一种充气式水下太阳能聚光发电及海水淡化复合装置所属技术领域
本发明太阳能聚光发电与海水淡化利用技术领域。具体地说是一种充气式水下太
阳能聚光器与太阳能电池板以及蒸馏式海水淡化装置相结合的新型结构。
背景技术
太阳是地球的生命之源，每天大约5.5×1021kJ太阳能到达地球。如此巨大的能量
大部分被占地球表面积的71％海洋吸收。而现有的利用太阳能的装置设计时，往往只考虑
在陆地上如何安装使用，因而对于海洋来说这些装置并不适用，这就造成了海洋里的太阳
能被大量的白白浪费。
近年来，人类有向海洋发展的趋势，对海洋的探索越来越多，不但水上航行器日益
增多，而且随着人们对水下探索的逐渐深入，水下潜航器或者水下工作装置也日益增多，因
此潜航器或者水下工作装置的能量补给以及生活用水问题也逐渐摆在了人们的面前。目
前，人们为潜航器等装置充电或补充能量，主要依靠基站或者补给船的方式进行，而这大大
限制了潜航器的活动空间。如果能够就近利用自然的能量为潜航器充电，显然是非常有意
义的。在海洋中，自然的能量也有很多，比如有海水的温差能、海洋流动能、潮汐能以及海面
上丰富的太阳能等。然而，海洋的温差大约只有25℃左右，加之温差发电效率很低，因此利
用温差发电为潜航器提供较大电力似乎不可行；利用海洋流动能和潮汐能发电，效率可以
较高，但需要庞大的装置，这对潜航器的有限空间来说携带如此庞大的装置是不允许的。
由于水下太阳光的密度已经变得很低，如果采用普通的光伏电池发电，将需要很
大的电池面积，这是条件不允许的，也是没有必要的。我们可以将水下的太阳光聚集起来，
实现水下聚光，减少电池的使用量。此外，我们还可以利用太阳能电池板产生的余热来加热
海水，从而达到蒸馏海水产生淡水。这种复合装置既实现太阳能热电的综合利用，提高太阳
能利用率又解决了水下潜航器上人员的用电和用水难题。因此，研究水下聚光装置就变得
十分必要。
发明内容
本发明提供了一种将充气式聚光器、太阳能电池组和蒸馏法海水淡化系统相结合
的装置，利用太阳能发电和生产淡水。该复合装置在海水下工作，所以海上大风对系统运行
影响比较小，抵抗恶劣天气性能强。充气式聚光器内壁内侧镀有反射膜并且由于内壁外侧
的海水折射率大于内部空气折射率，这使得即使有部分光线透过反射膜只要其入射角大于
临界角将发生全反射，这种利用了反射和全反射汇聚光线的聚光器提高了对进入光线利用
率。非工作状态时，通过将柔性充气式聚光器夹层中气体放出，聚光器可折叠变小，使得整
个系统便于携带及存储。整个系统不仅利用太阳能产生电能，还利用了电池板发电过程中
产生的余热来蒸馏淡化海水，提高系统的能量利用率。
一种充气式水下太阳能聚光发电及海水淡化的复合装置，主要装置包括柔性充气
式聚光器、充气阀、太阳能电池板、通气汇水器、冷凝器、导管、进排气阀、淡水储蓄箱。
本发明所采用的技术方案和工作原理是：柔性充气式聚光器可充入不同质量的气
体以适应不同深度水下压力，而柔性充气式聚光器内部大量的具有通孔限位隔膜可以限制
聚光器两个外表面的相对位置以保证聚光器在充入气体后表面不会过分外凸，从而使其保
持合适复合抛物面形状。当倾斜入射或平行于聚光器对称轴的光线进入水下经柔性充气式
聚光器镀膜表面反射或多次反射后在太阳能电池板上汇集，由于光伏效应，太阳能电池板
将光能转化为电能对外输出；在产生电能的同时，太阳能电池板所产生的余热将从电池板
背面导出，从而达到冷却电池板加热海水的目的。由于冷凝器和淡水储蓄箱是由导管相连
接，可通过淡水储蓄箱上进排气阀控制冷凝器中的气体量，以使得在冷凝器中形成的自由
液面刚好没过太阳能电池板上端且不超过通气汇水器的细通孔的最低点。电池板背面海水
受热后将在冷凝器内部的自由液面处产生蒸汽，蒸汽经通气汇水器上的细通孔进入冷凝
器。由于冷凝器外壁的海水温度较低，进入冷凝器中的高温蒸汽将在冷凝器的内壁冷凝形
成淡水滴。水滴在重力的作用下，沿通气汇水器上槽道流经一端连接淡水储蓄箱的导管，最
终汇集到淡水储蓄箱。
此外，由于充气式水下聚光器夹层内的气体折射率小于海水的折射率，即使少部
分光线透过镀膜的反射面，只要其入射角大于或等于临界角，光线将在其表面发生全反射
后在太阳能电池板上汇集，从而防止了这部分光线透过反射面，增大了充气式聚光器的聚
光效率，进而提高了整个复合装置的能量利用率。
有益效果：
(1)本发明能量利用率高。本发明将太阳能发电和海水淡化技术相结合，使得复合
装置系统吸收的太阳能全部被合理利用，提高了系统能量效率。打破了传统装置中太阳能
只能发电或产热单一利用模式，做到了热电联合利用。此外，由于柔性充气式聚光器内部为
空气，当水下光线入射角大于等于临界角，即使少量透过反射膜的光线也将发生全反射，从
而被太阳能电池板接收。这种柔性充气式聚光器通过对入射光线反射和全反射汇集聚光，
进一步提高了系统能量利用率。
(2)本发明充分利用了广阔海洋水下光能，为水下工作装置，例如潜航器、小型潜
艇等，提供了续航能源，使其更好地完成水下作业任务，同时还可以解决这些水下工作装置
中人员用水难题。
(3)本发明可以将低能流密度太阳光束汇聚成高能流密度的焦斑，并使得焦点在
聚光器下方，实现了反射式顺向聚焦，这样使得接收器可以安装在聚光器的下方，方便了整
个系统装置的设计和安装。而且在非工作状态时，柔性充气式聚光器可通过放气来减小其
体积，从而使得整个系统变得简便，易于携带与存储。
(4)本发明装置结构紧凑，制造成本低，运行稳定，维护费用少，使用寿命长，可以
规模化应用。整套装置所有部件包括柔性充气式聚光器、太阳能电池板、通气汇水器、冷凝
器以、导管、淡水储蓄箱以及进排气阀门。这些部件规则的布置在一个区域，使得整个装置
非常紧凑。系统各个部件易于加工和标准化生产，制造成本低。整个系统是在水下运行，可
以抵抗海上大风等恶劣天气，系统运行稳定，维护费用小，系统使用寿命长。本装置可以通
过排列组合布置于海面下，形成大规模发电和生产淡水系统，从而实现了海下太阳能光伏
和海水淡化的低成本、规模化应用。
(5)本发明提出了一种新型充气式水下聚光器概念。根据不同深度水下压力，充气
式聚光器内部充入合适质量气体，在其内部限位隔膜作用下，聚光器将形成复合抛物面型
并在聚光器内壁与气体相接触的一侧镀反射膜。水下入射光线经反射和全反射的运行方式
被汇集在接收器上。这种水下柔性充气式聚光器将为以后的聚光器设计提供一种新方向，
同时也为水下太阳能利用提供新思路。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明光路运行原理图；
图3为本发明运行原理图；
图4为本发明充气式具有通气孔水平限位隔膜的柔性充气式聚光器的实施例
图5为本发明冷凝器中带有热虹吸冷凝管实施例；
图6为本发明仅用来发电装置的实施例；
图7为本发明三维槽式聚光器实施例；
图8为分别为旋转体式和槽式系统串联规模化应用实施例；
其中，1—柔性充气式聚光器；2—具有通气孔的限位隔膜；3—反射膜；4—充气阀
5—太阳能电池板；6—通气汇水器；7—细通孔；8—槽道；9—冷凝器；10—淡水储蓄箱；11—
进排气阀；12—导管13—平行且远离对称轴光线；14—平行且靠近对称轴光线；15—透过反
射膜光线；16—对称轴；17—倾斜入射光线；18—淡水滴；19—自由液面；20—具有通气孔的
水平限位隔膜；21—热虹吸冷凝盘管；22—保温层；23—热虹吸冷凝盘管进口；24—热虹吸
冷凝盘管出口。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
附图1是本发明一种充气式水下太阳能发电及海水淡化复合系统。其装置主要包
括：内部包含具有通气孔的限位隔膜2和内壁与空气相接触的一侧镀反射膜3的柔性充气式
聚光器1、充气阀4、太阳能电池板5、表面具有细通孔7和槽道8的通气汇水器6、冷凝器9、淡
水储蓄箱10、进排气阀11、导管12。其中柔性充气式聚光器1位于整个系统最上端。具有通气
孔的限位隔膜2位于柔性充气式聚光器内部，将整个柔性聚光器1内部分为许多不同小空
间，其上的通气孔将分隔各个空间相连通。反射膜3镀在柔性充气式聚光器内表面与空气相
接触的一侧。充气阀4位于柔性充气式聚光器1上部外侧合适位置。太阳能电池板5位于入射
光线焦斑落在的位置且其底部与柔性充气式聚光器1的底部相连置。冷凝器9位于太阳能电
池板5上方，其开口处与电池板5顶部紧密连接。通气汇水器6位于冷凝器9内部，其外边缘与
冷凝器9紧密相连，出口与导管12上端相连。通气汇水6上分布着蒸汽可以进入而水下杂物
不能通过的细通孔7以及用来将冷凝器中形成淡水引向导管12的槽道8。淡水储蓄箱位于系
统的最下方，通过导管12将其与通气汇水器6相连。淡水储蓄箱10上部连接着用于充气及放
气的进排气阀11。本发明装置可以设计成三维的旋转体结构，也可以设计成槽式结构。本发
明装置还可以通过串联方式组成两级以上系统规模化应用。
附图2是柔性充气式聚光器聚光原理图。当柔性充气式聚光器1置于水下时，通过
充气阀4将被具有通气孔的限位隔膜2分割的许多小空间充满，整个聚光器将形成复合抛物
面的形状。平行且靠近对称轴16水下光线14将沿轴线方向到达镀有反射膜3的聚光器1复合
抛物面上，经过的抛物面一次反射后，汇集到太阳能电池板5上。而平行且远离对称轴16光
线13到达反射面后经反射落在对称轴16另一侧的反射面，然后光线经二次反射或多次反射
后最终汇集在该侧的太阳能电池板5上。
当水下入射光线17与对称轴16有一定夹角时，即入射光线倾斜进入柔性充气式聚
光器1时，与平行光线13、14情况类似，遇到镀反射膜复合抛物面一次或多次反射后，最终汇
集在太阳能电池板5上。
当少量入射光线15透过反射膜时，由于柔性充气式聚光器1夹层内部充满气体，其
折射率要小于海水折射率，这部分光线中的入射角大于或等于其临界角的光线将不能透过
聚光器1而是在其内表面发生全反射后汇集太阳能电池板5上。
柔性充气式聚光器1利用了光线的反射、多次反射和全反射等方式，使得入射光线
能够汇集在电池板5上，提高系统对太阳能的利用率。
如附图3所示，装置的运行原理图解释如下：当充气式水下太阳能发电及海水淡化
复合装置被置于海水下时，气体将通过充气阀4充满被具有通气孔限位膜2分割成的许多小
空间以使得水下充气式聚光器1具有合适的复合抛物面型。进入水下的入射光线17绝大部
分经过镀在聚光器1内表面上的反射膜3一次反射或多次反射后汇聚在太阳能电池板5上；
少量透过反射膜且入射角大于临界角的光线会在聚光器镀膜侧的表面发生全反射后同样
汇聚在太阳能电池板5上。太阳能电池板5接受汇集的太阳能发电对外输出，而电池板系统5
所产生的余热将通过电池板的背面传导给电池板系统中间的海水。通过进排气阀11控制冷
凝器9中空气量，使得冷凝器9下方自由液面19刚好没过电池板上端而又不超过通气汇水器
6上通气孔7最低点。电池板系统中间的海水被加热后在自由液面19处产生高温蒸汽。高温
蒸汽通过通气汇水器6上细通孔7进入冷凝器9；由于冷凝器9外壁的海水温度低，高温蒸汽
将在冷凝器内壁上冷凝形成淡水滴18；淡水滴18在重力的作用下将经通气汇水器6上的槽
道8流向导管12，然后沿着导管汇聚于淡水储蓄箱10。当淡水储蓄箱10收集的淡水不断增加
时，淡水储蓄箱10中的原本的空气将被挤压到冷凝器9中，当被挤压的空气过多时，冷凝器9
中过大气体压力将导致自由液面19降低，最后液体不能没过太阳能电池板5，从而影响太阳
电池板散热及淡水产量。当该种情况发生时，需要打开进排气阀11排出淡水储蓄箱中过多
的气体以降低冷凝器中气体压力，进而维持自由液面19合适的高度。
如图4所示一个实施例中，柔性充气式水下聚光器1中倾斜式具有通气孔的限位隔
膜2替换为水平式具有通气孔的限位隔膜20。
如图5所示一个实施例中，冷凝器9中加入了热虹吸冷凝盘管21。冷海水从冷凝盘
管21的进口23进入，冷凝器9中的高温蒸汽一部分在内壁面凝结成淡水，另一部分碰到热虹
吸冷凝盘管21放热凝结成淡水。冷凝盘管中海水受热密度变小，而冷凝管另一端由于被保
温层22所包裹，其内部的温度仍然较低，密度大。由于热虹吸冷凝盘管内部海水存在密度
差，海水将由密度小的流向密度大的地方，这样海水就在冷凝盘管21中形成自然对流，由进
口23流向出口24，进而实现了对冷凝器中蒸汽冷凝的作用。
如图6所示一个实施例中，柔性充气式水下聚光器系统去除了海水淡化系统，仅保
留了太阳能电池板用于发电，使得整个系统更加紧凑、简洁。
如图7所示一个实施例中，柔性充气式聚光器为槽式的系统
如图8所示一个实施例中，分别为旋转式和槽式聚光器系统串联一起规模化应用。
综上所述，以上仅为本发明较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡
在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保
护范围之内。