CN102557169A - 用于组合生产淡水和电力的*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于组合生产淡水和电力的***，包括通过热源和冷源操作并与交流发电机(4)协作以产生电力的双热设备(2)，该双热设备(2)包括开放液压回路(20)，该开放液压回路(20)包括入口(21)和管，其中不可使用的水经由该入口进入，该管通过双热设备(2)以引导不可使用的水，该不可使用的水代表所述双热设备(2)的冷源，然后所述不可使用的水从管到蒸发器(3)，然后到冷凝器(6)，最后以可用水的形式抵达出口(8，9)，其特征在于，所述生产***包括闭合液压回路(10)，在该闭合液压回路中，随着热传导流体流动，水经由太阳能收集器(11)接收热量并被导引通过双热设备(2)，对于该双热设备(2)而言该水代表热源。

Description

用于组合生产淡水和电力的***
技术领域
本发明涉及用于以组合方式生产可用的淡水和电力的***，其特别适用于隔离的贫困环境。它还涉及用于淡水和电力的组合生产的方法。
背景技术
人均淡水资源正在世界范围内减少；而且，据估计，在2010年大约15亿人口没有电力可用。淡水和电力这两个经济发展指标对于通常居住于具有高的太阳能潜力的贫困人群来说是不可获得的。
已知通过利用如图1所示的简单装置依靠太阳能从海水生产淡水的方法，所述简单装置包括包含海水的容器，该容器由让太阳光线通过的盖子覆盖，在该容器中，温度通过温室效应而大大升高以使得海水的蒸发能够加速，这样水在接触盖子之前与盐分离，最终沿着容器的倾斜壁滑动，直到它落入到淡水收集罐中。这种类型的装置占据很大的表面以最终仅获得小体积的淡水，因此不能大规模的实施。
另一已知的从海水生产淡水的方法包括利用反向渗透原理，该原理是基于依靠具有足够精细以阻挡盐分通过并只让水分通过的孔的膜过滤海水。然而，这样的解决方案需要压缩机，因此需要电力才能实施，因此不适于没有电力可用或者电力不足的地区。
文献FR2936792描述一种从脏水获得净化水的解决方案，其中斯特林(Stirling)发动机通过从由弗雷斯内尔(Fresnel)透镜聚集的太阳辐射输入的能量被供给热量。斯特林发动机将一部分热量转换为机械作业以依靠交流发电机产生电力，该交流发电机然后提供加热电阻以加热待净化的水。这种将进行能量转换以加热盐水的解决方案具有非常低的总的效率。
文献WO2005090240同样描述一种从脏水获得净化水的解决方案，其中斯特林发动机从太阳接收热量，其直接加热包含在电机的腔室上部中的空气，该空气代表电机的热源。该热量然后转变为机械能以操作压缩机，该压缩机使得水能够在蒸发器中蒸馏。这种解决方案提供了对缺少淡水问题的解决方案，但是并不能解决没有电力的问题。
文献US4253307描述一种解决方案，其中盐水罐通过由镜子聚集的太阳辐射加热以产生蒸汽，该蒸汽将驱动涡轮以产生电力。蒸汽冷凝以在输出端获得新鲜的净化水。这种解决方案解决了缺少淡水和电力的双重问题，但是与该文献中声明的不同的是，它从能量观点来看是低效率的，因为由蒸汽存储的热能被消散而没有回收。
从能量观点来看没有最优化，全部的这些解决方案仅使得盐水能够在有太阳的日子里被提纯。这导致每日获得的净化水的总量是小的。因此，对没有现有解决方案的全部或部分缺点的使得能够产生淡水和电力的解决方案存在需求。
发明内容
本发明提出能够依靠太阳能日夜操作地从盐水或者微咸水生产电力和生产淡水。
为了该目的，本发明涉及一种可用水和电力的生产***，包括：通过热源和冷源操作并通过与交流发电机协作以产生电力的双热(dithermal)设备；开放液压回路，其包括入口，不可用的水经由该入口进入、管子，该管子通过双热设备以引导代表双热设备的冷源的不可用水通过、以及管子，该管子通向蒸发器，然后到冷凝器，最后以可用水的形成到达出口。根据本发明的生产***的特征在于，它包括闭合液压回路，其中水，可能处于压力下，作为热传导流体流动，其经由太阳能收集器接收热量并被导引通过双热设备，对于该双热设备来说该水代表热源。可以提供后处理装置，以给水回添矿物质并在输出端提供饮用水。
在有利的实施例中，闭合液压回路包括用于存储一定量的热的热传导流体以便在夜间使用的存储容器。有利地，存储容器是加压水罐。优选地，液压回路包括在蒸发器中的热交换器以蒸发来自开口的液压回路的不可使用的水。
开放液压回路优选地包括在冷凝器中的热交换器以冷凝来自蒸发器的蒸汽。有利地，一个或多个泵和/或电磁阀通过由与双热设备相关联的交流发电机产生的电力操作，或者通过与双热设备耦合的机械而进行操作。泵可以进一步使得压力能够在蒸发器中降低。
在优选实施例中，太阳能收集器是平的真空管和/或聚集收集器，并适于将水从90℃加热到180℃，例如130℃。以一般的方式，太阳能收集器优选地适于能量输入，从而使得双热设备能够产生比生产***自身需要的电力更多的电力，并供应多余的电力给人群以便用于其它应用。
有利地，双热设备是斯特林发动机、涡轮、蒸汽发动机或者兰金循环设备。斯特林发动机优选地包括热交换模块，该热交换模块包括传送腔室，该传送腔室包含位移机构，该位移机构用于位移一定量的气体到至少一个的热交换器或者到冷的热交换器，这些热的和冷的热交换器用于分别加热和冷却一定量的气体，并且位移机构包括两个通过第一热交换器彼此分离的可动子组件、使得两个可动子组件沿着运动的纵轴向着第二热交换器的平动运动同步和同时的同步装置，这些第二热交换器布置在第一热交换器的每个侧面，并且处于与第一热交换器的操作温度不同的操作温度，以及，斯特林发动机包括位移机构的控制装置和在交换开口之前连接到热交换模块的传送腔室(transfer chamber)的压缩腔室，该压缩腔室包括控制活塞，该控制活塞由于在传送腔室中产生的压力变动的作用而平动运动。
本发明还涉及用于生产可用水和电力的方法，包括以下步骤：输入不可使用的水；在双热设备中加热所述不可使用的水，对于该双热设备，该水代表冷源，其特征在于该方法还进一步包括加热作为闭合液压回路(10)的热传导流体的水；以及引导热的热传导流体到双热设备，对于所述双热设备，该热的热传导流体代表热源。
用于生产可用水和电力的方法优选地进一步包括以下步骤的全部或者部分：
-存储一部分热的热传导流体在存储容器中；
-引导存储的热的热传导流体从存储容器到双热设备，对于该双热设备，该热的热传导流体代表热源；
-引导热的热传导流体到蒸发器以提供蒸发不可使用的水所需的热量；
-在冷凝器中加热不可使用的水，同时进行来自蒸发器的蒸汽的凝结；
-通过由双热设备提供的真空泵降低蒸发器压力；
-通过中央单元使得该真空泵与在太阳能收集器的位置接收的太阳能的水平同步以获得最优效率。
附图说明
本发明的这些目的、特征和优点将在下面仅以非限制性的目的给出的特定实施例的描述中结合附图详细给出，其中：
图1示意性地示出根据现有技术状态的海水淡化装置。
图2示出根据本发明的实施例的用于组合生产淡水和电力的***。
图3示出水蒸发温度相对于压力的曲线图。
图4示出在本发明的实施例的某些情形下的实施例的例子。
具体实施方式
在以下描述中，术语“不可使用的水”将用于代表任何的脏水，和/或包括微有机体和/或碱化的或者盐水的水，术语“可用水”将用于代表任何可直接用于农业或者用于消费的水。
本发明的构思在于，从不可使用的水和太阳能提供可用水和电力的组合生产，其具有利用双热设备以从能量观点来看优化的方式可再生的优点。可用水将通过不可使用的水的蒸馏/凝结而获得。
该解决方案具有产生比***自身产生淡水所需要电力更多的电力的优点，其使得不仅淡水，而且多余的电力能够用于人群。
图2意性地示出根据本发明的实施例的组合的电力和淡水生产***。
生产***包括闭合液压回路10，通过太阳能收集器11加热的热水在其中流动。该热水可以存储在存储容器12中，特别地加压罐中。产生的全部或部分热水被导向到斯特林发动机类型的双热设备2，以通过双热设备的代表双热设备的热源的第一热的热交换器16提供必要的能量。然后，该闭合液压回路10的全部或者部分热水在返回到存储容器12或者太阳能收集器11之前被导引到蒸发器3。
一个或者两个三通阀13确定必须流入闭合液压回路的每个部分的热水量，特别是存储在存储容器12中的热水量和通过太阳能收集器11加热的热水量。
以这种方法，生产***适于日夜操作，在日间导引全部的或者大部分的热水到太阳能收集器11以为了获得对太阳能收集器的最大加热，并在夜间切断到太阳能收集器11的水流。存储在存储容器12中的热水在晚上用于提供必要的能量到双热设备2。
最后，两个循环水泵14安装在该闭合液压回路10上，用于循环热水。这些泵14通过由双热设备2产生的电力的一部分经由电连接件5供电。
应当注意到，因为水在闭合液压回路10中作为热传导流体流动，特别是与在US2011/0198208中公开的熔融盐等相比，液压回路的部件易于制造并且不昂贵。此外，使用温度保持较低，特别地，低于180℃。
双热设备2使得通过热水提供的热通量的一部分能够依靠第一热的热交换器16转换为机械作业以为了驱动交流发电机4和产生电力。
生产***进一步包括开放液压回路20，该回路20在入口21接收不适于消费的不可使用的水，例如脏水、碱化水或者盐水。在它已经通过预处理装置22之后，其中该装置22可以包括基于例如过滤器和沙的过滤装置，不可使用的水流动通过双热设备2，通过热交换器28。该不可使用的冷水因此从在双热设备2中的第一加热获益，为此它代表冷源，然后流动通过冷凝器6，在冷凝器6中它从它冷凝的蒸汽回收热量。这样，它经历第二加热并最终回收大量的热，从而使得生产***的热效率得以优化。
最后，不可使用的水在蒸发器3中扩散，在该蒸发器中，该不可使用的水喷洒在热交换器上，在热交换器中流动来自闭合液压回路10的热水，从而该不可使用的水被蒸发。该蒸发使得它能够除去杂质、微有机体和盐，这些杂质、微有机体和盐通过蒸发器3的出口7回收。后者产生经由管子23，优选地经由泵25，发送到冷凝器6的纯蒸汽，由此冷凝为淡水，该淡水是由不可使用的水的该蒸馏所致，并且该淡水可以在第一出口8处回收，用于农业，例如用于田地浇灌。作为补充，该淡水可以在出口9处提供饮用水之前流动通过最后的后处理装置26，特别地，经历回添矿物质。提及的最后两个出口8，9因此产生可用的水，其是不可使用的水的蒸馏结果。
根据选取的实施例，真空泵25，其由双热设备2的交流发电机4供电，执行蒸发器3的真空产生功能。在蒸发器中形成的最终负压使得它的效力得以改进直到给定温度，因为水全部蒸发得越多，压力越低，如图3所示。在白天，在存在日照的情形下，该真空泵25的使用可以与在太阳能收集器11的位置处接收的太阳能的水平同步以获得最优效率，因为蒸发器中的温度与接收的太阳能直接相关。在晚上或者在白天，在没有日照的情形下，该真空泵25的使用可以与来自存储容器12的水的温度同步。
双热设备2可以为任何现有形式，例如斯特林发动机、涡轮、蒸汽发动机或者兰金循环(Rankine cycle)设备的形式。
根据有趣的实施例，如在专利申请FR1000908中介绍的斯特林发动机，其具有10kW的机械功率并在50-100°的温度范围操作，将是有利的。该斯特林发动机可以进一步包括热交换模块，该模块包括传送腔室，该腔室包含位移机构，该位移机构用于位移一定量的气体到至少一个热的热交换器16或者冷的热交换器28。这些热的和冷的热交换器设计来分别加热和冷却所述量的气体。位移机构进一步包括两个通过第一热交换器彼此分隔的可动的子组件；同步装置，其使得能够沿着运动的纵轴向着第二热交换器以平动方式同步并且同时运动该两个可动的子组件，这些第二热交换器布置在第一热交换器的每个侧面上，并且处于与第一热交换器的操作温度不同的操作温度。斯特林发动机包括位移机构的控制装置，和在交换开口之前连接到热交换模块的传送腔室的压缩腔室，该压缩腔室包括控制活塞，该活塞由于在传送腔室中产生的压力变化的作用而平动运动。
而且，可以使用所有类型的太阳能收集器，平的、真空管或者聚集收集器等。根据优选实施例，真空管收集器被实施，因为它们成本低，适于加热水直到180℃并几乎不需要维修。它们具有大于50％的良好的效率，用于将水从90℃加热到130℃。而且，它们以固定方式操作，不需要移动来以遵循太阳的路径。
存储容器12可以包括处于相对标准压力的热水罐，其温度从90℃变化到130℃，则压力从1巴变化到3巴。
蒸发器3由包括热交换器15的腔室形成，在热交换器15中热水从闭合液压回路10流动。热交换器15可以以盘绕的热交换器的形式浸在待蒸发的水中，或者被待蒸发的水喷射，热交换器15因此为板形式的。水的蒸发将优选地通过在单一蒸发腔室中的简单效应并借助单一通道执行，而没有返回到蒸发腔室的环，以使得蒸发器易于维修。
冷凝器6可以与蒸发器3不同，在单独的罐中，或者在相同的罐中，但是在单独的腔室中。在这个腔室中，开放液压回路的不可使用的水在其中流动的热交换器27使得来自蒸发器3的净化的蒸汽得以冷凝。
在这个***中，消耗能量的元件例如泵已经从交流发电机供电。根据替代实施例，***的不同的泵14，24，25可以直接连接到双热设备并依靠直接的机械耦合操作。
最后，生产***包括未示出的中央单元，该中央单元包括软件和/或硬件形式的内部智能，其使得***的不同的操作参数，例如阀、泵等得以控制。该中央单元发送控制信号到不同的部件。在输入处，它可以从不同的传感器接收诸如两个不同液压回路各自的在这些液压回路的不同点的热水和冷水的温度值的数据。
这样的***的实施例的例子可以通过选择下面的示例性目的的尺寸而获得：
-覆盖800平方米的总开口表面的真空管式太阳能收集器11，其安置在具有40米的侧面的正方形场地中，提供用于在包括在90°和110°之间的温度下进行操作；
-用于包括在90℃和110℃之间的温度的50立方米的加压水罐形式的存储容器12；
-驱动具有8kW的额定电功率的交流发电机的斯特林发动机。
让我们考虑每天六个小时日照，具有大约1kW/m2照射能量的情况。这导致每天输入8600MJ到闭合液压回路，其中2200MJ被斯特林发动机(100kWth的功率)消耗，2200MJ被蒸发器消耗，剩余的4200MJ用于给存储容器12赋能，这相应地将使得大约又六个小时的自治得以保证。
在热水在其中流动的闭合液压回路的水平下，所施加的水流量为大约每秒2.4升。双热设备的热交换器的夹闭温度和蒸发器的夹闭温度为10℃。在蒸发器的输出端，返回到太阳能收集器或者存储容器12的位置的热水是在从70℃到90℃范围的温度，而在减压到0.2巴的蒸发器中，水的蒸发温度是大约60℃。
在开放的冷的液压回路上，待提纯的不可使用的水例如从大海以每秒2.2升的流量在20℃下取得。假设热交换器的夹闭温度为10℃，它回收由双热设备抽空的全部热量并在30℃下退出。冷凝器热交换器具有20℃的夹闭温度-水因此在被输入到蒸发器之前被加热到50℃，并且当它接触蒸发器热交换时增加到超过60℃。当它通过冷凝器时它失去20℃，结果获得40℃的纯水，每天生产大约70立方米，如果考虑70％的转化率(70％的蒸馏水和30％的遭拒绝的盐水)的话。图4示出在这个例子中考虑的假定条件下在两个打开和闭合回路中的温度变化。
为了扼要重述，介绍的例子消耗8600MJ热，以便每天产生大约80kWh的电和70立方米的蒸馏水。安装在六个小时的日照期间以及在又六个小时的自治期间操作。考虑循环泵和真空泵平均消耗1kW，泵的消耗量代表每天大约40kWh，这意味着每天能够保留40kWh的电力。
自然地，已经以示例的目的描述了上面的实施例，并且生产***的其它几何结构、其它数量的泵、阀、其它类型的热交换器等可以被想到，其并不超出本发明的构思。
而且，简化版本的生产***可以不包括存储容器并且不在晚上操作。中央单元还可以控制与上面以示例目的给出的操作参数不同的操作参数。
在所有情形中，所述***包括热传导流体，该热传导流体经由太阳能收集器直接接收太阳热量，并且将其部分地恢复给双热设备。由太阳能收集器接收的能力有利地在双热设备和蒸发器之间共享以同时产生一定量的电力和一定量的可用水以用于某些人群。因此，本发明提供一种解决方案给遭受水和电力匮乏的人群，其特别适合于但不限于非常多日照和/或靠近大海的地区。
如在上面看出的，本发明还涉及用于组合生产电力和可用的水的方法，其包括以下步骤：
-输入不可使用的水；
-在双热设备2中加热不可使用的水，该水对于双热设备代表冷源；
-加热闭合液压回路10的热传导流体，特别地在90℃和180℃之间的水，优选地在90℃和130℃之间的水；
-引导热的热传导流体到双热设备2，该热的热传导流体对于双热设备代表热源。
用于组合生产电力和可用水的该方法可以进一步包括以下步骤的全部或者部分：
-从双热设备产生电力；
-在存储容器12中存储一部分的热的热传导流体；
-将存储的热的热传导流体从存储容器12引导到双热设备2，该流体对于该双热设备代表热源；
-引导热的热传导流体到蒸发器3以提供必要的热量来蒸发不可使用的水；
-加热冷凝器6中的不可使用的水，同时进行来自蒸发器3的蒸汽的冷凝；
-通过由-双热设备供电的真空泵25降低蒸发器压力；
-通过中央单元使该真空泵25与在太阳能收集器11的位置处接收的太阳能的水平或者与来自存储容器的水的温度同步，以获得最优效率。

Claims (14)

1.一种可用水和电力的生产***，包括通过热源和冷源操作并与交流发电机(4)协作以产生电力的双热设备(2)，该双热设备(2)包括开放液压回路(20)，该开放液压回路(20)包括：入口(21)，不可使用的水经由该入口进入；管子，该管子通过双热设备(2)以引导不可使用的水，对所述双热设备(2)来说该不可使用的水代表冷源；以及管子，所述不可使用的水从该管子到蒸发器(3)，然后到冷凝器(6)，最后以可用水的形式抵达出口(8，9)，其中所述生产***包括闭合液压回路(10)，在该闭合液压回路中，作为热传导流体的水流动，该水经由太阳能收集器(11)接收热量并被导引通过双热设备(2)，对于该双热设备(2)而言该水代表热源。
2.如前述权利要求所述的可用水和电力的生产***，其特征在于所述闭合液压回路(10)包括用于存储一定量的热的热传导流体以便夜间使用的存储容器(12)。
3.如前述权利要求中任一项所述的可用水和电力的生产***，其特征在于，所述闭合液压回路(10)包括在所述蒸发器(3)中的热交换器(15)以蒸发来自所述开放液压回路(20)的不可使用的水。
4.如前述权利要求中任一项所述的可用水和电力的生产***，其特征在于，所述开放液压回路(20)包括在所述冷凝器(6)中的热交换器(27)以冷凝来自所述蒸发器(3)的蒸汽。
5.如前述权利要求中任一项所述的可用水和电力的生产***，其特征在于，它包括一个或多个泵(14，24，25)和/或电磁阀(13)，所述泵和/或阀通过由与所述双热设备(2)相关联的交流发电机(4)产生的电力操作，或者通过与所述双热设备(2)机械耦合而进行操作。
6.如前述权利要求中任一项所述的可用水和电力的生产***，其特征在于，它包括泵(25)以降低所述蒸发器(3)中的压力。
7.如前述权利要求中任一项所述的生产***，其特征在于，它包括后处理装置(26)以给水回添矿物质并在输出端(9)提供饮用水。
8.如前述权利要求中任一项所述的可用水和电力的生产***，其特征在于，所述太阳能收集器(11)是平的真空管和/或聚集收集器。
9.如前述权利要求中任一项所述的可用水和电力的生产***，其特征在于，所述太阳能收集器(11)适于将水从90℃加热到180℃。
10.如前述权利要求中任一项所述的可用水和电力的生产***，其特征在于，所述太阳能收集器(11)适于输入能量以使得双热设备(2)能够产生比生产***自身所需要的电力更多的电力，并供应多余的电力给人群以用于其它应用。
11.如前述权利要求中任一项所述的可用水和电力的生产***，其特征在于，所述双热设备(2)是斯特林发动机、涡轮、蒸汽发动机或者兰金循环设备。
12.如前述权利要求中任一项所述的可用水和电力的生产***，其特征在于，所述斯特林发动机包括热交换模块，该热交换模块包括传送腔室，该传送腔室包含位移机构，该位移机构用于位移一定量的气体到至少一个热的热交换器(16)或者到冷的热交换器(28)，这些热的和冷的热交换器用于分别加热和冷却所述一定量的气体；所述位移机构包括两个通过第一热交换器彼此分离的可动子组件、使得所述两个可动子组件沿着运动的纵轴向着第二热交换器以平动方式同步和同时运动的同步装置，这些第二热交换器布置在所述第一热交换器的每个侧面，并且处于与所述第一热交换器的操作温度不同的操作温度；并且所述斯特林发动机包括位移机构的控制装置和在交换开口之前连接到所述热交换模块的传送腔室的压缩腔室，该压缩腔室包括控制活塞，该控制活塞由于在传送腔室中产生的压力变化的作用而平动运动。
13.一种可用水和电力的生产***，包括以下步骤：
-输入不可使用的水；
-在双热设备(2)中加热所述不可使用的水，对于该双热设备(2)，该水代表冷源；
-加热作为闭合液压回路(10)的热传导流体的水；以及
-引导热的热传导流体到双热设备(2)，对于所述双热设备，该热的热传导流体代表热源。
14.根据前述权利要求所述的可用水和电力的生产***，其特征在于，它进一步包括以下步骤：
-存储热的热传导流体的一部分在存储容器(12)中，优选地通过引导所存储的热的热传导流体从所述存储容器(12)到所述双热设备(2)，对于该双热设备，该热的热传导流体代表热源；
-引导热的热传导流体到蒸发器(3)以提供蒸发不可使用的水所需的热量；
-在冷凝器(6)中加热不可使用的水，同时进行来自所述蒸发器(3)的蒸汽的凝结；
-通过由所述双热设备供电的真空泵(25)降低蒸发器压力，优选地通过中央单元使该真空泵(25)与在太阳能收集器(11)的位置处接收的太阳能的水平同步以获得最优效率。
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