CN109160565A - 用于发电与处理水的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种集成系统，为了实现将发电和水处理以及生物燃料生产结合的目的。该配置结合了互补的子系统，其中一个系统的输出被用来作为另一系统的输入，来创建一个有效地提高系统的效率和输出的正反馈机制。系统组件间的补偿机制创建了一个在能源与水生产中的自然的防护(hedge)，以抵御日光照射水平的暂时变化。本发明的第二个有益效果可以包括碳减排，地下水改善和土地再生。

Description

用于发电与处理水的设备和方法
本发明涉及一种用于发电和处理水的系统。
来自可再生能源的能量产生本身是有问题的，因为瞬态的供应经常与需求不同步。这种情况在电力生产中尤其严峻，因为储存电能通常是不可行的，而且需要能满足发电过程中的近乎瞬间的变化的高度变化的要求。与化石燃料(典型的如天然气)技术可以迅速在线投入使用不同，核能和可再生能源发电是相对稳定的，并且因此不能完成高峰时段的市场需求，除非在其他时间超容量供应。由于这个原因，在核工业广泛采用来自海水淡化的淡水的热电联产，以确保基本的负荷生产有效利用。备份能源通常设置在太阳能系统中，并且通常是化石燃料驱动或者利用昂贵的硝酸熔盐技术(molten nitrate salttechnologies)来存储过夜/峰值载荷使用的能源。
自然资源的地理位置差异也会限制可再生能源与化石燃料相比的潜力：太阳能本身是一种广泛的能源，在地表全球日照强度水平总和大概有89千兆(1015)瓦特，这足够满足全世界20000次的电量需求。气候干燥的赤道地区提供了太阳能最好的位置，日照具有最小的衰减以及很少或者没有大气湿度造成的光散射。
不幸的是这些区域也趋向于是具有低人口密度与低需求的沙漠、干旱或者半干旱地区。因此供应充足但需求很低。
连接荒凉地区与需求旺盛地区的资本密集型的大范围传输的基础设施的缺乏，是实现太阳能的潜力的重大障碍。虽然有关于建设撒哈拉和塔尔沙漠的大规模系统的一些讨论，但是很可能这样的成本将在其他方面排除了在最好的位置建设小规模系统的可能。
此外，在世界的许多干旱和半干旱地区降水量不足以满足农业生产的需要。在这些地区农民必须依赖淡水的次要来源。在印度许多的州，为了人类消耗与农业，地下水的广泛和密集利用已经导致地下水位迅速下降。在北部各州如古吉拉特邦中，水位被认为在过去的15年内已经降低了26％，并且在一些区域，如马赫萨那县的水位正以每年0.91m到6.02m的速率下降。
随着水位回落，水质也在恶化，在古吉拉特邦估计有27％的村庄存在与地下水含过量的氟化物和硝酸盐的问题，而这些地下水是该地区饮用水的主要来源。除了对人类健康造成的后果，灌溉用水中高水平的盐度给植物系统施加压力，影响作物产量和土壤渗透性。
海水淡化越来越被视为全球水资源问题的一个可行的解决方案，并且全球的生产能力在1994年到2004年之间以多于双倍的速度增长，从每天1230万立方米到3560万立方米，来满足这一需求。这些工厂通常是由化石燃料提供动力，除非找到替代品，否则将会对温室气体的排放有越来越大的影响。反渗透(RO)由于其生产的高速率被看成是一项具有竞争力的技术，但是需要相对大量的电力来使被污染的水被驱动通过半透膜。相比之下多级闪蒸(MSF)和多效蒸馏(MED)可以配置在热电联产的工厂，来利用电力系统的余热，因此，似乎反渗透的碳足迹(carbon footprint)相比起来不会有利。
另外海水反渗透在农业中的使用可能被限制，因为产出物包含相对高浓度的硼。在世界最大的反渗透工厂以色列的阿什克伦Ashkelon，用于灌溉水的尝试已经表明反渗透单元的2mg/升的浓度对除了最有耐药力的作物外的所有作物是有毒的。虽然可以采用除硼技术，但可能大幅增加生产成本。
本发明旨在解决这些问题。
根据本发明的第一个方面，此处提供了发电和水处理设备，包括：
i)用于太阳能发电的装置；
ii)用于从生物燃料发电的装置；
iii)用于处理水的装置；
其中，所述用于发电的装置的至少一个输出可以用来为所述用于处理水的装置提供动力。
优选地，用于为所述用于处理水的装置提供动力的所述用于发电的装置的一个输出是热能源。
优选地，所述热能源是蒸汽。
优选地，为所述用于处理水的装置提供动力的所述用于发电的装置的一个输出是电力。
优选地，所述设备进一步包括用于灌溉和种植农作物的装置。
优选地，所述用于灌溉和种植农作物的装置使用所述用于处理水的装置生产的水。
优选地，所述设备进一步包括用于生产生物燃料的装置。
优选地，所述用于生产生物燃料的装置至少利用所述用于灌溉和种植农作物的装置所生产的一些农作物和/或农作物的残留物。
在一个实施例中，所述用于从生物燃料发电的装置包括燃烧锅炉和汽轮机。
优选地，由所述用于生产生物燃料的装置生产的生物燃料用来作为所述用于发电的装置的燃料源。
在一个实施例中，所述用于发电的装置结合一燃烧单元。
在一个实施例中，所述用于处理水的装置包含一多级闪蒸海水淡化设施(desalination plant)。
在另一个实施例中，所述用于处理水的装置包含一高温污水(thermophillicsewage)处理系统。
在一个实施例中，所述用于处理水的装置包含一至少部分由电能提供动力的单元。
在一个实施例中，所述用于处理水的装置包括一反渗透设施(reverse osmosisplant)，所述反渗透设施至少部分由所述用于发电的装置输出的电能提供动力。
在一个实施例中，所述用于处理水的装置包含一热交换器，该热交换器作为从所述用于发电的装置到所述用于处理水的装置的能量管道。
优选地，所述热交换器作为汽轮机的输出的冷凝单元。
在一个实施例中，所述用于太阳能发电的装置包含一太阳热能收集系统和一不用火加热的锅炉(unfired boiler)。
优选地，所述太阳热能收集系统包含一定日镜阵列和一太阳能塔式系统。
优选地，来自所述冷凝单元的输出流可以选择性地供应所述不用火加热的锅炉或燃烧锅炉(fired boiler)的任一或两者。
在另一个实施例中，所述用于太阳能发电的装置包含一光伏系统。
优选地，所述设备进一步包含用于生物燃料储存的装置。
优选地，所述设备为工业设施(industrial plant)。
根据本发明的第二个方面，提供一种用于发电和处理水的方法，包括提供：
i)用于太阳能发电的装置；
ii)用于从生物燃料发电的装置；
iii)用于处理水的装置；
其中，所述用于发电的装置的至少一个输出可以用来为所述用于处理水的装置提供动力。
优选地，用于为所述用于处理水的装置提供动力的所述用于发电的装置的一个输出是热能源。
优选地，所述热能源是蒸汽。
优选地，为所述用于处理水的装置提供动力的所述用于发电的装置的一个输出是电力。
优选地，所述方法进一步包含提供用于灌溉和种植农作物的装置。
优选地，所述用于灌溉和种植农作物的装置使用所述用于处理水的装置生产的水。
优选地，所述方法进一步包括提供用于生产生物燃料的装置。
优选地，所述用于生产生物燃料的装置至少利用所述用于灌溉和种植农作物的装置所生产的一些农作物和/或农作物的残留物。
在一个实施例中，所述用于从生物燃料发电的装置包含一燃烧锅炉(firedboiler)和一汽轮机。
优选地，由所述用于生产生物燃料的装置所生产的生物燃料用来作为所述用于发电的装置的燃料源。
在一个实施例中，所述用于发电的装置包含一燃烧单元。
在一个实施例中，所述用于处理水的装置包含一多级闪蒸海水淡化设施。
在另一个实施例中，所述用于水处理的装置包含一高温污水(thermophillicsewage)处理系统。
在一个实施例中，所述用于处理水的装置包含一至少部分由电能提供动力的单元。
在一个实施例中，所述用于处理水的装置包括一反渗透设施，所述反渗透设施至少部分由所述用于发电的装置输出的电能提供动力。
在一个实施例中，所述用于处理水的装置包含一热交换器，该热交换器作为从所述用于发电的装置到所述用于水处理的装置的能量管道。
优选地，所述热交换器用作汽轮机的输出的冷凝单元。
在一个实施例中，所述用于太阳能发电的装置包含一太阳热能收集系统和一不用火加热的锅炉。
优选地，所述太阳热能收集系统包含一定日镜阵列和一太阳能塔式系统。
优选地，所述冷凝单元的输出流可以选择性地供应所述不用火加热的锅炉或燃烧锅炉(the unfired and the fired boiler)的任一或两者。
在另一个实施例中，所述用于太阳能发电的装置包含一光伏系统。
优选地，所述方法进一步包含提供用于生物燃料储存的装置。
以下参阅附图描述一具体实施例，来例证本发明，并与下述描述一起解释、说明本发明的原理。所给案例仅用于说明该装置，但本发明不局限于下述特定的装置。附图并不试图描述实际实施例的所有方面也不试图描述所描述元素的相对尺寸，附图并没有按照比例绘制：
图1为本发明必要能量循环的简化的系统图表；
图2所示为可通过使用本发明派生出的能量循环的系统图表；
图3为依照本发明实施的一实施例的设备，包含一定日镜阵列和一太阳能塔式系统，一不用火加热的锅炉，一次级燃气锅炉，一蒸汽汽轮机和一多级闪蒸海水淡化装置；
图4所示为以天和年作为时间函数的脱盐率示例；
图5所示为以天和年作为时间函数的生物燃料(生物燃气)消耗率示例；
图6为每年生物燃料(生物燃气)消耗(虚线)和生产(短划线)相对于灌溉(mm/ha)对比示例，所给灌溉总面积为1239公顷。90％的淡化水用于灌溉。全部灌溉用水中60％来自地下水资源。
参阅图1和图2，可以看出灌溉用水与其供养(supported)的生物燃料作为能量储存，其中太阳辐照被转化入处理后的水，供给生物燃料和在需要时返回为热能。本发明没有使用通常用于夜间运行的工厂中的昂贵的能量储存机制，也没有依赖化石燃料备用系统或必要的基础设施来支持本发明的装置。
太阳能或生物燃料发的电以及优选两者共同发的电，用来为海水淡化系统提供动力。在本实施例中，源自于太阳能和生物燃料的电力驱动水泵将海水压入海水淡化单元。多余的电力可以分配给当地的社区。
来自生物燃料和太阳能的热能分别在燃烧锅炉或不用火加热的锅炉中产生的蒸汽为汽轮机提供动力。汽轮机输出的蒸汽用来作用于注入海水淡化单元的盐水的淡化。
在海水淡化的过程中，来自汽轮机的蒸汽输出在具有可能的额外冷却作用的冷凝器中冷凝。随后海水淡化单元中来自冷凝器的冷凝输出被返回到燃烧和/或不用火加热的锅炉中加热。
海水淡化生产的水可以用来灌溉农作物和作为饮用水。
随后利用淡化后的水生长的农作物的废弃残留物可以用于生产燃烧锅炉用的生物燃料。
本发明通过利用该系统的输出作为系统的输入，建立了一个闭环能量线路，该闭环能量线路建立了正反馈机制，在该机制下工厂的产量逐年增加。因为每个部分输出水用来灌溉增加了供应工厂需求的生物燃料，这些反过来增加了用于灌溉的水的数量，使得本发明方案可行。
可以推断转换和存储中的效率低下可能导致该反馈过程的每次循环的迅速递减的收益。虽然最终这是正确的，但农作物生产中使用的水增加了产量(通过减少水压(water-stress)并提高植物光合作用效率)，从而使一项额外的太阳能资源可获取给该太阳热能工厂。在这种情况下，每次的后续循环实际上可以增加能量流输出，以至于在一些运行区域中，该正反馈机制可以反过来加强自身。
本申请概述了一个案例，在该案例中太阳热能工厂由灌溉支持从而允许其全年昼夜运行。可实现仅60％的灌溉用水来自雨水或地下水资源；因此输入土壤的水几乎达到了输出地下水的两倍，潜在的补给这一日益减少的资源。
来自太阳能的能源对环境具有明显的好处，并体现在以下几个方面：在中国、印度和其他世界上的农业区域燃烧农作物秸秆很普遍，释放了大量的CO2进入大气中。相反地生物燃料燃烧是本发明的装置中CO2的唯一来源，一些或全部生物燃料都应通过分解/发酵，然后相当数量的残留碳被保留在发酵的副产品中，该副产品即为优质的堆肥。
堆肥增加土壤养分水平与腐殖质含量，从而封存碳与提高土壤应对洪涝和干旱的抵抗力。大量可获得的污染物含量低的营养丰富的肥料和灌溉用水可以积极地再生半干旱地区贫瘠的土壤，并可以将劣质的废弃土地投入生产。
土地再生，地下水补给，食物，饮用水和能源生产——本发明的这些有益效果全部由可再生资源实现，不诉诸于无关的(化石燃料或其他)资源输入及相关的支持及价格风险。获得效果是各部分间正反馈机制的结果，每个部分独立建立，因此形成有限的技术和操作风险。
如此处证明的本发明的建立存在一些独特的特征，该些特征并不存在于将各部分独立考虑的情况。这些特征具体包括：
1.封闭的自动生产——一个子系统的输出是另一个子系统的输入，不需要额外的化石能源输入。
2.正反馈——通过完成闭环能量线路，明显地增加整个系统的效率以增加输出。
3.应对辐照变化的天然保障——低辐照水平与降水量相关。相反地，由于增加的降水量，减少的太阳能生产和海水淡化率由增加的农作物产量支援并因此增加可获得的生物燃料。反过来还有，升高的辐照与增加的本地大气温度有关，提高了农作物的蒸发量(水的需要量)并减少了降水量：由于可获的天然水的降低导致的水压(water stress)和产量的降低以及伴随的高强度太阳辐照时水需求量的增加可以通过增强太阳能生产/海水淡化从而增加灌溉来缓解。
图3所示为根据本发明的一个代表性的自足式的电力和脱盐水联合生产装置1。该系统包含一定日镜阵列2和一太阳能塔式3收集系统，一不用火加热的锅炉4，一次级燃气锅炉5，一蒸汽汽轮机6以及一多级闪蒸海水淡化设施7，该设施可以作为冷凝单元用于汽轮机6的操作。
燃气锅炉5由小麦作物生产的残留物进行生物发酵生产的生物燃气提供动力，而小麦作物的生产通过使用源自海水淡化设施的灌溉用水所供应。该装置中入射的太阳能通量通过一组平面镜面8反射进入一集气包(receiver drum)9，集气包9设置于塔10的顶端，镜面8设置在该塔10的周围。
集气包9内部包含有导热流体，由加在该集气包上的入射光加热。该流体被压入不用火加热的锅炉4内的热交换器。一供应汽轮机的第二进给流流体通过该锅炉，热量由导热液体传递至该进给流流体。如可获得充足的能量，所述进给流流体汽化，得到的蒸汽用来为汽轮机6提供动力。
与化石燃料动力工厂不同，用太阳能作主要能源会有每天与季节性的变化，造成供给汽轮机的蒸汽进给流的变化。作为能源工厂的惯用设计，该装置还包括一个次级燃气锅炉5，该燃气锅炉5在本发明中用于支持来自不用火加热的锅炉4的进给流以确保输入汽轮机6的进给流大于最低值。
分流器11确保正确的流体供应不用火加热的锅炉4，不用火加热的锅炉同时剩余流体传递给二级锅炉5。不用火加热的锅炉4和燃烧锅炉5的输出流在混合器13内合流，并供给汽轮机6。
汽轮机6的输出流通常是温度和压力降低的湿蒸汽。在输出流被锅炉4、5重新加热之前，必须首先通过泵进行压缩和再循环。冷凝器12是多级闪蒸海水淡化设施7的组成部分，因此可以根据需要用于为所述进给流需要的冷凝及降温，同时也为海水淡化设施提供热源，但这部分热量在传统电站应用中没有得到利用。
由于最适合用于太阳热能生产的地区同时也趋于遭受缺水的困境，用于海水淡化目的的联合生产的应用提供了一个很好的选择。从蒸汽热能和进给流的额外的任何冷却过程中得到的能量通过热交换器传递到多级闪蒸输入盐水流，盐水流随后输送至闪蒸室14。每个室的压力依次降低以确保进入闪蒸室的加热的盐水的温度高于沸点，以便盐水“闪蒸”(蒸发)。
随着盐水闪蒸失去能量，因此为使下级闪蒸过程继续进行需要一个压降。生成的蒸汽在每个室顶部的一管道束处冷凝，冷却盐水在每一室内流动，因此重新加热盐水以使蒸发的盐水所需的能量回收。回收闪蒸盐水的潜在热量与仅仅煮沸盐水相比，可大大减少能量需求并具有更高的生产率。
实例
使用了大量数学模型来证明本发明的效果。
在太阳日照强度的一模拟例子中，给出了位于古吉拉特邦的艾哈迈达巴德的一个地点(纬度23.07，经度72.63，海拔55m)每年直接光照双模跟踪辐照(insolence)值，如表1采用的普罗希特(2010)所示。
为给出天和年为单位生成日照强度水平，每年的辐照考虑了大气衰减和气候的季节性进行了调整。
在应用中采取的建模太广泛而难以讨论。然而，建模结果在图4至图6以及表1中示出。
图4所示为脱盐率作为天和年的时间函数。
图5所示为燃气消耗率作为天和年的时间函数。
图6所示为每年燃气消耗(虚线)和生产(短划线)相对于灌溉(mm/ha)对比示例。所给灌溉总面积1239公顷。90％的淡化水用于灌溉。全部灌溉用水中60％来自地下水资源。
表1概括了第一年没有生物燃料供应时示例系统的输出，与作为系统实现平衡时的输出。总脱盐输出大约为180万立方米的水，这些水中假设90％用于灌溉，占了总用水量的40％。
在这些值并不能明确体现的是第一年使用淡化水，因此一年的产量是提高后的产量。如果没有获得淡化水我们的灌溉水平将是156mm/ha，带来的谷物和堆肥产量分别为5.1382x 106kg和6.2891x 1 6kg。
将此作为基准线我们可以看到仅是第一年谷物和堆肥产量增长了40.1％，这归功于附加的灌溉。
第二年，第一年生产的燃气的使用使本年98％运行的工厂中水产量上升了25.9％的增量。
由于相对于水产量而言，灌溉面积不够大，相应于此，额外的水以5.6％缓和地增长。
燃气生产也增长了同样的量，所以第二年后该系统及其装置在整年的运作中实质上达到了平衡。
结合该反馈回路的收益，依照本发明的系统可以在一个很大面积的陆地区域上获得高脱盐率和灌溉水平。
表1：燃气消耗(GC)，燃气生产(GP)，灌溉(I)，饮用水(DW)，谷物(G)，堆肥(C)，电力(e)，％运行时间Top。
需说明的是，本申请所讨论的生物燃料包含任何从农作物衍生的可以用作燃料的有机物质，可以为未处理的生物质，也可以为特殊的生物燃料，如从这类生物质中分解出的乙醇或沼气。
也应说明的是，本申请讨论的用于处理水的装置最通常的为用于净化水的装置。在本申请的内容中提及的净化至少表示使水源可有效用于灌溉和种植农作物的处理。优选地净化可认为表示使水源适于人类消耗，如饮用水。用于净化水的装置可特别为海水淡化的装置。
在不脱离本发明所附的权利要求所列出的范围内可有各种变形方案。

Claims (23)

1.一种用于生产电力和净水的系统，包括：
i)用于太阳能发电的设备；
ii)用于从生物燃料发电的设备；
iii)用于处理水的设备；
ⅳ)用于灌溉和种植农作物的设备；
ⅴ)用于产生生物燃料的设备；
其中，所述用于发电的设备的至少一个输出可以用来为所述用于处理水的设备提供动力；
所述用于灌溉和种植农作物的设备使用所述用于处理水的设备处理的水，所述用于处理水的设备与所述用于灌溉和种植农作物的设备相通；
所述用于产生生物燃料的设备利用至少一些由用于灌溉和种植农作物的设备使用纯化的水所生产的农作物和/或所述农作物的残留物；
由所述用于产生生物燃料的设备提供的生物燃料用来作为所述用于从生物燃料发电的设备中的燃料源，所述用于从生物燃料发电的设备用于为所述处理水的设备提供动力；
用于种植农作物的堆肥来自生产生物燃料的副产品。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：用于为所述用于处理水的设备提供动力的所述用于发电的设备的一个输出是热能的来源。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述热能的来源是蒸汽。
4.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于：为所述用于处理水的设备提供动力的所述用于发电的设备的一个输出是电力。
5.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于：所述用于从生物燃料发电的设备包括一燃烧锅炉和一涡轮机。
6.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于：所述用于从生物燃料发电的设备包含一燃烧单元(a fuel-cell)。
7.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于：所述用于处理水的设备包含一多级闪蒸海水淡化设施。
8.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于：所述用于处理水的设备包含一高温污水处理系统。
9.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于：所述用于处理水的设备包括一反渗透设施，所述反渗透设施至少部分由所述用于发电的设备输出的电能提供动力。
10.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于：所述用于处理水的装置包含一热交换器，该热交换器作为从所述用于发电的设备到所述用于处理水的设备的能量管道。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于：所述热交换器用作涡轮机输出的冷凝单元。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于：来自所述冷凝单元的输出流可选择性地供应给非燃烧锅炉和/或燃烧锅炉。
13.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于：所述用于太阳能发电的设备包含一太阳热能收集系统和一非燃烧锅炉。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于：所述太阳热能收集系统包含一定日镜阵列和一太阳能塔式系统。
15.根据前述任一权利要求所述的用于生产电力和净水的系统，其特征在于：所述用于太阳能发电的装置包含一光伏系统。
16.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于：进一步包括用于储存生物燃料的设备。
17.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于：所述用于产生生物燃料的设备使用消化(digestion)。
18.根据前述任一权利要求所述的系统，其特征在于：所述用于产生生物燃料的设备使用发酵(fermentation)。
19.一种用于生产电力和净水的方法，包括如下步骤：
(1)提供根据权利要求1-16中任一所述的系统；
(2)生产电力和净水。
20.使用权利要求1-16中任一所述的系统所生产的电力。
21.使用权利要求1-16中任一所述的系统所生产的净水。
22.使用权利要求1-16中任一的系统所生产的生物燃料。
23.使用权利要求1-16中任一的系统所生产的农作物。
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