CN108005162B - 一种海岛风、储联合淡水制取装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海岛风、储联合淡水制取装置，包括风轮、机舱和塔筒，所述机舱和塔筒之间设有储水箱和过滤器，所述过滤器设置在靠近机舱的一端，所述储水箱设置在靠近塔筒的一端；海岛风、储联合淡水制取装置包括制冷换热单元、储冷器、储热器、制冷产水单元、散热器单元、集水器、海风过滤系统、温湿调控系统、鼓风机、引风机、能量变换存储系统以及风力发电机。上述技术方案中提供的海岛风、储联合淡水制取装置，利用可再生风能为海岛提供淡水资源的装置，通过电能存储与转换减小“弃风率”，保证产水的连续性和降低产水的能耗，它不仅能减少海风的腐蚀性，还能保护机舱内电子电气设备，使凝水顺畅汇集。
Description
技术领域
本发明涉及能源及资源利用技术领域，具体涉及一种海岛风、储联合淡水制取装置。
背景技术
目前，风力发电存在着比较严重的“弃风”现象，致使大量风资源的浪费，尤其是海上发电，其本身发电成本就较高。为了更好利用海上的风资源，并考虑海风的高湿度及海岛淡水资源的匮乏，可将风力发电与淡水获取联合，从海风中制取人类赖以生存的淡水。
风储联合发电是将储能与风电有效匹配构成风储联合发电系统，联合风电从海风中获取淡水，可充分利用风资源、降低成本与减少环境污染。随着产水机的推广应用，逐渐存在着一些问题，如风电的存储与转换、产水持续性，产水的能耗，海风的腐蚀性、舱内电子电气设备失效、凝水的流动性等。目前，空气中取水的风力产水机按工作原理分为冷凝式和吸附/收式，但其存在能耗与成本较高、产水效率低等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种海岛风、储联合淡水制取装置，其利用可再生风能为海岛提供淡水资源的装置，通过电能存储与转换减小“弃风率”，保证产水的连续性和降低产水的能耗，它不仅能减少海风的腐蚀性，还能保护机舱内电子电气设备，使凝水顺畅汇集。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种海岛风、储联合淡水制取装置，包括风轮、机舱和塔筒，所述机舱和塔筒之间设有储水箱和过滤器，所述过滤器设置在靠近机舱的一端，所述储水箱设置在靠近塔筒的一端；
海岛风、储联合淡水制取装置包括制冷换热单元、储冷器、储热器、制冷产水单元、散热器单元、集水器、海风过滤系统、温湿调控系统、鼓风机、引风机、能量变换存储系统以及风力发电机；所述制冷换热单元分别与储冷器和储热器相连接，所述储冷器通过辅助泵与制冷产水单元相连接，所述制冷产水单元与集水器相接，所述集水器通过过滤器与储水箱连接；机舱外的大气依次通过海风过滤系统和鼓风机进入制冷产水单元；所述储热器通过辅助泵与散热器单元相连接，所述散热器单元通过引风机排出热量；所述风力发电机与能量变换存储系统直接连接，能量变换存储系统为鼓风机、制冷换热单元、储冷器、储热器、温湿调控系统以及引风机供电。
进一步地，所述能量变换存储系统通过逆变器为储冷器和储热器提供存储驱动力。
进一步地，所述制冷换热单元包括制冷换热箱体，制冷换热箱体内设置有多层制冷、制热相间通道，每层通道均由热电堆阵列组成，制冷通道的端部通过半圆弧接头进行衔接；所述制冷换热箱体内填充隔热层。具体的，制热通道也可采用端部半圆弧接头的方式进行衔接，或者采用直接在端部汇集的方式。
进一步地，所述制冷、制热通道内侧设有突出粗粒状或三角形翅片，内通有流体介质，调控制冷换热单元的能源利用效率。
进一步地，所述散热器单元包括散热器箱体，所述散热器箱体内设置有翅片散热管，所述翅片散热管外侧横向分布有环形翅片，环形翅片上设有同心圆小孔，各小孔之间间隔60°。
进一步地，所述制冷产水单元包括产水单元箱体，产水单元箱体内设置有冷通道和产水风通道，所述冷通道包括金属圆管，金属圆管外侧设有楔形肋片，所述楔形肋片沿金属圆管纵向分布。
进一步地，所述楔形肋片设置有4片，且在金属圆管上间隔90°布置。
进一步地，所述集水器设置在机舱内部，过滤器以及储水箱位于塔筒内部。
更进一步地，所述风力发电机叶片内圈采用钝后缘翼型，叶片外圈采用NREL的S系列翼型。
上述技术方案中提供的海岛风、储联合淡水制取装置，结合风能、储能及淡水资源一体化，降低现存的“弃风”现象，通过高效、高精度的阵列微型半导体热电制冷器件，实现无污染、无噪音热的泵送及储冷与储热，实现对风能的全天候稳定利用；同时利用能量变换存储系统，把风能转换为电能，再进行交直转换与高容量、高效存储，并再把电能直接转换为热能，产生热量与冷量，然后用冷量驱动导冷介质与海风换冷产水。并在热量侧采取强化散热器单元，提高半导体热电制冷换热单元的效率，提升淡水的产出率。
与现有技术相比，本发明提供的海岛风、储联合淡水制取装置，能够改善海岛风力机的机舱工作环境，降低海岛海岛风中盐、沙及高湿度对电子、电气器件的损坏，降低舱内器件的故障，提高海岛风、储联合淡水机的寿命；可以保证淡水容易冷凝汇集，不发生凝水粘滞与堵塞现象，提高肋片式制冷的效率，使海风中的含水快速、充分析出。
附图说明
图1为本发明海岛风、储联合淡水制取的系统流程图；
图2为本发明海岛风、储联合淡水制取装置的结构示意图；
图3为制冷换热单元的结构示意图；
图4为图3中A处的结构放大图；
图5为散热器单元的结构示意图；
图6为图5中B处的结构放大图；
图7为制冷产水单元的结构示意图；
图8为图7中C处的结构放大图。
图中：1、制冷换热单元；2、储冷器；3、储热器；4、制冷产水单元；5、鼓风机；6、机舱；7、海风过滤系统；8、引风机；9、散热器单元；10、集水器；11、能量变换存储系统；12、风力发电机；13、风轮；14、逆变器；15、辅助泵；16、热电堆；17、热腔陶瓷板；18、三角陶瓷翅片；19、冷腔陶瓷板；20、隔热层；21、制热通道；22、风力机偏航系统；23、温湿调控系统；24、过滤器；25、储水箱；26、塔筒；27、风向标；28、铝金属导体片；29、N型材；30、P型材；31、制冷通道；32、冷腔进口；33、冷腔出口；34、制冷换热箱体；35、固定脚；36、冷通道；37、产水单元箱体；38、紧固螺栓；39、出水口；40、楔形肋片；41、集水板；42、产水单元固定脚；43、散热器箱体；44、螺栓；45、散热器固定脚；46、翅片散热管；47、散热风通道；48、产水风通道。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
本发明采取的技术方案如图1～8所示，一种海岛风、储联合淡水制取装置，包括风轮13、机舱6和塔筒26，所述机舱6和塔筒26之间设有储水箱25和过滤器24，所述过滤器24设置在靠近机舱6的一端，所述储水箱25设置在靠近塔筒26的一端；
如图1所示，海岛风、储联合淡水制取装置包括制冷换热单元1、储冷器2、储热器3、制冷产水单元4、散热器单元9、集水器10、海风过滤系统7、温湿调控系统23、鼓风机5、引风机8、能量变换存储系统11以及风力发电机12；所述制冷换热单元1分别与储冷器2和储热器3相连接，所述储冷器2通过辅助泵15与制冷产水单元4相连接，所述制冷产水单元4与集水器10相接，所述集水器10通过过滤器24与储水箱25连接；机舱6外的大气依次通过海风过滤系统7和鼓风机5进入制冷产水单元4；所述储热器3通过辅助泵15与散热器单元9相连接，所述散热器单元9通过引风机8排出热量；所述风力发电机12与能量变换存储系统11直接连接，能量变换存储系统11为鼓风机5、制冷换热单元1、制冷产水单元4、储冷器2、储热器3、温湿调控系统23以及引风机8供电。
温湿调控系统23利用产水后的冷风对舱内的设备进行冷却调温，进入机舱6的海风经海风过滤系统7、制冷产水单元4后，成为低温的干风，为防止冷干风流通路径的风力发电机12、逆变器14、散热器单元9等电子器件设备过热，温湿调控系统23根据机舱6内外的温度，调节电子设备工作环境的温湿度，使舱内的气流处于流动态，提高能量的利用率，改善舱内的环境湿度，减缓海风的腐蚀，提高设备运行寿命。
所述能量变换存储系统11通过逆变器14为储冷器2和储热器3提供存储驱动力。能量变换存储系统11主要针对风力发电机12产生的电能进行转换、存储与释放，减少“弃风”现象发生。风力发电机12产生的交流电经变频器转换成直流电，然后通过大容量蓄电池进行电能存储，根据机舱6内不同设备的工作需求，释放出直流电或经过逆变器14转成交流电，为相应的仪器设备提供动力，确保淡水机全天候运行产水，本实施例中能量变换存储系统11置于机舱6的下层。
如图3、4所示，所述制冷换热单元1包括制冷换热箱体34，制冷换热箱体34内设置有多层制冷、制热相间通道，每层通道都是由热电堆阵列组成，制冷通道31的端部通过半圆弧接头进行衔接，两端还设置有冷腔进口32和冷腔出口33；所述制冷换热箱体34内填充隔热层20。其中每层通道由一系列热电堆的阵列组成，满足实际所需的外形和尺寸，给阵列通以直流电，通过调节电流大小控制制冷换热单元1中半导体制冷器件的制冷程度，即冷热通道的板壁温度，相同的多层通道间通过端部的半圆弧接头进行衔接，采用焊接法进行，使陶瓷板与半圆弧陶瓷接头在制冷换热单元1内形成密封的换热载体流动通道。在通道内的陶瓷板上，通过焊接形成三角形的突出类似翅片结构，强化换热介质与冷热陶瓷板的热传递，提高制冷效率。制冷换热箱体34由金属材料加工焊接而成，内填充着隔热层20，既可防止热量的外泄，影响机舱6的内部温度，也可起到制冷通道31、制热通道21在制冷换热单元内的定位与支撑作用。整个制冷换热单元1通过固定脚35采用螺栓法与机舱6的上层基板固定。
如图7、8所示，所述制冷产水单元4包括产水单元箱体37，产水单元箱体37内设置有冷通道36和产水风通道48，所述冷通道36包括金属圆管，金属圆管外侧设有楔形肋片40，所述楔形肋片40沿金属圆管纵向分布。制冷产水单元4由低温、无毒导冷介质在辅助泵15的辅助下，在制冷侧与海风进行间接高效强迫换热，冷却海风，析出风中的含水，并由制冷换热单元1中的热电器件和储冷器2进行精确控温，实现无污染、无噪音、高效产水。
所述楔形肋片40设置有4片，且在金属圆管上间隔90°布置。具体实施时，楔形肋片40上开设一层或多层圆形小孔，小孔在楔形肋片上呈正弦规律分布，在圆管楔形的最高端通过电焊相接，使析出的淡水在重力作用下沿着导引丝棒流向集水板41，从出水口39流出，进入过滤器24、集水箱25。其中，过滤器设有两个及以上并列，防备更换过滤器时，确保本发明正常运行。同时，楔形肋片40上小孔可强化肋片表面的换热，还可以破坏海风侧的冷凝液膜，形成珠状，并利于水珠的流动。制冷产水单元4外形是一个封闭的金属箱体结构，材质选用不锈钢，通过产水单元固定脚42和紧固螺栓38紧固于机舱6的上层基板上。
如图5、6所示，所述散热器单元9包括散热器箱体43，所述散热器箱体43内设置有翅片散热管46和散热风通道47，所述翅片散热管46外侧横向分布有环形翅片，环形翅片上设有同心圆小孔，各小孔之间间隔60°。散热器单元9主要功能是及时转移制冷换热单元1的伴随热，从而进一步提高制冷换热单元1中的半导体制冷器件的制冷效率，并利用被冷却的海风调节机舱6内的环境温度和湿度。制冷换热单元1产生的热量，在辅助泵15的协助下，由输热介质携带，可存储于储热器3，再进入散热器单元9，流入翅片散热管46，与纵掠的冷海风进行间接换热。环形翅片位于翅片散热管46的外侧，横向分布，在环形翅片上打同心圆小孔，其中孔与孔的间隔60°，可以一层或者多层，有利于扰乱气流，形成湍流，强化冷海风从输热介质的热量获取，被加热的海风在引风机8的辅助下排入大气。散热器单元9的外形结构与制冷产水单元4相似，由金属框架焊接成型，通过散热器固定脚45和螺栓44固定，外包一层隔热保温层，防止散热器单元9的热散发至机舱6内。此外，此中同样涉及的储热器3的外层也包裹着隔热保温层。
所述风力发电机12叶片内圈采用钝后缘翼型，叶片外圈采用NREL的S系列翼型。风力发电机12自身产生的电能，维护自身运转所需的电，经过机舱6内的能量变换存储系统11，把交流电转成直流电，用于驱动热电制冷器件，同时，还可以把直流电通过铅酸或锂蓄电池进行存储，在需要的时候释放供电，并经逆变器14为淡水机的稳定运行提供动力。
具体实施时，将机舱6设置成上下两层，产水部分位于机舱上层，发电和储能部分位于机舱下层，在舱内引风设计时，海风从上层引入，进入制冷产水单元4，然后引向下层，进行发电单元的工作温度和湿度的调节，最后回到上层，经引风机8排出机舱6，操作时，可在引风机8和机舱6之间设有空气过滤器。
所述集水器10设置在机舱6内部，过滤器24和储水箱25位于塔筒26内部。制冷产水单元4的楔形肋片40换热管间设有引流丝棒，凝水在重力的作用下，沿着引流丝棒向底部汇集，集水器10的底部设有倒流角，凝水流出集水器10后，流经过滤器24，进行过滤、杀菌、消毒，成为可饮用水，或者直接进行过滤，变为可灌溉用水。
更为具体的方案为，如图2所示，机舱6上设有风向标27，依据不同海风风向，通过风力机偏航系统22调控风轮13的迎风角度，确保理想的最佳利用位置，海岛风、储联合淡水制取装置的海风吸风口位于大海一侧，在机舱6上设有海风过滤系统7，机舱6具有良好的密封性能，内部设备环境与机舱6外的海风相通，通过温湿调控系统23调节机舱内的温度与湿度，使机舱6内设备处于安全的工作环境，降低海风机舱内设备的腐蚀性，使本发明稳定运行。
本发明海岛风、储联合淡水制取装置的工作原理及详细操作流程如下：
制冷换热单元1在能量变换存储系统11提供的直流电驱动下，实现无污染制冷的功效。制冷换热单元1的核心是半导体热电堆16组成的阵列，热电堆16采用无污染、高密度和高导电率的半导体碲化铋基体三元固溶体合金材料作为热电材料，其中，P型材30是Bi2Te3-Sb2Te3，N型材29是Bi2Te3-Bi2Se3，P、N型材之间用铝金属导体28连接，采用串、并联多组方式，组成阵列式热电堆单元，制冷温差达到-130～90℃。热电堆16的上下基板紧贴导热好的热腔陶瓷板17和冷腔陶瓷板19，把热电堆16连成阵列，陶瓷体为片状，陶瓷体外侧通过焊接加工形成突出的三角陶瓷翅片18，与储冷器2和储热器3中的导冷、导热介质进行对流换热，迁移制冷换热单元1产生的冷量与热量，调控制冷换热单元1的最优能效，并可在储冷器2和储热器3中进行缓存。导冷与导热介质采用无毒、低温流动性出色、高比热、高热稳定性的异丙基联苯，其工作温度范围在-40～335℃，并在辅助泵15的驱动下流动。结合制冷产水单元4的运行状况，制冷换热单元1中的半导体制冷器件的制冷效率主要通过能量变换存储系统11提供的直流电大小进行调节，并通过散热器单元9和储热器3的作用提高半导体制冷器件的制冷效率，提高能量的利用率。储冷器2和储热器3作为冷量和热量的缓存单元，既可存储热能，也可起到对制冷换热单元1、制冷产水单元4和散热器单元9运行的调节作用。
海风在鼓风机5的辅助下，经过海风过滤系统7，进入制冷产水单元4，与带锲形肋片40的不锈钢316L冷通道36内的导冷介质进行间接式冷却，达到大气压力下的露点温度以下，析出海风中的含水量，为了保证产水顺利进行和防止结霜的出现，冷却后的海风控制在2℃左右。在不锈钢316L冷通道36外侧焊接有打孔的不锈钢316L锲形肋片40，小孔在楔形肋片40上成正弦规律分布，海风在制冷产水单元4内横掠不锈钢316L冷通道36及其组成的管束时，海风与不锈钢316L冷通道36进行对流换热，楔形肋片40上的小孔加剧了海风的紊流程度，强化了被冷却效果，同时，被冷凝析出的小水滴覆盖在楔形肋片40上，小孔有助于打断其表面的水膜，形成珠状，利于产水的提高和水滴的流动性。冷却后的低温海风流出制冷产水单元4后，进入下层机舱6，在温湿调控系统23作用下，对机舱6内的其他电子电气设备进行降温和调湿。
冷却后的低温海风经机舱6的循环调温和调湿后，回到机舱6的上层，进入散热器单元9的风通道，纵掠通有导热油的不锈钢304L翅片散热管46，通过强迫对流换热，带走制冷换热单元1伴随产生的热量，确保半导体制冷器件的高效、稳定工作。最终，被加热的海风在引风机8的驱动下，排入周边海面大气。翅片散热管46上的翅片为圆环形状，分布在翅片散热管46的横向外侧，翅片上开有小孔，成同心圆排列，可一层或几层。翅片上小孔的设计，有利于海风掠过翅片散热管46时，形成湍流，从而强化海风与翅片散热管46的热交换，及时把储于导热介质中的伴随热量带出机舱6，维持淡水机的高效、稳定运行。
制冷产水单元4产生的淡水汇集于底部，在重力作用下，流入过滤器24，经过活性炭层和电渗析层及臭氧消毒层进行过滤、消毒和杀菌，变成可直接引用的淡水，存储在塔筒26内的储水箱25中。储水箱25中的液位达到一定值后，在淡水输送泵的带动下，输到各个淡水汇集站或居民生活区。也可把产生的淡水直接用于灌溉。
本发明提供的海岛风、储联合淡水制取装置，比相同工况下的压缩制冷的COP可提高1倍；与传统的热电半导体制冷相比，其制冷系数增加1倍左右，能有效提高电能的有效转换；与相同规模的冷凝产水设备及传统热电半导体制冷冷凝产水相比，本发明海岛风、储联合淡水制取装置每天的产水率增加5倍以上。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种海岛风、储联合淡水制取装置，其特征在于：包括风轮、机舱和塔筒，所述机舱和塔筒之间设有储水箱和过滤器，所述过滤器设置在靠近机舱的一端，所述储水箱设置在靠近塔筒的一端；
海岛风、储联合淡水制取装置包括制冷换热单元、储冷器、储热器、制冷产水单元、散热器单元、集水器、海风过滤系统、温湿调控系统、鼓风机、引风机、能量变换存储系统以及风力发电机；所述制冷换热单元分别与储冷器和储热器相连接，所述储冷器通过辅助泵与制冷产水单元相连接，所述制冷产水单元与集水器相接，所述集水器通过过滤器与储水箱连接；机舱外的大气依次通过海风过滤系统和鼓风机进入制冷产水单元；所述储热器通过辅助泵与散热器单元相连接，所述散热器单元通过引风机排出热量；所述风力发电机与能量变换存储系统直接连接，能量变换存储系统为鼓风机、制冷换热单元、储冷器、储热器、温湿调控系统以及引风机供电；
所述制冷换热单元包括制冷换热箱体，制冷换热箱体内设置有多层制冷、制热相间通道，每层通道均由热电堆阵列组成，所述热电堆阵列采用热电材料，制冷通道端部通过半圆弧接头进行衔接；所述制冷换热箱体内填充隔热层。
2.根据权利要求1所述的海岛风、储联合淡水制取装置，其特征在于：所述能量变换存储系统通过逆变器为储冷器和储热器提供存储驱动力。
3.根据权利要求1所述的海岛风、储联合淡水制取装置，其特征在于：制冷、制热通道内侧设有突出粗粒状或三角形翅片。
4.根据权利要求1所述的海岛风、储联合淡水制取装置，其特征在于：所述散热器单元包括散热器箱体，所述散热器箱体内设置有翅片散热管，所述翅片散热管外侧横向分布有环形翅片，环形翅片上设有同心圆小孔，各小孔之间间隔60°。
5.根据权利要求1所述的海岛风、储联合淡水制取装置，其特征在于：所述制冷产水单元包括产水单元箱体，产水单元箱体内设置有冷通道和产水风通道，所述冷通道包括金属圆管，金属圆管外侧设有楔形肋片，所述楔形肋片沿金属圆管纵向分布。
6.根据权利要求5所述的海岛风、储联合淡水制取装置，其特征在于：所述楔形肋片设置有4片，且在金属圆管上间隔90°布置。
7.根据权利要求1所述的海岛风、储联合淡水制取装置，其特征在于：所述集水器设置在机舱内部，过滤器以及储水箱位于塔筒内部。
8.根据权利要求1所述的海岛风、储联合淡水制取装置，其特征在于：所述风力发电机叶片内圈采用钝后缘翼型，叶片外圈采用NREL的S系列翼型。
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