風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統(tǒng)，包括風力渦輪機、行星齒輪、提水泵、膜式氣壓淡化單元、渦旋機等。其中，風力渦輪機、提水泵及渦旋機分別經(jīng)變速機構和行星齒輪行星架、齒圈及太陽輪相連，提水泵提升預處理海水，膜式氣壓淡化單元內(nèi)有桶形反滲透膜和球形彈性氣囊，球形彈性氣囊經(jīng)比例閥和氣罐相連，配合提水泵可實現(xiàn)反滲透水壓柔性無級控制；渦輪機回收廢水壓能輔助驅(qū)動提水泵；壓縮空氣儲能由渦旋機和氣罐以及兩并聯(lián)氣路組成，多余風能驅(qū)動渦旋機壓縮，風能不足時，渦旋機膨脹逆轉(zhuǎn)補充提水泵差額功率。本發(fā)明采用壓縮空氣儲能穩(wěn)定海水淡化工況，結合彈性氣囊的反滲透壓柔性無級控制，大幅提高海水淡化效率以及滲透膜使用壽命。
【專利說明】風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種海水淡化系統(tǒng)，尤其是一種應用于解決淡水資源匱乏的風力壓縮空氣儲能式膜技術海水淡化系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]在世界水資源緊張和能源危機的雙重壓力下，海水淡化解決水資源缺乏獲得了各國科研人員重視。海水淡化能耗大，特別對于一些偏遠海島，電網(wǎng)無法觸及，電能和淡水資源同樣困擾海島住戶，但風資源豐富，發(fā)展風能等可再生能源海水淡化無疑是解決水資源匱乏的有效手段。
[0003]海水淡化主要有蒸餾法和膜法兩種類型，其中膜法式海水淡化因其能耗小、易維護、規(guī)模大等特點已成為海水淡化主流技術。但風能本身的間歇性和波動性常使海水淡化系統(tǒng)工作在變工況狀態(tài)下，研究發(fā)現(xiàn)海水淡化技術并不適合變工況運行，尤其是膜技術海水淡化技術，滲透壓和流量的波動直接影響淡化處理效率和淡化質(zhì)量，增加反沖洗次數(shù)，甚至損壞滲透膜；目前普遍采用淡化單元開關控制、風機功率控制以及儲能等方法應對風能波動性以實現(xiàn)海水淡化恒工況，其中淡化開關控制通過改變海水淡化單元數(shù)量動態(tài)跟隨風機功率，實現(xiàn)海水淡化單元工況穩(wěn)定，但卻因淡化單元數(shù)量變化難以保證淡水供應；風機功率控制則經(jīng)由機艙偏航以及變槳距實現(xiàn)海水淡化功率恒定，但卻降低了風能捕獲效率；研究發(fā)現(xiàn)高效儲能是有效解決上述問題的有效手段，目前海水淡化系統(tǒng)普遍采用蓄電池儲能對風能平抑，但蓄電池儲能存在循環(huán)壽命短且生產(chǎn)過程及廢舊處理存在污染轉(zhuǎn)移問題，無疑增加構建海水淡化系統(tǒng)的成本和環(huán)保壓力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種風力壓縮空氣儲能式膜技術海水淡化系統(tǒng)。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案:一種風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統(tǒng)，包括風力渦輪機、行星齒輪、提水泵、膜式氣壓淡化單元以及渦旋機等。風力渦輪機捕獲風能，并由行星齒輪將轉(zhuǎn)矩分配至海水淡化和壓縮空氣儲能兩支路，提水泵經(jīng)變速裝置和行星齒輪齒圈機械耦合，提升預處理海水并送至膜式氣壓淡化單元，其流量由提水泵負責，反滲透壓由比例閥門控制彈性氣囊氣壓實現(xiàn)；廢棄海水能量由渦輪機助推提水泵；壓縮空氣儲能平抑風能波動性和間歇性問題，當風機功率超過提水泵功率，渦旋機工作在壓縮儲能模式，將多余能量存儲在氣罐中，而當風機功率不足于確保提水泵額定工況運行時，渦旋機膨脹助力輔助驅(qū)動提水泵運行；渦旋機與氣罐之間有兩條并聯(lián)氣路相連，即含單向閥壓縮支路以及含電磁比例閥的膨脹支路。
[0006]所述行星齒輪是機械耦合裝置，其有行星架、齒圈以及太陽輪等三個輸入和輸出軸，分別經(jīng)變速機構和風力渦輪機、提水泵以及渦旋機機械聯(lián)接，完成風能合成與分解，且分配比例嚴格由齒圈和太陽輪轉(zhuǎn)速比決定，所述變速機構是確保提水泵和渦旋機高效轉(zhuǎn)速范圍運行。
[0007]所述提水泵用于提升預處理海水，同時為海水淡化單元提供反滲透壓及進水流量，其輸入功率嚴格由壓縮空氣儲能對波動的風機功率周期平抑。
[0008]所述膜式氣壓淡化單元，由圓柱型滲透膜和球型彈性氣囊組成，其中圓柱型滲透膜在反滲透壓作用下，可將淡水經(jīng)滲透膜滲出，高壓鹽廢水排出；為提高海水淡化效率和滲透膜壽命，系統(tǒng)運行工況須確保穩(wěn)定，其中反滲透壓是經(jīng)由球形彈性氣囊氣壓控制實現(xiàn)。
[0009]所述風力渦輪機、提水泵、渦旋機以及渦輪機等設置有轉(zhuǎn)速傳感器。
[0010]所述渦旋機排氣口以及進口均設置有壓力傳感器，儲氣罐內(nèi)設有壓力和溫度傳感器。
[0011]所述壓膜式氣壓淡化單元分別設有水壓傳感器、流量傳感器；球型壓縮氣囊內(nèi)設有壓力傳感器，其氣囊具有韌性特點。
[0012]所述預處理池內(nèi)設有PH傳感器和桶式過濾器，完成海水預處理，提供待淡化海水水源。
[0013]所述壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、比例閥門、開關閥、電磁離合器分別與中央控制器DSP28335相連。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:1)風力渦輪機經(jīng)機械耦合裝置驅(qū)動提水泵，省卻了傳統(tǒng)風力海水淡化系統(tǒng)中的發(fā)電機，減少了機械-電-機械等2級能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高了風能利用率。2)采用壓縮空氣儲能方式確保提水泵工況穩(wěn)定，有效消除風機波動性功率對海水淡化系統(tǒng)影響，易于實現(xiàn)反滲透膜恒工況運行，提高淡化效率以及反滲透膜使用壽命。3)采用獨特結構的桶形反滲透濾膜結構，提高了反滲透膜接觸面積；融提水泵和球型彈性氣囊共同構成膜式氣壓淡化單元的恒工況控制機制，尤其是球型彈性氣囊的柔性無級反滲透壓控制，有效解決了傳統(tǒng)反滲透裝置高壓泵流量和滲透壓嚴重耦合問題，可大幅提高海水淡化效率以及滲透膜使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1表示了風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統(tǒng)結構簡圖。
[0016]圖2表示了壓縮空氣膜式海水淡化單元結構簡圖。
[0017]圖3表示了海水淡化系統(tǒng)控制結構圖。
[0018]本專利所設計的風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統(tǒng)(如圖1)包括風力渦輪機
(I)、行星齒輪(3)、提水泵(8)、海水淡化單元(桶形反滲透膜(26)、球形彈性氣囊(27))、預處理濾池(9 )、渦輪機(16 )、渦旋機(15 )。
[0019]其中，2、6和12為電磁制動器；4行星齒輪行星架；5行星齒輪齒圈；11行星齒輪太陽輪；7提水泵變速機械結構；17海水單向閥；19海水開關閥；20廢水開關閥；25和29淡化后水；30壓縮氣體腔室；22淡水排出開關；23和21分別為比例電磁閥；28未處理海水圓柱腔室；13渦輪機機械耦合裝置；14渦旋機變速裝置；31溢流閥。

【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0021]如圖1-圖3所示，一種風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統(tǒng)，包括海水淡化支路和壓縮空氣儲能支路，兩支路機械耦合結構是由行星齒輪3完成；而氣體內(nèi)能耦合方式則采用球形彈性氣囊30，其內(nèi)氣壓改變由氣罐24在比例電磁閥23柔性調(diào)節(jié)，同時氣囊的彈性特性使其將氣體內(nèi)能直接傳遞給海水，實現(xiàn)提水泵水壓和氣體氣壓海水水壓能量耦合；上述兩種能量耦合共同完成海水淡化和壓縮空氣儲能的能量交互，確保海水淡化恒定工況下運行。
[0022]所述渦旋機15是實現(xiàn)壓縮空氣儲能關鍵設備，即可將風機多余功率以壓縮空氣的形式儲存，又可在高壓氣體驅(qū)動下逆轉(zhuǎn)，將壓縮氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能輔助驅(qū)動提水泵8，確保提水泵恒功率運行；渦旋機15與儲氣罐24之間通過兩并聯(lián)氣路相連，其中一路上設有單向閥18，另一路設有比例電磁閥21 ;渦旋機15通過變速裝置14與行星齒輪的太陽輪11相連，使渦旋機工作在高效轉(zhuǎn)速范圍；當渦旋機15工作于壓縮模式時，比例電磁閥21關閉，渦旋機15排出高壓氣體經(jīng)單向閥18存儲在氣罐24內(nèi)；當渦旋機15工作于膨脹模式時，高壓氣體經(jīng)比例電磁閥21動態(tài)調(diào)節(jié)膨脹助力功率大小，確保提水泵恒功率運行。
[0023]所述渦輪機16是實現(xiàn)水壓能和機械能轉(zhuǎn)化關鍵設備，由于海水淡化廢水中含有較大水壓能，渦輪機對水壓能直接回收，并輔助驅(qū)動同軸聯(lián)接的提水泵。
[0024]根據(jù)風機功率、提水泵功率以及氣罐氣壓，系統(tǒng)存在風機淡化模式、壓縮淡化模式、膨脹淡化模式以及氣供淡化模式等4種工作模式。其中，風機淡化模式:當風機存在多余功率但不足以啟動渦旋機時，風機功率提供給提水泵，結合彈性氣囊氣壓完成反滲透壓恒定控制；壓縮淡化模式:風機部分功率由提水泵提水至海水淡化單元，同時多余功率驅(qū)動渦旋機壓縮氣體至氣罐，結合風速波動、廢水排放以及閥門開啟等工況變化，調(diào)節(jié)彈性氣囊氣壓，確保海水淡化效率；膨脹淡化模式:風機功率不足以滿足提水泵功率，渦旋機膨脹輔助驅(qū)動提水泵，輔助功率大小由電磁比例閥門21閥門開度調(diào)節(jié)，海水淡化單元滲透壓由提水泵和球星彈性氣囊聯(lián)合完成；氣供淡化模式:風機停機，提水泵完全由渦旋機膨脹驅(qū)動，結合球形彈性氣囊氣壓調(diào)整，完成海水高效淡化。
[0025]風力壓縮空氣儲能式海水淡化控制策略如下:
P,:風機功率，可基于風速、氣罐氣壓以及風機功率曲線計算；
L:風機功率，可基于風速、氣罐氣壓以及風機功率曲線計算；
Tk:行星齒輪太陽輪分擔轉(zhuǎn)矩，其值為7；/(k+l)，k為行星齒輪齒圈齒數(shù)和太陽輪齒數(shù)比；
Ppxap:提水泵功率，其由設計海水淡化單元的流量及反滲透壓計算；
Tcom:由氣罐24氣體壓力所估計的渦旋機15壓縮時負載轉(zhuǎn)矩；
Pea:由氣罐2氣體壓力所估計渦旋機15最大膨脹功率。
[0026]I)若夂> 但&〈/；?，即氣罐2氣壓較大，多余能量無法驅(qū)動渦旋機，系統(tǒng)運行在風機淡化模式。風機捕獲功率完全供給海水淡化支路，此時電磁制動器12制動，電磁制動器2和6分別掉電松開，提水泵工作，此時風機工作點因提水泵功率變化進行負載跟隨，此時壓縮氣體經(jīng)由電磁比例閥23調(diào)控球形彈性氣囊30氣壓，確保風速些許波動情況下滲透壓穩(wěn)定，同時閥門開關22和20打開，淡水排出，高壓廢水則經(jīng)由渦輪機16回收，并輔助驅(qū)動提水栗8。
[0027]2)若慫〉Ppump,且TK>Tcom,即風機多余能量足以驅(qū)動渦旋機運行在壓縮模式，系統(tǒng)運行在壓縮淡化模式。電磁制動器12、2和6分別掉電松開，風機功率經(jīng)行星齒輪進行分配，提水泵將預處理后海水提升至海水淡化單元；同時行星齒輪太陽輪11分擔功率驅(qū)動渦旋機15正轉(zhuǎn)壓縮，比例電磁閥21關閉，風機多余功率壓縮儲存在氣罐以待風能不足時膨脹助力，同時氣罐氣體經(jīng)由電磁比例閥23動態(tài)調(diào)節(jié)球形氣囊氣壓，借助提水泵所致水壓，確保海水淡化單元工況穩(wěn)定。
[0028]3)若夂Wpump，且Pvmiv-巧，即風機功率不足滿足提水泵功率，但渦旋機有能力補充差額功率，系統(tǒng)運行在膨脹淡化模式。電磁制動器12、2和6分別掉電松開，渦旋機在氣罐高壓氣體驅(qū)動下膨脹助力，以提水泵差額功率為目標動態(tài)調(diào)節(jié)電磁比例電磁閥21閥門開度，實時控制渦旋機膨脹功率，同時動態(tài)調(diào)節(jié)電磁比例電磁閥23閥門開度，控制球形彈性氣囊氣壓，確保海水淡化單元工況穩(wěn)定。
[0029]4)風速小于風機啟動風速，風機停止，同時Ppump時，渦旋機有足夠能力驅(qū)動提水泵功率，系統(tǒng)工作在氣供淡化模式，電磁制動器2制動，電磁制動器12和6分別掉電松開，氣罐氣壓經(jīng)由比例閥膨脹驅(qū)動渦旋機，以提水泵所需功率為目標動態(tài)調(diào)節(jié)電磁比例電磁閥21閥門開度，實時控制渦旋機膨脹功率，同時動態(tài)調(diào)節(jié)電磁比例電磁閥23閥門開度，控制球形彈性氣囊氣壓，確保海水淡化單元工況穩(wěn)定。
[0030]上述雖然結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【權利要求】
1.一種風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統(tǒng)，包括風力渦輪機、行星齒輪、提水泵、膜式氣壓淡化單元、渦旋機和氣罐等；風力渦輪機捕獲風能，通過和行星齒輪太陽輪聯(lián)接的基于渦旋機壓縮空氣儲能，平抑風能波動性和間歇性問題；提水泵提升預處理海水并送至膜式氣壓淡化單元，海水反滲透壓由提水泵和球型彈性氣囊聯(lián)合控制；渦輪機回收廢棄水壓能并輔助驅(qū)動提水泵；渦旋機在風能多余時，接收經(jīng)行星齒輪分解的風能壓縮儲能，而在風能不足甚至無風時，渦旋機在高壓氣體膨脹下經(jīng)行星齒輪和風能聯(lián)合驅(qū)動提水泵。
2.權利要求1所述行星齒輪是機械耦合裝置，其有行星架、齒圈以及太陽輪等三個輸入和輸出軸，分別通過變速結構和風力渦輪機、提水泵以及渦旋機機械聯(lián)接，完成風能合成與分解，且分配比例嚴格由齒圈和太陽輪轉(zhuǎn)速比決定。
3.權利要求1所述膜式氣壓淡化單元，由圓柱型滲透膜和球型彈性氣囊組成，其中圓柱型滲透膜在反滲透壓作用下，可將淡水和高壓鹽廢水分離，球星彈性氣囊經(jīng)電磁比例閥和氣罐相連，其內(nèi)氣壓柔性調(diào)節(jié)確保反滲透壓穩(wěn)定，設有壓力傳感器，具有韌性伸縮特性。
4.權利要求1所述風力渦輪機、提水泵、渦旋機以及渦輪機等設置有轉(zhuǎn)速傳感器；所述渦旋機排氣口以及進口均設置有壓力傳感器，氣罐內(nèi)設有壓力和溫度傳感器；所述壓縮儲能海水淡化單元分別在內(nèi)設有水壓傳感器、流量傳感器；上述傳感器以及系統(tǒng)中的電磁比例閥門、開關閥、電磁制動器分別與中央控制器DSP28335相連。
【文檔編號】B01D63/06GK104147931SQ201410444976
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年9月3日 優(yōu)先權日:2014年9月3日
【發(fā)明者】褚曉廣, 蔡彬, 孔英 申請人:曲阜師范大學, 褚曉廣