CN109555636B - 一种海岸波浪能综合利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海岸波浪能综合利用系统，所述系统包括：波浪能收集模块，其包括能量转换单元、空气收集单元以及海水收集单元，其中，所述能量转换单元配置为收集海岸波浪能，所述空气收集单元配置为在所述能量转换单元驱动下收集并输出空气，所述海水收集单元配置为在所述能量转换单元驱动下收集并输出海水；气动发电模块，其配置为在所述空气收集系统输出的高压空气的驱动下发电；海水淡化模块，其配置为在所述海水收集系统输出压力驱动下淡化所述海水收集系统输出的海水。相较于现有技术，本发明的系统简单可靠，能量收集率较高，具有很高的实用价值以及推广价值。

Description

一种海岸波浪能综合利用系统
技术领域
本发明涉及能源技术领域，具体涉及一种海岸波浪能综合利用系统。
背景技术
随着环保要求的进一步提高，在能源领域对可再生的清洁能源的需求不断提高。
海岸波浪能是一种新兴的可再生清洁能源。但是由于波浪能的不稳定性和环境的局限性，海岸波浪能的收集以及能量的综合利用具有相当大的难度。
在现有技术中，针对海岸波浪能的收集存在多种不同的收集方案。但是，现有的波浪能的收集方案主要集中在创新装置形状、拓展收集方式等方面，而忽略了基本的水动力学和结合自身用途的深入分析及应用；能量的利用方式基本用来发电，忽略了结合当地环境综合利用的可行性。
发明内容
本发明提供了一种海岸波浪能综合利用系统，所述系统包括：
波浪能收集模块，其包括能量转换单元、空气收集单元以及海水收集单元，其中，所述能量转换单元配置为收集海岸波浪能，所述空气收集单元配置为在所述能量转换单元驱动下收集并输出空气，所述海水收集单元配置为在所述能量转换单元驱动下收集并输出海水；
气动发电模块，其配置为在所述空气收集系统输出的高压空气的驱动下发电；
海水淡化模块，其配置为在所述海水收集系统输出压力驱动下淡化所述海水收集系统输出的海水。
在一实施例中，所述能量转换单元采用平板结构收集海岸波浪能。
在一实施例中，所述系统包括多个波浪能收集模块。
在一实施例中，所述海水淡化模块采用反渗透海水淡化法进行海水淡化。
在一实施例中，所述海水淡化模块采用芯片法进行海水淡化，其中，所述海水淡化模块采用基于离子浓差极化原理的淡化芯片。
在一实施例中，所述气动发电模块包含：
高压空气罐，其配置为不断收集所述空气收集单元输出的空气以获取高压空气；
调速器，其配置为稳定所述高压空气罐输出的高压高速空气的流速；
汽轮机，其配置为在所述调速器稳速后的高压高速空气驱动下发电。
在一实施例中，所述系统还包括：
高浓度海水处理模块，其配置为对所述海水淡化模块输出的高浓度海水进行进一步的淡化处理以获取淡水以及海盐。
在一实施例中，所述高浓度海水处理模块配置为基于所述气动发电模块供能进行淡化处理。
在一实施例中，所述高浓度海水处理模块配置为采用迅速喷雾蒸发技术进行淡化处理。
在一实施例中，所述高浓度海水处理模块配置为利用所述气动发电模块的尾气进行淡化处理。
根据本发明的系统，同时将收集气体和收集海水集成在一套收集装置中，提高了装置的能量转化效率；并且，本发明的系统，将波浪能发电、海水淡化、海水化工集成于一体，拓宽了能量利用范围；相较于现有技术，本发明的系统简单可靠，能量收集率较高，具有很高的实用价值以及推广价值。
本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1以及图13是根据本发明不同实施例的系统结构框图；
图2是根据本发明一实施例的理想状态下波浪流体模型示意图；
图3以及图4是根据本发明一实施例的理想状态下不同计算条件下圆柱绕流示意图；
图5是根据本发明一实施例的波浪能收集模块结构示意图；
图6是根据本发明一实施例的平板受力计算模型示意图；
图7是根据本发明一实施例的空气收集单元活塞结构示意图；
图8是根据本发明一实施例的海水淡化模块管道结构示意图；
图9是根据本发明一实施例的海水淡化模块中单个膜元件结构示意图；
图10是根据本发明一实施例的海水淡化模块中淡化芯片使用结构示意图；
图11是根据本发明一实施例的气动发电模块结构示意图；
图12是根据本发明一实施例的系统运行流程示意图；
图14是根据本发明一实施例的高浓度海水处理模块结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
海岸波浪能是一种新兴的可再生清洁能源。但是由于波浪能的不稳定性和环境的局限性，海岸波浪能的收集以及能量的综合利用具有相当大的难度。
在现有技术中，针对海岸波浪能的收集存在多种不同的收集方案。但是，现有的波浪能的收集方案主要集中在创新装置形状、拓展收集方式等方面，而忽略了基本的水动力学和结合自身用途的深入分析及应用；能量的利用方式基本用来发电，忽略了结合当地环境综合利用的可行性。
针对上述问题，本发明提出了一种海岸波浪能综合利用系统。如图1所示，在一实施例中，系统包括：
波浪能收集模块110，其包括能量转换单元111、空气收集单元112以及海水收集单元113，其中，能量转换单元111配置为收集海岸波浪能，空气收集单元112配置为在能量转换单元111驱动下收集并输出空气，海水收集单元113配置为在能量转换单元111驱动下收集并输出海水；
气动发电模块120，其配置为在空气收集系统输出的高压空气的驱动下发电；
海水淡化模块130，其配置为在海水收集系统输出压力驱动下淡化海水收集系统113输出的海水。
根据本发明的系统，同时将收集气体和收集海水集成在一套收集装置中，提高了装置的能量转化效率；并且，本发明的系统，将波浪能发电、海水淡化、海水化工集成于一体，拓宽了能量利用范围；相较于现有技术，本发明的系统简单可靠，能量收集率较高，具有很高的实用价值以及推广价值。
进一步的，在一实施例中，系统包括多个波浪能收集模块。这样，即便是部分模块故障，整个系统仍然可以正常运转。大大降低了系统整体停机的概率，在收集装置定期检修时，生产不会受到太大影响。
进一步的，在一实施例中，能量转换单元采用平板结构收集海岸波浪能。相较于现有技术的能量转换结构，平板结构简单可靠，便于实现，兼顾海水收集和空气收集两种功能。具体的，在一实施例中，系统采用多个平板构造平板阵列收集海岸波浪能。
具体的，在一实施例中，基于势流理论计算分析波浪能捕获平板的受力。在岸边，波浪可以看成水平运动的理想流。假定流体理想，用简化的二维模型来进行计算，构造将平板势流转换成圆柱绕流的虚拟坐标系，模型如图2所示。
攻角α，来流为V0
通过儒可夫斯基变换：
Figure BDA0001421266160000041
Figure BDA0001421266160000042
其中，ζ为Z平面上的复速度。
构造将平板势流转换成圆柱绕流的虚拟坐标系，得到如图3所示的圆柱绕流。
由于对应速度关系为：
Figure BDA0001421266160000043
其中，W(z)为z平面上的复势；Ω为ζ平面上的复势。
在无穷远处
Figure BDA0001421266160000051
由
Figure BDA0001421266160000052
得到
Figure BDA0001421266160000053
得如图4所示的z平面的圆柱绕流
引入变换
Figure BDA0001421266160000054
由绕圆柱的复势的式子得：
Figure BDA0001421266160000055
把式7代入式2得：
Figure BDA0001421266160000056
把式9代入式8得：平面ξ上平板无环量绕流的复势为
Figure BDA0001421266160000057
整理得：
Figure BDA0001421266160000058
考虑环量：
在原点处加一个强度为Γ顺时针的点涡，
Figure BDA0001421266160000059
转换后为：
Figure BDA00014212661600000510
Figure BDA00014212661600000513
得平板有环量环流的复势
Figure BDA00014212661600000511
复速度：
Figure BDA00014212661600000512
由式14知：在ξ＝a处ξ2-a2＝0，使得
Figure BDA0001421266160000061
此时不符合实际，故而：
Figure BDA0001421266160000062
Figure BDA0001421266160000063
代入复势得：
Figure BDA0001421266160000064
Figure BDA0001421266160000065
在平板表面：|ξ|＜a得
Figure BDA0001421266160000066
有伯努利方程：
Figure BDA0001421266160000067
Figure BDA00014212661600000612
压力系数
Figure BDA0001421266160000068
在本应用中，攻角趋于很大，
Figure BDA0001421266160000069
此时，
Figure BDA00014212661600000610
Figure BDA00014212661600000611
其中，B—板宽。
进一步的，如图5所示，在一实施例中，空气收集单元以及海水收集单元采用活塞结构。平板捕获波浪能后，通过摇杆滑块机构将平板的周向运动动能传递给活塞，转换成活塞的水平运动动能。当平板在波浪作用下作顺时针转动时，海水进口开启，左面活塞吸入海水；当平板逆时针转动时，左面海水进口关闭，出口开启，在压力下海水将进入淡化系统，同时右面空气进口开启，右边活塞吸入空气；当平板再次顺时针转动时，右面活塞将空气压入储气室。如此为一个周期。储气室气体达到一定压力后开始排气，高压气体使汽轮机叶轮转动，带动发电装置运转发电。
在一实施例中，在上述结构中，以以下步骤计算平板能量收集效率。
如图6所示，在Δt时间内，垂直于平板通道内的流体能量为
Figure BDA0001421266160000071
c为流速。
冲击后，平板获取的能量为
Figure BDA0001421266160000072
VB为平板运动的速度。
平板能量收集的理想效率为：
Figure BDA0001421266160000073
VA如图6所示，其中
Figure BDA0001421266160000074
进一步的，在一实施例中，以平板与摇杆连接点为原点，平板所受阻力的作用点为：
Figure BDA0001421266160000075
阻力对摇杆支点的矩：
M＝D(l2+a-ξ)(30)
由牛顿定律：M＝JB，J—转动惯量。
进一步的，在一实施例中，空气收集单元采用如图7所示的活塞结构。
当活塞距相对点S1时，开关K1打开进空气，此时压强为P0，到K2打开时，压缩。
由状态方程：
PV＝nRT(31)
得：
Figure BDA0001421266160000081
进一步的，把K2设在底端(如图7所示)，耐压气室里的最大压强为P2。此时，就不会存在K2打不开的现象。并且，可以获取足够大的P2，使得汽轮机将获得更大的动力。
进一步的，在一实施例中，海水淡化模块采用反渗透海水淡化法进行海水淡化。具体的，在一实施例中，海水淡化模块的管道结构如图8所示，其中，1为浓水旁路阀，2为浓水背压阀，3为淡水流量计，4为浓水流量计。
作为渗透法，加压作为最重要的能量来源则是整个渗透法淡化系统费用消耗的主因。进一步的，在一实施例中，对海水收集单元管路中压强进行计算，将计算结果与海水淡化模块所需初始压力进行比较，根据比较结果选取反渗透海水淡化所需的渗透膜组件以及加压泵和稳压器。
具体的，在一实施例中，海水收集单元管路中压强计算过程如下。
由连续方程：
Figure BDA0001421266160000082
由伯努利方程：
Figure BDA0001421266160000083
假定无穷处的速度为零，压强为
Figure BDA0001421266160000084
进一步的，在一实施例中，经模拟计算如果假定上述收集装置平板迎流面在2～4平米时，单个子系统平均稳定压力在100～200公斤，而一般的膜组件所需压力为80公斤左右，所以利用收集装置所获取的能量(压力)基本能够满足渗透所需压力，正常情况下无需加压泵工作，只有在非正常情况下加压泵工作以维持淡化工作持续，大大提高了淡化的经济性。
进一步的，在一实施例中，海水淡化模块采用溶解扩散模型作为反渗透法过程单元模型。它可以计算在一定的推动力下，透过给定膜面积S的渗透淡水的流量Qp(mVh)，淡水的浓度C(rag/L)。
具体的，在一实施例中，一个膜元件的简图如图9所示。
该膜过程数学模型如下：
Qp＝3.6×A×S×(ΔP-Δπ) (36)
Cp＝B+(Cm-Cp)/A×(ΔP-Δπ) (37)
π＝0.2641×C×(T+273)/(1.0×106-C) (38)
Pb＝Pf-δP (39)
Qf＝Qb+Qp (40)
Qf×Cf＝Qb×Cp+Qf×Cp (41)
在式(36)一(41)中ΔP和Δπ分别为膜两侧的净压差和渗透压差，单位是MPa。
ΔP＝(Pf+Pb)/2-Pp，Cm为高压侧平均浓度Cm＝(Cf+Cb)/2。A(k g/s·N)和B(k·m2)分别为纯水渗透性常数和盐的传质参数，通常由膜元件制造商提供。δP为膜组件的压降。高压泵、增压泵提供5MP a以上的高压作为反渗透的推动力，它的功率W(k W)与压头AP，流体流量Q有关：
WHPP＝ΔPHPP×QHPP/(3.6×ηHPP)(42)
在一实施例中，使用的能量回收装置主要有水力回收透平，涡轮增压器，压力(功)交换器，它们的装置设计、能量回收效率不一样，适合于不同的工艺流程使用。
模型分别如(43)一(45)式：
WTb＝ΔP×Q×ηTb/3.6 (43)
ΔP1＝ΔP2×ηHTC×Q2/Q1 (44)
ΔP1＝ΔP2×ηPX (45)
式中△P1和Q1分别为需增压流体的压差和流量，△P2和Q2分别为含高压水力能的浓水的压差和流量。η表示效率，为74％，为67％t，约60％～70％，ηPX约90％～95％。
进一步的，在一实施例中，海水淡化模块采用基于离子浓差极化原理的淡化芯片。淡化芯片使用原理结构如图10所示。
这种净水芯片中，利用了离子浓差极化是一种向电解质溶液通电时在电极外制造出一层离子浓度较低的溶液层。芯片上微小的水道呈Y字型，中间的交点就是盐水和淡水的分离处，和V字型的地线相连。在加上75伏电压以后，流经入水通道的海水将会在交叉点分道扬镳：高浓度的溶液会经由盐水出口排出，而人们可以从淡水口收集那层离子浓度低的溶液。如果将1600个海水淡化单元构成阵列集成在一个8英寸晶圆上。这样，一个海水淡化阵列每小时可以生产大约15公升的淡水。
因为这种芯片在淡化时所需的压力很小，基本等同于水的重力，所以可以保证系统的海水淡化效率和经济性。
进一步的，在一实施例中，高浓度海水盐溶液气动发电模块包含：
高压空气罐，其配置为不断收集空气收集单元输出的空气以获取高压空气；
调速器，其配置为稳定高压空气罐输出的高压高速空气的流速；
汽轮机，其配置为在调速器稳速后的高压高速空气驱动下发电。
具体的，如图11所示，在一实施例中，活塞吸入的空气在活塞反向运动时被压出。单向阀保证了空气从活塞里只出不进，与大气经由阀门联通的稳压器，压力表是为了保证储气室内气压稳定；从储气室压出的气体在经过调速器稳定速度后进入汽轮机系统，保证了汽轮机的稳定运转，加强了系统的可靠性。
进一步的，在一实施例中，系统的工作流程如图12所示。
在上述方案中，海水淡化模块输出的是淡水以及高浓度海水盐溶液。以现今最为常见的反渗透淡化技术为例，海水的一般浓度在3％左右，使用膜法(即反渗透)海水淡化，首先海水中含有大量结垢性的钙镁离子，浓海水浓度大于6％会饱和析出。其次渗透压与浓度有关，高浓度意味着更高的操作压力，能耗也会增大。所以剩余浓海水的浓度大约6％左右。
进一步的，在一实施例中，对高浓度海水盐溶液进行进一步处理。具体的，如图13所示，在一实施例中，系统还包括：
高浓度海水处理模块140，其配置为对海水淡化模块130输出的高浓度海水进行进一步的淡化处理以获取淡水以及海盐。
为了增加能量的利用率，进一步的，在一实施例中，高浓度海水处理模块140配置为基于气动发电模块120供能进行淡化处理。
进一步的，在一实施例中，高浓度海水处理模块140采用迅速喷雾蒸发技术进行淡化处理。具体的，在一实施例中，高浓度海水处理模块140配置为利用气动发电模块120的尾气进行淡化处理。
如图14所示，从发电系统排出的气体和从淡化系统排出的浓海水进入喷雾设备，含盐的水通过管道喷雾进入分离室，形成非常细小的水滴；在分离室的热空气中，水滴迅速蒸发，水和盐分等杂质分离；水蒸气输入凝结室成为纯水，而盐分则落在分离室的底部。
迅速喷雾蒸发技术效率比现有的反向渗透等技术要高得多，而且费用只有现有技术的三分之一，试验表明，它能处理含盐量高达16％的水，大大超出了一般海水的浓度。这样一来，实际是对浓海水进行了二次淡化，并得到了比较纯净的海盐。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种海岸波浪能综合利用系统，其特征在于，所述系统包括：
波浪能收集模块，其包括能量转换单元、空气收集单元以及海水收集单元，其中，所述能量转换单元配置为收集海岸波浪能，所述空气收集单元配置为在所述能量转换单元驱动下收集并输出空气，所述海水收集单元配置为在所述能量转换单元驱动下收集并输出海水；其中，通过摇杆滑块机构将能量转换单元的周向运动动能传递给空气收集单元或海水收集单元，转换成水平运动动能；
气动发电模块，其配置为在所述空气收集系统输出的高压空气的驱动下发电；
海水淡化模块，其配置为在所述海水收集系统输出压力驱动下淡化所述海水收集系统输出的海水；
所述气动发电模块包含：
高压空气罐，其配置为不断收集所述空气收集单元输出的空气以获取高压空气；
调速器，其配置为稳定所述高压空气罐输出的高压高速空气的流速；
汽轮机，其配置为在所述调速器稳速后的高压高速空气驱动下发电。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量转换单元采用平板结构收集海岸波浪能。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括多个波浪能收集模块。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述海水淡化模块采用反渗透海水淡化法进行海水淡化。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述海水淡化模块采用芯片法进行海水淡化，其中，所述海水淡化模块采用基于离子浓差极化原理的淡化芯片。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
高浓度海水处理模块，其配置为对所述海水淡化模块输出的高浓度海水进行进一步的淡化处理以获取淡水以及海盐。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述高浓度海水处理模块配置为基于所述气动发电模块供能进行淡化处理。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述高浓度海水处理模块配置为采用迅速喷雾蒸发技术进行淡化处理。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述高浓度海水处理模块配置为利用所述气动发电模块的尾气进行淡化处理。
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