CN101049982A - 混合水淡化系统和操作方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种混合水淡化系统(80)。该淡化系统(80)包括一个驱动发电机(84)发电的风力涡轮机(82)和一个机械蒸汽压缩(MVC)脱盐装置(86)，该脱盐装置(86)使用来自发电机(84)的电能驱动其压缩机(24)。淡化系统(80)还包括一个与发电机(84)连接的第一转换器(90)和一个与压缩机(24)连接的第二转换器(92)，其中，第一和第二转换器(90，92)通过一个普通的直流(DC)环节(94)相连。

Description

混合水淡化系统和操作方法
技术领域
本发明涉及一种水淡化系统，特别的，涉及一种可再生能源混合水淡化系统。
背景技术
已知和正在使用着不同类型的淡化系统。通常，这样的系统包括一个水预处理系统、一个脱盐装置和一个后处理系统。在这种系统中，可通过热处理或滤膜处理实现海水淡化。海水淡化的热处理包括多级闪蒸(MSF)，多效蒸馏(MED)和蒸汽压缩(VC)。此外，滤膜处理包括反渗透(RO)和电渗析(ED)处理。
某些淡化系统采用可再生能源来驱动。例如，一个机械蒸汽压缩(MVC)淡化系统可由风力涡轮机驱动。通常，可以通过涡轮机轴与淡化系统压缩机轴的直接机械连接，或通过发电来驱动压缩机的电动机来实现MVC淡化系统的风力驱动。然而，机械连接不能提供任何调节功率或控制压缩机驱动器转速的方法。
另外，压缩机的电动机在双频转换方面相当复杂。从发电机频率到工频的转换通常需要一个或多个转换器。并且，从工频到压缩机电动机最佳频率的转换需要其它转换器。另外，给蒸发器中的海水贮水池加热器供电可能还需要一个转换器。因此，这样的系统需要大量的转换器，而这对投资成本、系统的可靠性以及供应和维护成本产生负面影响。其结果是，用这样的系统生产的水成本很高。
发明内容
因此，需要一种系统效率高和能降低水成本的混合水淡化系统。另外，希望提供一种使用少量电能转换器的淡化系统。减少系统中电能转换器的总体数目将大幅减少投资成本并能增强系统的可靠性。
简要地，根据一个具体实施方式，提供一种混合水淡化系统。该淡化系统包括一个用于发电的可再生能源装置和一个使用可再生能源所发的电来驱动的脱盐装置。该淡化系统还包括一个与可再生能源装置连接的第一转换器和一个与脱盐装置连接的第二转换器，此处，第一和第二转换器通过一个普通的直流环节相连。
在另一个具体实施方式中，提供一种混合水淡化系统。该淡化系统包括一个用以驱动发电机发电的风力涡轮机，和一个机械蒸汽压缩(MVC)脱盐装置，脱盐装置的压缩机用发电机产生的电能来驱动。该淡化系统还包括一个与发电机连接的第一转换器和一个与压缩机连接的第二转换器，此处，第一和第二转换器通过一个普通的直流环节相连。
在另一个具体实施方式中，提供一种混合水淡化系统。该系统包括一个用来发电的光伏发电机(photovoltaic generator)，一个机械蒸汽压缩(MVC)脱盐装置，淡化装置的压缩机用光伏发电机所产生的电能来驱动。该淡化系统还包括一个与光伏发电机连接的第一转换器和一个与压缩机连接的第二转换器，此处，第一和第二转换器通过一个普通的直流环节相连。
在另一个具体实施方式中，提供一种混合水淡化系统的操作方法。该方法包括，通过风力涡轮机发电，通过与风力涡轮机和压缩机连接的第一和第二转换器之间的DC环节，用产生的电能驱动MVC脱盐装置的压缩机。
在另一个具体实施方式中，提供一种混合水淡化系统的操作方法。该方法包括，通过光伏发电机发电，通过与光伏发电机和压缩机连接的第一和第二转换器之间的DC环节，用产生的电能驱动MVC脱盐装置的压缩机。
附图说明
通过结合附图阅读下面的具体描述，能够更好地理解本发明的这些和其它的特征、方面以及优点。附图中，同样的字符代表同样的部件。
图1为利用可再生能源驱动的混合水淡化系统示意图；
图2为现有的风力混合水淡化系统的示意图；
图3为根据本发明某些方面的并网型风力混合水淡化系统的示意图；
图4为根据本发明某些方面的并网型由光伏发电机混合水淡化系统的示意图；
图5为根据本发明某些方面的离网型风力混合水淡化系统的示意图；
图6为根据本发明某些方面的离网型光伏发电机混合水淡化系统的示意图；
图7为根据本发明某些方面的，具有能量存储能力的离网型风力混合水淡化系统的示意图；
图8为根据本发明某些方面的，具有能量存储能力的离网型光伏发电机混合水淡化系统的示意图；
图9为根据本发明某些方面的，离网型风力混合水淡化系统的另一具体实施方式的图示意图。
部件列表
10  混合淡化系统
12  可再生能源
14  电网
16  MVC脱盐装置
18  热交换器
20  海水通量
22  蒸发器
24  压缩机
26  电动机
28  液滴分离器
30  盐水
32  淡水
50  现有的风力混合淡化系统
52  风力涡轮机
54  MVC脱盐装置
56  电网
58  发电机
60  电动机
62  与发电机连接的AC-DC转换器
64  DC-AC转换器
66  与电网连接的AC-DC转换器
68  与电动机连接的DC-AC转换器
70   用于加热器的AC-DC转换器
72   加热器
80   并网型混合风力淡化系统
82   风力涡轮机
84   发电机
86   MVC脱盐装置
88   电动机
90   用于发电机的第一转换器
92   用于电动机的第二转换器
94   普通的DC环节
96   电网
98   用于电网的DC-AC转换器
100  DC断路器
102  加热器
120  并网型光伏发电机混合淡化系统
122  光伏发电机
124  DC-DC转换器
126  普通的DC环节
130  离网型混合风力淡化系统
140  离网型光伏发电机混合淡化系统
150  有存储能力的离网型混合风力淡化系统
152  存储元件
154  DC-DC转换器
160  有存储能力的离网型光伏发电机混合淡化系统
170  离网型混合风力驱动淡化系统
172  AC-DC转换器
174  能量存储元件
176  切断开关
178  切断开关
具体实施方式
如下面详细论述的，本发明的具体实施方式目的在于提供一种系统效率高和水成本低的混合淡化系统。特别的，本发明提供了一种由可再生能源驱动的淡化系统，该系统减少了电能转换器的使用数量，从而降低了投资成本并提高了可靠性。现在来看附图，首先参看图1，示出了一个由可再生能源12驱动的混合水淡化系统10。在该具体实施方式中，电能由可再生能源12(如：风力涡轮机)产生，它可以与电网14连接为机械蒸汽压缩(MVC)脱盐装置16提供动力。MVC脱盐装置16包括一个用于预热海水20的热回收交换器18。海水20在热回收交换器18中被盐水排料和馏出物所放热量加热。
进一步，经预热的海水进入蒸发器22，被加热到其沸点，其中一部分被蒸发。蒸发器中的水蒸汽在除去了由分离器28分离出的液滴后被引入压缩机24。压缩机24由电动机26驱动，用于增加压力及水蒸汽的饱和温度。来自压缩机24的压缩蒸汽返回到蒸发器22中冷凝，提供用于蒸发海水的热能。进一步，由该冷凝产生的蒸馏水离开MVC脱盐装置成为成品水。这样，淡水冷凝蒸汽与含盐的浓缩盐水一起被提取，如附图标记30和32所示。在该具体实施方式中，MVC脱盐装置16由风力涡轮机驱动。在另一个示范性的具体实施方式中，MVC脱盐装置16由光伏发电机驱动。应该指出的是，通过电网联合现有的风力涡轮机和频率转换器以实现对混合淡化系统10的速度控制，需要四个转化步骤，如图2中所示的现有系统的实例。
图2是现有的风力混合水淡化系统50的示意图。淡化系统50包括一个用于驱动淡化系统50的MVC脱盐装置54的风力涡轮机52。另外，电网56与风力涡轮机52和MVC脱盐装置54连接。电网56用来在涡轮机停转期间操作MVC脱盐装置54。在该具体实施方式中，风力涡轮机52包括一个用于发电的发电机58。在该示例性的具体实施方式中，通过与MVC脱盐装置54的发动机驱动60连接的电网联合现有的风力涡轮机52和频率转换器来实现速度控制需要四个转化步骤。这些步骤包括AC到DC、DC到AC、AC到DC和DC到AC的转换。为实现这些转换步骤，淡化系统50至少包括4个转换器，如图中附图标记62、64、66和68所示。此外，淡化系统还可能包括一个第五转换器70给加热元件72供电以加热蒸发器22(见图1)中的海水20(见图1)。因此，现有的风力淡化系统50可能需要在系统50中多达五个转换器以实现频率转换。
如本领域技术人员所知的，过多使用电能转换器在投资成本和可靠性，以及供应和维护成本上都具有负面影响。结果，水的成本(CoW)与其它的淡化系统相比就会相对较高。另外，系统效率也可能会因电能转换中电损而大幅降低。系统50的这些缺点可通过下述附图3-9所示的混合水淡化系统来克服。
图3为根据本发明某些方面的并网型风力混合水淡化系统80的示意图。淡化系统80包括一个用来驱动发电机84发电的风力涡轮机82。另外，淡化系统80包括一个MVC脱盐装置86，脱盐装置86中压缩机的电动机88由发电机84所发的电来驱动。在所示的具体实施方式中，淡化系统包括一个与发电机84连接的第一转换器90和与压缩机电动机88连接的第二转换器92。第一和第二转换器90和92通过普通的DC环节94相连。在该具体实施方式中，第一转换器90包括一个AC-DC转换器，第二转换器92包括一个DC-AC转换器。
另外，淡化系统80包括一个可选择的电网96，通过第三转换器98与发电机84连接。在所示的具体实施方式中，第三转换器98包括一个与第一转换器90连接的DC-AC转换器。在某些具体实施方式中，当风力涡轮机82不产生电能或不能产生驱动MVC脱盐装置86的所需电能时，MVC脱盐装置86用电网96的电能操作。例如，在涡轮机停转或系统启动时，可用电网96的电能来操作MVC脱盐装置86。
如前所述，参见附图1，MVC脱盐装置86的压缩机24用于压缩在蒸发器22(见图1)中蒸发经预热的原料水所产生的蒸汽。在所示的具体实施方式中，淡化系统80(见图3)包括一个与DC环节94连接的DC断路器100，用于为蒸发器22中加热原料水的加热器102供电。在该具体实施方式中，DC断路器100包括一个半导体开关。DC断路器100促进超出蒸发器22中水预热所需负载额定功率的风能的消耗。另外，淡化系统80会因发电机端和负载端(或压缩机端)的功率最大化而被优化。通常，控制负载以匹配风力涡轮机82的输出功率。应该指出的是，如果达到压缩机的额定功率，并且产生的风能超出这个范围，则额外的功率被转储在DC断路器100中用于水的预热。在所示的具体实施方式中，如果该辅机负载也达到它的预定范围，或水温达到预设温度，可在涡轮机82的转子端降低风力涡轮机82的功率。
上述的淡化系统80需要减少电能转换器的数量，同时通过对系统80的变速控制保持其灵活性。在有些具体实施方式中，淡化系统80的风力涡轮机82可用光伏发电机取代或增补，用以驱动MVC脱盐装置86，参见附图4，描述如下：
图4为根据本发明某些方面的，并网型光伏发电机122混合水淡化系统120的示意图。用光伏发电机122发电以驱动脱盐装置86的压缩机的电动机88。在所示的具体实施方式中，淡化系统120包括一个与光伏发电机122连接的第一转换器124和与压缩机电动机88连接的第二转换器92。在所示的具体实施方式中，第一转换器124包括一个DC-AC转换器。另外，第一和第二转换器124和92通过普通的DC环节126相连。
另外，电网96通过第三转换器98与光伏发电机122连接，所述第三转换器为DC-AC转换器。另外，当光伏发电机122不能产生足以驱动MVC脱盐装置86的电能时，可用来自电网96的电能操作MVC脱盐装置86。此外，如图3所示的具体实施方式中所描述的，连接在DC环节126上的DC断路器100可将额外的电能分散到水加热器102中用于加热原料水。
图5为根据本发明某些方面的离网型风力混合水淡化系统130的示意图。在所示的具体实施方式中，第一和第二转换器90和92分别与发电机84和压缩机电动机88连接，并通过普通的DC环节94相互连接。在该配置中，淡化系统130完全与电网96(见图3和图4)分离，DC环节94上唯一的DC-AC转换器为第二转换器92，它是压缩机变速电动机驱动换流器。这样，系统130仅采用两个转换步骤来变速驱动压缩机。还有，DC断路器100可使过量功率从DC环节94连接到蒸发器22中的水加热器102(见图1)。
图6为根据本发明某些方面的离网型光伏发电机122混合水淡化系统140的示意图。在所示的具体实施方式中，第一和第二转换器124和92分别与光伏发电机122和压缩机电动机88连接，并通过普通的DC环节126相互连接。另外，如图5所示的具体实施方式中，淡化系统140完全与电网96分离(见图3和图4)，第二转换器92是DC环节上唯一的DC-AC转换器，系统140只采用两个转换步骤来驱动MVC脱盐装置86的压缩机。
图5和图6所示的由可再生能源(如：风力涡轮机和光伏发电机)驱动的淡化系统完全与电网分离。在某些具体实施方式中，这样的系统可以使用一个能量存储元件来解决停电、由风力弱或者服务与维护操作导致的涡轮机停转等问题。图7和图8示出了具有能量存储能力以向系统提供备用动力的混合水淡化系统。
图7为根据本发明某些方面的具有能量存储能力的离网型风力混合水淡化系统150的示意图。在所示的具体实施方式中，淡化系统150包括一个能量存储元件152，它通过一个DC-DC转换器154与普通的DC环节94连接。能量存储元件152能够存储部分由风力涡轮机82产生的电能。可用这种存储的电能在系统启动或涡轮机停转时提供备用电力。能量存储元件152的例子包括一个蓄电池组、一个液流电池、一个电解槽氢罐燃料电池系统等。在某些具体实施方式中，即使在风力涡轮机152停转期间，也能用能量存储元件152的电能来保证水的生产。
图8为根据本发明某些方面的具有能量存储能力的离网型光伏发电机122混合水淡化系统160的示意图。与如图7所示的具体实施方式一样，淡化系统160也包括一个通过DC-DC转换器154与普通DC环节126相连的能量存储元件152，它能够存储部分由光伏发电机122产生的电能，并在系统启动或由光伏发电机122产生的电能不足以驱动MVC脱盐装置86时提供备用电能。
图9为根据本发明某些方面的离网型风力混合水淡化系统170的另一个具体实施方式的示意图。在所示的具体实施方式中，水淡化系统170包括一个与发电机84连接的六脉冲二极管整流器172和与压缩机电动机88连接的DC-AC转换器92。另外，六脉冲二极管整流器172和DC-AC转换器92通过普通的DC环节94相连。另外，淡化系统170包括一个能量存储元件如蓄电池组174，用于存储部分来自风力涡轮机82的电能。能量存储元件174通过DC-DC转换器154与普通的DC环节94连接。淡化系统170也包括一个与水加热器102和能量存储元件174相连的用于控制能耗的电路断路器。电路断路器包括如176和178所示的切断开关。在一个示例性的具体实施方式中，如果能量存储元件174满负荷，则切断开关176将断开能量存储元件174，多余电能将在加热器102上消耗。
上述方法的各方面在可再生能源(如：风力涡轮机和光伏发电机)驱动的混合淡化系统中都具有实用性。如上面指出的，上述的混合水淡化系统在减少电能转换步骤的同时保持了系统所有的功能和灵活性。有利的是，减少电能转换器的数量大幅降低了投资成本，并因部件的减少而提高了系统可靠性。还有，通过减少电能转换器数量，降低了系统中的电损，从而增强了系统的效率。
虽然这里仅图示和描述了本发明的某些特征，而对于本领域技术人员而言，可以做很多改进和变化。因而，应当理解的示，所附的权利要求书意在涵盖本发明实质精神范围内所有这样的改进和变化。

Claims (10)

1、一种混合淡化系统(10)，包括：
一个用于发电的可再生能源(12)；
一个用来自可再生能源(12)的电能驱动的脱盐装置(16)；
与可再生能源(12)连接的第一转换器(90)和与脱盐装置(16)连接的第二转换器(92)，其中，第一和第二转换器(90，92)通过一个普通的直流(DC)环节(94)相连。
2、一种混合水淡化系统(80)，包括：
一个驱动发电机(84)发电的风力涡轮机(82)；
一个机械蒸汽压缩(MVC)脱盐装置(86)，使用来自发电机(84)的电力驱动其压缩机(24)；
一个与发电机(84)连接的第一转换器(90)和一个与压缩机(24)连接的第二转换器(92)，其中，第一和第二转换器(90，92)通过一个普通的直流(DC)环节(94)相连。
3、如权利要求2所述的淡化系统(80)，其中，第一转换器(90)包括一个AC-DC转换器，第二转换器(92)包括一个DC-AC转换器。
4、一种混合水淡化系统(120)，包括：
一个用于发电的光伏发电机(122)；
一个机械蒸汽压缩(MVC)脱盐装置(86)，使用来自光伏发电机(122)的电力驱动其压缩机(24)；
一个与光伏发电机(122)连接的第一转换器(124)和一个与压缩机(24)连接的第二转换器(92)，其中，第一和第二转换器(122，92)通过一个普通的直流(DC)环节(126)相连。
5、如权利要求4所述的淡化系统(120)，其中，第一转换器(124)包括一个DC-DC转换器，第二转换器(92)包括一个DC-AC转换器。
6、一种混合水淡化系统(170)，包括：
一个驱动发电机(84)发电的风力涡轮机(82)；
一个机械蒸汽压缩(MVC)脱盐装置(86)，使用来自发电机(84)的电力驱动其压缩机(24)；以及
一个与发电机(84)连接的六脉冲二极管整流器(172)和一个与压缩机(24)连接的DC-AC转换器(92)，其中，六脉冲二极管整流器(172)和DC-AC转换器(92)通过普通的直流(DC)环节(94)相连。
7、一种混合水淡化系统的操作方法，包括：
通过风力涡轮机发电，以及
通过与风力涡轮机和压缩机连接的第一和第二转换器的普通DC环节，用所产生的电能驱动MVC脱盐装置的压缩机。
8、一种混合水淡化系统的操作方法，包括：
通过光伏发电机发电，以及
通过与光伏发电机和压缩机连接的第一和第二转换器的普通DC环节，用所产生的电能驱动MVC脱盐装置的压缩机。
9、一种混合水淡化系统(80)，包括：
一个驱动发电机(84)发电的风力涡轮机(82)；
一个机械蒸汽压缩(MVC)脱盐装置(86)，使用来自发电机(84)的电能驱动其压缩机(24)；
一个与发电机(84)连接的第一转换器(90)和一个与压缩机(24)连接的第二转换器(92)，其中，第一和第二转换器(90，92)通过一个普通的直流(DC)环节(94)相连；以及
通过第三转换器(98)与发电机(84)连接的电网(96)，其中，第三转换器(98)包括一个与第一转换器(90)连接的DC-AC转换器。
10、一种混合水淡化系统(120)，包括：
一个用于发电的光伏发电机(122)；
一个机械蒸汽压缩(MVC)脱盐装置(86)，使用来自光伏发电机(122)的电能驱动其压缩机(24)；
一个与光伏发电机(122)连接的第一转换器(124)和一个与压缩机(24)连接的第二转换器(92)，其中，第一和第二转换器(124，92)通过一个普通的直流(DC)环节(126)相连；以及
通过第三转换器(98)与光伏发电机(122)连接的电网(96)，其中，第三转换器(98)包括一个与第一转换器(124)连接的DC-AC转换器。
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