一种适用于高寒地区的淡水生成装置

1.一种适用于高寒地区的淡水生成装置，其特征在于：该装置由太阳能集热系统、淡水生成系统、辅助电力系统和控制器组成，所述太阳能集热系统包括平面反射镜、太阳能集热器、分流结构通道换热器工质流动区域以及辅助水泵，所述分流结构通道换热器工质流动区域由空心叶轮、主贯穿通道和导热肋片组成，所述主贯穿通道通过所述辅助水泵与所述太阳能集热器连通，所述平面反射镜反射太阳光线加热所述太阳能集热器；所述太阳能集热器通过吸收太阳能的方式加热所述的分流结构通道换热器工质流动区域中的工质；所述分流结构通道换热器工质流动区域加热采集的冰使之融化；所述淡水生成系统包括分流结构通道换热器淡水生成区域、抽水泵以及电加热器，所述分流结构通道换热器淡水生成区域由存储冰块的绝热盖、空腔以及盛水基板构成，所述抽水泵将所述盛水基板收集的低温淡水抽出，并送至所述电加热器；所述导热肋片之间形成所述用于盛放冰块的空腔；所述辅助电力系统由风力发电机、蓄电池、稳压器以及逆变器组成，所述风力发电机采集所述装置附近的风能，通过所述稳压器输出稳定电压，给所述的蓄电池充电；所述蓄电池储存风电能，将直流电能输入所述逆变器，所述逆变器将直流电能转变成交流电，为所述抽水泵、电加热器、辅助水泵提供电能；所述控制器，根据所述淡水生成装置工作状态改变所述辅助电力系统对所述抽水泵、电加热器以及辅助水泵供电；所述控制器根据所述淡水生成装置工作流程，分为三个工作阶段，依次为停机阶段、启动阶段、工作阶段；所述淡水生成装置停机阶段，所述控制器切断主电路，停止供电；所述淡水生成装置启动阶段，所述控制器接通主电路，对所述辅助水泵供电，辅助启动所述太阳能集热系统中的自然循环，同时对所述空心叶轮通电使空心叶轮旋转；所述淡水生成装置工作阶段，所述控制器停止对所述辅助水泵供电，同时对所述抽水泵、电加热器供电，完成低温淡水的加热与输送。
2.根据权利要求1所述的淡水生成装置，其特征在于：所述风力发电机采用小叶片、多风轮组合带动发电机。
3.根据权利要求1所述的淡水生成装置，其特征在于：在所述导热肋片内设置有与所述主贯穿通道连通的用于工质流入的空隙。
4.根据权利要求1所述的淡水生成装置，其特征在于：在所述盛水基板中心设置有圆形沟槽，在所述圆形沟槽圆心径向位移二分之一半径处开有排水孔；在所述圆形沟槽上架设空心叶轮的转轴；在所述空心叶轮内部充满工质，在所述空心叶轮外部及绝热外壳构成的空腔区域存放采集的冰；在所述空心叶轮的顶部上方设有绝热盖；所述绝热盖由两块半环形绝热盖组成；所述半环形绝热盖外半径R1、内半径R2，绝热外壳半径r1，空心叶轮转轴半径r2，其中R1-r1≥2mm、R2-r2≥2mm；所述空心叶轮转轴顶部连接太阳能集热器热水出口，转轴底部连接太阳能集热器冷水出口。

一种适用于高寒地区的淡水生成装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种淡水生成装置，具体涉及的是一种针对高寒地区恶劣工作条件，利用可再生能源驱动的淡水产生装置。\n背景技术\n[0002] 高寒地区一般具有低压缺氧、寒冷干燥、日照长、辐射强等恶劣天气条件，严重限制人类活动。然而，高寒地区拥有丰富的生态环境、矿产资源，都具有极高的开发价值。上述严峻的自然条件导致人类难以在高寒地区生活，尤其对于高寒地区科考工作来说，科考队员不但需要携带生活必需品，还要携带各种科研仪器，如何在高寒地区获取淡水成为高寒地区科考必须攻克的难关。为了避开恶劣的环境，许多科考站建立在远离冰盖的无冰区，这样一来如何获得淡水就成了一大难题。即便是在冰雪丰富的高寒地区，人们获取淡水也极不方便。依照目前的淡水生成方式，一般建立在冰盖上的考察站都建有一个化水池，把冰取回后放入池中，然后在池中通电加热才能化水为冰，加以使用。在高寒地区，采用电加热取水将造成资源浪费。\n[0003] 为此，本发明提出一种充分利用太阳能和风能的淡水生成装置。太阳能为加热能量的主要来源；风能产生少量电能，辅助整个系统良性运作。本发明所述的淡水生成装置只需人工添加采集来的冰，无需额外消耗电能，大大降低取水成本，同时该装置采用清洁能源，不会产生污染，保护当地环境。\n发明内容\n[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供了一种利用高寒地区丰富的太阳能、风能等可再生资源，并采用加强对流换热的分流结构通道换热器的淡水生成装置，该装置不需要外界能量输入，充分利用太阳能、风能等可再生能源，构建稳定的循环工作流程，同时本发明中各个部件均考虑到使用环境的限制，能够节能、高效地生成淡水。\n[0005] 技术方案\n[0006] 为解决高寒地区淡水生成的上述技术问题，本发明采用的技术方案是：\n[0007] 一种适用于高寒地区的淡水生成装置，其特征在于：该装置由太阳能集热系统、淡水生成系统、辅助电力系统和控制器组成，所述太阳能集热系统包括平面反射镜、太阳能集热器、分流结构通道换热器工质流动区域以及辅助水泵，所述分流结构通道换热器工质流动区域由空心叶轮、主贯穿通道和导热肋片组成，所述主贯穿通道通过所述辅助水泵与所述太阳能集热器连通，所述平面反射镜反射太阳光线加热所述太阳能集热器；所述太阳能集热器通过吸收太阳能的方式加热所述的分流结构通道换热器工质流动区域中的工质；所述分流结构通道换热器工质流动区域加热采集的冰使之融化；所述淡水生成系统包括分流结构通道换热器淡水生成区域、抽水泵以及电加热器，所述分流结构通道换热器淡水生成区域由存储冰块的绝热盖、空腔以及盛水基板构成，所述抽水泵将所述盛水基板收集的低温淡水抽出，并送至所述电加热器；所述导热肋片之间形成所述用于盛放冰块的空腔；所述辅助电力系统由风力发电机、蓄电池、稳压器以及逆变器组成，所述风力发电机采集所述装置附近的风能，通过所述稳压器输出稳定电压，给所述的蓄电池充电；所述蓄电池储存风电能，将直流电能输入所述逆变器，所述逆变器将直流电能转变成交流电，为所述抽水泵、电加热器、辅助水泵提供电能；所述控制器，根据所述淡水生成装置工作状态改变所述辅助电力系统对所述抽水泵、电加热器以及辅助水泵供电；所述控制器根据所述淡水生成装置工作流程，分为三个工作阶段，依次为停机阶段、启动阶段、工作阶段；所述淡水生成装置停机阶段，所述控制器切断主电路，停止供电；所述淡水生成装置启动阶段，所述控制器接通主电路，对所述辅助水泵供电，辅助启动所述太阳能集热系统中的自然循环，同时对所述空心叶轮通电使空心叶轮旋转；所述淡水生成装置工作阶段，所述控制器停止对所述辅助水泵供电，同时对所述抽水泵、电加热器供电，完成低温淡水的加热与输送。\n[0008] 所述风力发电机采用小叶片、多风轮组合带动发电机。\n[0009] 在所述导热肋片内设置有与所述主贯穿通道连通的用于工质流入的空隙。\n[0010] 在所述盛水基板中心设置有圆形沟槽，在所述圆形沟槽圆心径向位移二分之一半径处开有排水孔；在所述圆形沟槽上架设空心叶轮的转轴；在所述空心叶轮内部充满工质，在所述空心叶轮外部及绝热外壳构成的空腔区域存放采集的冰；在所述空心叶轮的顶部上方设有绝热盖；所述绝热盖由两块半环形绝热盖组成；所述半环形绝热盖外半径R1、内半径R2，绝热外壳半径r1，空心叶轮转轴半径r2，其中R1-r1≥2mm、R2-r2≥2mm；所述空心叶轮转轴顶部连接太阳能集热器热水出口，转轴底部连接太阳能集热器冷水出口。\n[0011] 本发明一种适用于高寒地区的淡水生成装置，该装置由太阳能集热系统、淡水生成系统、辅助电力系统和控制器组成。太阳能集热系统将太阳能转化成热能并传递给工质；\n淡水生成系统利用工质的热能加热冰，生成低温淡水，构建分流换热空间；辅助电力系统采集风能并转化为电能，将电能储存于蓄电池中，在控制器的作用下合理分配电能实现低温淡水的加热以及输送。\n[0012] 太阳能集热系统由平面反射镜、太阳能集热器、分流结构通道换热器工质流动区域、辅助水泵等部分组成。分流结构通道换热器工质流动区域由空心叶轮、主贯穿通道和导热肋片组成。所平面反射镜反射太阳光线加热所述太阳能集热器；太阳能集热器通过吸收太阳能的方式加热分流结构通道换热器工质流动区域中的工质；分流结构通道换热器工质流动区域加热采集的冰使之融化。太阳能集热系统将装置收集到的太阳能转化为热能，同时实现对分流结构通道换热器内工质的加热。\n[0013] 太阳能集热系统采用辅助自然循环防冻法，防止该系统外露管路中的工质由于气温过低而冻结。辅助自然循环防冻法通过辅助水泵做功，增加工质动能，将分流结构通道换热器工质流动区域中处于系统低位的工质输送到处于系统高位的太阳能集热器中；然后利用自然滴流，使处于系统高位的太阳能集热器中的工质经过系统管路回流至处于系统低位的分流结构通道换热器工质流动区域；上述的液体输运和自然滴流循环往复，使需要防冻的太阳能集热系统中的管路中的工质始终处于流动状态，保证管路中的工质不会凝结造成冻堵。\n[0014] 淡水生成系统由分流结构通道换热器淡水生成区域、抽水泵、电加热器等组成。分流结构通道换热器淡水生成区域由存储冰块的绝热盖、空腔、盛水基板构成，用以储存采集的冰块、与工质流动区域的工质进行换热；抽水泵将盛水基板收集的低温淡水抽出，并送至电加热器；电加热器加热低温淡水，送往生活区。淡水生成系统采用分流技术、使用肋片结构构建分流结构换热空间，增加换热面积，极大强化传热。\n[0015] 辅助电力系统由风力发电机、蓄电池、稳压器、逆变器等组成。风力发电机采集装置附近的风能，通过稳压器输出稳定电压，给蓄电池充电；所述蓄电池储存风电能，将直流电能输入所述逆变器，所述的逆变器将直流电能转变成交流电，为所述的抽水泵、电加热器、辅助水泵等提供电能。由于高寒地区一般具有寒冷、风大的天气特征，风力发电叶片设计方案要减少传动轴重量并满足基础发电量需求，所述风力发电机采用小叶片、多风轮组合带动发电机；所述蓄电池需要防冻棉、防冻箱体的保护。该系统将装置附近的风能转化为电能，同时设立辅助电源保护，保证辅助电力系统的正常运行，使整个装置，快捷、可再生地产生淡水。\n[0016] 控制器根据所述淡水生成装置工作状态改变辅助电力系统对抽水泵、电加热器、辅助水泵等设备的供电。控制器根据所述淡水生成装置工作流程，分为三个工作阶段，依次为停机阶段、启动阶段、工作阶段。淡水生成装置停机阶段，控制器切断主电路，停止供电；\n淡水生成装置启动阶段，控制器接通主电路，对辅助水泵供电，辅助启动太阳能集热系统中的自然循环，防止管路冻堵，同时对分流结构通道换热器转轴供电，带动空心叶轮旋转，清洁淡水生成区域；淡水生成装置工作阶段，控制器停止对所述辅助水泵供电，同时对所抽水泵、电加热器供电，完成低温淡水的加热与输送。\n[0017] 分流结构通道换热器由工质流动区域以及淡水生成区域两个部分组成。其中，工质流动区域空心叶轮包括主贯穿通道、导热肋片内部等空间区域，与太阳能集热器连通，属于太阳能集热系统；淡水生成区域包括绝热盖、导热肋片外的空腔、盛水基板等空间区域，与抽水泵连通，属于淡水生成系统。\n[0018] 分流结构通道换热器由绝热外壳、空心叶轮、绝缘盖、盛水基板等组成。在绝热外壳底部安装盛水基板；在盛水基板中心设置有圆形沟槽，在圆形沟槽圆心径向位移二分之一半径处开有排水孔；在圆形沟槽上架设空心叶轮的转轴；在空心叶轮内部充满工质，在空心叶轮外部及绝热外壳构成的空腔区域存放采集的冰；在空心叶轮的顶部上方设有绝热盖；绝热盖由两块半环形绝热盖组成；半环形绝热盖外半径R1、内半径R2，绝热外壳半径r1，空心叶轮转轴半径r2，其中R1-r1≥2mm、R2-r2≥2mm；空心叶轮转轴顶部连接太阳能集热器热水出口，转轴底部连接太阳能集热器冷水出口。\n[0019] 本发明涉及到的一种适用于高寒地区的淡水生成装置的技术方案在于洁净能源技术与分流技术的紧密结合。一方面，太阳能和风能是高寒地区比较容易获得的清洁能源，太阳能集热器吸收太阳能加热工质，风力发电机将风能转化成电能，整个系统不需要其他能量输入，完成原本需要大量电力消耗的工作；另一方面，分流结构通道换热器中空心叶轮采用了分流技术，将工质分流到导热叶片内部，使得对流换热面积大幅增加。此外，空心叶轮的旋转利用离心力将工质分流，同时对空腔内的冰进行搅拌，使工质与冰的接触更加均匀，极大强化换热。\n[0020] 本发明采用辅助自然循环防冻法防止太阳能集热系统管道冻堵，这要求在换热过程中，工质不能与冰混合。上述分流结构通道换热器将加热工质与冰分隔开，同时利用冰融化生成的水密度比冰大，融化后水会向下运动的特性收集低温淡水。由空心叶轮中的主贯穿通道和导热肋片内部组成的工质流动区域与由导热肋片外层与绝热外壳组成的空腔区域互不掺和，同时分流结构大大增加了工质的传热面积，提高了换热效率。此外，考虑到空腔内部冰难以接触肋片的因素，本发明所述的分流结构通道换热器工质流动区域具有旋转功能，即由主贯穿通道和导热肋片内部组成的工质流动区域空心叶轮以主贯穿通道为轴旋转，保证空腔内部冰能接触肋片吸收热量。所述的旋转所需的电能由辅助电力系统提供。\n[0021] 有益效果：\n[0022] 本发明涉及的一种用于高寒地区的淡水生成装置，该装置充分利用高寒地区的太阳能和风能，构建稳定的循环工作流程，同时采用有利于热交换的分流结构通道换热器，既增加工质与冰之间的换热面积，又方便冰的补充。所述淡水生成装置不仅能够节约巨大的人力物力，还提高太阳能和风能的能源利用率。\n附图说明\n[0023] 图1本发明工作原理示意图；\n[0024] 图2本发明分流结构通道换热器内部示意图；其中2a为立体图，2b为俯视图，2c为正视图；\n[0025] 图3本发明分流结构通道换热器结构示意图；\n[0026] 图4本发明分流结构通道换热器绝热盖示意图；\n[0027] 图5为本发明分流结构通道换热器盛水基板示意图；\n[0028] 图6本发明分流结构通道换热器沿导热肋片方向剖视图图中：\n[0029] Ⅰ.太阳能集热系统；\n[0030] Ⅱ.淡水生成系统；\n[0031] Ⅲ.辅助电力系统；\n[0032] 1.分流结构通道换热器；2.绝热盖；3.平面反射镜；4.太阳能集热器；5.辅助电源，包括蓄电池、稳压器、逆变器；6.风力发电机；7.电加热器；8.抽水泵；9.辅助水泵；10.控制器；11.主贯穿通道；12.导热肋片；13.空腔；14.盛水基板；15.空心叶轮；16.绝热外壳；17、圆形沟槽；18、排水孔。\n具体实施方式\n[0033] 下面结合附图进行更进一步的详细说明：\n[0034] 图1给出了本发明的原理示意图，一种用于高寒地区的淡水生成装置由太阳能集热系统、淡水生成系统、辅助电力系统和控制器组成。具体结构包括：分流结构通道换热器\n1、绝热盖2、平面反射镜3、太阳能集热器4、辅助电源5、风力发电机6、电力加热器7、抽水泵\n8、辅助水泵9以及控制器10。\n[0035] 淡水生成装置启动时，控制器10启动辅助水泵9，辅助分流结构通道换热器1和太阳能集热器4中的工质进行自然循环。打开绝热盖2，可以向分流结构通道换热器1的空腔13中加入采集回来的冰。平面反射镜3反射太阳光线，将太阳能汇聚到太阳能集热器4加热工质。工质在太阳能集热器4获得热能，流过分流结构通道换热器1中的空心叶轮15，经过主贯穿通道11、导热肋片12之间的空隙与空腔13中冰进行热交换。空腔13中的冰经加热融化为淡水，在重力作用下流入盛水基板14。控制器10驱动的抽水泵8将盛水基板14中的低温淡水抽出，电力加热器6加热低温淡水并送入生活用水区。\n[0036] 太阳能集热系统由平面反射镜3、太阳能集热器4、分流结构通道换热器1工质流动区域以及辅助水泵9等部分组成。分流结构通道换热器1工质流动区域由空心叶轮15、主贯穿通道11和导热肋片12组成。平面反射镜3反射太阳光线加热太阳能集热器4；太阳能集热器4通过吸收太阳能的方式加热分流结构通道换热器1工质流动区域中的工质；分流结构通道换热器1工质流动区域空心叶轮15加热采集的冰使之融化。\n[0037] 淡水生成系统由分流结构通道换热器1淡水生成区域、电加热器7、抽水泵8等组成。分流结构通道换热器1淡水生成区域由存储冰块的绝热盖2、空腔13以及盛水基板14构成，用以储存采集的冰块、与工质流动区域的工质进行换热；抽水泵8将盛水基板14收集的低温淡水抽出，并送至电加热器7；电加热器7加热低温淡水，送往生活区。\n[0038] 辅助电力系统由风力发电机6、辅助电源5等组成。风力发电机6采集装置附近的风能，通过稳压器输出稳定电压，给蓄电池充电；蓄电池储存风电能，将直流电能输入逆变器，逆变器将直流电能转变成交流电，为抽水泵、电加热器、辅助水泵等提供电能。在图1中，辅助电源5包含蓄电池、稳压器和逆变器。\n[0039] 图2给出了本发明分流结构通道换热器内部示意图，图中标明了主贯穿通道11、导热肋片12、空腔13以及盛水基板14的位置、其中导热肋片12内部具有空隙区间，用于工质的流入，并与主贯穿通道一同构成分流结构换热器的工质流动区域。经过太阳能集热器4加热的工质从主贯穿通道11流入，再进入导热肋片12的空隙中，经过肋片表面与空腔13中的冰进行传热。同时主贯穿通道11与导热肋片12构成的分流结构通道换热器1的空心叶轮15能以主贯穿通道11为轴进行旋转，起到碎冰的效果，让空腔13内部的冰能够与导热肋片12中的工质充分接触。\n[0040] 图3给出了本发明分流结构通道换热器结构示意图，图中标明了绝热盖2、空心叶轮15、盛水基板14以及绝热外壳16的结构位置示意。分流结构通道换热器由绝热外壳16、空心叶轮15、绝缘盖2、盛水基板14等构成。在绝热外壳16底部安装盛水基板14；在盛水基板14中心设置有圆形沟槽17，在圆形沟槽17沿径向位移二分之一半径处开有排水孔18；在圆形沟槽17上架设空心叶轮15的转轴；在空心叶轮15内部充满工作介质，在空心叶轮15外部及绝热外壳16构成的空腔区域存放采集的冰；在空心叶轮15的顶部上方设有绝热盖2；绝热盖\n2由两块半环形绝热盖组成；半环形绝热盖外半径R1、内半径R2，绝热外壳半径r1，空心叶轮转轴半径r2，其中R1-r1≥2mm、R2-r2≥2mm；空心叶轮转轴顶部连接太阳能集热器热水出口，转轴底部连接太阳能集热器冷水出口。\n[0041] 图4、图5给出了本发明分流结构通道换热器绝热盖、盛水基板示意图。其中，图4标志了盛水基板14、圆形沟槽17以及排水孔18的位置，盛水基板14中心设置有圆形沟槽17，在圆形沟槽17沿径向位移二分之一半径处开有排水孔18；图5显示了绝热盖2的示意图，绝热盖2由两块半环形绝热盖组成，外半径R1、内半径R2，绝热外壳半径r1，空心叶轮转轴半径r2，其中R1-r1≥2mm、R2-r2≥2mm。\n[0042] 图6表明了本发明所述分流结构通道换热器沿导热肋片方向剖视图。分流结构通道换热器将工质流动区域与淡水生成区域隔开。图中标明了主贯穿通道11、导热肋片12、空腔13、盛水基板14、圆形沟槽17以及排水孔18的位置、其中导热肋片12内部具有空隙区间，用于工质的流入，并与主贯穿通道11一同构成所述分流结构换热器的工质流动区域。空腔\n12构成的淡水生成区中的冰通过导热肋片12与工质进行换热，生成的水从排水孔18被抽出。