CN101811753A - 一种波浪能海水淡化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种波浪能海水淡化装置，它包括波能采集浮体、支撑浮体、液压泵、海水预处理***和海水淡化***；波能采集浮体嵌设在支撑浮体内，其顶板上设置四个立轴，中心位置设置活塞连杆；支撑浮体的支撑浮体顶板上设置四个支撑立柱，各支撑立柱的顶部设置工作台，工作台上固定设置液压泵、海水预处理***和海水淡化***；支撑浮体底部通过锚索固定在海底；液压泵的底部一侧设置有通气孔，顶部两侧分别通过入水、出水管道与海水预处理***和海水淡化***连接；海水淡化***主要包括反渗透组件和气垫式调压室，海水预处理***主要包括吸水管道、超滤组件和缓冲室。本发明能高效地吸收波浪能，直接利用波浪能转化的液压能进行海水预处理及淡化功能。

Description

一种波浪能海水淡化装置
技术领域
本发明涉及一种海水淡化装置，特别是关于一种利用海洋波浪能进行海水淡化的波浪能海水淡化装置。
背景技术
海水淡化作为缓解水资源短缺的解决措施已越来越受到世界各国的重视，特别在一些海湾地区，淡化水已成为其基本水源。目前，能够大规模应用的海水淡化技术主要有反渗透(RO)、多级闪蒸(MSF)、多效蒸馏(MED)等方法，这些方法一般都使用电能来进行海水的淡化。其中，反渗透法投资省、能耗小、操作方便且易于控制，海水经过反渗透处理后完全可以达到世界卫生组织(WHO)所确定的饮用水标准，这些优点使其成为最具有竞争力的海水淡化方法。反渗透法是一种将海水加压，使其透过选择性渗透膜得到淡水的方法。这种选择性渗透膜只允许纯水通过而排斥盐离子。反渗透膜由半渗透的聚合材料制成，有平板膜、卷式膜和中空纤维膜等型式。根据非专利文献“波浪能海水淡化的应用研究[J]”(作者：孙业山，游亚戈等，可再生能源，2007，25，2：76-78.)的研究，海水压力达到6.0MPa左右时，得到的淡水产量和质量都比较理想。但是由于利用反渗透膜进行海水淡化时，主要是利用电能驱动泵，因此得到的淡水成本较高，不能大范围推广应用。
海水淡化的给水预处理十分关键。这是因为海水中盐度、硬度、总固溶物及其它杂质含量均较高，易造成反渗透膜污堵，导致维护费用及能耗增加，因此必须对进料海水进行预处理。传统的海水预处理包括多个环节：加氯杀菌、在线絮凝、两级多介质过滤(粗过滤和精过滤)、加酸调pH值、加阻垢剂和还原剂(NaHSO3)、保安过滤等。上世纪90年代末集成膜***的研究开发，将超滤膜分离技术(UF)代替传统的预处理方法应用于海水淡化中。UF是一种以压力为推动力的膜分离技术，其膜孔径通常为2～100nm。这种工艺具有以下优点：能够截留海水中固体悬浮物，胶体和微小细菌，降低淤泥污染指数(SDI)，从而降低了RO膜污染的趋势，且UF出水水质稳定，不受原海水水质变化的影响；可取代传统预处理工艺的多个步骤，空间利用率高，操作工艺简单可靠，管理方便；相比于传统预处理工艺，化学试剂的使用量大幅减少，从而减轻环境压力。采用UF进行海水预处理后，反渗透膜的膜污染负担部分转嫁给了超滤膜，为了尽量减少超滤膜的膜污染，根据非专利文献“超滤作为海水淡化预处理工艺的应用研究和Monte Carlo模拟[D]”(作者：徐佳.中国海洋大学，2008.6.)的研究，可通过控制跨膜压差来控制超滤通量，使超滤通量小于某一临界通量时，可使膜污染程度最小，比较理想的跨膜压差一般为几十kPa。与利用反渗透膜类似，由于UF也是利用电能驱动泵，因此最后得到的淡水成本较高，也不能使其大范围推广应用。
波浪能作为一种可再生能源，能流密度大，是海洋能中品位最高、分布最广的能源。目前，国内外研究波浪能的主要集中于波浪能发电，利用波浪能进行海水淡化的研究比较少。根据非专利文献“波浪能海水淡化的应用研究[J]”的研究，在印度喀拉拉邦有一套正在运行的海水淡化***，该***先将波浪能转换为电能，然后用电机驱动反渗透海水淡化***。位于爱尔兰的波浪能海水淡化***的波能吸收装置是由三个浮于海面上的驳船铰接而成，其中两个振荡的驳船作为双臂对称地铰接于中间的那个定位于下悬式惯性减幅版的驳船上。两个振荡的驳船和中间的驳船的铰接处会产生很大的力，这些铰接的地方安装有活塞，将机械能转换为与之相连的液压***的液压能，用来发电或者提供海水淡化***的能量。我国广东省的汕尾波浪能海水淡化***工作原理为：振荡浮子吸收波浪能，通过锚链驱动液压泵，将液压能经蓄能稳压***输出到液压马达，液压马达驱动发电机发电，同时也可驱动反渗透海水淡化***的泵来生产淡水。但是，这些海水淡化的***均没有直接高效地利用波浪能进行海水淡化，而且操作工艺较为复杂，得到的淡水成本较高，只适合在一些局部地区使用，不能得到大范围应用。因此，如何高效经济地利用波浪能进行海水淡化，是有待研究的一个关键技术问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种效率较高、得到淡水的成本较低且可以大范围应用的波浪能海水淡化装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种波浪能海水淡化装置，其特征在于：它包括一作为波能采集器用的波能采集浮体、一圆环形的支撑浮体、一圆筒状的液压泵、一海水预处理***和一海水淡化***；所述波能采集浮体嵌设在所述支撑浮体内的中空部位，所述波能采集浮体的上表面设置有一层顶板，所述顶板上均匀设置有四个立轴，且中心位置固定设置有一活塞连杆，所述活塞连杆的顶部连接一设置在所述液压泵的缸体内的活塞；所述支撑浮体的上表面设置有一层支撑浮体顶板，所述支撑浮体顶板上均匀设置有四个支撑立柱，四个所述支撑立柱的顶部设置有一采用梁板结构的工作台，所述工作台上固定设置有所述液压泵、海水预处理***和海水淡化***，并在所述工作台的中心位置均匀固定设置有四个内部带有滑轮的套筒，各所述套筒的位置与所述波能采集浮体上的各立轴的位置相对应，各所述立轴顶部分别套设在各所述套筒内，且在所述支撑浮体底部通过四个锚索固定在海底；所述液压泵与四个所述套筒的顶部固定连接有一连接板，在所述液压泵的底部一侧设置有一通气孔，所述液压泵的顶部两侧分别设置有一入口和一出口，所述入口和出口分别通过一入水管道和一出水管道与所述海水预处理***和海水淡化***连接；所述海水预处理***包括一用于吸收海水的吸水管道，所述吸水管道的入口处设置有一过滤器，所述吸水管道的出口处连接一超滤组件，所述超滤组件的出口经一连接管道依次连接一缓冲室、入水管道及液压泵的入口；所述海水淡化***包括一气垫式调压室，所述气垫式调压室的进口端通过所述出水管道连接所述液压泵的出口，所述气垫式调压室的出口端通过另一连接管道连接一反渗透组件；所述反渗透组件的顶部设置有一浓盐水收集管道，底部设置有一淡水收集管道。
所述气垫式调压室与所述反渗透组件之间的所述连接管道上设置有一压力控制阀；所述液压泵入口的入水管道和出口的出水管道上分别设置有一单向阀。
所述液压泵内的活塞的周缘设置有一截面呈L形的密封圈。
所述波能采集浮体采用圆饼状结构；所述支撑浮体采用阶梯形结构，其位于迎波方向的前半圆环的厚度小于后半圆环的厚度。
所述顶板和支撑浮体顶板均由具有刚度较大的钢、合金钢或铸造锌合金材料制成。
所述支撑浮体顶板上设置有一半圆形的外壳，所述外壳采用聚氯乙烯材料制成；且所述支承浮体上所支撑的设备的重心偏向所述支承浮体较厚的后半圆。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用一个几乎不承受外部重量的波能采集浮体作为波能采集器，波能采集浮体能够随波浪上下***。在波能采集浮体的中心位置设置有一活塞连杆，活塞连杆连接一液压泵缸体内的活塞，液压泵通过螺栓固定设置在一工作台上，工作台通过四个设置在支撑浮体上的立柱支撑。当波面下降时，波能采集浮体连同活塞连杆及活塞下降，液压泵内压强降低形成负压，将海水抽进液压泵中，海水进入液压泵过程中经过超滤组件的超滤膜，完成海水预处理过程。为保证超滤膜跨膜压差不会过大，在超滤组件与液压泵之间设置缓冲室，缓冲室中保证相对稳定且适宜的负压。当波面上升时，波能采集浮体连同活塞连杆及活塞上升，活塞挤压液压泵内吸入的海水，此时液压泵充当高压泵，海水在高压作用下通过反渗透组件的反渗透膜，从而完成海水淡化过程。因此，本发明能直接高效地把波浪能转化成液压能，完成海水的预处理和海水淡化功能。2、本发明由于采用波能采集浮体和液压泵将波浪能直接转化为液压能，为了确保液压泵压入反渗透组件之前海水的压力稳定，在液压泵和反渗透组件之间设置气垫式调压室，压力不稳定的高压海水流经气垫式调压室后趋于稳定，稳定的高压海水通过反渗透膜实现海水淡化。3、本发明采用波能采集浮体、支撑浮体、液压泵、海水预处理***和海水淡化***对海水进行过滤淡化，能直接高效地把波浪能转化成液压能，进行海水的预处理和淡化，而不必将波浪能转化为电能，再利用电能驱动高压泵进进行海水的淡化，也不必将波浪能转化的液压能先输出到液压马达，再由液压马达驱动海水淡化***的泵。因此简化了海水淡化的能量获取过程以及选用操作工艺简单可靠的海水预处理及海水淡化技术，降低了海水淡化的总成本，实现了海水淡化作为低廉的淡水来源而得到大范围推广。
附图说明
图1是本发明的整体结构俯视示意图
图2是图1的A-A剖面图
图3是图1的侧视图
图4是本发明的海水预处理***、液压泵及海水淡化***的竖向剖面示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1～图3所示，本发明包括一作为波能采集器用的波能采集浮体1、一圆环形的支撑浮体2、一圆筒状的液压泵3、一海水预处理***4和一海水淡化***5。
波能采集浮体1采用圆饼状结构，其嵌设在支撑浮体2内的中空部位，在波能采集浮体1的上表面设置有一层顶板6，顶板6由具有刚度较大的材料制成(例如：钢、合金钢或铸造锌合金等材料)，以防止波能采集浮体1在长时间工作后发生变形。顶板6上呈方形均匀设置有四个立轴7，且中心位置固定设置有一活塞连杆8，四个立轴7和活塞连杆8均能随波能采集浮体1作上下运动。其中，活塞连杆8的顶部连接一设置在液压泵3的缸体内的活塞9，且活塞连杆8与液压泵3的底部接触位置采用最优润滑设计。
支撑浮体2采用阶梯形结构，其位于迎波方向的前半圆环的厚度小于后半圆环的厚度，支承浮体2的较厚的后半圆环可以反射波浪，使入射波和反射波在波能采集浮体1下面叠加，增大波高，从而使支承浮体2包围的波能采集浮体1吸收更多的波能。在支撑浮体2上表面设置有一层支撑浮体顶板10，支撑浮体顶板10由具有刚度较大的材料制成(例如：钢、合金钢或铸造锌合金等材料)，以防止支撑浮体2在长时间工作后发生变形。支撑浮体顶板10上呈矩形均匀设置有四个支撑立柱11，四个支撑立柱11的顶部设置有一采用梁板结构的工作台12，工作台12上通过螺栓固定设置有液压泵3、海水预处理***4和海水淡化***5，并在工作台12的中心部位呈方形均匀固定设置有四个内部带有滑轮的套筒13，各套筒13的位置与波能采集浮体1上的各立轴7的位置相对应。各立轴7顶部分别套设在各套筒13内，各立轴7随波能采集浮体1在带滑轮的固定套筒13内上下自由滑动。各套筒13内的滑轮能确保波能采集浮体1与工作台12之间作相对运动时，避免两者之间产生相对扭动和摆动。且在支撑浮体2底部通过四个锚索14固定在海底，使支撑浮体2的位置相对固定，以保证其位置稳定。
各立轴7与各套筒13之间采取最优滑轮滑动设计，以减少运动过程中的阻力。由于波能采集浮体1只承受自身重量而没有外部重量，因此波能采集浮体1能随波浪上下运动，有效地吸收波能。
如图4所示，液压泵3内的活塞9的周缘设置有一截面呈L形的密封圈15，使液压泵3具有有较好的密封效果，保证活塞连杆8及活塞9向上运动时能将海水以较高的压力压出液压泵3，而不使海水从活塞连杆8的下部泄漏；同时，截面呈L形的密封圈15与液压泵3的内壁相接触的面积很小，因此在活塞连杆8运动时，能有效地减小活塞9与液压泵3内壁面的摩擦力，减少能量损失。在液压泵3与四个套筒13的顶部固定连接有一连接板16，以保证液压泵3与四个套筒13的稳定性。在液压泵3的底部一侧还设置有一通气孔17，保证活塞连杆8在上升时活塞连杆8的下部不会形成负压，活塞连杆8在下降时活塞连杆8的下部不形成高压，尽量减小活塞连杆8运动的阻力。液压泵3顶部两侧还分别设置有一入口和一出口，该入口和出口分别通过一入水管道18和一出水管道19与海水预处理***4和海水淡化***5连接。
如图4所示，海水预处理***4包括一用于吸收海水的吸水管道20，吸水管道20的入口处设置有一过滤器21，吸水管道20的出口处连接一超滤组件22，超滤组件22和过滤器21将海水中大颗粒的杂物滤除。经初步过滤后的海水经一连接管道23连接一缓冲室24的进口端，由缓冲室24保证被吸入的海水具有相对稳定且适宜的负压，并通过一个设置在缓冲室24上可调节的通气阀控制该负压大小，进而使超滤组件22的超滤膜的跨膜压差不会过大，以减小超滤膜的膜污染。缓冲室24的出口端通过入水管道18连接液压泵3的入口。
如图4所示，海水淡化***5包括一气垫式调压室25，气垫式调压室25的进口端通过出水管道19连接液压泵3的出口，使压力不稳定的高压海水经气垫式调压室25后能趋于稳定。气垫式调压室25的出口端通过另一连接管道26连接一反渗透组件27，且反渗透组件27的顶部设置有一浓盐水收集管道28，底部设置有一淡水收集管道29。
上述实施例中，在连接管道26上设置有一压力控制阀30，用于将流出气垫式调压室25的高压海水压强达到适宜反渗透组件27的反渗透膜的工作压强时，压力控制阀30打开，高压海水流向反渗透组件27，从而完成海水淡化过程。
上述实施例中，在液压泵3入口的入水管道18和出口的出水管道19上分别设置有一单向阀31，使海水只能从缓冲室24流入液压泵3中、从液压泵3流入气垫式调压室25中，而不会出现逆流情形。
上述各实施例中，在支撑浮体顶板10上设置有一半圆形的外壳32，外壳32采用轻质坚固材料(例如聚氯乙烯(PVC)等材料)制成，以防止台风、风暴潮等恶劣天气对本发明的设备造成破坏。
上述各实施例中，由于支承浮体2采用在来波方向上前后不对称的结构，因此，支承浮体2上所支撑的设备的重心偏向支承浮体2较厚的后半圆，保证工作台12能够处于稳定状态。另外，当本发明的波浪能海水淡化装置设置在海岸或海洋平台附近时，海水预处理***4和海水淡化***5还可以相应地设置在海岸或海洋平台上，通过管道与波浪能海水淡化装置的工作台12上的液压泵3连接，实现海水淡化工作。
本发明在使用时，当波能采集浮体1带动活塞连杆8及活塞9向下运动时，液压泵3内的压力降低，当液压泵3内的气压低于缓冲室24内的水压时，打开液压泵3的入水管道18上的单向阀31，使缓冲室24内的海水通过液压泵3的入水管道18上的单向阀31吸入液压泵3中。缓冲室24内比较稳定的负压与外界形成压力差，使海水经过淹没在海里的过滤器21，初步过滤掉海水中的大颗粒杂物，然后海水由吸水管道20进入超滤组件22，通过超滤膜完成海水的预处理，截留掉海水中的微生物及有机物。可通过缓冲室24的通气阀控制缓冲室24的负压不会过低，使超滤膜的跨膜压差在几十kPa，降低超滤膜的膜污染。完成预处理的海水由超滤组件22经连接管道23进入缓冲室24，补充缓冲室24中的海水。缓冲室24的平均入流量应等于平均出流量，以保持缓冲室24内水位恒定。当波能采集浮体1带动活塞连杆8及活塞9向上运动时，活塞9挤压液压泵3所吸入的海水，当液压泵3内的水压大于气垫式调压室25内的水压时，打开液压泵3的出水管道19上的单向阀31，使液压泵3内的海水通过液压泵3的出水管道19上的单向阀31压入气垫式调压室25，在这里，压强不稳定的高压海水经气垫式调压室25后趋于稳定，当高压海水的压强满足反渗透组件27的反渗透膜的要求时，打开压力控制阀30，高压海水经连接管道26进入反渗透组件27，通过反渗透膜，盐离子被截留，纯水则通过，淡水经淡水收集管道29流出，浓盐水则经浓盐水收集管道28流出，从而完成了海水淡化过程。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种波浪能海水淡化装置，其特征在于：它包括一作为波能采集器用的波能采集浮体、一圆环形的支撑浮体、一圆筒状的液压泵、一海水预处理***和一海水淡化***；
所述波能采集浮体嵌设在所述支撑浮体内的中空部位，所述波能采集浮体的上表面设置有一层顶板，所述顶板上均匀设置有四个立轴，且中心位置固定设置有一活塞连杆，所述活塞连杆的顶部连接一设置在所述液压泵的缸体内的活塞；
所述支撑浮体的上表面设置有一层支撑浮体顶板，所述支撑浮体顶板上均匀设置有四个支撑立柱，四个所述支撑立柱的顶部设置有一采用梁板结构的工作台，所述工作台上固定设置有所述液压泵、海水预处理***和海水淡化***，并在所述工作台的中心位置均匀固定设置有四个内部带有滑轮的套筒，各所述套筒的位置与所述波能采集浮体上的各立轴的位置相对应，各所述立轴顶部分别套设在各所述套筒内，且在所述支撑浮体底部通过四个锚索固定在海底；
所述液压泵与四个所述套筒的顶部固定连接有一连接板，在所述液压泵的底部一侧设置有一通气孔，所述液压泵的顶部两侧分别设置有一入口和一出口，所述入口和出口分别通过一入水管道和一出水管道与所述海水预处理***和海水淡化***连接；
所述海水预处理***包括一用于吸收海水的吸水管道，所述吸水管道的入口处设置有一过滤器，所述吸水管道的出口处连接一超滤组件，所述超滤组件的出口经一连接管道依次连接一缓冲室、入水管道及液压泵的入口；
所述海水淡化***包括一气垫式调压室，所述气垫式调压室的进口端通过所述出水管道连接所述液压泵的出口，所述气垫式调压室的出口端通过另一连接管道连接一反渗透组件；所述反渗透组件的顶部设置有一浓盐水收集管道，底部设置有一淡水收集管道。
2.如权利要求1所述的一种波浪能海水淡化装置，其特征在于：所述气垫式调压室与所述反渗透组件之间的所述连接管道上设置有一压力控制阀；所述液压泵入口的入水管道和出口的出水管道上分别设置有一单向阀。
3.如权利要求1所述的一种波浪能海水淡化装置，其特征在于：所述液压泵内的活塞的周缘设置有一截面呈L形的密封圈。
4.如权利要求2所述的一种波浪能海水淡化装置，其特征在于：所述液压泵内的活塞的周缘设置有一截面呈L形的密封圈。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种波浪能海水淡化装置，其特征在于：所述波能采集浮体采用圆饼状结构；所述支撑浮体采用阶梯形结构，其位于迎波方向的前半圆环的厚度小于后半圆环的厚度。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种波浪能海水淡化装置，其特征在于：所述顶板和支撑浮体顶板均由具有刚度较大的钢、合金钢或铸造锌合金材料制成。
7.如权利要求5所述的一种波浪能海水淡化装置，其特征在于：所述顶板和支撑浮体顶板均由具有刚度较大的钢、合金钢或铸造锌合金材料制成。
8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种波浪能海水淡化装置，其特征在于：所述支撑浮体顶板上设置有一半圆形的外壳，所述外壳采用聚氯乙烯材料制成；且所述支承浮体上所支撑的设备的重心偏向所述支承浮体较厚的后半圆。
9.如权利要求5所述的一种波浪能海水淡化装置，其特征在于：所述支撑浮体顶板上设置有一半圆形的外壳，所述外壳采用聚氯乙烯材料制成；且所述支承浮体上所支撑的设备的重心偏向所述支承浮体较厚的后半圆。
10.如权利要求6所述的一种波浪能海水淡化装置，其特征在于：所述支撑浮体顶板上设置有一半圆形的外壳，所述外壳采用聚氯乙烯材料制成；且所述支承浮体上所支撑的设备的重心偏向所述支承浮体较厚的后半圆。
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