[发明专利]通过膜蒸馏同时发电和生成淡水的太阳能的系统及方法

说明书

一种集成的太阳能PV面板‑膜蒸馏系统(100)，包含太阳能光伏面板(110)和膜蒸馏装置(120)，该太阳能光伏面板具有用于接收太阳能的正面(110A)和与该正面(110A)相对的背面(110B)，该膜蒸馏装置直接附接到太阳能光伏面板(110)的背面(110B)。太阳能光伏面板(110)被配置为同时生成电能并将热量传递给用于从污染水中生成淡水的背部膜蒸馏装置(120)。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年11月15日提交的标题为“DEVICE FOR ELECTRICITYGENERATION AND WATER DESALINATION BY SOLAR LIGHT”(用于通过太阳光来发电和水淡化的装置)的美国临时专利申请62/767,647和于2019年8月7日提交的标题为“METHOD ANDSOLAR-BASED SYSTEM FOR SIMULTANEOUS ELECTRICITY AND FRESH WATER GENERATION”(用于同时发电和生成淡水的基于太阳能的系统及方法)的美国临时专利申请62/883,878的优先权，这两个申请的全部公开内容通过引用并入本文。

背景技术

技术领域

本文所公开主题的实施例大体上涉及一种用于使用太阳能来发电和产生净水的方法和系统，并且更具体地涉及一种使用太阳能面板作为光热部件以同时生成净水和电力的系统。

水与能源之间有着千丝万缕的联系，并且全球都感受到了水与能源的紧密关系，因为水安全正在成为对能源安全的威胁，反之亦然。在美国和西欧，约50％的取水量都用于能源生产。另一方面，净水生产，尤其是海水淡化，会消耗大量的电力。例如，在阿拉伯国家，淡水生产行业消耗了全国总电力的15％以上。据报道，在电力驱动的海水淡化过程中所产生的净水的1～10％都反馈到发电厂，以生成在淡化过程期间消耗的电力。尤其是在干旱和半干旱地区，人们已经感觉到了水-能源关系的负面后果。

当前不可再生的化石燃料在全球能源结构中的份额仍然大于82％，并且燃烧化石燃料导致了大量的CO₂排放，这被认为是对全球可持续性的主要威胁。人们持续地努力以开发并实现可再生能源，其中太阳能由于其丰富性和免费可用性，已经显示出满足世界的未来能源需求的潜力。全世界范围内已经安装了大量的光伏(PV)面板(400GW)，从而以最小的CO₂排放量和水消耗来从太阳能发电。

在这方面应当注意，对于每MWh的发电量，PV技术仅消耗2加仑水，而使用煤或核燃料作为主要能源的常规火力发电厂则分别消耗692加仑和572加仑的水。然而，太阳辐射的能量强度非常低，对于世界上大多数地区而言，能量强度通常为每天4-8kW·m^-2。此外，最先进的商用PV面板只能将来自太阳光的能量的约10-20％转换为电力。由于效率低下，对于400MW的中型太阳能发电厂而言，需要从至少200万m²土地面积收集阳光。除了太阳能面板和土地购置的成本外，在如此大的面积上支撑面板的安装系统进一步增加了太阳能发电厂的资本成本。因此，由于这些原因，太阳能发电仍然面临成本障碍。

最近，太阳能蒸馏已经引起了相当大的关注，并且在针对海水淡化、从质量受损的水源中生产饮用水、减少废水量、金属提取和回收、灭菌等的各种过程中都表现出了有前景的潜力。然而，类似于以上讨论的太阳能发电过程，太阳能辐射的固有的低能量强度导致了在常规太阳能蒸馏设备中的淡水产生速率较小，例如，全天产生0.5-4.0kg·m^-2，这相当于在一个太阳照度条件(1kW·m^-2)标准下水生产速率为0.3-0.7kg·m^-2·h^-1。