一种植物仿生式太阳能蒸馏器的制作方法

一种植物仿生式太阳能蒸馏器
所属技术领域
1.本发明属于太阳能热利用和水处理技术领域，具体涉及一种植物仿生式太阳能蒸馏器。


背景技术：

2.面对日益严峻的淡水和化石能源短缺的问题，利用太阳能进行海水淡化来生产淡水是低碳且环保的方案。界面太阳能海水淡化技术通过将太阳热量集中在气
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液表面，极大的提高了热响应速率，降低了加热过程热损失，被认为是极具前途的海水淡化技术。然而，在界面海水淡化的蒸发过程中，盐分的积累会阻塞输水路径，并降低蒸发表面的吸热速率，因此，设计出可以高效供水且排盐的结构是提高界面蒸发海水淡化技术产水效率的关键。
3.自然界中的绿色植物可通过蒸腾作用不断的向外散失水分来调节叶片温度。叶片是植物蒸腾作用的主要器官，其剖面结构从上到下依次为：上表皮，起到透光和保护作用；栅栏组织，起到吸收太阳光作用；海绵组织，进行气体交换和水分运输；下表皮，含有气孔，用于排出蒸腾作用产生的水蒸气。实际上，叶片的多层复合结构已经提供了一种天然且高效的太阳能蒸馏装置。此外，当土壤水分较多而蒸腾作用较弱时，植物根部会形成根压，使多余的水分和无机盐从叶尖处的排水器流出，形成吐水现象。
4.受自然界植物的启发，本发明提出了一种高吸收率、低热损失、可自排盐的植物仿生太阳能蒸馏器。通过参考植物叶片的蒸腾作用，该蒸馏器可以进行高效的产水。该装置具有仿叶脉式的二维供水通道，通过模拟植物的吐水现象，可以将海水蒸馏时产生的盐分排出装置外，有效的避免了盐分积累对淡化过程带来的不利影响。


技术实现要素：

5.本发明提出了一种植物仿生式太阳能蒸馏器，从植物的生理结构中获取灵感进行设计，同时参考植物的蒸腾作用及吐水现象分别进行海水淡化和排出盐分，具有光热转换效率高，热损失小，操作简单，产水效率高且运行稳定的优点。
6.本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
7.一种植物仿生式太阳能蒸馏器，其特征在于，装置主要包括：仿生亲水根、仿生茎干、仿生叶柄、仿生叶脉、仿生叶片和淡水罐。所述仿生亲水根放置在海水箱内，底部呈放射状以增大吸水面积；所述仿生茎干缠绕在支撑杆上，上端与仿生亲水根相连接，下端与仿生叶片相连接；所述仿生茎干包括输水芯和外部包裹的仿生茎干表皮，所述仿生茎干表皮为密封且防水的材料；所述仿生叶片上端通过仿生叶柄固定于仿生茎干上，下端通过淡水管与淡水罐进行连接，仿生叶片的叶尖处高度低于海水箱的高度，以此形成水势差。
8.进一步的，仿生叶片参考了绿色植物的叶片结构，其内部组件包括仿生叶脉、透光板、隔热网格、吸热板、亲水纤维膜、蒸馏膜、冷凝夹层和冷凝板；所述隔热网格上方与透光板密封连接，下方与吸热板密封连接；所述吸热板下方胶接有亲水纤维膜，亲水纤维膜下方安装有蒸馏膜，所述蒸馏膜与冷凝板之间为封闭的冷凝夹层；所述仿生叶片的边缘由侧板
进行密封。
9.进一步的，所述仿生叶脉由输水芯、支撑框架和亲水纤维管组成，仿生叶脉镶嵌于亲水纤维膜内，底端穿过侧板向外延伸。
10.进一步的，所述透光板为具有高透光率的平板，该结构参考了叶肉细胞的上表皮细胞。
11.进一步的，所述隔热网格为阵列布置的网格层，内部为静态空气，可减少装置和外界的换热损失，该结构参考了叶肉细胞的栅栏组织。
12.进一步的，所述吸热板的上表面为纳米级锥形阵列结构，太阳光经多次反射后可被吸收转化为热能，该结构参考了山毛榉等植物的圆锥形表皮细胞。
13.进一步的，所述亲水纤维膜为亲水性强的吸水材料，该结构参考了叶肉细胞中的海绵组织。
14.进一步的，所述蒸馏膜为仅能通气不能通水的疏水排气膜，该结构参考了叶肉细胞中具有气孔的下表皮细胞。
15.本发明装置的淡化过程参考了植物叶片的蒸腾作用，具体过程为：太阳光线穿过透光板，被吸热板吸收转化为热能，热量被传导给下方亲水纤维膜内的海水。亲水纤维膜作为蒸发面，其内部的海水被加热后开始蒸发，产生的水蒸气穿过蒸馏膜，扩散至冷凝夹层中，然后被冷凝板冷凝，凝结的淡水在重力作用下流经淡水管道，最终在淡水罐内被收集。
16.本发明装置的输水及排水方式参考了植物的吐水现象，具体过程为：海水被仿生亲水根吸收，然后被输送至仿生茎干内的输水芯中，在水势差的作用下海水被输运至仿生叶脉中；在毛细力作用下，仿生叶脉内的海水透过亲水纤维管，不断向两边的亲水纤维膜扩散，使亲水纤维膜始终保持湿润状态。蒸发过程产生的盐离子溶解于亲水纤维膜内的水流形成浓海水，浓海水从仿生叶脉的伸出段向下滴落，被排放出装置外，避免了盐晶体在蒸发面的积累。
17.本发明所产生的有益效果是：(1)装置在海水淡化过程为全被动运行，仅由太阳能驱动即可实现稳定高效的产水。
18.(2)利用水势差在蒸发面形成集流，避免了蒸发面上盐的结晶，从而保证了较高的蒸发效率。
19.(3)装置结构紧凑且轻巧，可将叶片内的淡化单元进行多级安装，以实现对水蒸气凝结潜热的多次利用。
20.(4)该装置不仅可对海水、污水进行淡化，还可以从湿润的土壤和沙砾中提取出淡水。
附图说明
21.图1为本发明的结构示意图；
22.图2为本发明中仿生茎干和仿生叶柄的剖面结构示意图；
23.图3为本发明中仿生叶片的剖面结构示意图；
24.图4是本发明中吸热板的微观结构示意图；
25.图5是本发明中仿生叶片为三级布置的结构示意图；
26.图6是本发明中不同仿生叶片外部结构的实施例图；
27.图7是本发明中使用单个仿生叶片进行淡化的实施例图；
28.图8是本发明中淡化装置按照垂吊结构进行布置的实施例图；
29.图9是本发明应用于湿土中进行淡化产水的实施例图。
30.其中，1
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仿生亲水根；2
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海水箱；3
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仿生茎干；4
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仿生叶柄；5
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仿生叶脉；6
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仿生叶片；7
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浓海水水滴； 8
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淡水管；9
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淡水水滴；10
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淡水罐；11
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侧板；12
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支撑杆；13
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输水芯；14
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仿生茎干表皮；15
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透光板；16
‑ꢀ
隔热网格；17
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吸热板；18
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亲水纤维膜；19
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蒸馏膜；20
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冷凝夹层；21
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冷凝板；22
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支撑框架23
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亲水纤维管；24
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湿土。
具体实施方式
31.对下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：
32.如附图1和2所示，本发明提供了一种植物仿生太阳能蒸馏器，装置主要包括：仿生亲水根(1)、仿生茎干(3)、仿生叶柄(4)、仿生叶脉(5)、仿生叶片(6)和淡水罐(9)。所述仿生亲水根(1)放置在海水箱(2)内，底部呈放射状以增大吸水面积；所述仿生茎干(3)缠绕在支撑杆(12)上，上端与仿生亲水根(1)相连接，下端与仿生叶片(6)相连接；所述仿生茎干(3)包括输水芯(13)和外部包裹的仿生茎干表皮(14)，所述仿生茎干表皮 (14)为密封且防水的柔性材料；所述仿生叶片(6)上端通过仿生叶柄(4)固定于仿生茎干(3)上，下端通过淡水管(8)与淡水罐(10)进行连接，仿生叶片(6)的叶尖处高度低于海水箱(2)的高度，以此形成水势差。
33.如附图3所示，所述仿生叶片(5)参考了绿色植物的叶片结构，其内部组件包括仿生叶脉(5)、透光板(15)、隔热网格(16)、吸热板(17)、亲水纤维膜(18)、蒸馏膜(19)、冷凝夹层(20)和冷凝板(21)；所述隔热网格(16) 上方与透光板(15)密封连接，下方与吸热板(17)密封连接；所述吸热板(17)下方胶接有亲水纤维膜(18)，亲水纤维膜(18)下方安装有蒸馏膜(19)；所述蒸馏膜(19)与冷凝板(21)之间为封闭的冷凝夹层(20)；所述仿生叶片的边缘由侧板(11)进行密封。
34.进一步的，所述仿生叶脉(5)由输水芯(13)、支撑框架(22)和亲水纤维管(23)组成，仿生叶脉镶嵌于亲水纤维膜(18)内，底端穿过侧板(11)向外延伸。
35.进一步的，所述透光板(15)为具有高透光率的平板，该结构参考了叶肉细胞的上表皮。
36.进一步的，所述隔热网格(16)为阵列布置的网格层，内部为空气，可减少装置和外界的换热损失，该结构参考了叶肉细胞的栅栏组织。
37.进一步的，如附图4所示，所述吸热板(17)的上表面为纳米级锥形阵列结构，可使太阳光经多次反射后被吸收，该结构参考了山毛榉等植物的圆锥形表皮细胞。
38.进一步的，所述亲水纤维膜(18)为亲水性强的吸水材料，该结构参考了叶肉细胞的海绵组织。
39.进一步的，所述蒸馏膜(19)为仅能通气不能通水的疏水排气膜，该结构参考了叶肉细胞中具有排气孔的下表皮细胞。
40.本发明装置的淡化过程参考了植物叶片的蒸腾作用，具体过程为：太阳光线穿过透光板(15)，被吸热板(17)吸收转化为热能，热量被传导给下方亲水纤维膜(18)内的海水。亲水纤维膜(18)作为蒸发面，其内部的海水被加热后开始蒸发，产生的水蒸气穿过蒸馏膜
(19)，扩散至冷凝夹层(20)中，然后被冷凝板(21)冷凝，凝结的淡水在重力作用下流经淡水管道(8)，最终在淡水罐(10)内被收集。
41.本发明装置的输水及排水方式参考了植物的吐水现象，具体过程为：海水被仿生亲水根(1)吸收，然后被输送至仿生茎干(3)内的输水芯(13)中，在水势差的作用下海水输运至仿生叶脉(5)中；利用毛细吸力，仿生叶脉(5)内的海水不断向两边的亲水纤维膜(18)扩散，使亲水纤维膜(18)始终保持湿润状态，同时蒸发过程产生的盐离子溶解于亲水纤维膜(18)内的水流形成浓海水，浓海水水滴(7)从仿生叶脉(5)的伸出段向下滴落，被排放出装置外，避免了盐晶体在蒸发面的积累。
42.如附图5所示，为仿生叶片的淡化单元进行多级布置的实施例图。水蒸气被冷凝板(21)凝结为淡水后，释放的潜热向下传导给下一级亲水纤维膜内的海水，通过逐级的蒸发和冷凝，提高了太阳能的利用效率及淡水产量。
43.如附图6所示，为不同结构仿生叶片实施例图，其中仿生叶脉(5)可根据仿生叶片(6)的形状布置为平行叶脉结构或者叉状叶脉结构。
44.如附图7所示，为本发明仅有一个仿生叶片(6)的结构示意图。
45.如附图8所示，为本发明装置以垂吊结构进行淡化的实施例图，在该实施例中，每一侧仿生叶片(6) 的叶尖用同一根淡水管道(8)相连接，多个仿生叶片生产的淡水一起汇集到下方的淡水罐(10)中。
46.如附图9所示，为本发明装置在湿土中进行淡化产水的实施例图，该实施例中仿生茎干表皮(14)使用密封且防水的刚性材料，以起到支撑仿生叶片(6)的作用。装置在运行时仿生亲水根(11)从湿土(24)中吸取水分，在输水芯(13)的毛细力作用下将水分输送至亲水纤维膜(18)进行蒸发，由于不存在水势差，因此蒸发过程没有浓盐水排出，仿生叶脉(5)也就不需要从侧板(11)处伸出。
47.由此，本发明中具体实施方式的描述，并非是对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明技术方案前提下，本领域普通技术人员对技术方案所做出的任何变形和改进将仍属于本发明的保护范围。