CN103274488B - 一种真空储能的水电联产系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真空储能的水电联产系统及方法，包括风力机装置、真空抽气单元、真空室、海水淡化单元和空气膨胀做功单元，利用风力机装置驱动真空抽气单元，利用真空抽气单元对真空室抽真空，利用空气膨胀做功单元带动发电机对外输出电能，利用海水淡化单元对外输出淡水，其中真空抽气单元协助海水淡化单元对海水进行逐级加热，空气膨胀做功单元协助海水淡化单元对蒸发器产生的水蒸汽进行逐级冷却。本发明采用风能的直接利用，将风力机从风中获得的机械能通过真空泵抽真空获得一种空气真空能，转换为空气内能，能量转换过程为机械能一内能，相对于以风力发电为基础的电力驱动压缩空气储能，具有能量转换效率高、结构简单、投资省、维护简单等特点。

Description

一种真空储能的水电联产系统及方法
技术领域
本发明属于可再生能源的综合利用领域，具体是涉及一种综合利用风能和太阳能实现水电联产的独立系统，尤其对于难以输电的岛屿及沿海偏远地区具有重大意义，该系统克服了岛屿难以集中供能的问题，满足岛屿上及偏远沿海地区的基本生活需求。
背景技术
随着人类以及社会的发展，人类脚步已经踏遍地球上每一个角落，进入21世纪以来，经济持续的发展和生活水平不断的提高，尤其对于一些偏远地区以及岛屿人们的生活水平严重滞后，主要原因是由于与大陆的距离，很难依靠大陆得到生活中所需水、电等的生活不可缺少的资源。同时，岛屿的供能问题也一直影响着国防边疆岛屿上驻守的战士们的生活质量。因此，只有利用各地区的新能源才能从根本上解决以上问题，而对于岛屿来说，一般拥有丰富的风能资源以及太阳能资源。
受全球能源危机和环境恶化的影响,以风能为代表的新能源开发利用受到大多数国家的重视,并纷纷制订了相关的激励政策和措施。受此影响,全球风能开发利用得到迅猛发展。目前，全球的风力发电增长速度惊人，据BTM统计数据显示2010年全球风电累计装机容量达到199.5GW。我国继续保持风电设备生产和风电场开发快速发展的强劲势头。据中国可再生能源学会风能专业委员会（CWEA）的统计，2010年我国除台湾省外其他地区共新增风电装机12904台，装机容量达18.93GW，自2009年后继续保持全球新增装机容量第一的排名。
然而风能资源存在不稳定性的特点：风速时常变化，能量供应不稳定,具有间歇性,波动性，同时风能发电也存在并网问题，在一定程度上限制了风力发电的发展，因此，需要将不稳定的风能与储能系统联合起来才能有效的利用风资源。
太阳能既是一次能源，又是可再生能源。太阳能资源丰富，既可免费使用，又无需生产、运输，而且对环境没有任何污染。根据全国700个气象台站长期观测积累的数据资料，在我国太阳能资源比较丰富的地区，lm2面积上一年内可接受的太阳辐射总能量达6.7×106～8.4×106kJ；最少的地区lm2面积上一年内也能接受到达3.3×106～4.2×106kJ的热量，仍近似于法国巴黎或者俄罗斯莫斯科的太阳辐射年总量。总得来说，我国丰富的太阳能资源及其利用条件较为优越。
从长远角度来看，发展海水淡化，不论从经济上，还是从环境上都更加可行。海水淡化水源稳定、清洁，产水成本逐渐降低，已经受到越来越多国家，尤其是干旱缺水国家的重视。事实上，世界范围的普遍缺水已经使海水淡化技术从中东的沙漠地区扩展到全球的主要沿海城市,并形成了海水淡化水的生产销售和海水淡化设备制造两大产业。因此，海水淡化作为开发新水源的一种技术已经确定无疑地成了全世界的必然趋势。然而，海水淡化耗能多，大力发展便宜的可再生能源并用于海水淡化将是解决海水淡化高成本的重要途径。
海水淡化方法按照分离过程分类,可分为热过程和膜过程两类。热过程是利用热能使海水蒸发，再通过水蒸汽的冷凝得到淡水。热过程有多级闪蒸((Multi Stage Flash，MSF)、多效蒸馏(Multi Effect Distillation，ME)、蒸汽压缩(vapor Compression，VC)等；膜过程则是利用分离膜对水和盐的选择透过性，将盐分截留或移走，得到淡水的方法。膜过程有反渗透法(ReverseOsmosis,RO)、和电渗析(Electro DialysisED)等。目前比较常用的海水淡化方法主要有多级闪蒸（Multi-Stage Flash，MSF）、低温多效蒸馏（Multiple EffectDistillation,MED）和反渗透法（Reverse Osmosis，RO）等3种，其中多级闪蒸具有可靠性高，防垢性能好。易于大型化等优点，适合风能的大规模利用。
本发明针对此问题，综合利用岛屿上丰富的风能和太阳能，实现水电联产。
发明内容
为克服现有技术的缺点和不足，本发明提供了一种综合利用风能和太阳能的水电联产系统，直接利用岛屿上及偏远沿海地区丰富风能和太阳能实现水电联产，在陆地隔离的情况下，完全实现了自满足，同时系统不需要燃烧化石燃料，不产生温室气体及硫化物氮化物等污染气体。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种真空储能的水电联产系统，综合利用岛屿上的风能和太阳能，包括风力机装置A、真空抽气单元、真空室D、海水淡化单元、空气膨胀做功单元，其特征在于：
所述真空抽气单元包括通过空气管路依次串联的多级真空泵C1～C3，所述多级真空泵C1～C3由所述风力机装置A驱动，其中第一级真空泵C1的进气口与真空室D连通，最后一级真空泵C1的排气口与大气连通，各级真空泵之间的空气管路上均设有热交换器（L1～L3），
所述空气膨胀做功单元包括通过空气管路依次串联的多级膨胀机E1～E3，所述多级膨胀机E1～E3驱动发电机F，其中第一级膨胀机E1的进气口与大气连通，最后一级膨胀机E3的排气口与真空室D连通，各级膨胀机之间的空气管路上均设有冷凝器（H1～H3），
所述海水淡化单元包括通过海水预热管路依次顺序连通的海水取水装置I、换热器H4、多级蒸发器K1～K6和太阳能加热器M，其中：
海水经海水取水装置I进入换热器H4的冷侧被加热后从末级蒸发器开始依次流经各级蒸发器的海水预热管路，与各级蒸发器K6～K1中闪蒸出的水蒸汽依次换热升温后，从第一级蒸发器K1流出并依次进入各所述热交换器L1～L3的冷侧，再经过太阳能加热器M加热和调节使得海水达到预设温度后，从第一级蒸发器K1开始依次流经各级蒸发器，海水依次闪蒸，闪蒸出的水蒸汽与各级蒸发器中的海水预热管路进行热交换，最终剩余的浓盐水从末级蒸发器的排水口排出；各级蒸发器中闪蒸出的部分水蒸汽连同不凝气经设置在各蒸发器顶部的水蒸汽/不凝气排出管路汇集后依次流经各所述冷凝器（H1～H3）及所述换热器H4的热侧，水蒸汽不断凝结为淡水，各所述冷凝器（H1～H3）及所述换热器H4中凝结的淡水经淡水排出管路汇集流出；各级蒸发器中闪蒸出的另一部分水蒸汽在蒸发器中凝结为淡水，各级蒸发器中凝结的淡水经淡水排出管路汇集流出。
进一步地，各所述热交换器（L1～L3）的热侧通入各级真空泵产生的压缩气体，冷侧通入从所述多级蒸发器K1～K6流出的待加热的海水。
进一步地，各所述冷凝器（H1～H3）及所述换热器H4的热侧通入从所述多级蒸发器K1～K6排出的水蒸汽和不凝气，冷侧通入各级膨胀机产生的膨胀气体。
进一步地，各蒸发器顶部设置的水蒸汽/不凝气排出管路上均设有控制阀O1～O6，以控制各蒸发器K1～K6的内压力。
优选地，所述海水淡化单元还包括电加热器N，协助太阳能加热器M对海水进行加热和调节以使进入蒸发器的海水达到预设温度。
优选地，所述海水淡化单元还包括海水前处理装置J，所述海水前处理装置J设置在所述海水取水装置I和末级换热器H4之间的海水管路上，或设置在所述末级换热器H4和所述多级蒸发器中的末级蒸发器之间的海水管路上。
进一步地，各级蒸发器的腔体中，靠近底部设置一隔水板，靠近顶部设置一淡水槽，淡水槽上方设海水预热管路，各蒸发器的顶部设水蒸汽/不凝气排出管路，隔水板的一侧为进水侧，另一侧为排水侧。
进一步地，所述多级蒸发器中，上一级蒸发器的排水侧与下一级蒸发器的进水侧连通，第一级蒸发器K1的进水侧经靠近底部设置的进水口与太阳能加热器M或电加热器N的出水口连通，末级蒸发器K6的排水侧底部设浓盐水排出口。
进一步地，所述风力机装置A通过一传动装置B驱动所述多级真空泵C1～C3，所述传动装置B优选为变速箱。
进一步地，所述风力机装置包括至少一个风力机，所述风力机为水平轴或垂直轴风力机。
进一步地，所述系统还包括蓄电池G，所述发电机F分别向蓄电池以及用户供电。所述蓄电池的原则为在满足系统运行需求的前提下，减少充放电次数，作用为调节压缩空气储能发电与用户需求之间矛盾。
进一步地，所述海水取水装置还包括若干水泵，以为管道流体提供动力。
本发明的真空储能的水电联产系统中，由于海水依次进入热交换器L1～L3与真空泵内压缩空气进行换热升温，使得真空泵近似为等温压缩。各级蒸发器中闪蒸出的水蒸汽依次进入冷凝器H1～H3与膨胀机内的膨胀空气进行换热降温，使得膨胀机近似为等温膨胀。
根据本发明的另一方面，还提供了一种与上述真空储能的水电联产系统对应的水电联产方法，其特征在于：
所述风力机装置A驱动多级真空泵C1～C3，所述多级真空泵C1～C3通过空气管路依次串联，其中第一级真空泵C1的进气口与真空室D连通，最后一级真空泵C1的排气口与大气连通，各级真空泵之间的空气管路上均设有热交换器（L1～L3），
所述多级膨胀机E1～E3通过空气管路依次串联，所述多级膨胀机E1～E3驱动发电机F，其中第一级膨胀机E1的进气口与大气连通，最后一级膨胀机E3的排气口与真空室D连通，各级膨胀机之间的空气管路上均设有冷凝器（H1～H3），
海水经海水取水装置I进入换热器H4的冷侧被加热后从所述多级蒸发器K1～K6的末级蒸发器开始依次流经各级蒸发器的海水预热管路，与各级蒸发器K6～K1中闪蒸出的水蒸汽依次换热升温后，从第一级蒸发器K1流出并依次进入各所述热交换器L1～L3的冷侧，再经过太阳能加热器M加热和调节使得海水达到预设温度后，从第一级蒸发器K1开始依次流经各级蒸发器，海水依次闪蒸，闪蒸出的水蒸气与各级蒸发器中的海水预热管路进行热交换，最终剩余的浓盐水从末级蒸发器的排水口排出；各级蒸发器中闪蒸出的部分水蒸汽连同不凝气经设置在各蒸发器顶部的水蒸汽/不凝气排出管路汇集后依次流经各所述冷凝器（H1～H3）及所述换热器H4的热侧，水蒸汽不断凝结为淡水，各所述冷凝器（H1～H3）及所述换热器H4中凝结的淡水经淡水排出管路汇集流出；各级蒸发器中闪蒸出的另一部分水蒸汽在蒸发器中凝结为淡水，各级蒸发器中凝结的淡水经淡水排出管路汇集流出。
进一步地，所述多级真空泵C1～C3对真空室D抽真空，当真空室D达到一定真空度后，所述多级膨胀机开始工作。
进一步地，进入第一级蒸发器K1中的经太阳加热器M和/或电加热器N加热和调节后的海水，其温度达到一预设温度，其压力低于该温度对应的饱和压力。
进一步地，进入各级蒸发器中加热后的具有一定温度的海水，其压力均低于该温度对应的饱和压力。
进一步地，当所述多级膨胀机不工作时，来自抽真空过程中的水蒸汽全部由换热器H4冷凝。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明采用风能的直接利用，将风力机从风中获得的机械能通过真空泵抽真空获得一种空气真空能，转换为空气内能，能量转换过程为机械能-内能，相对于以风力发电为基础的电力驱动压缩空气储能，同时由于省去发电部分设备，具有能量转换效率高、结构简单、投资省、维护简单等特点。整个系统在运转工程中不产生任何污染环境的物质，是名副其实的环保、节能系统。
2、本发明利用太阳能作为海水淡化供能补充能源，在海水淡化过程中与风能互补使得使独立的风能和太阳能得到合理化的整合，充分利用了可再生能源条件。
3、本发明采用蓄电池与真空储能发电耦合供电，成功解决风能的不稳定与用户用电的矛盾。真空储能本身具有一定的削峰平谷的作用，蓄电池进一步与真空储能发电配合，进一步加强削峰平谷的作用。
4、真空储能与多级闪蒸海水淡化耦合布置，实现了近似的等温压缩和等温膨胀过程，优化了真空储能系统，同时将压缩和膨胀过程中的吸热和放热与多级闪蒸海水淡化系统海水加热和水蒸汽冷凝巧妙的结合起来，利用了低品位的热能制得淡水。
5、本发明真正实现了孤岛上的水电联产，在于陆地隔离的情况下，完全实现了自满足，同时系统不需要燃烧化石燃料，不产生温室气体及硫化物氮化物等污染气体。
6、本发明与风力机结合适用范围广，既可与风电场相结合，也可独立建设生产；可以单机组风力机设计也可以多机组合设计；适用风力资源较为丰富的海岛和其他沿海地区。
附图说明
图1为本发明的真空储能的水电联产系统示意图。
图中：A风力机装置，B传动装置，C1～C3真空泵，D真空室，E1～E3膨胀机，F发电机，G蓄电池，H1～H3冷凝器，换热器H4，I海水取水装置，J海水前处理装置。K1～K6蒸发器，L1～L3热交换器，M太阳能加热器，N电加热器,O1～O6控制阀。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
为了下文描述的方便，提前说明在蒸发器、换热器、热交换器、冷凝器中均有换热过程，换热可采用顺流布置，逆流布置，交叉流布置，在满足正常工作的情况下，三种方式均可采用，此外，在各换热器件中，通入温度较高的流体的一侧称为热侧，通入温度较低的流体的一侧称为冷侧，本实施例中将不对换热方式进行详细陈述，均简化为“换热”。
如图1所示，本发明的真空储能的水电联产系统，由A风力机装置，B传动装置，C1～C3真空泵，D真空室，E1～E3膨胀机，F发电机，G蓄电池，H1～H3冷凝器，换热器H4，I海水取水装置，J海水前处理装置。K1～K6蒸发器，L1～L3热交换器，M太阳能加热器，N电加热器,O1～O6控制阀等构成，真空泵机C3通过传动装置B连至水平轴风力机A，真空泵C3、C2、C1依次连接，真空泵C1与真空室D联通，真空室D内的空气经过真空泵C1升温升压，进入换热交换器L1与海水进行换热，空气降温后返回真空泵C2，经过真空泵C2升温升压后进入热交换器L2，空气再次降温后返回真空泵C3，经过真空泵C3继续升温升压，继而进入热交换器L3与海水进行交换，然后排向大气。当真空室D达到一定真空度后，膨胀机E开始工作，膨胀机E3、E2、E1依次连接，大气空气经过膨胀机E1膨胀做功降温降压后送入冷凝器H1与水蒸汽进行换热，加热后进入膨胀机E2膨胀做功，降温降压后进入冷凝器H2与水蒸汽进行换热，加热后再进去膨胀机E3膨胀做功，再次降温降压后进去冷凝器H3与水蒸汽进行换热，最后进入真空室D。膨胀机E1～E3做功带动发电机F发电，发电机F发出的电供用户需求，同时发电机F发出的剩余发电量由蓄电池G储存，当发电机F发电量不足时，蓄电池G可以补充向用户供电。海水经过海水取水装置I首先经过换热器H4与来自冷凝器H3未冷凝的水蒸汽换热，进入海水前处理装置J进行处理，经过前处理的海水依次通过蒸发器K6～K1，与闪蒸出的水蒸汽进行换热升温，继而再依次进入热交换器L1～L3与真空泵内压缩空气进行换热升温，使得真空泵近似为等温压缩，升温后的海水进入太阳能加热器M继续升温，再进入电加热器N，通过太阳加热器M和电加热器N加热和调节使得海水达到预期的温度，一定温度的海水进入压力低于该温度对应的饱和压力蒸发器K1，一部分海水闪蒸出水蒸汽，剩余海水的温度降低，水蒸汽与来自蒸发器K2加热后的海水进行换热冷凝，温度降低的海水进入蒸发器K2，蒸发器K2压力低于此温度海水对应的饱和压力，海水再次闪蒸，一部分闪蒸出水蒸汽，剩余海水的温度再次降低，水蒸汽与来自蒸发器K3加热后的海水进行换热冷凝，温度降低的海水进入蒸发器K3，如此蒸发器K依次工作，直至海水在蒸发器K6内闪蒸，剩余海水的浓度达到排放标准，浓盐水排放，水蒸汽与来自前处理的海水进行换热冷凝，蒸发器K1～K6内压力依次由控制阀O1～O6控制，控制阀O开启后，真空室D对蒸发器K进行抽真空，由于抽的空气内含有水蒸汽，因此，水蒸汽依次经过换热器H1～H3与经过膨胀机E1～E3膨胀降温后的空气经行换热冷凝，再进入换热器H4与来自海水取水装置I的海水进行换热冷凝，最后进入真空室D，设置换热器H4的原因在于，当膨胀机不工作时，来自抽真空过程中的水蒸汽全部由换热器H4冷凝。经过以上过程，从蒸发器K1～K6和冷凝器H1～H4中获得淡水。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (12)

1.一种真空储能的水电联产系统，综合利用岛屿上的风能和太阳能，包括风力机装置、真空抽气单元、真空室、海水淡化单元、空气膨胀做功单元，其特征在于：
所述真空抽气单元包括通过空气管路依次串联的多级真空泵，所述多级真空泵由所述风力机装置驱动，其中第一级真空泵的进气口与真空室连通，最后一级真空泵的排气口与大气连通，各级真空泵之间的空气管路上均设有热交换器，
所述空气膨胀做功单元包括通过空气管路依次串联的多级膨胀机，所述多级膨胀机驱动发电机，其中第一级膨胀机的进气口与大气连通，最后一级膨胀机的排气口与真空室连通，各级膨胀机之间的空气管路上均设有冷凝器，
所述海水淡化单元包括通过海水预热管路依次顺序连通的海水取水装置、换热器、多级蒸发器和太阳能加热器，其中：
海水经海水取水装置进入换热器的冷侧被加热后从末级蒸发器开始依次流经各级蒸发器的海水预热管路，与各级蒸发器中闪蒸出的水蒸汽依次换热升温后，从第一级蒸发器流出并依次进入各所述热交换器的冷侧，再经过太阳能加热器加热和调节使得海水达到预设温度后，从第一级蒸发器开始依次流经各级蒸发器，海水依次闪蒸，闪蒸出的水蒸汽与各级蒸发器中的海水预热管路进行热交换，最终剩余的浓盐水从末级蒸发器的排水口排出；各级蒸发器中闪蒸出的部分水蒸汽连同不凝气经设置在各蒸发器顶部的水蒸汽/不凝气排出管路汇集后依次流经各所述冷凝器及所述换热器的热侧，各所述冷凝器及所述换热器中凝结的淡水经淡水排出管路汇集流出；各级蒸发器中闪蒸出的另一部分水蒸汽在蒸发器中凝结为淡水，各级蒸发器中凝结的淡水经淡水排出管路汇集流出。
2.根据权利要求1所述的水电联产系统，其特征在于：各所述热交换器的热侧通入各级真空泵产生的压缩气体，冷侧通入从所述多级蒸发器流出的待加热的海水。
3.根据权利要求1所述的水电联产系统，其特征在于：各所述冷凝器及所述换热器的热侧通入从所述多级蒸发器排出的水蒸汽和不凝气，冷侧通入各级膨胀机产生的膨胀气体。
4.根据上述任一项权利要求所述的水电联产系统，其特征在于：各蒸发器顶部设置的水蒸汽/不凝气排出管路上均设有控制阀，以控制各蒸发器的内压力。
5.根据权利要求1所述的水电联产系统，其特征在于：所述海水淡化单元还包括电加热器，协助太阳能加热器对海水进行加热和调节以使进入蒸发器的海水达到预设温度。
6.根据权利要求1所述的水电联产系统，其特征在于：所述海水淡化单元还包括海水前处理装置，所述海水前处理装置设置在所述海水取水装置和末级换热器之间的海水管路上，或设置在所述末级换热器和所述多级蒸发器中的末级蒸发器之间的海水管路上。
7.根据权利要求1所述的水电联产系统，其特征在于：各级蒸发器的腔体中，靠近底部设置一隔水板，靠近顶部设置一淡水槽，淡水槽上方设海水预热管路，各蒸发器的顶部设水蒸汽/不凝气排出管路，隔水板的一侧为进水侧，另一侧为排水侧。
8.根据权利要求1所述的水电联产系统，其特征在于：所述多级蒸发器中，上一级蒸发器的排水侧与下一级蒸发器的进水侧连通，第一级蒸发器的进水侧经靠近底部设置的进水口与太阳能加热器或电加热器的出水口连通，末级蒸发器的排水侧底部设浓盐水排出口。
9.根据权利要求1所述的水电联产系统，其特征在于：所述风力机装置通过一传动装置驱动所述多级真空泵，所述传动装置为变速箱。
10.根据权利要求1所述的水电联产系统，其特征在于：所述风力机装置包括至少一个风力机，所述风力机为水平轴或垂直轴风力机。
11.根据权利要求1所述的水电联产系统，其特征在于：所述系统还包括蓄电池，所述发电机分别向蓄电池以及用户供电,所述蓄电池的原则为在满足系统运行需求的前提下，减少充放电次数，作用为调节压缩空气储能发电与用户需求之间矛盾。
12.根据权利要求1所述的水电联产系统，其特征在于：所述海水取水装置还包括若干水泵，以为管道流体提供动力。
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