CN102060354B - 一种光伏太阳能反渗透淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光伏太阳能反渗透淡化装置，它由光伏太阳能直流供电系统和反渗透淡化系统组成，所述光伏太阳能直流供电系统包括：太阳能光伏电池板、蓄电池和控制器，所述太阳能光伏电池板的输出端与所述控制器连接；蓄电池组与所述控制器双向连接；本发明采用光伏太阳能直流供电系统，一方面采用直流电驱动可以减少逆变过程造成的电力损失，提高光伏太阳能供电系统的发电效率；另一方面相对减少了光伏太阳能发电系统和逆变器的投资。本发明的四通换向阀具有行程阀的特点，活塞运动极限位置时推动阀杆换位，可以使差压回收泵自动转换工作状态，对系统流量和压力的适应性好。

Description

一种光伏太阳能反渗透淡化装置

技术领域

本发明涉及一种反渗透淡化装置，具体说是一种光伏太阳能反渗透淡化装置。

背景技术

水是生命的源泉，是社会经济发展的命脉，是人类宝贵的、不可替代的自然资源。随着经济的的持续发展和人民生活水平的不断提高，对水量的需求越来越大，对水质的要求越来越高，而水资源的不足、时空分布的不均，加上超限度的开采、无节制的浪费、随意的污染以及管理不善等，使原本紧张的水资源供需矛盾更加尖锐，缺水问题已成为一个世界性的难题。

海水淡化作为一种开源技术，可以增加当地水资源总量，由于海水淡化是以能源换水源，因此能源消耗仍较大。对于没有电网的海岛，利用传统的矿物燃料(煤、石油)解决海水淡化能源问题，极易导致海岛脆弱生态系统的破坏，且运输和维护成本过高，而且我国化石能源尤其是煤和石油相对不足，蕴藏量有限，越用越少，正面临着枯竭的危险，而且石油和煤是重要的化学原料用来当燃料十分可惜，并且燃烧燃料将排出大量CO₂和硫的氧化物，导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。如果从现有输电网架设线路来解决这些无电地区供电问题，投资费用大，建设1km的输电线路，相当于5～6kW太阳能电设备的投资费用，对于偏远的小海岛要铺设海底电缆费用更高。

现在的无电、缺水地区都处于太阳能资源丰富的一、二、三类的西部地区(多苦咸水)和东南部海岛，太阳能辐射总量大，年平均日照时间长，年发电量高。光伏太阳能反渗透海水淡化装置可利用太阳能独立运行，无污染，低耗能，运行安全稳定可靠，不消耗石油、天然气、煤炭等常规能源，对能源紧缺、环保要求高的地区有很大应用价值；其次是生产规模可有机组合，适应性好，投资相对较少，产水成本低。

中国专利ZL02281876.6公布了一种太阳能反渗透海水淡化设备，利用太阳能产生的蒸汽直接驱动汽轮泵，以提供反渗透组件的进水流量与压力，这种太阳能反渗透海水淡化设备需要很大的太阳能集热器才能产生直接驱动汽轮泵的蒸汽，占地面积大和投资大。反渗透装置只有在太阳光充足时才能运行，晚上及阴雨天气不能运行，设备利用率低，实际应用受到限制。

中国专利ZL200720069563.1公布了一种太阳能光伏反渗透海水淡化装置，该装置特点在于包括太阳能发电模块和反渗透制淡模块，其中，太阳能发电模块包括了太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。太阳能电池发出的直流电要通过逆变器转换成交流电后才能供给水泵工作，一方面降低了太阳能发电模块的发电效率(逆变器效率约75～85％)，另一方面增加了太阳能发电模块设备投资。反渗透制淡模块没有专门设计的能量回收装置，反渗透制水系统能耗高，实际应用受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种光伏太阳能反渗透淡化装置，可利用太阳能独立运行，无污染，低耗能，低噪音，低成本，运行安全、稳定、高效、可靠，适于偏远海岛、船舶以及缺乏电力供应的家庭使用。

为此，本发明采用以下技术方案：它由光伏太阳能直流供电系统和反渗透淡化系统组成，所述光伏太阳能直流供电系统包括：太阳能光伏电池板、蓄电池和控制器，所述太阳能光伏电池板的输出端与所述控制器连接；蓄电池组与所述控制器双向连接；

所述反渗透淡化系统设有海水增压泵、预处理系统、蓄能器、差压回收泵、反渗透膜组器；

所述的海水增压泵是直流海水泵，所述控制器输出端与海水增压泵电机连接；

所述的差压回收泵由一只四通换向阀、四只单向阀和两只差压缸组成；

两只差压缸同轴放置，分别处在四通换向阀的两侧；两只差压缸之间设有活塞杆，差压缸中设置有活塞，所述活塞杆的两端分别与两只差压缸的活塞连接，差压缸被所述活塞分为无杆腔和有杆腔；

四只单向阀平分成两组分别和一只差压缸的无杆腔连通，每组中的两只单向阀的方向相反；

所述的四通换向阀设有阀杆、供阀杆直线运动的阀腔，阀腔具有第P通口、第A通口、第B通口、第O通口，第A通口和第B通口分别和一只差压缸的有杆腔连通，第P通口是所述差压回收泵的废弃液进口，第O通口是所述该差压回收泵的废弃液排放口；

第P通口、第A通口、第B通口、第O通口的位置与阀杆有以下配合关系：阀杆有第一工作位和第二工作位，在第一工作位时，第P通口与第B通口接通，第O通口与第A通口，所述阀杆伸入与第A通口连通的差压缸的有杆腔，在第二工作位时，第P通口与第A通口接通，第O通口与第B通口接通，所述阀杆伸入与第B通口连通的差压缸的有杆腔；所述阀杆伸入的长度与阀杆切换于第一工作位和第二工作位所需运动的距离相适配；

第P通口与反渗透膜组器浓水排放口连通，方向为供差压回收泵向外压出被输送液的两只单向阀的出口通过管路相连后与反渗透膜组器进水口连通，方向为向差压回收泵输入被输送液的两只单向阀的进口与预处理系统的出口连通，蓄能器连接在所述方向为向差压回收泵输入被输送液的两只单向阀的进口与预处理系统的出口之间的管路上，所述海水增压泵的出口和预处理系统的进口连接。

由于采用本发明的技术方案，本发明的有益效果是：

本发明采用光伏太阳能直流供电系统，一方面采用直流电驱动可以减少逆变过程造成的电力损失，提高光伏太阳能供电系统的发电效率；另一方面相对减少了光伏太阳能发电系统和逆变器的投资。

本发明在光伏太阳能直流供电系统中设置了蓄电池，一方面可以保证太阳光不足时设备正常运行，水质稳定；另一方面太阳光充足时多余的能量存储到蓄电池中，延长反渗透设备的工作时间，对于同等海水淡化供水量要求，可以减小反渗透设备规模，从而使得整个装置达到最优的适配性。

本发明根据光伏太阳能供电的特点，在装置中设置了差压回收泵，一方面回收了浓海水余压能量，大大减低了反渗透系统制水能耗，减少了光伏太阳能发电系统的规模与投资；另一方面，本发明不必再将预处理后的海水分成两路，一路用高扬程的高压泵直接向反渗透膜组器供水，另一路经压力交换，通过增压泵向反渗透膜组器供水，从而极大地简化了反渗透淡化系统的结构，既大幅减少了设备投资和能源浪费，又使得反渗透淡化系统能够比以往做得更小，能够满足和适于偏远海岛、船舶、电力供应缺乏的家庭海水淡化需要。

本发明的四通换向阀具有行程阀的特点，活塞运动极限位置时推动阀杆换位，可以使差压回收泵自动转换工作状态，对系统流量和压力的适应性好。

本发明还设置了蓄能器，所述蓄能器既能够在差压回收泵每次切换工作状态时将系统中的水压能量转变为压缩能储存起来，并在切换后又将压缩能转变为水压能而释放出来，重新补供给系统。当系统瞬间压力增大时，它可以吸收这部分的能量，保证整个系统压力正常。

附图说明

图1为光伏太阳能反渗透海水淡化装置工艺流程图

图2为四通换向阀的剖视图。

具体实施方式

参照附图。本发明由光伏太阳能直流供电系统和反渗透淡化系统组成，利用光伏太阳能直流供电系统发出的直流电能直接驱动反渗透淡化系统对海水或苦咸水进行淡化处理；所述光伏太阳能直流供电系统包括：太阳能光伏电池板100、蓄电池和控制器，所述太阳能光伏电池板的输出端与所述控制器连接；蓄电池组与所述控制器双向连接；

所述太阳能光伏电池板将太阳光辐射能转换为电能；

所述蓄电池用于存储太阳能光伏电池板发出的电能并随时向负载供电，延长反渗透淡化装置工作时间；

所述控制器用于控制太阳能光伏电池板对蓄电池充电以及蓄电池向负载供电，并进行实时数据采集和检测；

所述的反渗透淡化系统设有海水增压泵1、预处理系统2、蓄能器3、差压回收泵、反渗透膜组器4；

所述的海水增压泵1是直流海水泵，所述控制器输出端与海水增压泵的直流电机连接，利用光伏太阳能直流发系统输出的直流电进行工作；

所述的预处理系统主要包括机械过滤、吸附过滤、微孔膜过滤、超滤等方法，根据原水水质不同选择相应的预处理方法；

所述的差压回收泵由一只四通换向阀5、四只单向阀61、62、63、64和两只差压缸71、72组成。

两只差压缸71、72同轴放置，分别处在四通换向阀5的两侧；两只差压缸之间设有活塞杆8，两只差压缸中分别设置有活塞710、720，所述活塞杆的两端分别与两只差压缸的活塞710、720相对接触，差压缸71被所述活塞710分为无杆腔711和有杆腔712，差压缸72被所述活塞720分为无杆腔721和有杆腔722；

四只单向阀平分成两组分别和每只差压缸的无杆腔连通，每组中的两只单向阀的方向相反；单向阀61、62为一组和差压缸71的无杆腔711连通，单向阀63、64为一组和差压缸72的无杆腔721连通；

所述四通换向阀5设有阀杆51、供阀杆直线运动的阀腔52，阀腔具有第P通口、第A通口、第B通口、第O通口，第O通口在阀腔处有左右两个进口，在阀腔上，沿轴向依次为第O通口左侧进口、第B通口、第P通口、第A通口、第O通口右侧进口；

第A通口和差压缸71的有杆腔712连通，第B通口和差压缸72的有杆腔722连通，第P通口是所述差压回收泵的废弃液进口，第O通口是所述该差压回收泵的废弃液排放口；阀杆有第一工作位和第二工作位，在第一工作位时，第P通口与第B通口接通，第O通口与第A通口，在第二工作位时，第P通口与第A通口接通，第O通口与第B通口接通；

第P通口与反渗透膜组器浓水排放口连通；方向为供差压回收泵向外压出被输送液的单向阀62、64的出口通过管路201相连后与反渗透膜组器进水口连通；方向为向差压回收泵输入被输送液的单向阀61、63的进口与预处理系统的出口连通；蓄能器3连接在所述方向为向差压回收泵输入被输送液的单向阀的进口与预处理系统的出口之间的管路上，所述海水增压泵1的出口和预处理系统的进口连通；

所述阀杆处于第一工作位时，所述阀杆伸入与第A通口连通的差压缸71的有杆腔712，所述阀杆处于第二个工作位时，所述阀杆伸入与第B通口连通的差压缸72的有杆腔722，其伸入的长度与所述第一工作位和第二工作位的间距相适配，使得差压缸71、72中的活塞运动至四通换向阀侧的极限位置时所述阀杆被其推动而带着阀杆自动转换所述工作位。

所述蓄能器设有密闭耐压容器31，在耐压容器中设有柔性水囊32，所述柔性水囊通过管路与连接在所述方向为向差压回收泵输入被输送液的单向阀的进口和预处理系统的出口之间的管路连通。

以下描述工作过程：

1、当四通换向阀处于右位，也即第一工作位时，第P通口与第B通口接通，第O通口与第A通口接通。此时，自反渗透膜组器浓水排放口出来的高压浓海水进入差压缸72有杆腔722，单向阀63自动关闭，单向阀64自动打开，差压缸72有杆腔722中的高压废弃液推动无杆腔721的被输送液和活塞720一起向右移动，低压被输送液经增压后成为高压被输送液被向外压出进入反渗透膜组器；同时，单向阀62在所述高压被输送液的作用下自动关闭，单向阀61在低压被输送液的压力驱动下自动打开，低压被输送液进入差压缸71的无杆腔711，推动有杆腔712的低压废弃液和活塞710一起向右移动，低压废弃液经第A通口、第O通口向外排放，所述活塞710向右移动时，同时通过活塞杆8将力传递给活塞720，同时也推动活塞720向右移动。

2、当活塞710运动到右极限位置时，推动四通换向阀的阀杆向右移动，即四通换向阀切换至左位，也即第二工作位，第P通口与第A通口接通，第O通口与第B通口接通。此时，自反渗透膜组器浓水排放口而来的高压浓海水进入差压缸71有杆腔712，单向阀61自动关闭，单向阀62自动打开，差压缸71有杆腔712中的高压废弃液推动无杆腔711的被输送液和活塞710一起向左移动，无杆腔711的低压被输送液经增压后成为高压被输送液后向外压出进入膜组器；同时，单向阀64在所述高压被输送液的作用下自动关闭，单向阀63在低压被输送液的压力驱动下自动打开，低压被输送液进入差压缸72的无杆腔721，推动有杆腔722的低压废弃液和活塞720一起向左移动，低压废弃液经第B通口、第O通口向外排放，所述活塞720向左移动时，同时通过活塞杆8将力传递给活塞710，同时也推动活塞710向左移动。

3、当活塞720运动到左极限位置时，推动四通换向阀阀杆换位至右位，也即第一工作位，回到上述第1点的工作状态，如此连续不断地利用差压缸把低压海水增压至高压，并且回收反渗透系统的浓水余压能。

四通换向阀从一个工作位切换到另一工作位的瞬间，单向阀61、63会同时关闭，会造成差压回收泵前的水压突然增高，但该增高部分会由蓄能器吸收暂存，待应当打开的单向阀打开，被输送液进水压力恢复正常后自动释放，从而避免突然增大的水压对装置的冲击。在本实施例中，蓄能器的能量暂存和自动释放工作过程如下：当单向阀61、63和预处理系统2之间的管路压力大于蓄能器耐压容器内的压力时，被输送液被压入蓄能器内的柔性水囊，耐压容器的压力变大，能量被暂存，待单向阀61、63和预处理系统2之间的管路压力恢复正常后，柔性水囊中新增的水因耐压容器和所述管路之间的压差而被压回单向阀61、63和预处理系统2之间的管路，能量被自动释放。

如以上所描述的具体实施方式以每小时产淡水25L/h，水回收率7.5％的微型光伏太阳能反渗透海水淡化装置为例，在25℃，给水浓度为30000mg/L，pH＝7条件下，结合附图1给本发明做进一步的陈述：

微型光伏太阳能反渗透海水淡化装置工作过程如下：

太阳能光伏电池板将太阳光辐射能直接转换成直流电能，再通过控制器输出稳定的DC24V直流电驱动海水增压泵工作。预处理装置采用微滤装置，海水增压泵将新鲜海水(约0.5MPa)经微滤装置过滤后泵入差压回收泵，再经差压回收泵至海水淡化额定操作压力(约4.0MPa)后进入反渗透膜组器。透过反渗透膜的淡化水(约25L/h)收集后从膜堆引出，供给用户使用；剩余的反渗透高压浓海水(约308L/h)进入差压回收泵，经能量交换后排出系统。

差压回收泵的工作过程如前所述，周期性地将高压浓海水的压力能传递给新鲜海水，从而实现能量的回收再利用。

将应用差压回收泵的本发明装置与采用三柱塞高压泵的常规反渗透装置在同等膜元件、水回收率、产水量的情况下分别对系统配置、制水能耗、运行噪音等方面进行了对比，其结果如下表所示。

本发明装置应用了差压回收泵，装置能耗约是同等类型传统装置(无能量回收装置)能耗的1/5，大幅降低了反渗透淡化系统能耗。

以0.6m³/d的微型光伏太阳能海水淡化装置为例：

以年开工率55％计算(仅晴天工作)，一年可以产水120吨，可以基本满足一户3～5口之家的基本生活用水要求。

以吨水可节约用电20kWh/m³，光伏太阳能系统每千瓦投资为2万元/kW，每天工作4小时计算，对于0.5m³/d的海水淡化系统可节省太阳能系统投资为：

ξ＝0.5×20×2.0÷4＝5万元

以电价1.0元/kW·h，系统开工率：55％计，则每年节电总费用为：

ξ＝0.5×365×0.55×20×1.0/10000＝2000(元/年)

很显然，这对一户3～5口之家来说也是不笔不小的花费。微型光伏太阳能海水淡化装置可以广泛应用于沿海居民，渔民，船舶，冷冻船，实验室等领域生活、生产、科研用水及西北地区苦咸水淡化，应用十分广泛，经济效益十分明显。

以1000m³/d的大中型光伏太阳能海水淡化装置为例：

以年开工率80％计算，一年可以产水29万吨，可以基本满足一个3000人左右的海岛生活生产用水要求。

以吨水可节约用电4.5kWh/m³，光伏太阳能系统每千瓦投资为2万元/kW，每天工作4小时计算，对于1000m³/d的海水淡化系统可节省太阳能系统投资为：

ξ＝1000×4.5×2.0÷4＝2250万元

以电价1.0元/kW·h，系统开工率：80％计，则每年节电总费用为：

ξ＝1000×365×0.8×4.5×1.0/10000＝131.4(万元/年)

可见，本发明可以大幅降低海水淡化系统运行能耗和光伏太阳能供电系统投资，经济效益十分明显。

最后，还需要注意的是，以上仅是本发明的一个实施例子。显然本发明不限于以上例子，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种光伏太阳能反渗透淡化装置，由光伏太阳能直流供电系统和反渗透淡化系统组成，其特征在于所述光伏太阳能直流供电系统包括：太阳能光伏电池板、蓄电池和控制器，所述太阳能光伏电池板的输出端与所述控制器连接；蓄电池组与所述控制器双向连接；

所述的反渗透淡化系统设有海水增压泵、预处理系统、蓄能器、差压回收泵、反渗透膜组器；

所述的海水增压泵是直流海水泵，所述控制器输出端与海水增压泵电机连接；

所述的差压回收泵由一只四通换向阀、四只单向阀和两只差压缸组成；

两只差压缸同轴放置，分别处在四通换向阀的两侧；两只差压缸之间设有活塞杆，差压缸中设置有活塞，所述活塞杆的两端分别与两只差压缸的活塞相对接触，差压缸被所述活塞分为无杆腔和有杆腔；

四只单向阀平分成两组分别和每只差压缸的无杆腔连通，每组中的两只单向阀的方向相反；

所述的四通换向阀设有阀杆、供阀杆直线运动的阀腔，阀腔具有第P通口、第A通口、第B通口、第O通口，第O通口在阀腔处有左右两个进口，在阀腔上，沿轴向依次为第O通口左侧进口、第B通口、第P通口、第A通口、第O通口右侧进口；第A通口和第B通口分别和一只差压缸的有杆腔连通，第P通口是所述差压回收泵的废弃液进口，第O通口是所述该差压回收泵的废弃液排放口；

第P通口、第A通口、第B通口、第O通口的位置与阀杆有以下配合关系：阀杆有第一工作位和第二工作位，在第一工作位时，第P通口与第B通口接通，第O通口与第A通口接通，所述阀杆伸入与第A通口连通的差压缸的有杆腔，在第二工作位时，第P通口与第A通口接通，第O通口与第B通口接通，所述阀杆伸入与第B通口连通的差压缸的有杆腔；所述阀杆伸入的长度与阀杆切换于第一工作位和第二工作位所需运动的距离相适配；

第P通口与反渗透膜组器浓水排放口连通，方向为供差压回收泵向外压出被输送液的两只单向阀的出口通过管路相连后与反渗透膜组器进水口连通，方向为向差压回收泵输入被输送液的两只单向阀的进口与预处理系统的出口连通，蓄能器连接在所述方向为向差压回收泵输入被输送液的两只单向阀的进口与预处理系统的出口之间的管路上，所述海水增压泵的出口和预处理系统的进口连通。

2.如权利要求1所述的一种光伏太阳能反渗透淡化装置，其特征在于所述蓄能器设有密闭耐压容器，在耐压容器中设有柔性水囊，所述柔性水囊通过管路与连接在所述方向为向差压回收泵输入被输送液的单向阀的进口和预处理系统的出口之间的管路连通。

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