CN103807104A - 一种海岛供电取水装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海岛供电取水装置，包括：风力发电部、智能控制部、制冷循环部、蓄电池和取水部；所述智能控制部通过内设的接口模块，控制所述风力发电部将风能转换为电能；所述电能控制所述制冷循环部冷凝，通过所述取水部取水，并将剩余电量存储于所述蓄电池中。本发明公开的海岛供电取水装置，省略了水泵，集成解决了海岛供水和供电问题，具有更高的效益比。

Description

一种海岛供电取水装置

技术领域

本发明涉及新能源利用领域，尤其涉及一种海岛供电取水装置。

背景技术

海洋资源的利用越来越得到社会的重视，而海洋中的岛屿是人类开发海洋的基地和前进支点。我国有500 m2以上的海岛6500个以上，总面积6600多km2，其中有常住居民的455个，人口470多万。海岛大多面积狭小，地域结构简单，环境相对封闭，生态系统构成也较为单一，稳定性差，资源特别是淡水资源贫乏，电力难以供应，这些都严重制约了海岛的开发利用。此系统能充分利用海岛的现有高风速，高湿度的优势资源，低成本实现居民日常用水用电的自给自足，解决严重制约海岛发展的供水供电问题，并且对于岛上的环境基本没有影响而保护了其独特的生态环境，使得海岛更易开发利用。

海岛开发正在迎来热潮，但是海岛的生态环境往往独特而脆弱。供水、供电、交通是目前海岛居民及未来海岛开发面临的三大重点难题。结合国内外海岛的实际情况，目前成熟的海岛供水方式普遍存在投资高、施工维护难度大的缺点；而海岛电网或海底电缆线路的建设成本也一直居高不下，这严重阻碍了海岛的发展。

海岛由于自身特殊的地形地貌，具有降水少、地表可利用径流少、地下水利用困难的特点。同时海岛远离大陆、岛间相距大，形成了海岛水资源共享性差、调水引水补给困难且单方水建设成本高的局面。因此在国内外，海岛电力及淡水供应问题一直没有好的解决方案。

发明人在研究的过程中发现，目前海岛供水具有投资高，实施条件约束多，对海岛生态影响较大等不利因素。由于海岛特殊的地理位置原因，岛屿间输电线路多采用海底电缆或大跨度架空线路，导致海岛电网的建设成本远高于大陆电网；许多海岛的用电还是靠柴油机组自行发电解决，发电成本高，电价贵，污染重。这些都使得海岛居民的用电成本居高不下，严重影响了居民的日常生活与海岛的开发利用。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种海岛供电取水装置，集成解决了海岛供水和供电问题，具有更高的效益比。

该装置包括：风力发电部、智能控制部、制冷循环部、蓄电池和取水部； 

所述智能控制部通过内设的接口模块，控制所述风力发电部将风能转换为电能；所述电能控制所述制冷循环部冷凝，通过所述取水部取水，并将剩余电量存储于所述蓄电池中。 

进一步的，所述制冷循环部包括冷凝器、排气扇和蒸发器，所述蒸发器的一端连接所述风力发电部，另一端通过所述排气扇连接所述冷凝器。

进一步的，所述风力发电部增设聚风罩，连接所述制冷循环部。

进一步的，所述风力发电部还包括发电机、风叶和进风口温湿度传感器；

所述风叶安装在所述发电机上，与所述进风口温湿度传感器嵌套在所述聚风罩内并固定在塔架顶端；

所述进风口温湿度传感器和所述发电机与所述智能控制部连接。

进一步的，所述制冷循环部还包括压缩机和出风口温湿度传感器，所述压缩机安装在所述蒸发器和所述冷凝器的底端，用于带动制冷循环部将潮湿空气的温度降低并提取冷凝水；

所述压缩机和所述出风口温湿度传感器与所述智能控制部连接。

进一步的，所述取水部包括集水槽和集水箱，所述集水槽安装在所述蒸发器的底部，并通过输水管道连接所述集水箱。

进一步的，所述智能控制部包括控制器，所述控制器与所述蓄电池连接，将控制风力发电部冷凝后剩余的电量存储在所述蓄电池中。

进一步的，所述蓄电池安装在塔架底端，固定在临海的地面上。

进一步的，所述智能控制部和所述取水部安装在所述塔架上的支架处。

本发明实施例的技术方案带来的有益效果如下：

通过本发明提供的方案，利用海面高湿度、大风速的气候条件，设计了一种利用风能获得电力及淡水资源的装置，来解决海岛等偏远地区的淡水供应及供电问题。装置成本低，同时建造难度小，对海岛生态没有任何破坏，且可实现智能控制，能自动适应各种环境条件，以满足海岛居民的日常淡水供应及电力需求。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种海岛供电取水装置结构示意图。

图2为本发明实施例所提供的一种海岛供电取水装置结构中的单项逆变电路图示意图。

图3为本发明实施例所提供的一种海岛供电取水装置结构中的水的焓湿图示意图。

图4为本发明实施例所提供的一种海岛供电取水装置结构中的实验拟合曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

海岛气候具有湿度大风速高的特点。下面表格中，月平均风速、月平均气温、月平均相对露点温度、月平均相对湿度数据来自国家海洋信息中心。通过表格可以发现，相对于内陆地区，海岛空气的风速及含湿量要高许多。因此，潮湿的空气应该成为海岛电能和淡水来源的一种考虑。

海岛月气候平均数据

月份	1月2月	3月4月	5月6月	7月8月	9月10月	11月12月
							平均风速	11	8.5	6	5.5	10	11.5
平均气温	16	19.5	18	28	25.5	20
							露点温度	13.5	17.5	24	25.5	22.5	18
相对湿度	88	93	94	94	89.5	86

如图所述，

该装置包括：风力发电部、智能控制部、制冷循环部、蓄电池14和取水部； 

所述智能控制部通过内设的接口模块，控制所述风力发电部将风能转换为电能；所述电能控制所述制冷循环部冷凝，通过所述取水部取水，并将剩余电量存储于所述蓄电池14中。 

风力发电部的发电系统的电源转换装置由整流及boost升压电路，单向逆变电路和DC-DC降压电路组成。由于风力发电机发出的不稳定的交流电不能直接使用，通过整流并通过boost电路升压后一部分充入蓄电池中，另一部分可以逆变后得到稳定的交流电以带动压缩机工作。单项逆变电路如图2所示，

逆变部分主电路包括单相全桥逆变电路以及滤波保护电路，并加上缓冲电路。在开关管的缓冲电路上采用RCD并联缓冲，组成漏电感能量的释放通道，防止关断时的漏电感能量损坏开关管。图示T1，T2，T3，T4为四个开关管组成单相逆变桥。同时蓄电池通过TPS54331DC-DC降压芯片得到不同电压，以供给控制系统。

进一步的，所述制冷循环部包括冷凝器7、排气扇8和蒸发器5，所述蒸发器的一端连接所述风力发电部，另一端通过所述排气扇连接所述冷凝器。

蒸发器会对流经风力发电装置的空气产生一定的阻力，影响发电效率，本发明可以使蒸发器与风力发电机叶片保持合适的距离，同时在蒸发器和冷凝器之间加装了排气扇以补偿部分动能损失。另一方面，由于制冷循环系统放置于高处，风速较大，有利于冷凝器的散热。同时，冷凝器置于蒸发器之后，这样经过蒸发器而冷却下来的空气流经冷凝器，能够更好地与冷凝器换热，从而降低整个制冷循环的能耗。

进一步的，所述风力发电部增设聚风罩2，连接所述制冷循环部。

聚风罩能够大大提高风力发电机的入口风速，增强气流，使得风力发电机的效率提高，产生更多的电能；聚风罩能够补偿后面冷凝翅片造成的风阻，也能为后面的冷凝取水装置的安装提供支撑。

进一步的，所述风力发电部还包括发电机1、风叶3和进风口温湿度传感器4；

所述风叶安装在所述发电机上，与所述进风口温湿度传感器嵌套在所述聚风罩内并固定在塔架顶端；

所述进风口温湿度传感器和所述发电机与所述智能控制部连接。

进一步的，所述制冷循环部还包括压缩机10和出风口温湿度传感器6，所述压缩机安装在所述蒸发器和所述冷凝器的底端，用于带动制冷循环部将潮湿空气的温度降低并提取冷凝水；

所述压缩机和所述出风口温湿度传感器与所述智能控制部连接。

进一步的，所述取水部包括集水槽9和集水箱12，所述集水槽安装在所述蒸发器的底部，并通过输水管道连接所述集水箱。

进一步的，所述智能控制部包括控制器15，所述控制器与所述蓄电池14连接，将控制风力发电部冷凝后剩余的电量存储在所述蓄电池中。

进一步的，所述蓄电池安装在塔架13底端，固定在临海的地面上。

进一步的，所述智能控制部和所述取水部安装在所述塔架13上的支架11处。

本发明设计了一套算法，并以此来判定系统在不同的工作环境下（如白天黑夜，不同季节等），如何分配风力发电机发出的电能以进行取水和供电，从而使系统整体效益达到最大值。

首先，通过查阅已知的湿空气温度、含湿量和焓关系，可以得出，虽然湿空气温度下降的越多，出水量越大，但同时消耗的能量也越多，而且两者并不成比例关系。也就是说，将风力发电机发出的电能全部用来冷凝取水并不划算，对于某个特定温湿度状态的湿空气，有一个最佳温降值，这时候出水量与所需能量的比值最大。通过Matlab编程，根据湿空气各状态之间的关系式，将焓湿图数字化（空气干湿球温度数据来源参见NIST Chemistry WebBook - accessed Feb 2008），这时只要在程序中输入湿空气的温度和湿度参数，就可以计算出当前条件下湿空气的焓和含湿量，通过编写循环程序，可以通过计算机计算来获得足够多温湿度状态下的焓和含湿量。

现假设初态（进风口）温度t1，相对湿度ψ1，定义单位功出水量为:

Δm=mv/W     (其中mv为单位千克湿空气出水量，W为换热做的功)

则下降ΔT后，出风口的温度   t2=t1-ΔT，ψ1=100%；

单位千克湿空气出水量         mv=d1-d2

换热做的功为                 W=h1-h2

则单位功出水量              Δm=mv/W=（d1-d2）/(h1-h2)

通过数学软件matlab编写函数，设定ΔT变量由1℃变化到10℃（因为制冷压缩机的功率有限，最多只能降低10℃），并求出其对应的Δm，比较十组值的大小，其中单位功出水量即Δm最大对应的ΔT即为当前假定状态的最佳降低温度。

通过上面的求解，得到了特定环境参数（即某一温度，某一相对湿度下）对应的最佳下降温度。现假定确定环境参数的变化范围。假设温度变化范围为t=10℃——40℃（1℃）；相对湿度变化范围：40%——90%（10%）；则可以得到180组不同的环境参数，分别调用已经编译好的程序，求出其对应的最佳下降温度。

将算出的最佳温降值以数组形式存入控制器中，可以采用如XC878单片机作为主控芯片，或其他可以替换的芯片。

外接数字型温湿度传感器如DHT11以采集环境温度和湿度，查询数组，得到当前状态下的最佳温降值。同时温度传感器如PT100通过主控自带的10位AD采样后送入单片机，得到经过冷却的湿空气的温度，计算出实际温降值。以最佳温降值为控制目标，以实际温降值作为系统的反馈来控制压缩机工作状态，这样系统并不是简单的将能量全部用来取水，而是始终以最有效率的方式来冷凝，将富余的电量储存于蓄电池中用于家庭日常生活供电。

进一步的，所述蓄电池14安装在塔架13底座上，所述底座固定在临海的地面上。

进一步的，所述智能控制部和所述取水部安装在所述塔架13上的支架11处。

冷凝取水部分相当于是一个空气冷凝除湿的过程。能量方程和质量方程分别为：

q1=h1-h2-(d1-d2)*hL2

Δmv=d1-d2

式中，q1为冷却水带走的热量，h1、h2为状态1与状态2湿空气的比焓，d1、d2为状态1与状态2湿空气的含湿量。hL2为饱和水的焓。Δmv为湿空气中含湿量之差。焓湿图如图3所示。

若初态（进风口）温度t1=22℃，相对湿度ψ=90%，

而终态（出风口）温度t2=10℃，相对湿度ψ=100% 

在焓湿图上求得：

初态的含湿量   d1=0.0150kg/kg；   湿空气比焓    h1=60.0kJ/kg；

终态的含湿量   d2=0.0076kg/kg；   湿空气比焓    h2=29.2kJ/kg；

在饱和蒸汽表中查得，  t2=10℃时  饱和水的焓为hL2=42.0kJ/kg；

则单位千克湿空气出水量Δmv:

Δmv=d1-d2=0.0150-0.0076=0.0079kJ/kg (干空气)

过程中放出的热量q1:

     q1=h1-h2-(d1-d2)*hL2

       =60.0*103-29.2*103-(0.0150-0.0076)*42.0*103J/kg (干空气)

       =30.47kJ/kg (干空气)

若制冷压缩机的制冷量为P=3500W，则每小时出水量m为：

  m =P*Δmv/q1

    =350*60*60*0.0079 

    =3.267kg/h

此装置可解决空气中凝结的水珠容易随气流直接进入下游而无法收集的问题，同时空调产生了我们需要的冷凝水，同时产生的干冷空气可以再次利用。

为了进一步验证系统的取水效率，并科学地估算出系统在高湿度条件下的实际效率。通过在低湿度条件下空调产生冷凝水的过程对系统方案进行数值模拟。

空调系统的制冷器在制冷工作状态时，其表面温度低于空气的露点温度，会产生冷凝水。冷凝水量由空调制冷量、室内空气温度、湿度及空气循环量等因素确定。

以某厂生产的KFR-35GW/K型空调为实验平台，该空调制冷量为3500W，输入功率为1015W，空气循环量为630 m3／h。在所有实验中，所有空调均置于室内，房间窗户打开，空气自然流动。室内温度控制在22度。通过加湿器改变室内空气湿度。在稳态情况下，测量每10分钟冷凝水量。实验数据如图4所示。通过Matlab 拟合计算出在高湿度环境下单位时间出水量。根据图4数据，当空气湿度为90%时，每小时出水3.8kg。这与先前的理论计算相吻合。至此，我们从理论和实验上验证了大气取水的可行性。

本发明实现风力发电机与制冷压缩机集成一体化，同时有灵活的控制策略，适用性强。对于不同的地区，甚至同一地区的不同季节，可以适当调整控制策略，以符合当地居民对水电的实际需求。如某缺水地区存在雨季，雨季时用电较用水紧张，这时我们可以适当人为降低最佳温降点，以使更多风能用来发电。

提出了一种新型的绿色可持续的供水方案，建造成本小，并且运行功耗基本为零。本系统充分利用了海岛的现有优势资源，实现了居民每日用水用电的自给自足而对环境没有任何伤害，减少了能源浪费，从而降低碳排放与对环境的污染，将创造可观的经济价值和社会效应。

本发明实施例的技术方案带来的有益效果如下：

通过本发明提供的方案，利用海面高湿度、大风速的气候条件，设计了一种利用风能获得电力及淡水资源的装置，来解决海岛等偏远地区的淡水供应及供电问题。装置成本低，同时建造难度小，对海岛生态没有任何破坏，且可实现智能控制，能自动适应各种环境条件，以满足海岛居民的日常淡水供应及电力需求。

该方案具有以下几个优点：

施工难度相比于其他几种方式很小，施工期很短，且维护简便，没有地理条件限制。集成解决了海岛供水和供电问题，能通过自身调整以满足不同季节供需变化。

通过智能控制系统，系统根据事先设定的效能算法分配电能以供电和冷凝取水，将能源以最有效率的形式利用，与传统的冷凝取水装置相比，具有更高的效益比。

在高处收集水资源，水本身就提供了足够的水压，省略了水泵。高度集成化从而减少了器件数量，提高了稳定性。

利用海岛现有资源，不会破坏海岛生态环境。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，但本发明的特征并不局限于此，任何熟悉该项技术的人在本发明领域内，可轻易想到的变化或修饰，都应涵盖在以下本发明的申请专利范围中。

Claims (9)

1.一种海岛供电取水装置，其特征在于，包括：风力发电部、智能控制部、制冷循环部、蓄电池和取水部；所述智能控制部通过内设的接口模块，控制所述风力发电部将风能转换为电能；所述电能控制所述制冷循环部冷凝，通过所述取水部取水，并将剩余电量存储于所述蓄电池中。

2.如权利要求1所述的海岛供电取水装置，其特征在于，所述制冷循环部包括冷凝器、排气扇和蒸发器，所述蒸发器的一端连接所述风力发电部，另一端通过所述排气扇连接所述冷凝器。

3.如权利要求1所述的海岛供电取水装置，其特征在于，所述风力发电部增设聚风罩，连接所述制冷循环部。

4.如权利要求1所述的海岛供电取水装置，其特征在于，所述风力发电部还包括发电机、风叶和进风口温湿度传感器；所述风叶安装在所述发电机上，与所述进风口温湿度传感器嵌套在所述聚风罩内并固定在塔架顶端；所述进风口温湿度传感器和所述发电机与所述智能控制部连接。

5.如权利要求1所述的海岛供电取水装置，其特征在于，所述制冷循环部还包括压缩机和出风口温湿度传感器，所述压缩机安装在所述蒸发器和所述冷凝器的底端，用于带动制冷循环部将潮湿空气的温度降低并提取冷凝水；所述压缩机和所述出风口温湿度传感器与所述智能控制部连接。

6.如权利要求1所述的海岛供电取水装置，其特征在于，所述取水部包括集水槽和集水箱，所述集水槽安装在所述蒸发器的底部，并通过输水管道连接所述集水箱。

7.如权利要求1所述的海岛供电取水装置，其特征在于，所述智能控制部包括控制器，所述控制器与所述蓄电池连接，将控制风力发电部冷凝后剩余的电量存储在所述蓄电池中。

8.如权利要求7所述的海岛供电取水装置，其特征在于，所述蓄电池安装在塔架底端，固定在临海的地面上。

9.如权利要求1所述的海岛供电取水装置，其特征在于，所述智能控制部和所述取水部安装在所述塔架上的支架处。

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