CN103758712A - 一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统 - Google Patents

一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统 Download PDF

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Abstract

本发明一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统，包括热源循环回路、动力循环回路、冷源循环回路和海水淡化回路；所述的动力循环回路包括利用循环工质做功的有机透平；所述的热源循环回路包括抽取温海水的温水泵，温水泵的输出端通过蒸发器为动力循环回路提供循环工质蒸发的热源；所述的冷源循环回路包括抽取冷海水的冷水泵，冷水泵的输出端通过冷凝器为动力循环回路提供循环工质冷凝的冷源；所述的海水淡化回路为包括高压泵和反渗透装置的反渗透淡化系统；有机透平的动力输出端与高压泵的驱动轴连接；所述的热源循环回路或动力循环回路中设置太阳能集热器；太阳能集热器连接在温水泵与蒸发器之间或连接在蒸发器与有机透平之间。

Description

一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统
技术领域
本发明属于中低温热源回收利用领域，涉及一套太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统。
背景技术
随着国家经济的飞速发展，国家对能源的需求越来越大，而我国矿物燃料的储备却越来越少，且矿物燃料的燃烧使得环境日益恶化，因此，开发新能源成为我国解决能源危机和实现可持续发展的有效途径。海洋是一个巨大的能源库，蕴藏着多种可再生能源，其中海洋温差储量最大，是国际社会公认的最具开发潜力的能源之一。同时，海水还可以用来进行淡水制备，这为缓解某些沿海地区的淡水资源紧缺问题提供了新思路。
现有技术中，根据所用工质及流程的不同，海洋温差发电的主要方式有三种，即开式循环系统、闭式循环系统及混合式循环系统。
开式循环系统工作时，海洋表层的温海水由温水泵抽到闪蒸器中迅速沸腾蒸发，生成的蒸汽进入汽轮机进行做功，带动同轴连接的发电机进行发电。闪蒸器中剩余的浓海水排放回海洋中。汽轮机排出的废汽进入到冷凝器中，被由冷水泵从深层海水中抽上来的冷海水冷却，重新凝结为液态水，然后排入海洋中或作为淡水收集。在冷凝器中吸热后的冷海水也排放回海洋中。
闭式循环系统工作时，海洋表面的温海水由温水泵抽入到蒸发器中进行放热，然后排放回海洋中。低沸点工质在蒸发器中吸热沸腾，生成高温高压蒸汽，进入到有机透平中进行做功，带动同轴驱动的发电机进行发电。汽轮机排出的废汽进入到冷凝器中，被由冷水泵从深层海水中抽上来的冷海水冷却，然后由循环泵送回到蒸发器中开始下一循环。在冷凝器中吸热后的冷海水排放回海洋中。
混合式海洋温差发电系统综合了开式和闭式循环系统的优点，它以开式循环中闪蒸器产生的水蒸汽作为热源加热闭式循环中的低沸点工质，产生的高温高压工质蒸汽进入有机透平中做功，带动同轴连接的发电机发电。混合式循环系统不仅减小了蒸发器的体积，节省了材料，便于维护，还可收集淡水。
海水淡化技术按分离原理和方法可分为相变法和非相变法，现有技术中常用的海水淡化技术如下。1）太阳能蒸馏法；其是最原始的海水淡化方法，其基本原理是：先利用太阳能的热量加热海水，使海水蒸发，再将水蒸气引出冷凝，即得到淡水。2）低温多效蒸馏法，其基本原理是：低温多效蒸馏装置分为多个温度不同的蒸发器组。海水经泵抽出后，经过预处理，先进入到最低温度组中，液体在蒸发器中流动时部分吸热汽化，其余未汽化且被浓缩的海水进入到下一组较高温度蒸发器中，在新的一组中重复蒸发过程。最终的浓缩海水在温度最高的蒸发器后排放。每一组蒸发器中产生的蒸汽引出后冷凝即得到淡水。3）多级闪蒸法，其基本原理是：海水经过预热后，进入闪蒸室，因为闪蒸室的压力低于将要进入的海水所对应的饱和蒸汽压力，海水进入后即因过热而进行闪蒸，闪蒸出的蒸汽冷凝后即为淡水。4）反渗透法，其是用一种选择透过性膜将一容器分为两半，在膜的两侧同时分别加入淡水和海水，使膜两侧的液体一样高，经一定时间后，会发现海水侧的液面在升高，淡水侧的液面在下降。这是由于水分子透过半透膜向海水侧迁移的结果，这种现象称作渗透。相反，如果向海水侧施加压力并使压力超过海水的渗透压，则海水侧的水分子在压力的作用下，透过半透膜到淡水侧，这个过程叫做反渗透。运用这个原理，把原料海水经过预处理后进入高压泵，经升压后进入反透膜堆，这样就可以进行海水淡化。
但是在大规模海水淡化产业方面，反渗透法将是今后主要的发展方向。但是反渗透法有一个明显的缺点，就是其使用的高压泵需要消耗大量的电能，这势必会增加其生产出淡水的成本。但是现有技术中所述的海洋温差发电，由于海洋温差有限，因此其品位相对较低，无法直接用于对高压泵的驱动，使得两者无法实现结合。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统，提高能源利用率，避免能量相互转换的损失，环境友好。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统，包括热源循环回路、动力循环回路、冷源循环回路和海水淡化回路；所述的动力循环回路包括利用循环工质做功的有机透平；所述的热源循环回路包括抽取温海水的温水泵，温水泵的输出端通过蒸发器为动力循环回路提供循环工质蒸发的热源；所述的冷源循环回路包括抽取冷海水的冷水泵，冷水泵的输出端通过冷凝器为动力循环回路提供循环工质冷凝的冷源；所述的海水淡化回路为包括高压泵和反渗透装置的反渗透淡化系统；有机透平的动力输出端与高压泵的驱动轴连接；所述的热源循环回路或动力循环回路中设置太阳能集热器；太阳能集热器连接在温水泵与蒸发器之间或连接在蒸发器与有机透平之间。
优选的，海水淡化回路还包括压力交换器和循环泵Ⅱ；压力交换器的释放侧连接反渗透装置的高压浓海水排出端；回收侧串接循环泵Ⅱ后与高压泵并联。
进一步，循环泵Ⅱ设置在压力交换器回收侧下游。
优选的，动力循环回路为以低沸点有机物为循环工质的朗肯循环；在冷凝器与蒸发器之间低温循环工质连通段设置有循环泵Ⅰ，在高温循环工质连通段设置有机透平。
进一步，朗肯循环为亚临界循环，循环工质采用R123、R134a、R152a、R245fa和异戊烷中的任意一种。
进一步，朗肯循环为超临界循环，循环工质采用R143a、R218、R125、R41和CO2中的任意一种。
优选的，热源循环回路中温海水的输入端和放热后温海水的输出端分别设置在海洋的表面温海水层。
优选的，冷源循环回路中冷海水的输入端和吸热后冷海水的输出端分别设置在海平面以下600-1000米的深层冷海水层。
优选的，有机透平与高压泵之间采用同轴驱动。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过在热源循环回路或动力循环回路上设置太阳能集热器，用于蒸发器热源输入端温海水温度提升或提高蒸发器循环工质输出端循环蒸汽温度提升，提高了温海水作为热源的能量品质，或是提高了温海水和循环工质热交换后输出高温蒸汽的温度和能量，保证了有机透平的做功效率以及输出动力，从而使得太阳能和海洋表面温水层共同进行能量的供给；配合有机透平直接驱动的高压泵进行工作，省去了动能转化为电能、再转化为动能过程中的能量损失，显著提高了能源利用效率。同时利用到的热源和冷源均为取之不尽用之不竭的新能源，未涉及到任何化石能源，起到了保护环境、节能减排的作用。
进一步的，通过设置的压力交换器，实现对排出的高浓度海水当中压力的吸收和转移，保证了对部分压力的回收和再利用，从海水淡化的终端提高了能量利用效率。
进一步的，通过朗肯循环的闭式结构，显著降低了系统的体积，提高了系统对循环工质高温气体的充分利用，配合不同的工作状态，选择对应的循环工质，保证了系统高效稳定的运行。
进一步的，通过对热源循环回路和冷源循环回路中，温海水层和冷海水层的优选设置，提高了热源放热和冷源吸热的效率，从而提高了循环工质蒸发和冷凝的转化率，保证了系统的高效运行。
附图说明
图1为本发明太阳能集热器设置在热源循环回路中的系统示意图。
图2为本发明太阳能集热器设置在动力循环回路中的系统示意图。
图中：1、温水泵；2、太阳能集热器；3、蒸发器；4、有机透平；5、冷凝器；6、循环泵Ⅰ；7、冷水泵；8、高压泵；9、反渗透装置；10、压力交换器；11、循环泵Ⅱ。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实例1
如图1所示，本发明一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统包括热源循环回路、动力循环回路、冷源循环回路和海水淡化回路四个回路。
热源循环回路是用温水泵1将海洋的表层温海水抽出后，经过太阳能集热器2加热，然后送入蒸发器3中放热，最后排放回海洋中。
动力循环回路是以低沸点有机物为循环工质的朗肯循环，此循环为亚临界或超临界循环。采用亚临界循环时，循环工质可采用R123、R134a、R152a、R245fa、异戊烷等；采用超临界循环时，循环工质可采用R143a、R218、R125、R41、CO2等。此循环工作时，循环工质在蒸发器3中吸热生成高温高压气体，然后进入到有机透平4中进行做功，驱动同轴连接的海水淡化回路中的高压泵8；从有机透平4中排出的废汽进入到冷凝器5中冷却成液体，然后经循环泵Ⅰ6送回到蒸发器3中开始下一次循环。
冷源循环回路是用冷水泵7将海洋的深层冷海水海平面下600-1000米抽出后，送入到冷凝器5中吸收有机透平4废汽冷却过程放出的热量，然后排放回海洋中。
海水淡化回路是海水淡化过程：海水从海洋中抽出后分为两支，一支经高压泵8加压后送入到反渗透装置9中进行海水淡化产生淡水，剩余的高压浓海水进入到压力交换器10中，其压力被另一支海水回收后，排放回海洋中；回收过压力的另一支海水则经循环泵Ⅱ11送回到与加压后的第一支海水一起进入反渗透装置9中。
实例2
如图2所示，本发明一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统包括热源循环回路、动力循环回路、冷源循环回路和海水淡化回路四个回路。
其与实例1的区别在于太阳能集热器2的安装位置不同，本实例中太阳能集热器2安装在动力循环回路中蒸发器3和有机透平4的中间，设置于高温循环工质连通段。
其热源循环回路是用温水泵1将海洋表层的温海水抽出后，直接送入蒸发器3中放热，然后排放回海洋中。
动力循环回路中，低沸点循环工质在蒸发器3中吸热后，进入到太阳能集热器2中继续吸热，生成的高温高压蒸汽进入有机透平4中做功，驱动同轴连接的海水淡化回路中的高压泵8。从有机透平4中排出的废汽进入到冷凝器5中冷却成液体，然后经循环泵Ⅰ6送回到蒸发器3中开始下一次循环。
冷源循环回路和海水淡化回路与实例1相同。

Claims (9)

1.一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统，其特征在于，包括热源循环回路、动力循环回路、冷源循环回路和海水淡化回路；所述的动力循环回路包括利用循环工质做功的有机透平（4）；所述的热源循环回路包括抽取温海水的温水泵（1），温水泵（1）的输出端通过蒸发器（3）为动力循环回路提供循环工质蒸发的热源；所述的冷源循环回路包括抽取冷海水的冷水泵（7），冷水泵（7）的输出端通过冷凝器（5）为动力循环回路提供循环工质冷凝的冷源；所述的海水淡化回路为包括高压泵（8）和反渗透装置（9）的反渗透淡化系统；有机透平（4）的动力输出端与高压泵（8）的驱动轴连接；所述的热源循环回路或动力循环回路中设置太阳能集热器（2）；太阳能集热器（2）连接在温水泵（1）与蒸发器（3）之间或连接在蒸发器与有机透平（4）之间。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述的海水淡化回路还包括压力交换器（10）和循环泵Ⅱ（11）；压力交换器（10）的释放侧连接反渗透装置（9）的高压浓海水排出端；回收侧串接循环泵Ⅱ（11）后与高压泵（8）并联。
3.根据权利要求2所述的一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述的循环泵Ⅱ（11）设置在压力交换器（10）回收侧下游。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述的动力循环回路为以低沸点有机物为循环工质的朗肯循环；在冷凝器（5）与蒸发器（3）之间低温循环工质连通段设置有循环泵Ⅰ（6），在高温循环工质连通段设置有机透平（4）。
5.根据权利要求4所述的一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述的朗肯循环为亚临界循环，循环工质采用R123、R134a、R152a、R245fa和异戊烷中的任意一种。
6.根据权利要求4所述的一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述的朗肯循环为超临界循环，循环工质采用R143a、R218、R125、R41和CO2中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述的热源循环回路中温海水的输入端和放热后温海水的输出端分别设置在海洋的表面温海水层。
8.根据权利要求1所述的一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述的冷源循环回路中冷海水的输入端和吸热后冷海水的输出端分别设置在海平面以下600-1000米的深层冷海水层。
9.根据权利要求1所述的一种太阳能和海洋温差联合驱动的海水淡化系统，其特征在于，所述的有机透平（4）与高压泵（8）之间采用同轴驱动。
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