CN106915789B

CN106915789B - 太阳光热水电联产系统及其工作方法

Info

Publication number: CN106915789B
Application number: CN201710085087.0A
Authority: CN
Inventors: 岳晨; 王彬; 韩东; 蒲文灏; 何纬峰
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2020-10-20
Anticipated expiration: 2037-02-17
Also published as: CN106915789A

Abstract

本发明公开了一种太阳光热水电联产系统及其工作方法，属于能源与动力领域。该系统包括自然海水储罐（1），冷凝器（3），分配器（4），球阀A（9），预热器（11），太阳能集热器（14），气液分离器（15），膨胀机（17），发电机（18），淡水泵（7），淡水储罐（8），球阀B（12），浓缩液泵（10），浓缩液储罐（5）；本发明具有海水蒸发制淡水、盐碱水或高含盐水的浓缩结晶两种工作模式。本发明将太阳能装置与海水淡化及发电系统相结合，不受蒸汽条件限制，无污染、不消耗化石燃料的优点，而且具有可以根据不同原料选择工作方式的优点，适用范围更广。

Description

太阳光热水电联产系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种太阳光热水电联产系统和工作方法，属于能源与动力领域。

背景技术

地球上水的总量为14亿立方千米，但是淡水储量仅占全球总水量的2.53%，并且其中的69.5% 以冰川和永久积雪、永冻地层的形式分布在南、北两极地区、高山和地下很深的地方，难以被利用，能被人类所利用的淡水资源主要来自湖泊、河流、土壤湿气和埋藏相对较浅的地下水盆地，同时可以利用的淡水资源存在分布不均的问题，这导致很多地区面临着水资源危机。人们已经开始找寻解决淡水资源紧缺的办法，面对水资源危机，我们需要开源节流，在节约用水的同时再“开源”，开发利用海水和盐碱水资源，对海水和盐碱水进行淡化是解决淡水资源紧缺的的一条重要途径。

现用的常规海水淡化方法包括：蒸馏法，反渗透法，电渗析法和冷冻法。蒸馏法是将海水加热蒸发，再使蒸汽冷凝得到淡水。反渗透法是将海水加压，以压力差为推动力，使水分子透过选择性渗透膜从而得到淡水。电渗析法是以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性而脱除水中离子从而得到淡水。冷冻法是将海水冷却结晶，再使不含盐的碎冰晶体分离出并融化得到淡水。传统的海水淡化技术能源消耗很大，所需要的能源主要来自于石油和煤炭等化石燃料，因此投资比较高。由于海水淡化成本在很大程度上取决于消耗电力和蒸汽的成本，很多地方将海水淡化和电力联产、联供。水电联产可以利用电厂的蒸汽和电力，为海水淡化装置提供动力，从而降低海水淡化成本，实现能源的高效利用。

另一方面，在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能作为一种清洁能源，已经成为了日常能源的重要组成部分，并不断得到发展，因此太阳能技术也被应用在海水淡化系统中。太阳能海水淡化装置将太阳能利用装置和传统的海水淡化装置结合起来,用太阳能代替传统能源，提供海水淡化装置所需要的能量。太阳能海水淡化系统的主要优势在于可独立运行，不受蒸汽、电力等条件限制，无污染、不消耗化石燃料。目前太阳能海水淡化技术应用的最大障碍在于成本高和规模小，传统太阳能集热器存在能量收集效率低、系统升温缓慢、热效率不高等缺点。但是近年来各种新型高效太阳能集热技术的发展使得太阳能海水淡化装置优点更加明显。

海水淡水技术能否发展的关键在于能源，而太阳能作为清洁能源，具有一系列的优点，太阳能海水淡化技术将会是海水淡化的一个重要发展方向。

发明内容

本发明的目的在于提出一种节能、两用太阳光热水电联产系统和方法。

该太阳光热水电联产系统包括自然海水储罐，冷凝器，分配器，球阀A，预热器，太阳能集热器，气液分离器，膨胀机，发电机，淡水泵，淡水储罐，球阀B，浓缩液泵，浓缩液储罐；

自然海水储罐出口与冷凝器的冷侧入口相连，冷凝器的冷侧出口与分配器入口相连，分配器第一出口与自然海水储罐入口相连，分配器第二出口经过球阀A与预热器冷侧入口相连，预热器冷侧出口经过太阳能集热器后与气液分离器入口相连，气液分离器的气体出口与膨胀机入口相连，膨胀机主轴与发电机相连，膨胀机出口与冷凝器热侧入口相连，冷凝器热侧出口与经过淡水泵与淡水储罐相连；气液分离器的液体出口分成两路，一路经过球阀B与太阳能集热器液体入口相连，另一路与预热器热侧入口相连，预热器热侧出口经过浓缩液泵与浓缩液储罐相连。

该太阳光热水电联产系统，包括以下两种工作模式。

一、海水蒸发制淡水：

海水从海水储罐经过冷凝器冷侧入口，在冷凝器中作为冷却液体吸收热流流体（水蒸汽）热量，经分配器一部分重新回到海水储罐中进行循环，一部分通过球阀A，经预热器冷侧入口进入预热器，吸收热侧流体（浓缩液）热量，再进入太阳能集热器吸收太阳能转化的热量，在负压条件下蒸发，进入气液分离器，其中水蒸气分离出来，在膨胀机中膨胀做功，膨胀机带动发电机向外输出电能。高温低压蒸汽从膨胀机出来，经冷凝器热侧入口进入冷凝器，向冷流流体海水放出热量，冷凝得到淡水，再经淡水泵抽入淡水储罐。

浓缩液从气液分离器的另一个出口流出，从预热器热侧入口流入，加热流经预热器的海水，再由浓缩液泵抽入浓缩液储罐。

二、盐碱水或高含盐水的浓缩结晶：

淡水蒸发部分与海水蒸发制淡水工作模式类似，盐碱水或高含盐水从海水储罐经过冷凝器冷侧入口，作为冷却液体吸收热流流体（水蒸汽）热量，经分配器一部分重新回到海水储罐中进行循环，一部分通过球阀A，经预热器冷侧入口进入预热器，吸收热侧流体（浓缩液）热量，再进入太阳能集热器吸收太阳能转化的热量，在负压条件下蒸发，进入气液分离器，其中水蒸汽分离出来，在膨胀机中膨胀做功，膨胀机带动发电机向外输出电能。高温低压蒸汽从膨胀机出来，经冷凝器热侧入口进入冷凝器，向冷流流体海水放出热量，冷凝得到淡水，再经淡水泵抽入淡水储罐；

浓缩液从气液分离器液体出口流出，一小部分流向预热器热侧入口，加热流经预热器的海水，再由浓缩液泵抽入浓缩液储罐。为了防止结晶堵塞太阳能集热器，采用加大流量冲刷的方式，从气液分离器流出的浓缩液大部分经过球阀B，与预热器冷侧出口的盐碱水或高含盐水混合，重新进入太阳能集热器。

两种工作模式主要的区别在于浓缩液的流向，海水淡化时浓缩液全部经过预热器再经浓缩液泵抽入浓缩液储罐，盐碱水或高含盐水的浓缩结晶时大部分浓缩液通过球阀B重新进入太阳能集热器，增大通过太阳能集热器的盐碱水或高含盐水流量，达到防止结晶堵塞太阳能集热器的目的；

与常规仅生产淡水的太阳能海水淡化系统相比，该系统通过透平回收了水蒸气的内能，并将其转化为电能，能够显著降低生产单位淡水的能耗；

本发明将太阳能装置与海水淡化及发电系统相结合，设计了一套太阳光热水电联产系统，并且通过设置不同的流路以适应海水和盐碱水等不同原料。该系统具有太阳能海水淡化系统可独立运行，不受蒸汽条件限制，无污染、不消耗化石燃料的优点，而且具有可以根据不同原料选择工作方式的优点，适用范围更广。该太阳光热水电联产系统不同于常规的水电联产，而是在制取淡水的同时向外输出电能。适用于缺乏淡水资源，其他水资源和太阳能充足的地区；

本系统需要通过太阳能集热器提供海水蒸发需要的热量和温度环境，为了提高太阳光热利用效率，一般要求系统内部处于负压状态。同时本系统采用蒸馏法制取淡水，原料中如果存在易挥发性物质，会跟随水蒸汽存在于得到的淡水中，因此，为了得到较为纯净的淡水，要求所采用原料不含除水外的易挥发性物质。

附图说明

附图是本发明提出的太阳光热水电联产系统示意图；

图中标号名称： 1. 自然海水储罐，2. 海水（盐碱水或高含盐水），3.冷凝器，4分配器，5. 浓缩液储罐，6. 淡水，7. 淡水泵，8. 淡水储罐，9. 球阀A，10. 浓缩液泵，11. 预热器，12. 球阀B，13. 浓缩液，14. 太阳能集热器，15. 气液分离器，16. 水蒸汽，17. 膨胀机，18. 发电机。

具体实施方式

下面参照附图说明太阳光热水电联产系统的工作过程。

该太阳光热水电联产系统，包括以下两种工作模式。

一、海水蒸发制淡水：

首先关闭球阀B12，打开球阀A9。

海水2从海水储罐1经过冷凝器3冷侧入口，作为冷却液体吸收热流流体（水蒸汽）热量，经分配器4一部分重新回到海水储罐1中进行循环，一部分通过球阀A9，经预热器11冷侧入口进入预热器11，吸收热侧流体（浓缩液）热量，再进入太阳能集热器14吸收太阳能转化的热量，在负压条件下蒸发，进入气液分离器15，其中水蒸汽16分离出来，在膨胀机17中膨胀做功，膨胀机17带动发电机18向外输出电能。高温低压蒸汽从膨胀机17出来，经冷凝器3热侧入口进入冷凝器3，向冷流流体海水2放出热量，冷凝成淡水6，再经淡水泵7抽入淡水储罐8。

浓缩液13从气液分离器15的液体出口流出，从预热器11热侧入口流入，加热流经预热器11的海水，再由浓缩液泵10抽入浓缩液储罐5。

二、盐碱水或高含盐水的浓缩结晶：

首先打开球阀B12，打开球阀A9。

淡水蒸发部分与海水蒸发制淡水工作模式类似，盐碱水或高含盐水2从海水储罐1经过冷凝器3冷侧入口，在冷凝器3中作为冷却液体吸收热流流体（水蒸汽）热量，经分配器4一部分重新回到海水储罐1中进行循环，一部分通过球阀A9，经预热器11冷侧入口进入预热器11，吸收热侧流体（浓缩液）热量，再进入太阳能集热器14吸收太阳能转化的热量，在负压条件下蒸发，进入气液分离器15，其中水蒸汽16分离出来，在膨胀机17中膨胀做功，膨胀机17带动发电机18向外输出电能。高温低压蒸汽从膨胀机17出来，经冷凝器3热侧入口进入冷凝器3，向冷流流体海水2放出热量，冷凝得到淡水6，再经淡水泵7抽入淡水储罐8。

浓缩液13从气液分离器15液体出口流出，一小部分流向预热器11热侧入口，加热流经预热器11的海水，再由浓缩液泵10抽入浓缩液储罐5。为了防止结晶堵塞太阳能集热器14，采用加大流量冲刷的方式，从气液分离器15流出的浓缩液13大部分经过球阀B12，与预热器11冷侧出口的盐碱水或高含盐水混合，重新进入太阳能集热器14。

该系统可以通过改变流路的方式适应不同的原料，包括海水和盐碱水等不含易挥发气体的液体，在制取淡水，得到浓缩液或结晶的同时发电。

Claims

1.一种太阳光热水电联产系统，其特征在于：

该太阳光热水电联产系统包括自然海水储罐（1），冷凝器（3），分配器（4），球阀A（9），预热器（11），太阳能集热器（14），气液分离器（15），膨胀机（17），发电机（18），淡水泵（7），淡水储罐（8），球阀B（12），浓缩液泵（10），浓缩液储罐（5）；

自然海水储罐（1）出口与冷凝器（3）的冷侧入口相连，冷凝器（3）的冷侧出口与分配器（4）入口相连，分配器（4）第一出口与自然海水储罐（1）入口相连，分配器（4）第二出口经过球阀A（9）与预热器（11）冷侧入口相连，预热器（11）冷侧出口经过太阳能集热器（14）后与气液分离器（15）入口相连，气液分离器（15）的气体出口与膨胀机（17）入口相连，膨胀机（17）主轴与发电机（18）相连，膨胀机（17）出口与冷凝器（3）热侧入口相连，冷凝器（3）热侧出口与经过淡水泵（7）与淡水储罐（8）相连；气液分离器（15）的液体出口分成两路，一路经过球阀B（12）与太阳能集热器（14）液体入口相连，另一路与预热器（11）热侧入口相连，预热器（11）热侧出口经过浓缩液泵（10）与浓缩液储罐（5）相连。

2.根据权利要求1所述的太阳光热水电联产系统的工作方法，其特征在于包括以下过程：

一、海水蒸发制淡水：

首先关闭球阀B（12），打开球阀A（9）；

海水从海水储罐（1）经过冷凝器（3）冷侧入口，在冷凝器（3）中作为冷却液体吸收热流流体水蒸气热量，经分配器（4）一部分重新回到海水储罐（1）中进行循环，一部分通过球阀A（9），经预热器（11）冷侧入口进入预热器（11），吸收热侧流体浓缩液热量，再进入太阳能集热器（14）吸收太阳能转化的热量，在负压条件下蒸发，进入气液分离器（15），其中水蒸气（16）分离出来，在膨胀机（17）中膨胀做功，膨胀机（17）带动发电机（18）向外输出电能；高温低压蒸汽从膨胀机（17）出来，经冷凝器（3）热侧入口进入冷凝器（3），向冷流流体海水（2）放出热量，冷凝得到淡水（6），再经淡水泵（7）抽入淡水储罐（8）；

浓缩液（13）从气液分离器（15）的另一个出口流出，从预热器（11）热侧入口流出，加热流经预热器（11）的海水，再由浓缩液泵（10）抽入浓缩液储罐（5）；

二、盐碱水或高含盐水的浓缩结晶：

淡水蒸发部分与海水蒸发制淡水工作模式类似，盐碱水或高含盐水从海水储罐（1）经过冷凝器（3）冷侧入口，在冷凝器（3）中作为冷却液体吸收热流流体水蒸气热量，经分配器（4）一部分重新回到海水储罐（1）中进行循环，一部分通过球阀A，经预热器（11）冷侧入口进入预热器（11），吸收热侧流体浓缩液热量，再进入太阳能集热器（14）吸收太阳能转化的热量，在负压条件下蒸发，进入气液分离器（15），其中水蒸气（16）分离出来，在膨胀机（17）中膨胀做功，膨胀机（17）带动发电机（18）向外输出电能；高温低压蒸汽从膨胀机（17）出来，经冷凝器（3）热侧入口进入冷凝器（3），向冷流流体海水（2）放出热量，冷凝得到淡水（6），再经淡水泵（7）抽入淡水储罐（8）；

浓缩液（13）从气液分离器（15）流出，一小部分从预热器（11）热侧入口流出，加热流经预热器（11）的海水，再由浓缩液泵（10）抽入浓缩液储罐（5）；为了防止结晶堵塞太阳能集热器(14)，采用加大流量冲刷的方式，从气液分离器（15）流出的浓缩液（13）大部分经过球阀B（12），与预热器（11）冷侧出口的盐碱水或高含盐水混合，重新进入太阳能集热器（14）。

3.根据权利要求2所述的太阳光热水电联产系统的工作方法，其特征在于：

系统内部处于负压状态；所采用原料不含易挥发性物质。