CN104147931A - 风力压缩空气储能式海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力压缩空气储能式海水淡化系统，包括风力涡轮机、行星齿轮、提水泵、膜式气压淡化单元、涡旋机等。其中，风力涡轮机、提水泵及涡旋机分别经变速机构和行星齿轮行星架、齿圈及太阳轮相连，提水泵提升预处理海水，膜式气压淡化单元内有桶形反渗透膜和球形弹性气囊，球形弹性气囊经比例阀和气罐相连，配合提水泵可实现反渗透水压柔性无级控制；涡轮机回收废水压能辅助驱动提水泵；压缩空气储能由涡旋机和气罐以及两并联气路组成，多余风能驱动涡旋机压缩，风能不足时，涡旋机膨胀逆转补充提水泵差额功率。本发明采用压缩空气储能稳定海水淡化工况，结合弹性气囊的反渗透压柔性无级控制，大幅提高海水淡化效率以及渗透膜使用寿命。

Description

风力压缩空气储能式海水淡化系统

技术领域

本发明涉及一种海水淡化系统，尤其是一种应用于解决淡水资源匮乏的风力压缩空气储能式膜技术海水淡化系统。

背景技术

在世界水资源紧张和能源危机的双重压力下，海水淡化解决水资源缺乏获得了各国科研人员重视。海水淡化能耗大，特别对于一些偏远海岛，电网无法触及，电能和淡水资源同样困扰海岛住户，但风资源丰富，发展风能等可再生能源海水淡化无疑是解决水资源匮乏的有效手段。

海水淡化主要有蒸馏法和膜法两种类型，其中膜法式海水淡化因其能耗小、易维护、规模大等特点已成为海水淡化主流技术。但风能本身的间歇性和波动性常使海水淡化系统工作在变工况状态下，研究发现海水淡化技术并不适合变工况运行，尤其是膜技术海水淡化技术，渗透压和流量的波动直接影响淡化处理效率和淡化质量，增加反冲洗次数，甚至损坏渗透膜；目前普遍采用淡化单元开关控制、风机功率控制以及储能等方法应对风能波动性以实现海水淡化恒工况，其中淡化开关控制通过改变海水淡化单元数量动态跟随风机功率，实现海水淡化单元工况稳定，但却因淡化单元数量变化难以保证淡水供应；风机功率控制则经由机舱偏航以及变桨距实现海水淡化功率恒定，但却降低了风能捕获效率；研究发现高效储能是有效解决上述问题的有效手段，目前海水淡化系统普遍采用蓄电池储能对风能平抑，但蓄电池储能存在循环寿命短且生产过程及废旧处理存在污染转移问题，无疑增加构建海水淡化系统的成本和环保压力。

发明内容

本发明目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种风力压缩空气储能式膜技术海水淡化系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种风力压缩空气储能式海水淡化系统，包括风力涡轮机、行星齿轮、提水泵、膜式气压淡化单元以及涡旋机等。风力涡轮机捕获风能，并由行星齿轮将转矩分配至海水淡化和压缩空气储能两支路，提水泵经变速装置和行星齿轮齿圈机械耦合，提升预处理海水并送至膜式气压淡化单元，其流量由提水泵负责，反渗透压由比例阀门控制弹性气囊气压实现；废弃海水能量由涡轮机助推提水泵；压缩空气储能平抑风能波动性和间歇性问题，当风机功率超过提水泵功率，涡旋机工作在压缩储能模式，将多余能量存储在气罐中，而当风机功率不足于确保提水泵额定工况运行时，涡旋机膨胀助力辅助驱动提水泵运行；涡旋机与气罐之间有两条并联气路相连，即含单向阀压缩支路以及含电磁比例阀的膨胀支路。

所述行星齿轮是机械耦合装置，其有行星架、齿圈以及太阳轮等三个输入和输出轴，分别经变速机构和风力涡轮机、提水泵以及涡旋机机械联接，完成风能合成与分解，且分配比例严格由齿圈和太阳轮转速比决定，所述变速机构是确保提水泵和涡旋机高效转速范围运行。

所述提水泵用于提升预处理海水，同时为海水淡化单元提供反渗透压及进水流量，其输入功率严格由压缩空气储能对波动的风机功率周期平抑。

所述膜式气压淡化单元，由圆柱型渗透膜和球型弹性气囊组成，其中圆柱型渗透膜在反渗透压作用下，可将淡水经渗透膜渗出，高压盐废水排出；为提高海水淡化效率和渗透膜寿命，系统运行工况须确保稳定，其中反渗透压是经由球形弹性气囊气压控制实现。

所述风力涡轮机、提水泵、涡旋机以及涡轮机等设置有转速传感器。

所述涡旋机排气口以及进口均设置有压力传感器，储气罐内设有压力和温度传感器。

所述压膜式气压淡化单元分别设有水压传感器、流量传感器；球型压缩气囊内设有压力传感器，其气囊具有韧性特点。

所述预处理池内设有PH传感器和桶式过滤器，完成海水预处理，提供待淡化海水水源。

所述压力传感器、速度传感器、温度传感器、比例阀门、开关阀、电磁离合器分别与中央控制器DSP28335相连。

本发明的有益效果是：1）风力涡轮机经机械耦合装置驱动提水泵，省却了传统风力海水淡化系统中的发电机，减少了机械-电-机械等2级能量转换环节，提高了风能利用率。2）采用压缩空气储能方式确保提水泵工况稳定，有效消除风机波动性功率对海水淡化系统影响，易于实现反渗透膜恒工况运行，提高淡化效率以及反渗透膜使用寿命。3）采用独特结构的桶形反渗透滤膜结构，提高了反渗透膜接触面积；融提水泵和球型弹性气囊共同构成膜式气压淡化单元的恒工况控制机制，尤其是球型弹性气囊的柔性无级反渗透压控制，有效解决了传统反渗透装置高压泵流量和渗透压严重耦合问题，可大幅提高海水淡化效率以及渗透膜使用寿命。

附图说明

图1表示了风力压缩空气储能式海水淡化系统结构简图。

图2表示了压缩空气膜式海水淡化单元结构简图。

图3表示了海水淡化系统控制结构图。

本专利所设计的风力压缩空气储能式海水淡化系统（如图1）包括风力涡轮机（1）、行星齿轮（3）、提水泵（8）、海水淡化单元（桶形反渗透膜（26）、球形弹性气囊（27））、预处理滤池（9）、涡轮机（16）、涡旋机（15）。

其中，2、6和12为电磁制动器；4 行星齿轮行星架；5行星齿轮齿圈；11行星齿轮太阳轮；7 提水泵变速机械结构；17 海水单向阀；19 海水开关阀；20 废水开关阀；25和29 淡化后水；30 压缩气体腔室；22 淡水排出开关；23和21分别为比例电磁阀； 28 未处理海水圆柱腔室；13 涡轮机机械耦合装置；14涡旋机变速装置；31 溢流阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-图3所示，一种风力压缩空气储能式海水淡化系统，包括海水淡化支路和压缩空气储能支路，两支路机械耦合结构是由行星齿轮3完成；而气体内能耦合方式则采用球形弹性气囊30，其内气压改变由气罐24在比例电磁阀23柔性调节，同时气囊的弹性特性使其将气体内能直接传递给海水，实现提水泵水压和气体气压海水水压能量耦合；上述两种能量耦合共同完成海水淡化和压缩空气储能的能量交互，确保海水淡化恒定工况下运行。

所述涡旋机15是实现压缩空气储能关键设备，即可将风机多余功率以压缩空气的形式储存，又可在高压气体驱动下逆转，将压缩气体内能转化为机械能辅助驱动提水泵8，确保提水泵恒功率运行；涡旋机15与储气罐24之间通过两并联气路相连，其中一路上设有单向阀18，另一路设有比例电磁阀21；涡旋机15通过变速装置14与行星齿轮的太阳轮11相连，使涡旋机工作在高效转速范围；当涡旋机15工作于压缩模式时，比例电磁阀21关闭，涡旋机15排出高压气体经单向阀18存储在气罐24内；当涡旋机15工作于膨胀模式时，高压气体经比例电磁阀21动态调节膨胀助力功率大小，确保提水泵恒功率运行。

所述涡轮机16是实现水压能和机械能转化关键设备，由于海水淡化废水中含有较大水压能，涡轮机对水压能直接回收，并辅助驱动同轴联接的提水泵。

根据风机功率、提水泵功率以及气罐气压，系统存在风机淡化模式、压缩淡化模式、膨胀淡化模式以及气供淡化模式等4种工作模式。其中，风机淡化模式：当风机存在多余功率但不足以启动涡旋机时，风机功率提供给提水泵，结合弹性气囊气压完成反渗透压恒定控制；压缩淡化模式：风机部分功率由提水泵提水至海水淡化单元，同时多余功率驱动涡旋机压缩气体至气罐，结合风速波动、废水排放以及阀门开启等工况变化，调节弹性气囊气压，确保海水淡化效率；膨胀淡化模式：风机功率不足以满足提水泵功率，涡旋机膨胀辅助驱动提水泵，辅助功率大小由电磁比例阀门21阀门开度调节，海水淡化单元渗透压由提水泵和球星弹性气囊联合完成；气供淡化模式：风机停机，提水泵完全由涡旋机膨胀驱动，结合球形弹性气囊气压调整，完成海水高效淡化。

 风力压缩空气储能式海水淡化控制策略如下：

P _w：风机功率，可基于风速、气罐气压以及风机功率曲线计算；

T _w：风机功率，可基于风速、气罐气压以及风机功率曲线计算；

T _k：行星齿轮太阳轮分担转矩，其值为T _w/(k+1)，k为行星齿轮齿圈齿数和太阳轮齿数比；

P _pump：提水泵功率，其由设计海水淡化单元的流量及反渗透压计算；

T _com：由气罐24气体压力所估计的涡旋机15压缩时负载转矩；

P _em：由气罐2气体压力所估计涡旋机15最大膨胀功率。

1）若P _w > P _pump ，但T _K <T _com ，即气罐2气压较大，多余能量无法驱动涡旋机，系统运行在风机淡化模式。风机捕获功率完全供给海水淡化支路，此时电磁制动器12制动，电磁制动器2和6分别掉电松开，提水泵工作，此时风机工作点因提水泵功率变化进行负载跟随，此时压缩气体经由电磁比例阀23调控球形弹性气囊30气压，确保风速些许波动情况下渗透压稳定，同时阀门开关22和20打开，淡水排出，高压废水则经由涡轮机16回收，并辅助驱动提水泵8。

2）若P _w > P _pump ，且T _K >T _com ，即风机多余能量足以驱动涡旋机运行在压缩模式，系统运行在压缩淡化模式。电磁制动器12、2和6分别掉电松开，风机功率经行星齿轮进行分配，提水泵将预处理后海水提升至海水淡化单元；同时行星齿轮太阳轮11分担功率驱动涡旋机15正转压缩，比例电磁阀21关闭，风机多余功率压缩储存在气罐以待风能不足时膨胀助力，同时气罐气体经由电磁比例阀23动态调节球形气囊气压，借助提水泵所致水压，确保海水淡化单元工况稳定。

3）若P _w <P _pump，且P _em> P _pump- P _w，即风机功率不足满足提水泵功率，但涡旋机有能力补充差额功率，系统运行在膨胀淡化模式。电磁制动器12、2和6分别掉电松开，涡旋机在气罐高压气体驱动下膨胀助力，以提水泵差额功率为目标动态调节电磁比例电磁阀21阀门开度，实时控制涡旋机膨胀功率，同时动态调节电磁比例电磁阀23阀门开度，控制球形弹性气囊气压，确保海水淡化单元工况稳定。

4）风速小于风机启动风速，风机停止，同时P _em > P _pump 时，涡旋机有足够能力驱动提水泵功率，系统工作在气供淡化模式，电磁制动器2制动，电磁制动器12和6分别掉电松开，气罐气压经由比例阀膨胀驱动涡旋机，以提水泵所需功率为目标动态调节电磁比例电磁阀21阀门开度，实时控制涡旋机膨胀功率，同时动态调节电磁比例电磁阀23阀门开度，控制球形弹性气囊气压，确保海水淡化单元工况稳定。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种风力压缩空气储能式海水淡化系统，包括风力涡轮机、行星齿轮、提水泵、膜式气压淡化单元、涡旋机和气罐等；风力涡轮机捕获风能，通过和行星齿轮太阳轮联接的基于涡旋机压缩空气储能，平抑风能波动性和间歇性问题；提水泵提升预处理海水并送至膜式气压淡化单元，海水反渗透压由提水泵和球型弹性气囊联合控制；涡轮机回收废弃水压能并辅助驱动提水泵；涡旋机在风能多余时，接收经行星齿轮分解的风能压缩储能，而在风能不足甚至无风时，涡旋机在高压气体膨胀下经行星齿轮和风能联合驱动提水泵。

2.权利要求1所述行星齿轮是机械耦合装置，其有行星架、齿圈以及太阳轮等三个输入和输出轴，分别通过变速结构和风力涡轮机、提水泵以及涡旋机机械联接，完成风能合成与分解，且分配比例严格由齿圈和太阳轮转速比决定。

3.权利要求1所述膜式气压淡化单元，由圆柱型渗透膜和球型弹性气囊组成，其中圆柱型渗透膜在反渗透压作用下，可将淡水和高压盐废水分离，球星弹性气囊经电磁比例阀和气罐相连，其内气压柔性调节确保反渗透压稳定，设有压力传感器，具有韧性伸缩特性。

4.权利要求1所述风力涡轮机、提水泵、涡旋机以及涡轮机等设置有转速传感器；所述涡旋机排气口以及进口均设置有压力传感器，气罐内设有压力和温度传感器；所述压缩储能海水淡化单元分别在内设有水压传感器、流量传感器；上述传感器以及系统中的电磁比例阀门、开关阀、电磁制动器分别与中央控制器DSP28335相连。