/p>

(5)本發(fā)明提出了一種新型充氣式水下聚光器概念。根據不同深度水下壓力，充氣式聚光器內部充入合適質量氣體，在其內部限位隔膜作用下，聚光器將形成復合拋物面型并在聚光器內壁與氣體相接觸的一側鍍反射膜。水下入射光線經反射和全反射的運行方式被匯集在接收器上。這種水下柔性充氣式聚光器將為以后的聚光器設計提供一種新方向，同時也為水下太陽能利用提供新思路。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結構示意圖；

圖2為本發(fā)明光路運行原理圖；

圖3為本發(fā)明運行原理圖；

圖4為本發(fā)明充氣式具有通氣孔水平限位隔膜的柔性充氣式聚光器的實施例

圖5為本發(fā)明冷凝器中帶有熱虹吸冷凝管實施例；

圖6為本發(fā)明僅用來發(fā)電裝置的實施例；

圖7為本發(fā)明三維槽式聚光器實施例；

圖8為分別為旋轉體式和槽式系統(tǒng)串聯規(guī)?；瘧脤嵤├?；

其中，1—柔性充氣式聚光器；2—具有通氣孔的限位隔膜；3—反射膜；4—充氣閥5—太陽能電池板；6—通氣匯水器；7—細通孔；8—槽道；9—冷凝器；10—淡水儲蓄箱；11—進排氣閥；12—導管13—平行且遠離對稱軸光線；14—平行且靠近對稱軸光線；15—透過反射膜光線；16—對稱軸；17—傾斜入射光線；18—淡水滴；19—自由液面；20—具有通氣孔的水平限位隔膜；21—熱虹吸冷凝盤管；22—保溫層；23—熱虹吸冷凝盤管進口；24—熱虹吸冷凝盤管出口。

具體實施方式

下面結合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。

附圖1是本發(fā)明一種充氣式水下太陽能發(fā)電及海水淡化復合系統(tǒng)。其裝置主要包括：內部包含具有通氣孔的限位隔膜2和內壁與空氣相接觸的一側鍍反射膜3的柔性充氣式聚光器1、充氣閥4、太陽能電池板5、表面具有細通孔7和槽道8的通氣匯水器6、冷凝器9、淡水儲蓄箱10、進排氣閥11、導管12。其中柔性充氣式聚光器1位于整個系統(tǒng)最上端。具有通氣孔的限位隔膜2位于柔性充氣式聚光器內部，將整個柔性聚光器1內部分為許多不同小空間，其上的通氣孔將分隔各個空間相連通。反射膜3鍍在柔性充氣式聚光器內表面與空氣相接觸的一側。充氣閥4位于柔性充氣式聚光器1上部外側合適位置。太陽能電池板5位于入射光線焦斑落在的位置且其底部與柔性充氣式聚光器1的底部相連置。冷凝器9位于太陽能電池板5上方，其開口處與電池板5頂部緊密連接。通氣匯水器6位于冷凝器9內部，其外邊緣與冷凝器9緊密相連，出口與導管12上端相連。通氣匯水6上分布著蒸汽可以進入而水下雜物不能通過的細通孔7以及用來將冷凝器中形成淡水引向導管12的槽道8。淡水儲蓄箱位于系統(tǒng)的最下方，通過導管12將其與通氣匯水器6相連。淡水儲蓄箱10上部連接著用于充氣及放氣的進排氣閥11。本發(fā)明裝置可以設計成三維的旋轉體結構，也可以設計成槽式結構。本發(fā)明裝置還可以通過串聯方式組成兩級以上系統(tǒng)規(guī)?；瘧谩?/p>

附圖2是柔性充氣式聚光器聚光原理圖。當柔性充氣式聚光器1置于水下時，通過充氣閥4將被具有通氣孔的限位隔膜2分割的許多小空間充滿，整個聚光器將形成復合拋物面的形狀。平行且靠近對稱軸16水下光線14將沿軸線方向到達鍍有反射膜3的聚光器1復合拋物面上，經過的拋物面一次反射后，匯集到太陽能電池板5上。而平行且遠離對稱軸16光線13到達反射面后經反射落在對稱軸16另一側的反射面，然后光線經二次反射或多次反射后最終匯集在該側的太陽能電池板5上。

當水下入射光線17與對稱軸16有一定夾角時，即入射光線傾斜進入柔性充氣式聚光器1時，與平行光線13、14情況類似，遇到鍍反射膜復合拋物面一次或多次反射后，最終匯集在太陽能電池板5上。

當少量入射光線15透過反射膜時，由于柔性充氣式聚光器1夾層內部充滿氣體，其折射率要小于海水折射率，這部分光線中的入射角大于或等于其臨界角的光線將不能透過聚光器1而是在其內表面發(fā)生全反射后匯集太陽能電池板5上。

柔性充氣式聚光器1利用了光線的反射、多次反射和全反射等方式，使得入射光線能夠匯集在電池板5上，提高系統(tǒng)對太陽能的利用率。

如附圖3所示，裝置的運行原理圖解釋如下：當充氣式水下太陽能發(fā)電及海水淡化復合裝置被置于海水下時，氣體將通過充氣閥4充滿被具有通氣孔限位膜2分割成的許多小空間以使得水下充氣式聚光器1具有合適的復合拋物面型。進入水下的入射光線17絕大部分經過鍍在聚光器1內表面上的反射膜3一次反射或多次反射后匯聚在太陽能電池板5上；少量透過反射膜且入射角大于臨界角的光線會在聚光器鍍膜側的表面發(fā)生全反射后同樣匯聚在太陽能電池板5上。太陽能電池板5接受匯集的太陽能發(fā)電對外輸出，而電池板系統(tǒng)5所產生的余熱將通過電池板的背面?zhèn)鲗Ыo電池板系統(tǒng)中間的海水。通過進排氣閥11控制冷凝器9中空氣量，使得冷凝器9下方自由液面19剛好沒過電池板上端而又不超過通氣匯水器6上通氣孔7最低點。電池板系統(tǒng)中間的海水被加熱后在自由液面19處產生高溫蒸汽。高溫蒸汽通過通氣匯水器6上細通孔7進入冷凝器9；由于冷凝器9外壁的海水溫度低，高溫蒸汽將在冷凝器內壁上冷凝形成淡水滴18；淡水滴18在重力的作用下將經通氣匯水器6上的槽道8流向導管12，然后沿著導管匯聚于淡水儲蓄箱10。當淡水儲蓄箱10收集的淡水不斷增加時，淡水儲蓄箱10中的原本的空氣將被擠壓到冷凝器9中，當被擠壓的空氣過多時，冷凝器9中過大氣體壓力將導致自由液面19降低，最后液體不能沒過太陽能電池板5，從而影響太陽電池板散熱及淡水產量。當該種情況發(fā)生時，需要打開進排氣閥11排出淡水儲蓄箱中過多的氣體以降低冷凝器中氣體壓力，進而維持自由液面19合適的高度。

如圖4所示一個實施例中，柔性充氣式水下聚光器1中傾斜式具有通氣孔的限位隔膜2替換為水平式具有通氣孔的限位隔膜20。

如圖5所示一個實施例中，冷凝器9中加入了熱虹吸冷凝盤管21。冷海水從冷凝盤管21的進口23進入，冷凝器9中的高溫蒸汽一部分在內壁面凝結成淡水，另一部分碰到熱虹吸冷凝盤管21放熱凝結成淡水。冷凝盤管中海水受熱密度變小，而冷凝管另一端由于被保溫層22所包裹，其內部的溫度仍然較低，密度大。由于熱虹吸冷凝盤管內部海水存在密度差，海水將由密度小的流向密度大的地方，這樣海水就在冷凝盤管21中形成自然對流，由進口23流向出口24，進而實現了對冷凝器中蒸汽冷凝的作用。

如圖6所示一個實施例中，柔性充氣式水下聚光器系統(tǒng)去除了海水淡化系統(tǒng)，僅保留了太陽能電池板用于發(fā)電，使得整個系統(tǒng)更加緊湊、簡潔。

如圖7所示一個實施例中，柔性充氣式聚光器為槽式的系統(tǒng)

如圖8所示一個實施例中，分別為旋轉式和槽式聚光器系統(tǒng)串聯一起規(guī)?；瘧?。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。