CN106877742A - 一种集成海水淡化浓水零排放和不稳定可再生能源稳定发电的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成海水淡化浓水零排放和不稳定可再生能源稳定发电的方法及装置，涉及不稳定可再生能源发电过程、电渗析海水淡化过程和反电渗析盐差能发电过程，通过反电渗析压差能发电模块与不稳定可再生发电模块耦合弥补不稳定可再生发电模块不足发电量的同时处理海水淡化过程中产生的浓缩水，通过存储或海水淡化模块消耗不稳定可再生能源多余的发电量，这个工艺设计思路巧妙，能源利用率高，实现全天候24小时稳定发电，具有极好的技术推广价值和社会效益。
Description
技术领域
本发明公开了一种集成海水淡化浓水零排放和不稳定可再生能源稳定发电的方法及装置，具体涉及风能/太阳能发电过程、电渗析海水淡化过程和反电渗析盐差能发电过程。
背景技术
在全球性能源危机、环境危机与水资源危机的大背景下，可再生能源与海水淡化耦合技术将极大地解决目前海水淡化技术与可再生能源利用技术发展过程中各自存在的弊端：能量密集型的海水淡化技术如若使用常规能源(石油、煤炭、天然气等不可再生能源)尽管在一定程度上可有效缓解淡水资源短缺的问题，但不可避免地产生大量温室气体和有害气体(如NOx，SOx等腐蚀性气体)，从而引发额外的环境负担；可再生能源尽管普遍具有低污染、大储量(如全球可利用的太阳辐射能为17万亿千瓦、2014年全球风电累计装机容量3.7亿千瓦)等特点，但易受地域、气候和季节等环境因素影响，难以实现不间断、全天候的供电。目前，太阳能/风能与海水淡化的耦合可分为直接法与间接法(直接法与间接法的区别在于可再生能源利用部分与脱盐部分是否一体，一体为直接法，分置为间接法)。由于直接法占地面积大、能源利用率低，在早期的耦合工艺中多被采用，目前开发的可再生能源与海水淡化耦合技术多以间接法为主。
电渗析(ED)工艺原理简单、技术发展成熟，供电模式为直流电，从原理上完全适应波动性强、稳定性差的风能/太阳能等可再生能源。目前，ED与可再生能源的耦合普遍忽视了浓缩海水的循环利用。在我国当前高盐废水零排放的政策背景下，浓缩海水的高效利用将有效降低耦合工艺的运行成本以及缓解环境负担。反电渗析(RED)技术利用离子交换膜对阴阳离子的选择透过性，在浓淡室通入具有不同盐度的溶液(浓室为ED过程产生的浓缩海水，淡室为雨水/河水/生活污水等)，在膜两侧盐度差的驱使下使阴阳离子自发地发生定向迁移从而产生电势差，之后极室溶液在阴阳两极发生氧化还原反应，并通过回路将电势能最终转化成电能。RED技术的引入，不仅将缓解ED过程浓水直接排放造成的环境压力，而且将完成风电/太阳能与盐差能的切换，确保在任意时刻均能提供必要的电力供应，最终可实现全天候可再生能源供电及海水淡化零浓水排放。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种集成海水淡化浓水零排放和不稳定可再生能源稳定发电的装置及其方法，是针对太阳能、风能等无法全天候稳定供电的可再生能源以及海水淡化浓水直接外排造成的环境危害的两大弊端，设计开发的基于海水淡化和反电渗析技术的可再生能源全天候供电与海水淡水浓水高效利用技术。在该技术中利用海水淡化技术与太阳能/风能无缝衔接，产生淡水同时浓缩海水，之后利用反电渗析技术将浓缩海水与低盐溶液之间的盐度梯度转化成电能，产生电能的同时稀释浓缩海水。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种集成海水淡化浓水零排放和不稳定可再生能源稳定发电的方法，具体包括以下步骤：
(1)测定不稳定可再生能源发电模块发电量，若测定发电量等于设定发电量则继续发电；
(2)若测定发电量小于设定发电量，通过反电渗析发电模块补充不足发电量，将存储在淡水储池中低盐度水和存储在浓缩海水储池中的海水淡化过程产生的浓水分别输送到反电渗析发电模块的淡水室和浓水室，将离子交换膜两侧的盐差能转化成电能，待反电渗析发电模块浓水室和淡水室出水盐度均小于等于海水含盐量时，将浓水排入海水中；
(3)若测定发电量大于设定发电量，将多余电量存储备用或应用于海水淡化模块，通过海水淡化模块海水转化成淡水和浓缩水，其中淡水继续处理或直接使用，浓缩水输送到浓缩海水储池中；步骤(1)-(3)通过智能控制系统实现自动控制。
一种集成海水淡化浓水零排放和不稳定可再生能源稳定发电的装置，包括不稳定可再生能源发电模块、电网配电系统，海水淡化模块、浓缩海水储池、淡水储池、反电渗析发电模块和智能控制系统；所述不稳定可再生能源发电模块采用现有的不稳定可再生能源对应的发电技术产生电能；所述电网配电系统将产生的电能转换、输出和/或分配，最终供给用电用户使用；所述海水淡化模块实现海水的浓缩淡化，海水淡化模块浓缩水出口与浓缩海水储池连接；所述反电渗析发电模块浓水室进口与浓缩海水储池出水口连接，反电渗析发电模块淡水室进口与淡水储池连接，反电渗析发电模块将离子交换膜两侧淡水室中低盐度水和浓水室中浓水形成的盐度差转化成电能并将电能通过电网配电系统转换、输出和分配；所述智能控制系统通过对不稳定可再生模块发电量的测定判断发电量不足或发电量过多，进而控制反电渗析发电模块发电补充不足发电量或/和控制海水淡化模块运行将多余发电量消耗，淡化海水的同时将多余电能以盐差能的形式存储，海水淡化模块与不稳定可再生能源模块电连接，电网配电系统分别将不稳定可再生能源发电模块和反电渗析发电模块与用电用户电连接，智能控制系统与电网配电系统、反电渗析发电模块和海水淡化模块电信息连接。
进一步地，所述不稳定可再生能源为受外界条件(如光照、风力)变化供应不稳定的可再生能源，优选为风能、太阳能、潮汐能中的一种或多种，由于不稳定可再生能源供应不稳定直接影响其发电量不稳定。
进一步地，所述海水淡化模块为反渗透海水淡化装置、电渗析海水淡化装置中的一种，以便于发电装置与现有的海水淡化模块耦合处理海水淡化模块产生的浓水。
进一步地，所述低盐度水为雨水、河水和经过生化处理后的生活污水中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用模块化设计，由于电渗析模块与反电渗析模块均采用模块化设计，在理论设计和实际操作过程中，可根据不稳定可再生能源发电模块的发电功率变化，合理配置膜堆数量，在设计和操作中具有极好的灵活性；浓缩海水作为高盐料液，反电渗析发电模块采用来自于海水淡化过程中浓缩室的产水，其盐含量是海水的几倍甚至几十倍，即储存的盐差能远远高于海水，大大提高了发电效率；以雨水、河水或生活污水为反电渗析发电模块淡水室进水，水资源来源广泛，发电成本低；反电渗析发电模块不但弥补不稳定可再生能源发电模块发电量的不足问题，而且实现了海水淡化浓水的零排放；可以与现有海水淡化装置耦合，也可新建结构简单的电渗析海水淡化装置，通过海水淡化装置将多余的发电量以盐差能的形式消耗并存储在浓水中，之后将盐差能以电力的形式重新释放，具有极好的技术推广价值和社会效益；整个装置通过反电渗析系统补充不足发电量和海水淡化模块消耗多余发电量实现全天候24小时稳定发电。
附图说明
图1为本发明实施例1涉及的集成海水淡化浓水零排放和不稳定可再生能源稳定发电的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例涉及的集成海水淡化浓水零排放和不稳定可再生能源稳定发电的装置，包括包括风能发电模块、电网配电系统，电渗析海水淡化模块、浓缩海水储池、淡水储池、反电渗析发电模块和智能控制系统；所述风能发电模块采用现有的风能发电技术产生电能；所述电网配电系统将产生的电能转换、输出和/或分配，最终供给用电用户使用，电网配电系统具体指直流电输送到用电用户需要的线路设备；所述电渗析海水淡化模块实现海水的浓缩淡化，电渗析海水淡化模块浓缩水出口与浓缩海水储池连接；所述反电渗析发电模块浓水室进口与浓缩海水储池出水口连接，反电渗析发电模块淡水室进口与淡水储池管道连接，反电渗析发电模块将离子交换膜两侧淡水室中低盐度水和浓水室中浓水形成的盐度差转化成电能并将电能通过电网配电系统转换、输出和分配；所述智能控制系统通过对不稳定可再生模块发电量的测定判断发电量不足或发电量过多，进而控制反电渗析发电模块发电补充发电量或控制海水淡化模块运行将多余电量消耗，淡化海水的同时将多余电能以盐差能的形式存储，电渗析海水淡化模块与风能发电模块电连接，电网配电系统分别将不稳定可再生能源发电模块和反电渗析发电模块与用电用户电连接，将两者产生的直流电通过逆变器转换成交流电，然后再分配、输送到用电用户，智能控制系统与配电线路、反电渗析发电模块和海水淡化模块电信息连接。
进一步地，反电渗析发电模块包括若干个并联的专利CN102610835A公开的利用盐差能反电渗析的发电装置，发电装置中蓄电池与电网配电系统连接，电网配电系统通过逆变器将反电渗析模块产生的直流电转化成交流电，然后再分配、输送到用电用户。
进一步地，电渗析海水淡化模块包括若干个并联或串联的电渗析装置和逆变器，电渗析装置串联能够增大海水的浓缩倍数，电渗析装置并联能够调整电渗析海水淡化模块的处理量，使用时智能控制系统根据多余发电量灵活配置和组合电渗析装置，不稳定可再生能源发电模块将直流电输送到电渗析装置电极供其使用，不稳定可再生能源发电模块通过逆变器将直流电转变成交流电输送给电渗析装置输送泵等其他动力装置使用。
本实施例涉及的集成海水淡化浓水零排放和不稳定可再生能源稳定发电的方法，采用本实施例涉及的集成海水淡化浓水零排放和不稳定可再生能源稳定发电的装置具体实施，包括以下步骤：
(1)通过智能化控制系统测定风能发电模块输送到电网配电系统中的发电量，若测定发电量等于设定发电量则继续发电；
(2)若测定发电量小于设定发电量，则根据智能控制系统计算的电量差值控制反电渗析发电模块补充相应的电量差值，智能控制系统根据需要补充的电量差值以及随反电渗析离子交换膜两侧盐浓度差变化反电渗析发电装置单位时间内产生的电量变化，随时自动灵活调整反电渗析发电模块的组合形式(例如是一台发电装置还是多台发电装置并联)，通过浓水室和淡水室的料液流量控制相应反电渗析发电模块的运行，将存储在淡水储池中低盐度水和浓缩海水储池中的电渗析海水淡化模块浓水均输送到反电渗析发电模块中，待反电渗析发电模块浓水室和淡水室出水盐度均小于等于海水含盐量时，将浓水排入海水中；
(3)若测定发电量大于设定发电量，智能控制系统通过连接电渗析海水淡化模块与风能发电模块之间的电网配电系统，将多余发电量输送到电渗析海水淡化模块，智能控制系统根据多余电量调整电渗析装置的使用数量，以及每台电渗析装置运行时的进水流量，电流密度等相关参数，通过电渗析海水淡化模块将海水转化成淡水和浓缩水，其中淡化继续处理或直接使用，浓缩水输送到浓缩海水储池中。
本实施例中存储于淡水储池的低盐料液来源于雨水、河水等天然体表水时，进入反电渗析发电模块时仅需简单过滤；若使用生活污水作为低盐料液时，污染物含量过高，直接进入反电渗析发电模块将影响其发电效率，同时直接排放将对排放海域水体环境造成严重危害，故需对生活污水做一定的预处理(如生化处理)。
实施例2
本实施例与实施例1区别在于，反渗透海水淡化模块代替电渗析海水淡化模块，太阳能发电模块代替风能发电模块，其他均相同。
本发明的一种全天候太阳能/风能发电和零浓水海水淡化集成工艺，对于克服可再生能源的技术弊端，减少海水淡化浓水排放引发的环境危害具有极好的技术推广价值和社会效益。
Claims (6)
1.一种集成海水淡化浓水零排放和不稳定可再生能源稳定发电的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)测定不稳定可再生能源发电模块发电量，若测定发电量等于设定发电量则继续发电；
(2)若测定发电量小于设定发电量，通过反电渗析发电模块补充不足发电量，将存储在淡水储池中低盐度水和存储在浓缩海水储池中的海水淡化过程产生的浓水分别输送到反电渗析发电模块的淡水室和浓水室，将离子交换膜两侧的盐差能转化成电能，待反电渗析发电模块浓水室和淡水室出水盐度均小于等于海水含盐量时，将浓水排入海水中；
(3)若测定发电量大于设定发电量，将多余电量存储备用或应用于海水淡化模块，通过海水淡化模块海水转化成淡水和浓缩水，其中淡水继续处理或直接使用，浓缩水输送到浓缩海水储池中；步骤(1)-(3)通过智能控制系统实现自动控制。
2.一种权利要求1所述集成海水淡化浓水零排放和不稳定可再生能源稳定发电的方法的实现装置，其特征在于，包括不稳定可再生能源发电模块、电网配电系统，海水淡化模块、浓缩海水储池、淡水储池、反电渗析发电模块和智能控制系统；所述不稳定可再生能源发电模块采用现有的不稳定可再生能源对应的发电技术产生电能；所述电网配电系统将产生的电能转换、输出和/或分配，最终供给用电用户使用；所述海水淡化模块实现海水的浓缩淡化，海水淡化模块浓缩水出口与浓缩海水储池连接；所述反电渗析发电模块浓水室进口与浓缩海水储池出水口连接，反电渗析发电模块淡水室进口与淡水储池连接，反电渗析发电模块将离子交换膜两侧淡水室中低盐度水和浓水室中浓水形成的盐度差转化成电能并将电能通过电网配电系统转换、输出和分配；所述智能控制系统通过对不稳定可再生模块发电量的测定判断发电量不足或发电量过多，进而控制反电渗析发电模块发电补充不足发电量或/和控制海水淡化模块运行将多余发电量消耗，淡化海水的同时将多余电能以盐差能的形式存储，海水淡化模块通过电网配电系统与不稳定可再生能源模块电连接，电网配电系统分别将不稳定可再生能源发电模块和反电渗析发电模块与用电用户电连接，智能控制系统与电网配电系统、反电渗析发电模块和海水淡化模块电信息连接。
3.根据权利权利要求2所述集成海水淡化浓水零排放和不稳定可再生能源稳定发电的装置，其特征在于，所述不稳定可再生能源为受外界条件变化供应不稳定的可再生能源。
4.根据权利权利要求3所述集成海水淡化浓水零排放和不稳定可再生能源稳定发电的装置，其特征在于，不稳定可再生能源为为风能、太阳能、潮汐能中的一种或多种。
5.根据权利权利要求4所述集成海水淡化浓水零排放和不稳定可再生能源稳定发电的装置，其特征在于，所述海水淡化模块为反渗透海水淡化装置、电渗析海水淡化装置中的一种。
6.根据权利权利要求5所述集成海水淡化浓水零排放和不稳定可再生能源稳定发电的装置，其特征在于，所述低盐度水为雨水、河水和经过生化处理后的生活污水中的一种或多种。
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