CN104563058A - 一种实现集发电、海水淡化为一体的防波堤装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现集发电、海水淡化为一体的防波堤装置，包括防波堤，设置在防波堤上并依次相连的振荡水柱波能转换装置、海水采集淡化装置和发电装置；振荡水柱波能转换装置包括中空装置箱、捕能气室和能量转化装置，用于将来自防波堤外侧的波浪能转化成机械能而驱动海水采集淡化装置运行；发电装置用于将海水采集淡化装置淡化中产生的高压海水浓缩物的高压能量转化为电能。本发明还提供实现方法，包括步骤有捕获并转化波浪能、采集海水进行加压、海水淡化处理、淡水收集并输出、运转发电和高压海水浓缩物排出。结构紧凑、拆装方便、连接可靠、运行平稳、实用性强，利用波浪能实现海水淡化和发电，功能高效、波浪能转换效率高、能量浪费少。

Description

一种实现集发电、海水淡化为一体的防波堤装置及方法

技术领域

本发明涉及一种实现集发电、海水淡化为一体的防波堤装置及方法，属于港口水工建筑物综合利用领域。

背景技术

能源和环境是人类可持续发展面临的重大问题，随着对能源资源的开发日趋激烈，在环境污染加重的同时环保压力也随之增大，世界各国政府都对可再生能源与清洁能源的开发利用给予了高度重视。海洋蕴藏着巨大的可再生清洁能源(如波浪能、潮流能、风能、太阳能等)和资源(如海水等)，开发应用前景广阔，海洋能源和资源的开发和利用是建设资源节约型和环境友好型社会的重要基础。

现阶段人类社会对于能量的需求随着社会生产力的发展与日俱增，淡水日趋缺乏的问题也已引起了人们的广泛关注，其中海水淡化是海水利用的重点。

防波堤作为港口工程中重要的水工建筑物，其作用是为港区提供良好的泊稳条件，利于船舶装卸作业。长期以来，随着港口工程技术发展，防波堤结构形式已日趋成熟；波浪能是海洋能中所占比重较大的一种优质能源；然而，海水淡化与港口工程相结合的应用比较缺乏，大多是单一的波浪能利用，或者是单一的海水淡化装置，存在波浪能转换效率低下、海水淡化中能量浪费较高等缺点。目前在海洋波浪能开发领域，对于波浪能综合利用与港口工程相结合方面的波浪能发电技术则存在波浪能利用途径单一且利用率低的特点。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种实现集发电、海水淡化为一体的防波堤装置及方法，特别适用于在海岸浅水区进行波浪能开发。

本发明所要解决的技术问题是提供结构紧凑、拆装方便、连接可靠、运行平稳、实用性强的实现集发电、海水淡化为一体的防波堤装置，不仅利用波浪能实现海水淡化，而且利用海水淡化后的排出物进行发电，功能高效、波浪能转换效率提升的同时不造成海水淡化的能量浪费，实现波浪能充分开发；极具有产业上的利用价值。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种实现集发电、海水淡化为一体的防波堤装置，包括防波堤，设置在防波堤上并依次相连的振荡水柱波能转换装置、海水采集淡化装置和发电装置；所述振荡水柱波能转换装置用于将来自防波堤外侧的波浪能转化成机械能，所述机械能用于驱动海水采集淡化装置运行；所述发电装置用于将海水采集淡化装置淡化中产生的高压海水浓缩物的高压能量转化为电能。

本发明进一步设置为：所述振荡水柱波能转换装置包括位于防波堤上的中空装置箱、位于装置箱一侧面的捕能气室、以及位于装置箱内的能量转化装置。

其中，所述装置箱的侧面开设有气流交换口一和气流交换口二；所述气流交换口一与捕能气室内腔相贯通，所述气流交换口二与装置箱外空气相贯通；所述捕能气室用于捕获来自防波堤外侧的波浪能、并由波浪作用引起捕能气室内腔的压强发生变化；所述捕能气室包括与装置箱顶面相连的平顶盖、与平顶盖相连并斜向延伸入防波堤外侧海水中的捕能气室前壁。

本发明更进一步设置为：所述能量转化装置包括与气流交换口一相通的气流通道，以气流通道轴线为中心纵向呈对称分布的上加压泵和下加压泵、气流上通道和气流下通道。

其中，所述气流上通道和气流下通道的一端均与气流交换口二相通，另一端分别通过上气流开关和下气流开关与气流通道获得相通；所述上加压泵设置在气流上通道和气流通道之间，所述下加压泵设置在气流下通道和气流通道之间；所述上加压泵和下加压泵均连接有轮片，所述轮片用于受气流推动发生运动后带动上加压泵或下加压泵运行。

本发明更进一步设置为：所述海水采集淡化装置包括海水采集管、海水加压输送管、高压海水输送管、高压海水箱、膜渗透组件、浓缩物输送管和淡水收集箱体。

所述海水采集管用于采集防波堤近侧海水，并将采集来的海水输送入海水加压输送管；所述海水加压输送管中的海水通过能量转化装置中的上加压泵或下加压泵加压后输送入高压海水输送管；所述高压海水输送管将加压后高压海水输送至高压海水箱后、经高压海水箱中的膜渗透组件淡化作用而获得汇聚到淡水收集箱体中的淡水，同时获得的浓缩物则进入浓缩物输送管。

本发明更进一步设置为：所述淡水收集箱体连接有淡水输送管道。

本发明更进一步设置为：所述发电装置包括与浓缩物输送管相连的发电机和浓缩物输出管，所述发电机通过浓缩物输送管中高压海水浓缩物的高压能量驱动发电轮片来带动运转获得电能，所述浓缩物输出管用于将经发电转化的高压海水浓缩物排出。

本发明更进一步设置为：还包括防护箱盖，用于覆盖住振荡水柱波能转换装置、海水采集淡化装置和发电装置起防护作用。

本发明还提供一种实现集发电、海水淡化为一体的方法，包括以下步骤：

步骤1：捕获并转化波浪能；

通过振荡水柱波能转换装置中的捕能气室来捕获来自防波堤外侧的波浪能、并由波浪作用引起捕能气室内腔的压强发生变化，受变化压强差的作用，与捕能气室内腔相通的气流通道中气体随着引起气流流动，流动气流将推动加压泵上的轮片运动来驱使加压泵运转，从而将波浪能转化为加压泵的机械能；

步骤2：采集海水进行加压；

运转的加压泵驱动海水采集管将防波堤近侧海水引入海水加压输送管、并进行加压，加压后输出高压海水到高压海水输送管；

步骤3：海水淡化处理；

将高压海水输送管输送来的高压海水存储到高压海水箱，通过高压海水箱中的膜渗透组件进行淡化处理制取淡水；

步骤4：淡水收集并输出；

将制取出的淡水汇聚到淡水收集箱体中，再由淡水输送管道输送供应；

步骤5：运转发电；

经制取淡水后产生的高压海水浓缩物在浓缩物输送管中推动发电轮片转动，转动的发电轮片再带动发电机运转完成发电，获得电能；

步骤6：高压海水浓缩物排出；

经发电转化的高压海水浓缩物通过浓缩物输出管排出。

其中，所述步骤1的捕获波浪能包括捕能气室捕获来自防波堤外侧的波浪波峰和波浪波谷；当捕获波浪波峰时，气流流动从气流交换口一向气流交换口二路径流动，从而推动上加压泵上的轮片运动来驱使上加压泵运转，将波浪能转化为机械能；当捕获波浪波谷时，气流流动从气流交换口二向气流交换口一路径流动，从而推动下加压泵上的轮片运动来驱使下加压泵运转，将波浪能转化为机械能。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、通过振荡水柱波能转换装置将波浪能直接转化成机械能、用于驱动海水采集淡化装置运行，进行渗透膜法海水淡化，无需将波浪能转化为电能，减少了能量转化过程，不仅波浪能利用充分、转换效率高，而且海水淡化运行平稳、能量浪费少。

2、直接运用波浪能进行膜渗透结构的海水淡化，有效减少中间淡化处理过程，结构紧凑、拆装方便、达到大幅提高能量转换效率的目的。

3、渗透膜法海水淡化后产生的高压海水浓缩物用于带动发电轮片进行水轮发电机发电，保证系统产生淡水的同时实现排出废物发电，达到了能量的综合利用。

4、将振荡水柱波能转换装置、海水采集淡化装置和发电装置均设在防波堤上，并用防护箱盖覆盖起到防护作用，避免设备与海水的直接接触，可解决现有技术中波浪能利用装置广泛存在的海水腐蚀问题，并提高机械区域核心部件的安全性和可靠性，连接可靠、大大延长整体装置的使用寿命。

5、采用防波堤装置来实现集发电、海水淡化为一体的方法，简单易行、维护方便、维护成本较低，实现充分开发波浪能，具有优异的耐久性和稳定性。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为本发明一种实现集发电、海水淡化为一体的防波堤装置结构示意图；

图2为防波堤装置中能量转化装置的捕获波浪波峰时的状态示意图；

图3为防波堤装置中能量转化装置的捕获波浪波谷时的状态示意图；

图4为防波堤装置中海水采集淡化装置和发电装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1、图2、图3及图4所示，一种实现集发电、海水淡化为一体的防波堤装置，包括防波堤1，设置在防波堤1上并依次相连的振荡水柱波能转换装置、海水采集淡化装置和发电装置；还包括防护箱盖11，用于覆盖住振荡水柱波能转换装置、海水采集淡化装置和发电装置起防护作用。

所述振荡水柱波能转换装置用于将来自防波堤1外侧的波浪能转化成机械能，所述机械能用于驱动海水采集淡化装置运行；所述发电装置用于将海水采集淡化装置淡化中产生的高压海水浓缩物的高压能量转化为电能。

如图1、图2及图3所示，所述振荡水柱波能转换装置包括位于防波堤1上的中空装置箱2、位于装置箱2一侧面的捕能气室3、以及位于装置箱2内的能量转化装置。

所述装置箱2的侧面开设有气流交换口一21和气流交换口二22；所述气流交换口一21与捕能气室3内腔相贯通，所述气流交换口二22与装置箱2外空气相贯通；所述捕能气室3用于捕获来自防波堤1外侧的波浪能、并由波浪作用引起捕能气室3内腔的压强发生变化；

如图1所示，所述捕能气室3包括与装置箱2顶面相连的平顶盖31、与平顶盖31相连并斜向延伸入防波堤1外侧海水10中的捕能气室前壁32。

如图2和图3所示，所述能量转化装置包括与气流交换口一21相通的气流通道4，以气流通道4轴线为中心纵向呈对称分布的上加压泵41和下加压泵42、气流上通道43和气流下通道44。

其中，所述气流上通道43和气流下通道44的一端均与气流交换口二22相通，另一端分别通过上气流开关431和下气流开关441与气流通道4获得相通；所述上加压泵41设置在气流上通道43和气流通道4之间，所述下加压泵42设置在气流下通道44和气流通道4之间；所述上加压泵41和下加压泵42均连接有轮片(图中未示出)，所述轮片用于受气流推动发生运动后带动上加压泵41或下加压泵42运行。

如图1至图4所示，所述海水采集淡化装置包括海水采集管5、海水加压输送管51、高压海水输送管52、高压海水箱6、膜渗透组件7、浓缩物输送管53和淡水收集箱体8。

所述海水采集管5用于采集防波堤1近侧海水，并将采集来的海水输送入海水加压输送管51；所述海水加压输送管51中的海水通过能量转化装置中的上加压泵41或下加压泵42加压后输送入高压海水输送管52；所述高压海水输送管52将加压后高压海水输送至高压海水箱6后、经高压海水箱6中的膜渗透组件7淡化作用而获得汇聚到淡水收集箱体8中的淡水，同时获得的浓缩物则进入浓缩物输送管53。

如图4所示，所述淡水收集箱体8连接有淡水输送管道54。所述发电装置包括与浓缩物输送管53相连的发电机9和浓缩物输出管55，所述发电机9通过浓缩物输送管53中高压海水浓缩物的高压能量驱动发电轮片(图中未示出)来带动运转获得电能，所述浓缩物输出管55用于将经发电转化的高压海水浓缩物排出。

采用本发明的防波堤装置来实现集发电、海水淡化为一体的方法，包括以下步骤：

步骤1：捕获并转化波浪能；

通过振荡水柱波能转换装置中的捕能气室来捕获来自防波堤外侧的波浪能、并由波浪作用引起捕能气室内腔的压强发生变化，受变化压强差的作用，与捕能气室内腔相通的气流通道中气体随着引起气流流动，流动气流将推动加压泵上的轮片运动来驱使加压泵运转，从而将波浪能转化为加压泵的机械能。

步骤2：采集海水进行加压；

运转的加压泵驱动海水采集管将防波堤近侧海水引入海水加压输送管、并进行加压，加压后输出高压海水到高压海水输送管。

步骤3：海水淡化处理；

将高压海水输送管输送来的高压海水存储到高压海水箱，通过高压海水箱中的膜渗透组件进行淡化处理制取淡水。

步骤4：淡水收集并输出；

将制取出的淡水汇聚到淡水收集箱体中，再由淡水输送管道输送供应。

步骤5：运转发电；

经制取淡水后产生的高压海水浓缩物在浓缩物输送管中推动发电轮片转动，转动的发电轮片再带动发电机运转完成发电，获得电能。

步骤6：高压海水浓缩物排出；

经发电转化的高压海水浓缩物通过浓缩物输出管排出。

其中，所述步骤1的捕获波浪能包括捕能气室3捕获来自防波堤1外侧的波浪波峰和波浪波谷。如图1所示，波浪方向如图中箭头方向。

如图2所示，当捕获波浪波峰时，气流流动从气流交换口一21向气流交换口二22路径流动，从而推动上加压泵41上的轮片运动来驱使上加压泵41运转，从而实现将波浪能转化为机械能。具体为波浪到达防波堤处，当波浪波峰位于捕能气室内时，海水液面较高，捕能气室内部压强较大，推动捕能气室内部空气沿图1所示气流正向运动，经气流交换口一进入装置箱内，从而进入如图2所示的能量转化阶段，气流进向如图2中箭头方向所示，此时上气流开关打开、下气流开关闭合，气流经气流上通道向前流动，通过轮片推动上加压泵运转，气流排出后经气流上通道和图1中气流交换口二与大气相通，上加压泵运转过程结束。

如图3所示，当捕获波浪波谷时，气流流动从气流交换口二22向气流交换口一21路径流动，从而推动下加压泵42上的轮片运动来驱使下加压泵42运转，从而实现将波浪能转化为机械能。具体为波浪到达防波堤处，当波浪波谷位于捕能气室内时，海水液面较低，捕能气室内部压强较小，捕能气室内部空气沿图1所示气流正向相反的反方向运动，以弥补压强不足，气流经气流交换口二进入，此时下气流开关打开、上气流开关闭合，气流经气流下通道向前流动进入气流通道，通过轮片推动下加压泵运转，气流排出后经气流通道和图1中气流交换口一流向捕能气室，下加压泵运转过程结束。

本发明的创新点在于，通过振荡水柱波能转换装置将波浪能直接转化成机械能、用于驱动海水采集淡化装置运行，进行渗透膜法海水淡化，无需将波浪能转化为电能，减少了能量转化过程，不仅波浪能利用充分、转换效率高，而且海水淡化运行平稳、能量浪费少；同时，渗透膜法海水淡化后产生的高压海水浓缩物用于带动发电轮片进行水轮发电机发电，保证系统产生淡水的同时实现排出废物发电，达到了能量的综合利用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种实现集发电、海水淡化为一体的防波堤装置，其特征在于：包括防波堤，设置在防波堤上并依次相连的振荡水柱波能转换装置、海水采集淡化装置和发电装置；

所述振荡水柱波能转换装置用于将来自防波堤外侧的波浪能转化成机械能，所述机械能用于驱动海水采集淡化装置运行；

所述发电装置用于将海水采集淡化装置淡化中产生的高压海水浓缩物的高压能量转化为电能。

2.根据权利要求1所述的一种实现集发电、海水淡化为一体的防波堤装置，其特征在于：所述振荡水柱波能转换装置包括位于防波堤上的中空装置箱、位于装置箱一侧面的捕能气室、以及位于装置箱内的能量转化装置；

所述装置箱的侧面开设有气流交换口一和气流交换口二；所述气流交换口一与捕能气室内腔相贯通，所述气流交换口二与装置箱外空气相贯通；

所述捕能气室用于捕获来自防波堤外侧的波浪能、并由波浪作用引起捕能气室内腔的压强发生变化；所述捕能气室包括与装置箱顶面相连的平顶盖、与平顶盖相连并斜向延伸入防波堤外侧海水中的捕能气室前壁。

3.根据权利要求2所述的一种实现集发电、海水淡化为一体的防波堤装置，其特征在于：所述能量转化装置包括与气流交换口一相通的气流通道，以气流通道轴线为中心纵向呈对称分布的上加压泵和下加压泵、气流上通道和气流下通道；

所述气流上通道和气流下通道的一端均与气流交换口二相通，另一端分别通过上气流开关和下气流开关与气流通道获得相通；

所述上加压泵设置在气流上通道和气流通道之间，所述下加压泵设置在气流下通道和气流通道之间；所述上加压泵和下加压泵均连接有轮片，所述轮片用于受气流推动发生运动后带动上加压泵或下加压泵运行。

4.根据权利要求3所述的一种实现集发电、海水淡化为一体的防波堤装置，其特征在于：所述海水采集淡化装置包括海水采集管、海水加压输送管、高压海水输送管、高压海水箱、膜渗透组件、浓缩物输送管和淡水收集箱体；

所述海水采集管用于采集防波堤近侧海水，并将采集来的海水输送入海水加压输送管；所述海水加压输送管中的海水通过能量转化装置中的上加压泵或下加压泵加压后输送入高压海水输送管；所述高压海水输送管将加压后高压海水输送至高压海水箱后、经高压海水箱中的膜渗透组件淡化作用而获得汇聚到淡水收集箱体中的淡水，同时获得的浓缩物则进入浓缩物输送管。

5.根据权利要求4所述的一种实现集发电、海水淡化为一体的防波堤装置，其特征在于：所述淡水收集箱体连接有淡水输送管道。

6.根据权利要求4所述的一种实现集发电、海水淡化为一体的防波堤装置，其特征在于：所述发电装置包括与浓缩物输送管相连的发电机和浓缩物输出管，所述发电机通过浓缩物输送管中高压海水浓缩物的高压能量驱动发电轮片来带动运转获得电能，所述浓缩物输出管用于将经发电转化的高压海水浓缩物排出。

7.根据权利要求1所述的一种实现集发电、海水淡化为一体的防波堤装置，其特征在于：还包括防护箱盖，用于覆盖住振荡水柱波能转换装置、海水采集淡化装置和发电装置起防护作用。

8.一种实现集发电、海水淡化为一体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：捕获并转化波浪能；

通过振荡水柱波能转换装置中的捕能气室来捕获来自防波堤外侧的波浪能、并由波浪作用引起捕能气室内腔的压强发生变化，受变化压强差的作用，与捕能气室内腔相通的气流通道中气体随着引起气流流动，流动气流将推动加压泵上的轮片运动来驱使加压泵运转，从而将波浪能转化为加压泵的机械能；

步骤2：采集海水进行加压；

运转的加压泵驱动海水采集管将防波堤近侧海水引入海水加压输送管、并进行加压，加压后输出高压海水到高压海水输送管；

步骤3：海水淡化处理；

将高压海水输送管输送来的高压海水存储到高压海水箱，通过高压海水箱中的膜渗透组件进行淡化处理制取淡水；

步骤4：淡水收集并输出；

将制取出的淡水汇聚到淡水收集箱体中，再由淡水输送管道输送供应；

步骤5：运转发电；

经制取淡水后产生的高压海水浓缩物在浓缩物输送管中推动发电轮片转动，转动的发电轮片再带动发电机运转完成发电，获得电能；

步骤6：高压海水浓缩物排出；

经发电转化的高压海水浓缩物通过浓缩物输出管排出。

9.根据权利要求8所述的一种实现集发电、海水淡化为一体的方法，其特征在于：所述步骤1的捕获波浪能包括捕能气室捕获来自防波堤外侧的波浪波峰和波浪波谷；

当捕获波浪波峰时，气流流动从气流交换口一向气流交换口二路径流动，从而推动上加压泵上的轮片运动来驱使上加压泵运转，将波浪能转化为机械能；

当捕获波浪波谷时，气流流动从气流交换口二向气流交换口一路径流动，从而推动下加压泵上的轮片运动来驱使下加压泵运转，将波浪能转化为机械能。