CN105905968A - 风能光能互补发电的节能型海水淡化装置及控制方法 - Google Patents

风能光能互补发电的节能型海水淡化装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种风能光能互补发电的节能型海水淡化装置及控制方法，包括：电气控制柜，所述电气控制柜电性连接于外部的电网供电线路，该电气控制柜通过多个电力输出端向海水淡化装置所具有的各负载供电；光伏发电组件，位于电气控制柜与太阳能光伏板之间设置有第一逆变器，该第一逆变器交流电输出端电性连接于电气控制柜，该第一逆变器的直流电输入端电性连接于太阳能光伏板；风力发电组件，位于风力发电组件与电气控制柜之间依次设置有风力发电控制器和第二逆变器，所述第二逆变器的交流电输出端电性连接于电气控制柜。本发明利用太阳能发电和风能发电向海水淡化系统电力负载供电，并配合传统电网进行新能源电力的最大化和本地化利用，减少资源浪费。

Description

风能光能互补发电的节能型海水淡化装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种海水淡化设备，尤其涉及一种风能光能互补发电的节能型海水淡化装置及控制方法。
背景技术
海水淡化的技术主要包括热法驱动和膜法驱动两种，其中热法驱动的瓶颈在于能源消耗量大，利用太阳能这种清洁能源为海水淡化提供热能是节能减排的重要举措。由于太阳能和风力资源丰富，且具备较好的互补性。在淡水资源匮乏的海岛，淡水需求迫切，且岛屿周边的海水水质好，适合于海水淡化。因此，利用太阳能和风能等新能源为海水淡化的操作进行供电是综合开发海岛资源的重要研发方向之一。众所周知，由于太阳能发电和风能发电存在不稳定因素，而海水淡化装置的正常运行是需要较稳定的电源供给。如何充分利用好太阳能和风能资源，进行合理的匹配和调度，配合传统的电网，实现新能源在海水淡化领域的优化利用，是目前海水淡化技术研究的其中一重要课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为提供一种利用太阳能发电和风能发电向海水淡化设备供电，并配合传统电网进行电能优化利用，减少资源浪费。
为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种风能光能互补发电的节能型海水淡化装置，本发明的技术方案是这样实施的：
风能光能互补发电的节能型海水淡化装置，包括太阳能集热器、海水淡化组件、储能装置；该海水淡化组件中包括海水淡化器件、输运设备、介质储存容器、电加热器；该海水淡化器件包括筒体、内设于筒体的喷淋装置以及降膜蒸发器；该输运设备包括海水泵、真空泵、海水喷淋泵、浓盐水泵、给水泵、循环泵、淡水泵；该介质储存容器包括浓盐水罐、淡水箱、原始还水箱；还包括：
电气控制柜，所述电气控制柜电性连接于外部的电网供电线路，该电气控制柜通过多个电力输出端向输运设备以及电加热器供电；
光伏发电组件，该光伏发电组件包括呈矩阵排列的多个太阳能光伏板，位于电气控制柜与太阳能光伏板之间设置有第一逆变器，该第一逆变器交流电输出端电性连接于电气控制柜，该第一逆变器的直流电输入端电性连接于太阳能光伏板；
风力发电组件，该风力发电组件包括多个由受风叶轮驱动的发电机，位于风力发电组件与电气控制柜之间依次设置有风力发电控制器和第二逆变器，该风力发电控制器用于对发电机输出电流进行整流滤波并向第二逆变器的直流电输入端提供直流电，所述第二逆变器的交流电输出端电性连接于电气控制柜。
优选地，所述光伏发电组件还包括直流汇流箱，所述直流汇流箱用于将所有太阳能光伏板并联连接，所述直流汇流箱的正极接线端与直流电输入端的正极接线端电性连接，所述直流汇流箱的负极接线端与直流电输入端的负极接线端电性连接。
优选地，所述风力发电控制器旁接有蓄电池组件，所述蓄电池组件用于存储风力发电机发出的电能。
优选地，所述风力发电组件的数量为多个，每一风力发电组件与电气控制柜所形成的每一回路中均设置有第二逆变器和风力发电控制器。
优选地，所述风力发电控制器中包括二极管整流桥堆以及滤波电容。
优选地，该风能光能互补发电的节能型海水淡化装置还包括光强度传感器；所述电气控制柜上设置有电控单元，所述光强度传感器用于感知太阳光强度，该光强度传感器与电控单元通讯连接；所述电气控制柜与风力发电组件之间的供电回路中设置有电功率测量仪，所述电功率测量仪与电控单元通讯连接，所述电功率测量仪用于供电控单元获得风力发电组件的实时发电功率数据。
一种风能光能互补发电的节能型海水淡化装置的供电控制方法，包括以下步骤：
S1：电控单元通过单位时间采样所获信号分别感知光伏发电组件的实时发电功率P光，并且通过光强度传感器感知实时的光辐射强度，设A和B分别为电控单元内设定的两个临界光辐射强度数值，且A＜B；
S2：若实时的光辐射强度≥B，则光伏发电组件与电网并网并且向该风能光能互补发电的节能型海水淡化装置供电；若否，执行S3或S5；
S3：若实时的光辐射强度≥A而＜B，则将光伏发电组件与电网断开，然后执行S41或S42；
S41：若当前外部的热量收集装置内存储热量足够，则电控单元发出指令，让光伏发电组件依据输出功率与电力负载的自匹配方法为输运设备供电；
S42：若当前外部的热量收集装置内存储热量不足，则电控单元发出指令，让光伏发电组件仅为外部的电加热器供电；
S5：若实时的光照辐射强度＜B，则切断光伏发电组件的所有对外供电。
优选地，电控单元通过单位时间采样所获信号感知和风力发电组件的实时发电功率P风，设P(n)、P(n-1)为相邻的两个时间节点所感知的风力发电组件发电功率数值，P(n)为后一时间节点所测得的数值；设E1为电控单元内存储的用于反映P(n)、P(n-1)之间数值差的第一级偏差阈值，设E2为电控单元内存储的用于反映P(n)、P(n-1)之间数值差的第二级偏差阈值，E1＜E2，符合以下情形时：
若P(n)-P(n-1)的绝对值dp＝0，则电控单元对电气控制柜内所具有的输配电组件保持原PWM占空比波形信号；
若0＜dp＜E1，则电控单元将调整采样时间节点改为3倍的单位时间，如果恢复至dp＝0，则恢复采样时间节点为1倍单位时间；
若E1＜dp＜E2，则电控单元将调整采样时间节点改为5倍的单位时间，如果恢复至dp＜E1，则恢复采样时间节点为3倍的单位时间；
优选地，所述输出功率与电力负载的自匹配方法为先将该风能光能互补发电的节能型海水淡化装置的负载依照使用频率分为以下三类：
Ⅰ.属于连续使用的负载包括循环泵、给水泵；设Pc为该连续使用的负载功率总和；
Ⅱ.属于间歇运行的负载包括首效凝水回水泵、产品水泵、蒸发器循环泵、冷却水排水泵、原料水泵、浓盐水排水泵、消除过热泵、潜水泵；设Pi为该间歇运行的负载功率总和；
Ⅲ.属于开机仅运行一次的负载包括水环真空泵；设Po为该开机仅运行一次的负载功率总和；
Ⅳ.属于随时备用的负载包括电加热器；设Pb为该随时备用的负载功率总和；
所述风力发电组件的供电功率与光伏发电组件的供电功率之和P和的数值是PC+PI+PO的1.2-1.5倍，在各级负载依次地关闭和恢复工作的控制操作中，依照代数式P和＝N*(PC+PI+PO)进行约束，N为1.2～1.5区间内的任意实数。
优选地，临界光辐射强度数值A为200W/m2，临界光辐射强度数值B为500W/m2，根据各负载的使用频率情况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级别依次地进行卸载，相同级别中的多个负载，依次地进行卸载。
实施本发明的有益效果是：
1、利用风力发电和光伏发电为海水淡化过程中的输运设备如海水泵、淡水泵、浓盐水泵、给水泵等输运设备进行实时供电，减少对外部电网的依赖；
2、当风能和太阳能未能达到海水淡化设备的运行条件时，通过风力发电控制器内具有的开关切换至让蓄电池组件充电，待充电足够时再此向前述输运设备供电，充分地将过剩的清洁能源进行最大化、本地化的利用。
3、对实时供电输出功率进行监控和智能调节，实现电能供给智能化，避免干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，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为本发明所述风能光能互补发电的节能型海水淡化装置的结构示意图；
图2为本发明一较优实施例的电气原理图；
图3为本发明另一较优实施例的电气原理图；
图4为本发明所述供电控制方法的流程图；
其中，1、喷淋蒸发器；11、海水泵；12、真空泵；13、海水喷淋泵；14、浓盐水泵；2、反射聚焦太阳能光热装置；21、反射镜；22、自动跟踪太阳装置；23、热量收集装置；24、循环泵；25、蒸汽发生器；31、入射太阳光；4、主蒸汽管；41、光伏发电组件；42、风力发电组件；43、第一逆变器；44、第二逆变器；45、电气控制柜；46、风力发电控制器；5、给水泵；6、淡水储存罐；7、淡水泵。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
如图1-图4所示，本发明所述的风能光能互补发电的节能型海水淡化装置，包括：风能光能互补发电的节能型海水淡化装置，包括太阳能集热器、海水淡化组件、储能装置；该海水淡化组件中包括海水淡化器件、输运设备、介质储存容器、电加热器；该海水淡化器件包括筒体、内设于筒体的喷淋装置以及降膜蒸发器；该输运设备包括海水泵11、真空泵12、海水喷淋泵13、浓盐水泵14、给水泵5、循环泵24、淡水泵7；该介质储存容器包括浓盐水罐、淡水箱、原始还水箱；还包括：电气控制柜45、光伏发电组件41、风力发电组件42。
如图2所示，所述电气控制柜45通过导线电性连接于外部的电网供电线路，所述电网为400V的交流电源，该电气控制柜45通过多个电力输出端向海水泵11、真空泵12、海水喷淋泵13、浓盐水泵14、给水泵5、循环泵24、淡水泵7等输运设备以及电加热器供电；
特别地，如下表所示，本发明所述输运设备的种类也可以不局限于上述所列，可根据实际情况添加和减少；另一方面，下表依次地列出所述各负载设备对应的单个功率以及数量。
以下为海水淡化系统中负载设备属性分类统计表
本发明所述光伏发电组件41包括呈矩阵排列的多个太阳能光伏板，位于电气控制柜45与太阳能光伏板之间设置有第一逆变器43，该第一逆变器43交流电输出端电性连接于电气控制柜45，该第一逆变器43的直流电输入端电性连接于太阳能光伏板。
本发明所述风力发电组件42包括多个由受风叶轮驱动的发电机，位于风力发电组件42与电气控制柜45之间依次设置有风力发电控制器46和第二逆变器44，该风力发电控制器46用于对发电机输出电流进行整流滤波并向第二逆变器44的直流电输入端提供直流电，所述第二逆变器44的交流电输出端电性连接于电气控制柜45。
为了使光伏发电的电能更稳定以及在输出电能未达到维持海水淡化装置运行条件时可被临时存储，作为一种优选的方案，所述光伏发电组件41还包括直流汇流箱，所述直流汇流箱用于将所有太阳能光伏板并联连接，所述直流汇流箱的正极接线端与直流电输入端的正极接线端电性连接，所述直流汇流箱的负极接线端与直流电输入端的负极接线端电性连接。
为了让风力发电组件所输出电能在未达到维持海水淡化装置运行条件时可将被临时地存储起来，作为一种优选的方案，所述风力发电控制器旁接有蓄电池组件，所述蓄电池组件用于存储风力发电组件42所具有的风力发电机所发出的电能。
作为一种优选的方案，所述风力发电组件42的数量为多个，每一风力发电组件42与电气控制柜45所形成的回路中均设置有第二逆变器44和风力发电控制器46。
为了使得风力发电组件提供的直流电更稳定，作为一种优选的方案，所述风力发电控制器46中包括二极管整流桥堆以及滤波电容。
作为一种优选的方案，该风能光能互补发电的节能型海水淡化装置还包括光强度传感器；所述电气控制柜45上设置有电控单元，该光强度传感器与电控单元通讯连接；所述电气控制柜45与风力发电组件42之间的供电回路中设置有电功率测量仪，所述电功率测量仪与电控单元通讯连接，所述电功率测量仪用于供电控单元获得风力发电组件42的实时发电功率数据。
特别地，所述的风能光能互补发电的节能型海水淡化装置的供电控制方法，包括以下步骤：
S1：电控单元通过单位时间采样所获信号分别感知光伏发电组件41的实时发电功率P光，并且通过光强度传感器感知实时的光辐射强度，设A和B分别为电控单元内设定的两个临界光辐射强度数值，且A＜B；
S2：若实时的光辐射强度≥B，则光伏发电组件41与电网并网并且向该风能光能互补发电的节能型海水淡化装置供电；若否，执行S3或S5；
S3：若实时的光辐射强度≥A而＜B，则将光伏发电组件41与电网断开，然后执行S41或S42；
S41：若当前外部的热量收集装置内存储热量足够，则电控单元发出指令，让光伏发电组件41依据输出功率与电力负载的自匹配方法为输运设备供电；
S42：若当前外部的热量收集装置内存储热量不足，则电控单元发出指令，让光伏发电组件41仅为外部的电加热器供电；
S5：若实时的光照辐射强度＜B，则切断光伏发电组件41的所有对外供电。
作为一种优选的方案，电控单元通过单位时间采样所获信号感知和风力发电组件的实时发电功率P风，设P(n)、P(n-1)为相邻的两个时间节点所感知的风力发电组件42发电功率数值，P(n)为后一时间节点所测得的数值；设E1为电控单元内存储的用于反映P(n)、P(n-1)之间数值差的第一级偏差阈值，设E2为电控单元内存储的用于反映P(n)、P(n-1)之间数值差的第二级偏差阈值，E1＜E2，符合以下情形时：
若P(n)-P(n-1)的绝对值dp＝0，则电控单元对电气控制柜45内所具有的输配电组件保持原PWM占空比波形信号；
若0＜dp＜E1，则电控单元将调整采样时间节点改为3倍的单位时间，如果恢复至dp＝0，则恢复采样时间节点为1倍单位时间；
若E1＜dp＜E2，则电控单元将调整采样时间节点改为5倍的单位时间，如果恢复至dp＜E1，则恢复采样时间节点为3倍的单位时间；
若dp＞E2，则电控单元发出指令对电气控制柜45内所具有的输配电组件进行PWM占空比波形信号调节。
如此设计可以避免微小偏差或短暂偏差所引起的干扰，同时，电控单元也不会忽略实质性的、显著的输入功率数值变化，对各工作中的输运设备及时地作出工作效率的调整。
特别地，本发明较优实施例中应用到一种风能光能互补发电的节能型海水淡化装置的负载控制方法，该风能光能互补发电的节能型海水淡化装置的负载依照使用频率分为以下三类：
Ⅰ.属于连续使用的负载包括循环泵、给水泵；设Pc为该连续使用的负载功率总和；
Ⅱ.属于间歇运行的负载包括首效凝水回水泵、产品水泵、蒸发器循环泵、冷却水排水泵、原料水泵、浓盐水排水泵、消除过热泵、潜水泵；设Pi为该间歇运行的负载功率总和；
Ⅲ.属于开机仅运行一次的负载包括水环真空泵；设Po为该开机仅运行一次的负载功率总和；
Ⅳ.属于随时备用的负载包括电加热器；设Pb为该随时备用的负载功率总和；所述风力发电组件的供电功率、光伏发电组件的供电功率之和数值是PC+PI+PO的1.2-1.5倍。例如，风力发电组件及光伏发电组件的实时发电功率为P’，P’是一个变量，则当前所有输运设备的负载功率PC+PI+PO保持在(P’/1.5)～(P’/1.2)的数值之间。
如此设置的目的在于，既保持当前尚未关闭的输运设备的正常运转，又可以按照数值公式判断继续执行依次关闭负载，还是执行恢复负载工作。
作为一种优选的方案，临界光辐射强度数值A为200W/m2，临界光辐射强度数值B为500W/m2。根据各负载的使用频率情况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级别依次地进行卸载，相同级别中的多个负载，依次地进行卸载。
需要指出的是，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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.风能光能互补发电的节能型海水淡化装置，包括太阳能集热器、海水淡化组件、储能装置；该海水淡化组件中包括海水淡化器件、输运设备、介质储存容器、电加热器；该海水淡化器件包括筒体、内设于筒体的喷淋装置以及降膜蒸发器；该输运设备包括海水泵、真空泵、海水喷淋泵、浓盐水泵、给水泵、循环泵、淡水泵；该介质储存容器包括浓盐水罐、淡水箱、原始还水箱；其特征在于，还包括：
电气控制柜，所述电气控制柜电性连接于外部的电网供电线路，该电气控制柜通过多个电力输出端向输运设备以及电加热器供电；
光伏发电组件，该光伏发电组件包括呈矩阵排列的多个太阳能光伏板，位于电气控制柜与太阳能光伏板之间设置有第一逆变器，该第一逆变器交流电输出端电性连接于电气控制柜，该第一逆变器的直流电输入端电性连接于太阳能光伏板；
风力发电组件，该风力发电组件包括多个由受风叶轮驱动的发电机，位于风力发电组件与电气控制柜之间依次设置有风力发电控制器和第二逆变器，该风力发电控制器用于对发电机输出电流进行整流滤波并向第二逆变器的直流电输入端提供直流电，所述第二逆变器的交流电输出端电性连接于电气控制柜。
2.根据权利要求1所述的风能光能互补发电的节能型海水淡化装置，其特征在于：所述光伏发电组件还包括直流汇流箱，所述直流汇流箱用于将所有太阳能光伏板并联连接，所述直流汇流箱的正极接线端与直流电输入端的正极接线端电性连接，所述直流汇流箱的负极接线端与直流电输入端的负极接线端电性连接。
3.根据权利要求1所述的风能光能互补发电的节能型海水淡化装置，其特征在于：所述风力发电控制器旁接有蓄电池组件，所述蓄电池组件用于存储风力发电机发出的电能。
4.根据权利要求3所述的风能光能互补发电的节能型海水淡化装置，其特征在于：所述风力发电组件的数量为多个，每一风力发电组件与电气控制柜所形成的每一回路中均设置有第二逆变器和风力发电控制器。
5.根据权利要求4所述的风能光能互补发电的节能型海水淡化装置，其特征在于：所述风力发电控制器中包括二极管整流桥堆以及滤波电容。
6.根据权利要求5所述的风能光能互补发电的节能型海水淡化装置，其特征在于：该风能光能互补发电的节能型海水淡化装置还包括光强度传感器；所述电气控制柜上设置有电控单元，所述光强度传感器用于感知太阳光强度，该光强度传感器与电控单元通讯连接；所述电气控制柜与风力发电组件之间的供电回路中设置有电功率测量仪，所述电功率测量仪与电控单元通讯连接，所述电功率测量仪用于供电控单元获得风力发电组件的实时发电功率数据。
7.如权利要求6所述的风能光能互补发电的节能型海水淡化装置的供电控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：电控单元通过单位时间采样所获信号分别感知光伏发电组件的实时发电功率P光，并且通过光强度传感器感知实时的光辐射强度，设A和B分别为电控单元内设定的两个临界光辐射强度数值，且A＜B；
S2：若实时的光辐射强度≥B，则光伏发电组件与电网并网并且向该风能光能互补发电的节能型海水淡化装置供电；若否，执行S3或S5；
S3：若实时的光辐射强度≥A而＜B，则将光伏发电组件与电网断开，然后执行S41或S42；
S41：若当前外部的热量收集装置内存储热量足够，则电控单元发出指令，让光伏发电组件依据输出功率与电力负载的自匹配方法为输运设备供电；
S42：若当前外部的热量收集装置内存储热量不足，则电控单元发出指令，让光伏发电组件仅为外部的电加热器供电；
S5：若实时的光照辐射强度＜B，则切断光伏发电组件的所有对外供电。
8.如权利要求6所述的节能型海水淡化装置的供电控制方法，其特征在于：电控单元通过单位时间采样所获信号感知和风力发电组件的实时发电功率P风，设P(n)、P(n-1)为相邻的两个时间节点所感知的风力发电组件发电功率数值，P(n)为后一时间节点所测得的数值；设E1为电控单元内存储的用于反映P(n)、P(n-1)之间数值差的第一级偏差阈值，设E2为电控单元内存储的用于反映P(n)、P(n-1)之间数值差的第二级偏差阈值，E1＜E2，符合以下情形时：
若P(n)-P(n-1)的绝对值dp＝0，则电控单元对电气控制柜内所具有的输配电组件保持原PWM占空比波形信号；
若0＜dp＜E1，则电控单元将调整采样时间节点改为3倍的单位时间，如果恢复至dp＝0，则恢复采样时间节点为1倍单位时间；
若E1＜dp＜E2，则电控单元将调整采样时间节点改为5倍的单位时间，如果恢复至dp＜E1，则恢复采样时间节点为3倍的单位时间；
若dp＞E2，则电控单元发出指令对电气控制柜内所具有的输配电组件进行PWM占空比波形信号调节。
9.如权利要求6所述的节能型海水淡化装置的供电控制方法，其特征在于：所述输出功率与电力负载的自匹配方法为先将该风能光能互补发电的节能型海水淡化装置的负载依照使用频率分为以下三类：
Ⅰ.属于连续使用的负载包括循环泵、给水泵；设Pc为该连续使用的负载功率总和；
Ⅱ.属于间歇运行的负载包括首效凝水回水泵、产品水泵、蒸发器循环泵、冷却水排水泵、原料水泵、浓盐水排水泵、消除过热泵、潜水泵；设Pi为该间歇运行的负载功率总和；
Ⅲ.属于开机仅运行一次的负载包括水环真空泵；设Po为该开机仅运行一次的负载功率总和；
Ⅳ.属于随时备用的负载包括电加热器；设Pb为该随时备用的负载功率总和；
所述风力发电组件的供电功率与光伏发电组件的供电功率之和P和的数值是PC+PI+PO的1.2-1.5倍，在各级负载依次地关闭和恢复工作的控制操作中，依照代数式P和＝N*(PC+PI+PO)进行约束，N为1.2～1.5区间内的任意实数。
10.如权利要求9所述的节能型海水淡化装置的供电控制方法，其特征在于：临界光辐射强度数值A为200W/m2，临界光辐射强度数值B为500W/m2，根据各负载的使用频率情况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级别依次地进行卸载，相同级别中的多个负载，依次地进行卸载。
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