CN102351263A - 主动式太阳能、风能耦合海水淡化装置 - Google Patents

主动式太阳能、风能耦合海水淡化装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主动式太阳能、风能耦合海水淡化装置，太阳能电池板和风力发电机通过充电控制器与蓄电池连接，蓄电池驱动真空泵工作，原海水进水管路通过换热器连接于太阳能集热器，然后进入海水蒸发器，海水蒸发器设置有淡水出水口和浓海水出水口；淡水出水口连接有通过换热器的淡水出水管路，浓海水出水口连接有通过换热器的浓海水出水管路。本发明将太阳能和风能产生的电能一并收集到蓄电池内，可延长真空泵在无风阴天天气的工作时间，同时将含有较大热焓的浓海水和水蒸气、淡水混合物分别经过换热器将自身含有的热量传递给原海水，充分利用了余热，达到了能量的合理利用。

Description

主动式太阳能、风能耦合海水淡化装置
技术领域
本发明涉及一种海水淡化技术，具体的说，是涉及一种利用太阳能和风能进行海水淡化的装置。
背景技术
我国是水资源缺乏的国家，人均占有水量只居世界的第108位，相当于世界人均水平的1/4，缺水城市占全国城市的2/3，因此水资源成为影响我国可持续发展的关键因素之一。在地下取水和跨区域调水受到越来越多条件限制的情况下，采用海水淡化获得新水源是解决我国淡水紧缺的重要战略途径。
海水淡化是利用海水脱盐生产淡水的技术和过程，大规模海水淡化的成熟技术主要有蒸馏法、电渗析法和反渗透法。传统的海水淡化技术以石油、煤炭等化石燃料作为能源，不仅消耗大量不可再生的化石燃料，而且会释放大量温室气体。太阳能、风能海水淡化技术可以克服以上缺点，同时淡水生产成本低、适应性好。
太阳能、风能海水淡化技术分为直接海水淡化和间接海水淡化：直接太阳能海水淡化是利用太阳能产生的热能驱动蒸馏过程，直接风能海水淡化是将风力的机械能驱动脱盐单元(电渗析单元、反渗透单元等)进行海水淡化；间接太阳能、风能海水淡化利用太阳能和风力产生的电能驱动后续的脱盐单元进行海水淡化。太阳能蒸馏***又可分为主动式和被动式两大类：被动式太阳能蒸馏***没有以外部方式加热，结构简单、取材方便，但工作温度低、产水量低；主动式太阳能蒸馏***以外部方式(如集热板)将外部热能加入到***来提高蒸馏器的蒸发作用，运行温度高、产水量高。
公开号为CN101244849A的中国专利披露了一种由太阳能集热管、蒸发器、冷凝器等构成的主动式太阳能海水淡化装置，可用于海水淡化和苦咸水的浓缩分离，但该装置未充分利用浓海水和蒸汽的余热。公开号为CN2470343Y的中国专利披露了一种太阳能和风能海水淡化装置，通过风力发电驱动水泵和传感器工作，由太阳能加热管、换热器和冷凝器构成海水淡化主单元，该装置仅利用风力进行发电，不适用于风能资源不丰富的地区，具有局限性。Al-Garni等人发明的风能-太阳能海水淡化***可用于发电和生产淡水，***包括热交换器、海水淡化单元等，并利用太阳能-风能驱动电扇冷却提高生产淡水效率，在气温较高时通过电扇来冷却效率较低(Ahmed Al-Garni，Farooq Saeed，Ayman Kassem.Wind-solar desalination farm and park system.US patent：7771568.)。Ambadar等人用太阳能集热器加热海水产生蒸汽，并通过进水海水来冷却，从而获得淡水，但该装置也未充分利用风能(Husein Ambadar，Zantar Ambadar，Zeky Ambadar.Seawater solardesalination system.US patent：5672250.)。
发明内容
本发明要解决的是现有技术的主动式太阳能海水淡化装置或未充分利用风能，或者对风能的利用效率不高的技术问题，提供一种主动式太阳能、风能耦合海水淡化装置。
为了解决上述技术问题，本发明的装置通过以下的技术方案予以实现：
一种主动式太阳能、风能耦合海水淡化装置，包括太阳能电池板、风力发电机和原海水进水管路，所述太阳能电池板和所述风力发电机通过充电控制器与蓄电池连接，所述太阳能电池板、所述风力发电机以及所述蓄电池的额定电压相等；
所述原海水进水管路依次通过第一换热器和第二换热器连接于太阳能集热器的底部，所述太阳能集热器下方设置有海水蒸发器，所述海水蒸发器由纵截面为直角梯形的柱体制成，其斜盖板面向于所述太阳能集热器，所述海水蒸发器在所述斜盖板底端下方设置有淡水收集槽，所述淡水收集槽底部设置有淡水出水口，所述淡水出水口连接有通过所述第二换热器的淡水出水管路，所述海水蒸发器顶部设置有连接于所述太阳能集热器的原海水进水口，底部设置有浓海水出水口，所述浓海水出水口连接有通过所述第一换热器的浓海水出水管路；
所述蓄电池分别与第一真空泵、第二真空泵和第三真空泵连接，所述第一真空泵、第二真空泵和第三真空泵的工作电压与所述蓄电池的额定电压一致，所述第一真空泵用于将所述海水蒸发器中的淡水抽入到所述淡水出水管路，所述第二真空泵用于将所述海水蒸发器中的浓海水抽入到所述浓海水出水管路，所述第三真空泵用于将原海水进水管路中的原海水经过所述太阳能集热器抽到到所述海水蒸发器。
所述第一真空泵、第二真空泵和第三真空泵均为水、汽两用泵。
所述海水蒸发器的底面外壁和侧面外壁设置有保温层。
本发明的有益效果是：
本发明充分利用了太阳能和风能两种能源，将太阳能和风能产生的电能一并收集到蓄电池内，可延长真空泵在无风阴天天气的工作时间。
本发明将含有较大热焓的浓海水和水蒸气、淡水混合物分别经过换热器将自身含有的热量传递给原海水，充分利用了余热，达到了能量的合理利用。
另外，海水蒸发器上的保温材料可防止热量散失。
附图说明
图1是本发明主动式太阳能、风能耦合海水淡化装置的结构示意图；
图2是海水蒸发器的主视图；
图3是海水蒸发器的左视图；
图4是海水蒸发器的俯视图。
图中：1：蓄电池，2：充电控制器，3：风力发电机，4：太阳能电池板，5：第三真空泵，6：原海水进水口，7：海水蒸发器，8：太阳能集热器，9：淡水收集槽，10：淡水出水口，11：浓海水出水口，12：第二真空泵，13：第一真空泵，14：第二换热器，15：第一换热器，16：浓海水出水管路，17：原海水进水管路，18：淡水出水管路。
具体实施方式
如图1所示，本实施例披露了一种主动式太阳能、风能耦合海水淡化装置，主要由风力发电机3、太阳能电池板4、充电控制器2、蓄电池1、太阳能集热器8、海水蒸发器7、两个换热器和三个真空泵构成。
其中，风力发电机3和太阳能电池板4作为发电装置，风力发电机3的额定功率100w，额定直流电压12V，额定风速和启动风速分别为12m/s和3m/s，叶轮直径920mm，采用电磁制动、偏尾刹车方式进行过风保护，风能利用率为0.41。太阳能电池板4采用单晶硅太阳能电池板，额定电压为12V，额定功率50W，工作温度范围为-40℃～+90℃，保证在夏季和冬季均可正常工作。风力发电机3和太阳能电池板4所产生的电能共同通过充电控制器2调节并储存于蓄电池1内，蓄电池1的额定电压同样为12V。充电控制器2的***额定电压为12V，工作温度为-25℃～+55℃，启动电压为12.3V±1％，最大输入功率60W。充电控制器2具有蓄电池反接保护、太阳能电池反接保护、负载过流及短路保护、蓄电池开路保护、过充保护、过压保护、欠压保护和防雷击保护功能。
蓄电池1所存储的电能用于驱动真空泵工作，真空泵为水、汽两用泵，额定电压为12V，可以作真空泵，也可作水泵。作真空泵时，功率＜2.88w，流量为1.5L/min，真空度为75KPa；作水泵时，功率＜4.8w，流量为1.3L/min，吸程3m，最大扬程5m。
原海水由原海水进水管路17通入，原海水进水管路17通过第一换热器15和第二换热器14，然后连接于太阳能集热器8的底部。利用第三真空泵5的作用使原海水依次经过第一换热器15和第二换热器14，接着从太阳能集热器8底部进入，经太阳能集热器8顶部出来并进入到海水蒸发器7中。第三真空泵5既能提升海水至所需的工作高度，又能降低整个装置的气压，促进海水在海水蒸发器7内的蒸发。太阳能集热器8的板芯结构为阳极氧化镀铬，玻璃盖板为5mm浮法透明玻璃，保温层为50mm玻璃棉，采光面积1.86m2，最大工作温度90℃，承压650kPa，光学性能91％-97％。第一换热器15和第二换热器14均为不锈钢材质，圆筒直径17cm，高76cm，标准状态下换热量＞45℃，ΔT＝64.5℃时的散热量为330w。
太阳能集热器8下方设置有海水蒸发器7，海水蒸发器7由纵截面为直角梯形的柱体制成，其斜盖板面向于太阳能集热器7并与其平行。海水蒸发器7的规格为宽600mm、纵截面直角梯形上底5mm、下底700mm、高500mm，材质为3mm厚的不锈钢，蒸发面积0.42m2，冷凝面积为0.525m2。海水蒸发器7顶部设置有两个原海水进水口6，海水蒸发器7底部设置有一个浓海水出水口11。海水蒸发器7在斜盖板底端下方设置有淡水收集槽9，淡水收集槽9可通过设置隔板而形成，其底部设置有淡水出水口10。海水蒸发器7的淡水出水口10连接有淡水出水管路18，淡水出水管路18通过第二换热器14，浓海水出水口11连接有浓海水出水管路16，浓海水出水管路16通过第一换热器15。
海水蒸发器7的材质要求能够承受大小为0.25个标准大气压的真空度，并且能够耐海水腐蚀，可选用具有耐海水腐蚀的316L不锈钢钢板或其他材料。海水蒸发器7的底面外壁和侧面外壁粘贴有保温材料作为保温层，保温层可有效防止海水热量的散失；保温材料可选用以橡塑为基材、涂布丙烯酸压敏胶黏剂的10mm带胶橡塑板，保温材料的承受温度应高于***的最高工作温度。
在海水蒸发器7中海水蒸发，水蒸气在其斜盖板上冷凝，并且顺着斜盖板流入到淡水收集槽9中。淡水和未冷凝的水蒸气被第一真空泵13抽入到淡水出水管路18，然后在第二换热器14与进入其中的原海水进行一次换热后入淡收集装置。蒸发后的浓海水被第二真空泵12抽出到浓海水出水管路16，然后在第一换热器15中与刚进入其中的原海水进行一次换热后排到浓海水收集装置中。
本次实施中，第一真空泵13是抽气打气泵，第一真空泵13右边的淡水出水管路18中是负压，而左边的淡水出水管路18中由于打气作用和阀门的调节作用，气压大于一个标准大气压。因此，从第一真空泵13进入到第二换热器14的水蒸气是过热水蒸气，过热水蒸气在第二换热器14中迅速冷凝液化，把热量传递给与其进行热交换的原海水。
本发明中风力发电机3和太阳能电池板4通过充电控制器2连接额定电压为12V的蓄电池1，蓄电池1型号为NP17-12，形成风光互补发电***。为增加蓄电池1蓄电量，可以将两个额定电压为12V的蓄电池1并联使用。充电控制器2完成***各个部分的连接、组合以及蓄电池1的充电、放电自动控制。本装置根据日照强弱、风力的大小以及负载的情况，不断调节蓄电池1的充电、放电状态：一方面，将风机和太阳能电池发的电送往负载电路；另一方面，把多余的电能送往蓄电池1组存储。当发电量不能满足负载要求的时候，充电控制器2把蓄电池1的电能输送给负载电路，使其在充电、放电和浮充电等多种状态下交替运行，保证了风光***的持续性与稳定性。
本装置在室外楼顶试验运行10天后，日产水量为2800mL，水循环速率为1.5L/min，单位淡水产出的实际太阳能功耗为0.89×104MJ/m3，单位采光面积的淡水日产量为1505mL/m2。
尽管上面结合附图和优选实施例对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种主动式太阳能、风能耦合海水淡化装置，包括太阳能电池板、风力发电机和原海水进水管路，其特征在于，所述太阳能电池板和所述风力发电机通过充电控制器与蓄电池连接，所述太阳能电池板、所述风力发电机以及所述蓄电池的额定电压相等；
所述原海水进水管路依次通过第一换热器和第二换热器连接于太阳能集热器的底部，所述太阳能集热器下方设置有海水蒸发器，所述海水蒸发器由纵截面为直角梯形的柱体制成，其斜盖板面向于所述太阳能集热器，所述海水蒸发器在所述斜盖板底端下方设置有淡水收集槽，所述淡水收集槽底部设置有淡水出水口，所述淡水出水口连接有通过所述第二换热器的淡水出水管路，所述海水蒸发器顶部设置有连接于所述太阳能集热器的原海水进水口，底部设置有浓海水出水口，所述浓海水出水口连接有通过所述第一换热器的浓海水出水管路；
所述蓄电池分别与第一真空泵、第二真空泵和第三真空泵连接，所述第一真空泵、第二真空泵和第三真空泵的工作电压与所述蓄电池的额定电压一致，所述第一真空泵用于将所述海水蒸发器中的淡水抽入到所述淡水出水管路，所述第二真空泵用于将所述海水蒸发器中的浓海水抽入到所述浓海水出水管路，所述第三真空泵用于将原海水进水管路中的原海水经过所述太阳能集热器抽到到所述海水蒸发器。
2.根据权利要求1所述的一种主动式太阳能、风能耦合海水淡化装置，其特征在于，所述第一真空泵、第二真空泵和第三真空泵均为水、汽两用泵。
3.根据权利要求1所述的一种主动式太阳能、风能耦合海水淡化装置，其特征在于，所述海水蒸发器的底面外壁和侧面外壁设置有保温层。
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