一種太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明一種太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)，包括熱源循環(huán)回路、動力循環(huán)回路、冷源循環(huán)回路和海水淡化回路；所述的動力循環(huán)回路包括利用循環(huán)工質(zhì)做功的有機透平；所述的熱源循環(huán)回路包括抽取溫海水的溫水泵，溫水泵的輸出端通過蒸發(fā)器為動力循環(huán)回路提供循環(huán)工質(zhì)蒸發(fā)的熱源；所述的冷源循環(huán)回路包括抽取冷海水的冷水泵，冷水泵的輸出端通過冷凝器為動力循環(huán)回路提供循環(huán)工質(zhì)冷凝的冷源；所述的海水淡化回路為包括高壓泵和反滲透裝置的反滲透淡化系統(tǒng)；有機透平的動力輸出端與高壓泵的驅(qū)動軸連接；所述的熱源循環(huán)回路或動力循環(huán)回路中設(shè)置太陽能集熱器；太陽能集熱器連接在溫水泵與蒸發(fā)器之間或連接在蒸發(fā)器與有機透平之間。
【專利說明】一種太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于中低溫熱源回收利用領(lǐng)域，涉及一套太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展，國家對能源的需求越來越大，而我國礦物燃料的儲備卻越來越少，且礦物燃料的燃燒使得環(huán)境日益惡化，因此，開發(fā)新能源成為我國解決能源危機和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。海洋是一個巨大的能源庫，蘊藏著多種可再生能源，其中海洋溫差儲量最大，是國際社會公認的最具開發(fā)潛力的能源之一。同時，海水還可以用來進行淡水制備，這為緩解某些沿海地區(qū)的淡水資源緊缺問題提供了新思路。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，根據(jù)所用工質(zhì)及流程的不同，海洋溫差發(fā)電的主要方式有三種，即開式循環(huán)系統(tǒng)、閉式循環(huán)系統(tǒng)及混合式循環(huán)系統(tǒng)。
[0004]開式循環(huán)系統(tǒng)工作時，海洋表層的溫海水由溫水泵抽到閃蒸器中迅速沸騰蒸發(fā)，生成的蒸汽進入汽輪機進行做功，帶動同軸連接的發(fā)電機進行發(fā)電。閃蒸器中剩余的濃海水排放回海洋中。汽輪機排出的廢汽進入到冷凝器中，被由冷水泵從深層海水中抽上來的冷海水冷卻，重新凝結(jié)為液態(tài)水，然后排入海洋中或作為淡水收集。在冷凝器中吸熱后的冷海水也排放回海洋中。
[0005]閉式循環(huán)系統(tǒng)工作時，海洋表面的溫海水由溫水泵抽入到蒸發(fā)器中進行放熱，然后排放回海洋中。低沸點工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸熱沸騰，生成高溫高壓蒸汽，進入到有機透平中進行做功，帶動同軸驅(qū)動的發(fā)電機進行發(fā)電。汽輪機排出的廢汽進入到冷凝器中，被由冷水泵從深層海水中抽上來的冷海水冷卻，然后由循環(huán)泵送回到蒸發(fā)器中開始下一循環(huán)。在冷凝器中吸熱后的冷海水排放回海洋中。
[0006]混合式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)綜合了開式和閉式循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點，它以開式循環(huán)中閃蒸器產(chǎn)生的水蒸汽作為熱源加熱閉式循環(huán)中的低沸點工質(zhì)，產(chǎn)生的高溫高壓工質(zhì)蒸汽進入有機透平中做功，帶動同軸連接的發(fā)電機發(fā)電?；旌鲜窖h(huán)系統(tǒng)不僅減小了蒸發(fā)器的體積，節(jié)省了材料，便于維護，還可收集淡水。
[0007]海水淡化技術(shù)按分離原理和方法可分為相變法和非相變法，現(xiàn)有技術(shù)中常用的海水淡化技術(shù)如下。I)太陽能蒸餾法；其是最原始的海水淡化方法，其基本原理是:先利用太陽能的熱量加熱海水，使海水蒸發(fā)，再將水蒸氣引出冷凝，即得到淡水。2)低溫多效蒸餾法，其基本原理是:低溫多效蒸餾裝置分為多個溫度不同的蒸發(fā)器組。海水經(jīng)泵抽出后，經(jīng)過預(yù)處理，先進入到最低溫度組中，液體在蒸發(fā)器中流動時部分吸熱汽化，其余未汽化且被濃縮的海水進入到下一組較高溫度蒸發(fā)器中，在新的一組中重復(fù)蒸發(fā)過程。最終的濃縮海水在溫度最高的蒸發(fā)器后排放。每一組蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽引出后冷凝即得到淡水。3)多級閃蒸法，其基本原理是:海水經(jīng)過預(yù)熱后，進入閃蒸室，因為閃蒸室的壓力低于將要進入的海水所對應(yīng)的飽和蒸汽壓力，海水進入后即因過熱而進行閃蒸，閃蒸出的蒸汽冷凝后即為淡水。4)反滲透法，其是用一種選擇透過性膜將一容器分為兩半，在膜的兩側(cè)同時分別加入淡水和海水，使膜兩側(cè)的液體一樣高，經(jīng)一定時間后，會發(fā)現(xiàn)海水側(cè)的液面在升高，淡水側(cè)的液面在下降。這是由于水分子透過半透膜向海水側(cè)遷移的結(jié)果，這種現(xiàn)象稱作滲透。相反，如果向海水側(cè)施加壓力并使壓力超過海水的滲透壓，則海水側(cè)的水分子在壓力的作用下，透過半透膜到淡水側(cè)，這個過程叫做反滲透。運用這個原理，把原料海水經(jīng)過預(yù)處理后進入高壓泵，經(jīng)升壓后進入反透膜堆，這樣就可以進行海水淡化。
[0008]但是在大規(guī)模海水淡化產(chǎn)業(yè)方面，反滲透法將是今后主要的發(fā)展方向。但是反滲透法有一個明顯的缺點，就是其使用的高壓泵需要消耗大量的電能，這勢必會增加其生產(chǎn)出淡水的成本。但是現(xiàn)有技術(shù)中所述的海洋溫差發(fā)電，由于海洋溫差有限，因此其品位相對較低，無法直接用于對高壓泵的驅(qū)動，使得兩者無法實現(xiàn)結(jié)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明解決的問題在于提供一種太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)，提高能源利用率，避免能量相互轉(zhuǎn)換的損失，環(huán)境友好。
[0010]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0011]一種太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)，包括熱源循環(huán)回路、動力循環(huán)回路、冷源循環(huán)回路和海水淡化回路；所述的動力循環(huán)回路包括利用循環(huán)工質(zhì)做功的有機透平；所述的熱源循環(huán)回路包括抽取溫海水的溫水泵，溫水泵的輸出端通過蒸發(fā)器為動力循環(huán)回路提供循環(huán)工質(zhì)蒸發(fā)的熱源；所述的冷源循環(huán)回路包括抽取冷海水的冷水泵，冷水泵的輸出端通過冷凝器為動力循環(huán)回路提供循環(huán)工質(zhì)冷凝的冷源；所述的海水淡化回路為包括高壓泵和反滲透裝置的反滲透淡化系統(tǒng)；有機透平的動力輸出端與高壓泵的驅(qū)動軸連接；所述的熱源循環(huán)回路或動力循環(huán)回路中設(shè)置太陽能集熱器；太陽能集熱器連接在溫水泵與蒸發(fā)器之間或連接在蒸發(fā)器與有機透平之間。
[0012]優(yōu)選的，海水淡化回路還包括壓力交換器和循環(huán)泵II ;壓力交換器的釋放側(cè)連接反滲透裝置的高壓濃海水排出端；回收側(cè)串接循環(huán)泵II后與高壓泵并聯(lián)。
[0013]進一步，循環(huán)泵II設(shè)置在壓力交換器回收側(cè)下游。
[0014]優(yōu)選的，動力循環(huán)回路為以低沸點有機物為循環(huán)工質(zhì)的朗肯循環(huán)；在冷凝器與蒸發(fā)器之間低溫循環(huán)工質(zhì)連通段設(shè)置有循環(huán)泵I，在高溫循環(huán)工質(zhì)連通段設(shè)置有機透平。
[0015]進一步，朗肯循環(huán)為亞臨界循環(huán)，循環(huán)工質(zhì)采用R123、R134a、R152a、R245fa和異戊烷中的任意一種。
[0016]進一步，朗肯循環(huán)為超臨界循環(huán)，循環(huán)工質(zhì)采用R143a、R218、R125、R41和CO2中的
任意一種。
[0017]優(yōu)選的，熱源循環(huán)回路中溫海水的輸入端和放熱后溫海水的輸出端分別設(shè)置在海洋的表面溫海水層。
[0018]優(yōu)選的，冷源循環(huán)回路中冷海水的輸入端和吸熱后冷海水的輸出端分別設(shè)置在海平面以下600-1000米的深層冷海水層。
[0019]優(yōu)選的，有機透平與高壓泵之間采用同軸驅(qū)動。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0021]本發(fā)明通過在熱源循環(huán)回路或動力循環(huán)回路上設(shè)置太陽能集熱器，用于蒸發(fā)器熱源輸入端溫海水溫度提升或提高蒸發(fā)器循環(huán)工質(zhì)輸出端循環(huán)蒸汽溫度提升，提高了溫海水作為熱源的能量品質(zhì)，或是提高了溫海水和循環(huán)工質(zhì)熱交換后輸出高溫蒸汽的溫度和能量，保證了有機透平的做功效率以及輸出動力，從而使得太陽能和海洋表面溫水層共同進行能量的供給；配合有機透平直接驅(qū)動的高壓泵進行工作，省去了動能轉(zhuǎn)化為電能、再轉(zhuǎn)化為動能過程中的能量損失，顯著提高了能源利用效率。同時利用到的熱源和冷源均為取之不盡用之不竭的新能源，未涉及到任何化石能源，起到了保護環(huán)境、節(jié)能減排的作用。
[0022]進一步的，通過設(shè)置的壓力交換器，實現(xiàn)對排出的高濃度海水當中壓力的吸收和轉(zhuǎn)移，保證了對部分壓力的回收和再利用，從海水淡化的終端提高了能量利用效率。
[0023]進一步的，通過朗肯循環(huán)的閉式結(jié)構(gòu)，顯著降低了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)對循環(huán)工質(zhì)高溫氣體的充分利用，配合不同的工作狀態(tài)，選擇對應(yīng)的循環(huán)工質(zhì)，保證了系統(tǒng)高效穩(wěn)定的運行。
[0024]進一步的，通過對熱源循環(huán)回路和冷源循環(huán)回路中，溫海水層和冷海水層的優(yōu)選設(shè)置，提高了熱源放熱和冷源吸熱的效率，從而提高了循環(huán)工質(zhì)蒸發(fā)和冷凝的轉(zhuǎn)化率，保證了系統(tǒng)的聞效運行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明太陽能集熱器設(shè)置在熱源循環(huán)回路中的系統(tǒng)示意圖。
[0026]圖2為本發(fā)明太陽能集熱器設(shè)置在動力循環(huán)回路中的系統(tǒng)示意圖。
[0027]圖中:1、溫水泵；2、太陽能集熱器；3、蒸發(fā)器；4、有機透平；5、冷凝器；6、循環(huán)泵I ;7、冷水泵；8、高壓泵；9、反滲透裝置；10、壓力交換器；11、循環(huán)泵II。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0029]實例I
[0030]如圖1所示，本發(fā)明一種太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)包括熱源循環(huán)回路、動力循環(huán)回路、冷源循環(huán)回路和海水淡化回路四個回路。
[0031]熱源循環(huán)回路是用溫水泵I將海洋的表層溫海水抽出后，經(jīng)過太陽能集熱器2加熱，然后送入蒸發(fā)器3中放熱，最后排放回海洋中。
[0032]動力循環(huán)回路是以低沸點有機物為循環(huán)工質(zhì)的朗肯循環(huán)，此循環(huán)為亞臨界或超臨界循環(huán)。采用亞臨界循環(huán)時，循環(huán)工質(zhì)可采用R123、R134a、R152a、R245fa、異戊烷等；采用超臨界循環(huán)時，循環(huán)工質(zhì)可采用R143a、R218、R125、R41、CO2等。此循環(huán)工作時，循環(huán)工質(zhì)在蒸發(fā)器3中吸熱生成高溫高壓氣體，然后進入到有機透平4中進行做功，驅(qū)動同軸連接的海水淡化回路中的高壓泵8 ;從有機透平4中排出的廢汽進入到冷凝器5中冷卻成液體，然后經(jīng)循環(huán)泵I 6送回到蒸發(fā)器3中開始下一次循環(huán)。
[0033]冷源循環(huán)回路是用冷水泵7將海洋的深層冷海水海平面下600-1000米抽出后，送入到冷凝器5中吸收有機透平4廢汽冷卻過程放出的熱量，然后排放回海洋中。
[0034]海水淡化回路是海水淡化過程:海水從海洋中抽出后分為兩支，一支經(jīng)高壓泵8加壓后送入到反滲透裝置9中進行海水淡化產(chǎn)生淡水，剩余的高壓濃海水進入到壓力交換器10中，其壓力被另一支海水回收后，排放回海洋中；回收過壓力的另一支海水則經(jīng)循環(huán)泵II 11送回到與加壓后的第一支海水一起進入反滲透裝置9中。
[0035]實例2
[0036]如圖2所示，本發(fā)明一種太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)包括熱源循環(huán)回路、動力循環(huán)回路、冷源循環(huán)回路和海水淡化回路四個回路。
[0037]其與實例I的區(qū)別在于太陽能集熱器2的安裝位置不同，本實例中太陽能集熱器2安裝在動力循環(huán)回路中蒸發(fā)器3和有機透平4的中間，設(shè)置于高溫循環(huán)工質(zhì)連通段。
[0038]其熱源循環(huán)回路是用溫水泵I將海洋表層的溫海水抽出后，直接送入蒸發(fā)器3中放熱，然后排放回海洋中。
[0039]動力循環(huán)回路中，低沸點循環(huán)工質(zhì)在蒸發(fā)器3中吸熱后，進入到太陽能集熱器2中繼續(xù)吸熱，生成的高溫高壓蒸汽進入有機透平4中做功，驅(qū)動同軸連接的海水淡化回路中的高壓泵8。從有機透平4中排出的廢汽進入到冷凝器5中冷卻成液體，然后經(jīng)循環(huán)泵I 6送回到蒸發(fā)器3中開始下一次循環(huán)。
[0040]冷源循環(huán)回路和海水淡化回路與實例I相同。
【權(quán)利要求】
1.一種太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，包括熱源循環(huán)回路、動力循環(huán)回路、冷源循環(huán)回路和海水淡化回路；所述的動力循環(huán)回路包括利用循環(huán)工質(zhì)做功的有機透平(4);所述的熱源循環(huán)回路包括抽取溫海水的溫水泵(1)，溫水泵(I)的輸出端通過蒸發(fā)器(3)為動力循環(huán)回路提供循環(huán)工質(zhì)蒸發(fā)的熱源；所述的冷源循環(huán)回路包括抽取冷海水的冷水泵(7)，冷水泵(7)的輸出端通過冷凝器(5)為動力循環(huán)回路提供循環(huán)工質(zhì)冷凝的冷源；所述的海水淡化回路為包括高壓泵(8)和反滲透裝置(9)的反滲透淡化系統(tǒng)；有機透平(4)的動力輸出端與高壓泵(8)的驅(qū)動軸連接；所述的熱源循環(huán)回路或動力循環(huán)回路中設(shè)置太陽能集熱器(2);太陽能集熱器(2)連接在溫水泵(I)與蒸發(fā)器(3)之間或連接在蒸發(fā)器與有機透平(4 )之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，所述的海水淡化回路還包括壓力交換器(10)和循環(huán)泵II (11);壓力交換器(10)的釋放側(cè)連接反滲透裝置(9 )的高壓濃海水排出端；回收側(cè)串接循環(huán)泵II (11)后與高壓泵(8 )并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，所述的循環(huán)泵II (11)設(shè)置在壓力交換器(10)回收側(cè)下游。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，所述的動力循環(huán)回路為以低沸點有機物為循環(huán)工質(zhì)的朗肯循環(huán)；在冷凝器(5)與蒸發(fā)器(3)之間低溫循環(huán)工質(zhì)連通段設(shè)置有循環(huán)泵I (6)，在高溫循環(huán)工質(zhì)連通段設(shè)置有機透平⑷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，所述的朗肯循環(huán)為亞臨界循環(huán)，循環(huán)工質(zhì)采用R123、R134a、R152a、R245fa和異戊烷中的任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，所述的朗肯循環(huán)為超臨界循環(huán)，循環(huán)工質(zhì)采用R143a、R218、R125、R41和CO2中的任意一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，所述的熱源循環(huán)回路中溫海水的輸入端和放熱后溫海水的輸出端分別設(shè)置在海洋的表面溫海水層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，所述的冷源循環(huán)回路中冷海水的輸入端和吸熱后冷海水的輸出端分別設(shè)置在海平面以下600-1000米的深層冷海水層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽能和海洋溫差聯(lián)合驅(qū)動的海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，所述的有機透平(4)與高壓泵(8)之間采用同軸驅(qū)動。
【文檔編號】F01K23/10GK103758712SQ201410003841
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】王江峰, 戴義平, 王建永, 趙攀, 王漫 申請人:西安交通大學