CN101337749A - 一种太阳能海水淡化方法及成套装置 - Google Patents

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陈立义
严宾
李元高
周峰波
傅海燕
柴天
杜沛霞
黄丽芹
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Abstract

本发明涉及一种太阳能膜法海水淡化方法及成套设备，它由太阳能光伏电池***、海水预处理***和反渗透淡化***三部分构成。太阳能光伏电池***包括太阳能电池面板、框架、设置于太阳能电池面板背面的背面构件和贮存电能的蓄电池及电流转换器组成。由太阳能光伏电池***给海水预处理***和反渗透淡化***提供能源。将海水经过海水预处理***处理除去海藻、浮游生物、悬浮物、胶体、细菌，然后泵入反渗透，经过反渗透脱盐得淡水和卤水(浓缩水)。采用本方法所得的淡水符合《生活饮用水卫生标准》GB5749－2006，可以直接作为生产和生活用水。

Description

一种太阳能海水淡化方法及成套装置
技术领域
本发明新型涉及一种海水淡化淡化方法及成套装置，特别涉及一种基于太阳能供电和膜分离的海水淡化方法及成套装置。
背景技术
全球水的总储量为13.86亿km3，海水就占有96.5％，人类可取用的地表淡水和浅层地下淡水仅为0.79％，且随地域和季节变化分布极不均匀。淡水资源短缺已经成为21世纪的三大环境问题之一，因此，海水淡化和海水直接利用技术成为各国非常重视的高新技术，也是解决我国水资源危机的重要措施之一。向大海要水、要资源，是解决沿海(近海)地区淡水资源短缺的现实选择，也是实现水资源可持续利用，保障沿海地区经济社会可持续发展的重大措施，具有重大的现实意义和战略意义。海水中含有大量的盐。从海水中去除盐份，提取出淡水呢？是人类追求了几百年的梦想。早在世界大航海的时代，英国王室就曾悬赏征求经济合算的海水淡化方法。时至今日，海水淡化的方法已有数百种之多，主要有蒸馏法、冷冻法、反渗透法(通常又称超过滤法或膜法)、太阳能法、低温多效、多级闪蒸、电渗析法、压汽蒸馏、流通电容吸附法、露点蒸发法、水电联产、热膜联产等。这些方法，要么效率不高，要么能耗大，不经济。因此，从经济合算的标准衡量，仍然不尽如人意。特别是随着工业和经济的发展，石油等矿物能源资源越来越少的情况下，人类不得不寻找新的能源取代石油等矿物能源。其中，取之不尽的太阳能成为重要的研究方向。因此，利用太阳能进行海水淡化已成为重要的研究课题。利用太阳进行海水淡化的技术已有不少，仅我国就公开有发明专利申请12件，实用新型专利申请34件，主要有99112588.6、200610030484.X、200610113412.1、02279697.5、200410050333.1、200510107740.6、200710015141.5等。这些公开的利用太阳能进行海水淡化的技术都集中在如何利用太阳能光-热转换将海水蒸发而实现淡化的技术，而没有将太阳能与其他海水淡化技术结合，因此，一次性投入成本较大，而效率并不高，实际运用的前景并不大。反渗透法(通常又称超过滤法或膜法)是近年来发展十分迅速的海水淡化技术，其优点是海水淡化的效率较高，规模可以根据需要进行个性化设计，生产能力大，但其不足之处也比较突出：一是若采用单级反渗透淡化，产品(淡化水)的硼和溴化物超标，不符合GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》，不能作为生活饮用水，如果是采用二级或多级反渗透淡化，产品(淡化水)虽然能达到GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》，但生产成本又比较高。二是电能消耗大，成本较高。因此，如能将太阳能和反渗透法结合进行海水淡化，不仅可以提高海水淡化效率，而且可以较大幅度降低成本。中国专利200720069563.1公开了一种太阳能光伏反渗透海水淡化装置，它包括太阳能发电模块和反渗透制淡模块。在太阳能发电模块中，没有公开太阳能板的结构，也没有公开蓄电池的结构及其技术参数。在反渗透制淡模块中的海水预处理时，采用了添加絮凝剂进行絮凝处理，一是增加成本，二是添加了新的化学物质，从而导致二次化学污染的风险。在反渗透制淡模块中的反渗透过滤制备淡水时，没有公开反渗透模组件的结构，也没有公开使用何种反渗透膜材料，但是，很多反渗透膜材料制备的淡水是不能满足GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，克服现有技术的不足，提供一种利用太阳能为电源，将太阳能与反渗透过滤紧密结合的海水淡化方法和成套装置，它利用太阳能电池作为动力源，自成体系，且结构简单，使用方便。
本发明所述的太阳能海水淡化方法及成套装置，包括如下***：
(1)光电转化、贮存及供电***：由太阳能电池板面、框架、设置于太阳能板面背面的背面结构、蓄电池、控制器、电能逆变器构成。太阳能经过光伏电池转化成电能并贮存于蓄电池中，经过电流逆变器向海水淡化的预处理***和反渗透***供电。
所述的太阳能电池的输出端与控制器连接，控制器的输出端与电流逆变器连接，控制器与蓄电池双向连接。
所述的控制器与蓄电池双向连接，用于控制蓄电池充放电，并对整个***进行监测与控制。
所述的逆变器与控制器的输出端连接，用于将太阳能电池产生的电流或蓄电池输出的直流电转换为交流电，提供给海水预处理***和海水反渗透淡化***。
所述的太阳能电池板面呈平板状方阵结构、锯齿状或瓦楞状结构，以增加迎光面的面积，以24片、48片、72片、96片太阳能版太阳能光伏电池板的串联方式联接，分别构成12V、24V、36V、48V的太阳能光伏电池组，光伏电池组产生的电能经电池充电器给蓄电池组充电，贮存于复合膜锂离子电池组、镉镍电池组或铅酸电池组等蓄电池中，电能经过直交流逆变器转换后向海水预处理***和海水反渗透淡化***供电。
所述的光电转化、贮存及供电***的太阳能电池板为单晶硅板、多晶硅板、有机硅板或薄膜光伏板，大小可以根据需要确定。
(2)海水预处理***：由取水管、取水泵、微电解罐、砂滤罐、活性碳罐和微滤膜组件构成。海水经取水泵泵入微电解罐中进行微电解，使海洋浮游生物、悬浮物、胶体、细菌等形成更大颗粒并产生氧化性物质。形成更大颗粒并产生氧化物质经砂滤罐过滤和活性碳吸附罐吸附，未被砂滤罐过滤去除的固体杂质、浮游生物、胶体、细菌再经微滤过滤除去；
所述的海水预处理***的微电解罐的工作电压为3V～48V，电流强度为3～50A海水中的海洋浮游生物、悬浮物、胶体、细菌等经过微电解处理，形成较大颗粒后，经过砂滤罐和活性炭罐过滤去除，微电解产生的氧化性物质经活性碳吸附塔吸附去除。
所述的海水预处理***的膜管为孔径0.05～0.1μm的陶瓷膜、膜组件为管式膜组件，并带有定时自动清洗装置。
所述的海水预处理***的微滤膜组件中的膜材料为截留分子量为200000道尔顿以上的聚砜膜或聚醚砜膜，膜组件为平板膜组件、管式膜组件或卷式膜组件，并带有定时自动清洗装置。
(3)海水反渗透脱盐淡化***：由高压泵、反渗透膜组件、活性碳吸附柱和淡水罐组成。经过微滤膜组件过滤净化的海水经过高压泵泵入对氯化钠截留率为98％的反渗透膜组件，在操作压力差为1.5-2.0bar的条件下进行反渗透过滤，得淡水和卤水(浓缩水)。淡水经过活性碳吸附柱吸附，得符合《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006的淡水，卤水(浓缩水)作为废水直接排入海洋中。
所述的海水反渗透淡化***的反渗透膜为对氯化钠截留率为98％并对硼离子具有选择脱功能的B型-聚砜反渗透卷式膜，并带有定时自动清洗装置，其工作条件是：温度：常温～45℃，工作压力为3-75bar，压力差为1.5-2.0bar。
附图说明
图1是本发明的太阳能电池板的平板状方阵结构示意图；
图2是本发明的太阳能电池板的锯齿状结构示意图；
图3是本发明的太阳能电池板的瓦楞状结构示意图；
图4是本发明的太阳能海水淡化方法及成套装置的示意图。
具体实施方式
具体实施例1
如图4所示，本发明太阳能海水淡化方法及成套装置包括光电转化、贮存及供电***、海水预处理***和海水反渗透淡化***三个***组成。
所述的光电转化、贮存及供电***由太阳能电池11、蓄电池12、控制器13和电能逆变器14构成。太阳能电池11的结构如图1的平板状结构，其产生的电能经过控制器13贮存于蓄电池12中。太阳能电池11的输出端与控制器13联接，控制器13与蓄电池12双向联接，用于对蓄电池进行充放电控制，防止过充电和过放电，并带有保护和监测功能，对整个***进行监测控制。电能逆变器14与控制器13的输出端联接，用于将太阳能电池或蓄电池输出的直流电转换成交流电，提供给海水预处理***和海水反渗透淡化***。所述的太阳能电池由每组为24片单晶硅板构成。所述的蓄电池为铅酸蓄电池。
所述的海水预处理***包括：海水取水管21，取水泵22、微电罐23、砂滤池(罐)24、活性碳过滤池(罐)25、高压泵26和微滤***27。微电解罐23和微滤***27的电流输入端与光电转化、贮存及供电***中的电能逆变器14的输出端联接。微电解罐23的工作电压为36V，电流为10A，微滤***27工作电压为220V或380V。微滤***27的膜管为孔径0.05～0.1μm的陶瓷膜、结构为管式膜组件。海水经取水管21输送到微电罐23进行微电解，使海水中的海洋浮游生物、悬浮物、胶体、细菌等经过微电解处理，形成较大颗粒后，经过砂滤罐24和活性碳过滤池(罐)25过滤去除得初级净化水，初级净化水经过高压泵26泵入微滤***27进行过滤，得净化海水。
所述的海水反渗透淡化***：由高压泵31、反渗透膜组件32、活性碳吸附柱33和淡水罐34组成。反渗透膜组件32为对氯化钠截留率为98％并对硼离子具有选择脱功能的B型-聚砜反渗透管式膜组件，并带有定时自动清洗装置。经过微滤***27净化的海水经过高压泵31输入到反渗透膜组件32中过滤得淡化水，淡化水经过活性碳吸附柱33吸附后得符合《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006的淡水。
具体实施例2
如图4所示，本发明太阳能海水淡化方法及成套装置包括光电转化、贮存及供电***、海水预处理***和海水反渗透淡化***三个***组成。
所述的光电转化、贮存及供电***由太阳能电池11、蓄电池12、控制器13和电能逆变器14构成。太阳能电池11的结构如图2的锯齿状结构，其产生的电能经过控制器13贮存于蓄电池12中。太阳能电池11的输出端与控制器13联接，控制器13与蓄电池12双向联接，用于对蓄电池进行充放电控制，防止过充电和过放电，并带有保护和监测功能，对整个***进行监测控制。电能逆变器14与控制器13的输出端联接，用于将太阳能电池或蓄电池输出的直流电转换成交流电，提供给海水预处理***和海水反渗透淡化***。所述的太阳能电池由每组为48片单晶硅板构成。所述的蓄电池为镉镍蓄电池。
所述的海水预处理***包括：海水取水管21，取水泵22、微电罐23、砂滤池(罐)24、活性碳过滤池(罐)25、高压泵26和微滤***27。微电解罐23和微滤***27的电流输入端与光电转化、贮存及供电***中的电能逆变器14的输出端联接。微电解罐23的工作电压为4V，电流为50A，微滤***27工作电压为220V或380V。微滤***27的膜材料为截留分子量250000道尔顿以上的聚砜膜，膜组件为平板膜组件，并带有定时自动清洗装置。
海水经取水管21输送到微电罐23进行微电解，使海水中的海洋浮游生物、悬浮物、胶体、细菌等经过微电解处理，形成较大颗粒后，经过砂滤罐24和活性碳过滤池(罐)25过滤去除得初级净化水，初级净化水经过高压泵26泵入微滤***27进行过滤，得净化海水。
所述的海水反渗透脱盐淡化***：由高压泵31、反渗透膜组件32、活性碳吸附柱33和淡水罐34组成。反渗透膜组件32为对氯化钠截留率为98％并对硼离子具有选择脱功能的B型-聚砜反渗透卷式膜组件，并带有定时自动清洗装置。经过微滤***26净化的海水经过高压泵31输入到反渗透膜组件32中过滤得淡化水，淡化水经过活性碳吸附柱33吸附后符合《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006的淡水。
具体实施例3
如图4所示，本发明太阳能海水淡化方法及成套装置包括光电转化、贮存及供电***、海水预处理***和海水反渗透淡化***三个***组成。
所述的光电转化、贮存及供电***由太阳能电池11、蓄电池12、控制器13和电能逆变器14构成。太阳能电池11的结构如图3的瓦楞状结构，其产生的电能经过控制器13贮存于蓄电池12中。太阳能电池11的输出端与控制器13联接，控制器13与蓄电池12双向联接，用于对蓄电池进行充放电控制，防止过充电和过放电，并带有保护和监测功能，对整个***进行监测控制。电能逆变器14与控制器13的输出端联接，用于将太阳能电池或蓄电池输出的直流电转换成交流电，提供给海水预处理***和海水反渗透淡化***。所述的太阳能电池由每组为48片单晶硅板构成。所述的蓄电池为聚合物锂电池。
所述的海水预处理***包括：海水取水管21，取水泵22、微电罐23、砂滤池(罐)24、活性碳过滤池(罐)25、高压泵26和微滤***27。微电解罐23和微滤***27的电流输入端与光电转化、贮存及供电***中的电能逆变器14的输出端联接。微电解罐23的工作电压为12V，电流为30A，微滤***27工作电压为220V或380V。微滤***27的膜材料为截留分子量200000道尔顿以上的聚砜醚膜，膜组件为卷式膜组件，并带有定时自动清洗装置。
海水经取水管21输送到微电罐23进行微电解，使海水中的海洋浮游生物、悬浮物、胶体、细菌等经过微电解处理，形成较大颗粒后，经过砂滤罐24和活性碳过滤池(罐)25过滤去除得初级净化水，初级净化水经过高压泵26泵入微滤***27进行过滤，得净化海水。
所述的海水反渗透淡化***：由高压泵31、反渗透膜组件32、活性碳吸附柱33和淡水罐34组成。反渗透膜组件32为对氯化钠截留率为98％并对硼离子具有选择脱功能的B型-聚砜反渗透管式膜组件，并带有定时自动清洗装置。经过微滤***27净化的海水经过高压泵31输入到反渗透膜组件32中过滤得淡化水，淡化水经过活性碳吸附柱33吸附后符合《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006的淡水。

Claims (10)

1、一种太阳能海水淡化方法及成套设备，其特征在于它包括如下***：(1)光电转化、贮存及供电***：由太阳能电池板面、框架、设置于太阳能板面背面的背面结构、蓄电池和电能转换器构成
Figure A2008100715540002C1
太阳光经过光伏电池转化成电能并贮存于蓄电池中，向海水淡化的预处理***和反渗透***供电；
(2)海水预处理***：由取水口、取水泵、微电解罐、砂滤罐、活性碳吸附塔和微滤膜组件构成。海水经取水泵泵入微电解罐中进行微电解，使海洋浮游生物、悬浮物、胶体、细菌等形成更大颗粒、经砂滤过滤后再经活性碳吸附塔处理后泵入微滤膜组件过滤除去海水中的固体杂质、浮游生物、胶体、细菌和氧化性物质；
(3)海水反渗透淡化***：由高压泵、反渗透膜组件、活性碳吸附柱和淡水罐组成。经过微滤膜组件过滤净化的海水经过高压泵泵入对氯化钠截留率为98％的反渗透膜组件，在工作压力为3-75bar，压力差为1.5-2.0bar的条件下进行反渗透过滤，得淡水和卤水(浓缩水)
Figure A2008100715540002C2
淡水经过活性碳吸附柱吸附，得符合《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006的淡水，卤水(浓缩水)作为废水直接排入海洋中。
2、根据权利要求1所述的太阳能海水淡化方法及成套设备，其特征在于所述的光电转化、贮存及供电***的太阳能电池板呈平面状并镶嵌于幕墙玻璃上，以24、48、72、96片硅板的串联方式联接，分别构成12V、24V、36V和48V的太阳能光伏电池组，光伏电池组产生的电能贮存于复合膜锂离子电池组、镉镍电池组或铅酸电池组等蓄电池中，电能经过直交流转换器转换后向海水预处理***和海水反渗透脱盐淡化***供电。
3、根据权利要求1所述的太阳能海水淡化方法及成套设备，其特征在于所述的光电转化、贮存及供电***的太阳能电池板呈锯齿状或瓦楞状，以增加迎光面的面积，以24、48、72、96片硅板的串联方式联接，分别构成12V、24V、36V、48V的太阳能光伏电池组，光伏电池组产生的电能贮存于复合膜锂离子电池组、镉镍电池组或铅酸电池组等蓄电池中，电能经过直交流转换器转换后向海水预处理***和海水反渗透脱盐淡化***供电。
4、根据权利要求1所述的太阳能海水淡化方法及成套设备，其特征在于所述的光电转化、贮存及供电***的太阳能电池板为单晶硅、多晶硅或有机硅板或薄膜光伏电池板，大小可以根据需要确定。
5、根据权利要求1所述的太阳能海水淡化方法及成套设备，其特征在于所述的海水预处理***的微电解罐的3V～48V，电流强度为3～50A，海水中的海洋浮游生物、悬浮物、胶体、细菌等经过微电解处理，形成较大颗粒后，经过砂滤过滤去除，微电解产生的氧化性物质经活性碳吸附塔吸附去除。
6、根据权利要求1所述的太阳能海水淡化方法及成套设备，其特征在于所述的海水预处理***的微滤膜组件中的膜管为截留分子量为孔径0.05～0.1μm的陶瓷膜、膜组件为管式膜组件。
7、根据权利要求1、5所述的太阳能海水淡化方法及成套设备，其特征在于所述的海水预处理***的微滤膜组件中的膜材料为截留分子量为200000道尔顿以上的聚砜膜或聚醚砜膜，膜组件为平板膜组件、管式膜组件或卷式膜组件，并带有定时自动清洗装置。
8、根据权利要求1所述的太阳能海水淡化方法及成套设备，其特征在于所述的海水预处理***的微滤的工作条件是：温度：常温～65℃，工作压力为3-75bar，压力差为1.5-2.0bar。
9、根据权利要求1所述的太阳能海水淡化方法及成套设备，其特征在于所述的海水反渗透脱盐淡化***的反渗透膜为对氯化钠截留率为98％并对硼离子具有选择脱功能的B型-聚砜反渗透膜，膜组件的结构为卷式膜组件，并带有定时自动清洗装置，其工作条件是：温度：常温～45℃，工作压力为3-50bar，压力差为1.5-2.0bar。
10、根据权利要求1所述的太阳能海水淡化方法及成套设备，其特征在于所述的海水反渗透脱盐淡化***的活性碳吸附柱的大小和长短可以根据生产需要设计，内装颗粒或粉沫活性碳，用活性碳吸附海水淡化所得的淡水中残留的味道，保重生活用水质量，使其符合《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006。
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