CN113636628A - 光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统，包括光伏直驱群组以及市电并网群组；所述的光伏直驱群组包括光伏电能收集单元、储能单元、直驱电能监控单元、电压调节单元、膜电容电吸附净水单元；所述的市电并网群组包括并网控制单元、电网母线单元和智能检测单元。本发明可利用光伏产生的直流电直接驱动膜电容电吸附净水设备，以极低的能耗代价，将大量的苦咸水转化为高质量淡水，切实解决了膜电容电吸附净水设备在盐碱地水生态修复中的能源供应问题，不仅节省了大量的电能，而且能够做到反哺电网，形成生态环境治理和节能减排双增效的效果。
Description
技术领域
本发明涉及光伏直驱净水装备技术领域，具体涉及一种光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统的能量管理和控制方法，尤其涉及一种光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统的工作模态管理和控制方法。
背景技术
目前，单纯依靠提高现有耕地的粮食亩产来使总产得到大幅提高，已经遇到了瓶颈。如果把我国广大沿海和内陆地区的大量盐碱地改造为适合粮食生产的有效耕地，就能使粮食增产获得质的飞跃，大幅改善我国的粮食状况。据测算，我国大约有15亿亩盐碱地，其中有2亿亩目前具备改造条件，据估算，如果把其中的一亿亩改造为可耕地，按水稻最低亩产300公斤计算，每年增产300亿公斤，可以多养活8000万人口。
盐碱地的修复改造，必须要解决的关键问题是苦咸水的淡化处理。在多种淡化处理技术中，膜电容电吸附技术具有产水率高、能耗低、运维方便、初投成本低的优势，是目前最为先进的苦咸水技术。
膜电容电吸附采用恒压直流电源，利用带电电极表面吸附水中离子及带电粒子，使水中溶解盐类及其它带电物质在电极的表面富集浓缩而实现水的净化处理，并在正负电极表面敷设阴/阳离子交换膜，保证离子的定向迁移、吸附过程，有效阻止被吸附离子因水流扰动而被带走，同时避免再生过程中脱附离子被二次吸附于对侧电极，大幅提高了离子去除效率和电极再生效率。
膜电容电吸附所需为恒压直流电，在一般使用场景下，将市电电网交流电通过AC/DC转换为直流电供给设备使用，转换过程存在较大比例的能耗损失。而我国大面积的盐碱地区域具备优良的光热条件，盐碱地又为光伏装置的敷设提供了较好的地形条件，刚好为光伏直流电直驱膜电容电吸附设备提供了绝佳的前提条件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统，解决野外盐碱地脱盐系统的可靠供电问题，达到生态环境修复和节能减排双增效的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统，其特征在于：包括光伏直驱群组以及市电并网群组；所述的光伏直驱群组包括光伏电能收集单元、储能单元、直驱电能监控单元、电压调节单元、膜电容电吸附净水单元；所述的市电并网群组包括并网控制单元、电网母线单元和智能检测单元；
所述的光伏电能收集单元同时或分别向膜电容电吸附净水单元和储能单元供电；所述的电压调节单元位于光伏电能收集单元和膜电容电吸附净水单元之间；所述的储能单元与电压调节单元并联，位于光伏电能收集单元和膜电容电吸附净水单元之间；所述的直驱电能监控单元分别连接至储能单元和膜电容电吸附净水单元；
所述并网控制单元位于光伏电能收集单元和电网母线之间；所述的智能检测单元分别连接至电网母线、并网控制单元和光伏直驱群组中的电压调节单元。
进一步的说，本发明所述的电压调节单元将光伏直流电升压稳压至适应膜电容电吸附直流电供电的需要；所述的储能单元从光伏电能收集单元获得富余的电能并保存，向膜电容电吸附净水单元供应直流电；所述的直驱电能监控单元同时监测储能单元和膜电容电吸附净水单元的用电情况，在膜电容电吸附净水单元和储能单元之间进行灵活调配。
进一步的说，本发明所述的并网控制单元在储能单元满载、净水设备供电满足条件下，将光伏直驱群组产生的多余电能逆变到电网母线，并在光伏群组无法满足净水供电的条件下，从电网取电达到调峰补偿；所述的智能检测单元同时监测市电并网群组和光伏直驱群组的运行状态，在两个群组进行自动调配。
再进一步的说，本发明所述的电压调节单元包括升压器和稳压器；所述的升压器将光伏系统所供电压调节至膜电容电吸附设备所需电压；所述的稳压器控制膜电容电吸附净水设备的上游电压。
再进一步的说，本发明所述的直驱电能监控单元包括计算机、传感器以及多个开关组；所述的传感器分别安装于储能单元和电压调节单元，对净水设备用电状态和储能器收电状态进行监测；所述的开关组分别位于光伏电能收集单元与储能单元之间、储能单元与膜电容电吸附净水单元之间、光伏电能收集单元与电压调节单元之间，进行各通路的连断控制；所述的计算机收集传感器数据，并制定各开关组的连断策略，进行光伏直驱群组工作模态的切换。
再进一步的说，本发明所述的并网控制单元包括并网组柜，所述的并网组柜包括AC/DC转换器、逆变器和并网组柜开关组；所述的AC/DC转换器位于电网母线和光伏直驱群组中的电压调节单元之间，AC/DC转换器将电网交流电转换成膜电容电吸附设备所需直流电；所述的逆变器位于电网母线和光伏直驱群组中的光伏电能收集单元之间，逆变器将光伏收集单元产生的直流电转换成交流电逆变到电网母线；所述的并网组柜开关组对电网母线和光伏直驱群组之间的电能传输方向进行物理切换。
再进一步的说，本发明所述的智能检测模块位于电网母线和并网控制单元之间，并连接至光伏直驱群组中的电压调节单元，所述的智能检测模块在市电并网群组和光伏直驱群组之间进行电能的自动调配。
更进一步的说，本发明所述的开关组包括第一开关组、第二开关组以及第三开关组；所述的第一开关组位于光伏电能收集单元和电压调节单元之间，第二开关组位于光伏电能收集单元和储能单元之间，第三开关组位于储能单元和膜电容电吸附净水单元之间；所述的第一开关组、第二开关组以及第三开关组均为常闭开关。
更进一步的说，本发明所述的并网组柜开关组包括第四开关组和第五开关组，第四开关组和第五开关组均为常闭开关；所述的第四开关组位于逆变器和电网母线之间，控制光伏直驱群组至电网的通路开闭，所述的第五开关组位于转换器和电网母线之间，控制电网至光伏直驱群组的开闭。
本发明的有益效果是，解决了背景技术中存在的缺陷，本发明将光伏系统、储能系统、电力转换系统有机融合，不仅能为盐碱地的膜电容电吸附设备提供稳定可靠的直流电，可以实现光伏直流电直接供给膜电容电吸附净水设备，将电能转换带来的损耗大幅降低；同时使光伏的不稳定性问题得到有效解决，能够反哺电网，达到生态环境治理和节能减排双增效的有益效果。
附图说明
图1为本发明的光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统及其与市电间的逻辑结构图。
图2为本发明的光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统的各子系统构成示意图。
图3为本发明的光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统的第一种工作模态示意图。
图4为本发明的光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统的第二种工作模态示意图。
图5为本发明的光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统的第三种工作模态示意图。
图6为本发明的光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统的第四种工作模态示意图。
图7为本发明的光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统的第五种工作模态示意图。
图8为本发明的光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统的第六种工作模态示意图。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1～8所示的一种光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统，该系统可利用光伏产生的直流电直接驱动膜电容电吸附净水设备，以极低的能耗代价，将大量的苦咸水转化为高质量淡水。
光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统及其与市电间的逻辑结构图如图1所示。系统分为两大群组，分别为光伏直驱群组和市电并网群组。
光伏直驱群组包括光伏单元(即光伏电能收集单元)、电压调节单元、储能单元、膜电容电吸附净水单元和直驱电能监控单元。
光伏电能收集单元(光伏单元)能够向膜电容电吸附设备、储能单元和电网母线供电。
储能单元位于光伏电能收集单元和膜电容电吸附净水单元之间，用于从光伏电能收集单元收集多余的光伏电能，在光伏资源偏弱时用于系统电力补偿，向膜电容电吸附设备补充供电。
直驱电能监控单元用于在净水单元和储能单元之间进行灵活调配。直驱电能监控单元包括传感器、计算机、第一开关组、第二开关组和第三开关组，开关组均为常闭开关。其中，传感器分别安装于储能单元和电压调节单元，分别用于监测储能单元的能量收集状态，以及通过电压调节单元的工作特性判断膜电容电吸附设备的工作状态，计算机根据传感器信号对开关组发出开合指令，调整控制光伏直驱群组的工作模态。第一开关组位于光伏电能收集单元和电压调节单元之间，第二开关组位于光伏电能收集单元和储能单元之间，第三开关组位于储能单元和膜电容电吸附净水单元之间，开关组分别用于实现所在电力通路的开合。
电压调节单元位于光伏电能收集单元和膜电容电吸附净水单元之间，与储能单元并联，包括升压器和稳压器，其中的升压器用于将光伏收电电压增压至340V～480V的膜电容电吸附设备所需电压，稳压器用于膜电容电吸附设备的稳定工作，保证产水的高效率、高品质和可靠度。
市电并网群组包括并网控制单元、电网母线和智能检测单元。
并网控制单元位于电网母线和光伏直驱群组之间，包括并网组柜、AC/DC转换器、逆变器、第四开关组开关和第五开关组，用于在储能单元满载、净水设备供电满足条件下，将光伏直驱群组产生的多余电能逆变到电网母线，并在光伏群组无法满足净水供电的条件下，实现调峰补偿目的。并网组柜用于容纳装配转换器、逆变器、第四开关组、第五开关组等功能部件，并为人员操作提供安全保护和便利条件。
AC/DC转换器位于并网组柜中，并位于电网母线和光伏直驱群组中的电压调节单元之间，用于将电网交流电转换成膜电容电吸附设备所需直流电。
逆变器位于并网组柜中，并位于电网母线和光伏直驱群组中的光伏电能收集单元之间，用于将光伏收集单元产生的直流电转换成交流电逆变到电网母线，实现光伏系统对电网的反哺。
第四开关组和第五开关组位于并网组柜中，其中，第四开关组位于逆变器和电网母线之间，控制光伏直驱群组至电网的通路开闭，第五开关组位于转换器和电网母线之间，控制电网至光伏直驱群组的开闭，第四开关组和第五开关组均为常闭开关。
智能检测单元位于电网母线和并网控制单元之间，并连接至光伏直驱群组中的电压调节单元，用于同时监测市电并网群组和光伏直驱群组的运行状态，实现在两个群组之间的自动调配。
如图2所示为光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统的各子系统构成示意图。下面通过光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统的6种工作模态进行详细说明。
如图3所示为光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统第一种工作模态，此时的前提场景条件是：储能单元无法工作，光伏收集单元提供的电能无法充分满足膜电容电吸附净水设备。因此，储能单元传感器将故障信号发送至直驱电能监控单元中的计算机，计算机发出指令至第二开关组和第三开关组，第二开关组和第三开关组断开。同时，市电并网群组中的智能检测模块生成信号至并网组柜中的第四开关组，第四开关组断开，智能检测模块生成信号至并网组柜中的第五开关组，第五开关组闭合。第一种工作模态下，光伏电能收集单元和市电同时为膜电容电吸附设备供电。
如图4所示为光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统第二种工作模态，此时的前提场景条件是：光伏电能收集单元产生的电能大于膜电容电吸附净水单元所需，同时储能单元尚未充满。因此，储能单元传感器将待充信号发送至直驱电能监控单元中的计算机，计算机发出指令至第三开关组，第三开关组断开。同时，市电并网群组中的智能检测模块生成信号至并网组柜中的第四开关组和第五开关组，第四开关组和第五开关组同时断开。第二种工作模态下，光伏电能收集单元同时为膜电容电吸附净水设备和储能单元供电。
如图5所示为光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统第三种工作模态，此时的前提场景条件是：市电掉电，光伏电能收集单元提供的电能不足以向膜电容电吸附设备提供足够的电能。因此，直驱电能监控单元中的计算机发出指令至第二开关组，第二开关组断开。市电并网群组中的智能检测模块生成信号至并网组柜中的第四开关组和第五开关组，第四开关组和第五开关组同时断开。第三种工作模态下，光伏电能收集单元和储能单元同时为膜电容电吸附净水设备供电。
如图6所示为光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统第四种工作模态，此时的前提场景条件是：市电未掉电，光伏电能收集单元和储能单元同时工作尚无法满足膜电容电吸附净水设备的供电需要。因此，直驱电能监控单元中的计算机发出指令至第二开关组，第二开关组断开。同时，市电并网群组中的智能检测模块生成信号至并网组柜中的第四开关组，第四开关组断开。第四种工作模态下，光伏电能收集单元、储能单元、市电三者同时为膜电容电吸附净水设备供电。
如图7所示为光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统第五种工作模态，此时的前提场景条件是：储能单元已充满或无法工作，光伏电能收集单元产生的电能大于膜电容电吸附净水设备之所需。因此，储能单元传感器发送满载或故障信号至直驱电能监控单元中的计算机，计算机发出指令至第二开关组和第三开关组，第二开关组和第三开关组断开。同时，市电并网群组中的智能检测模块生成信号至并网组柜中的第五开关组，第五开关组断开。第五种工作模态下，光伏电能收集单元为膜电容电吸附净水设备供电，同时将富余电能逆变至电网母线，反哺市电。
如图8所示为光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统第六种工作模态，此时的前提场景条件是：光伏直驱群组中的光伏电能收集单元产生的电能刚好满足膜电容电吸附净水设备所需。因此，直驱电能监控单元中的计算机发送指令至第二开关组和第三开关组，第二开关组和第三开关组同时断开。同时，市电并网群组中的智能检测模块生成信号至并网组柜中的第四开关组和第五开关组，第四开关组和第五开关组同时断开。第六种工作模态下，仅光伏电能收集单元为膜电容电吸附净水设备供电。
上述工作模态为本发明的部分主要实施例，并不用于限制本发明。实际场景条件下可能面临的条件包括：膜电容电吸附净水设备数量的增减和总功率的调整，光伏系统装机容量的变化，市电并网条件的变化等。上述实施例已将此类场景考虑在内，即本发明已为使用场景条件的变化提供了足够的系统弹性。
当实际场景条件面临更多的变化时，本领域技术人员可充分利用本发明提供的系统弹性，对系统工作模态作调整和修改，但在本发明的原则之内所作的任何修改，均包含在本发明的权利要求范围内。
Claims (9)
1.一种光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统，其特征在于：包括光伏直驱群组以及市电并网群组；所述的光伏直驱群组包括光伏电能收集单元、储能单元、直驱电能监控单元、电压调节单元、膜电容电吸附净水单元；所述的市电并网群组包括并网控制单元、电网母线单元和智能检测单元；
所述的光伏电能收集单元同时或分别向膜电容电吸附净水单元和储能单元供电；所述的电压调节单元位于光伏电能收集单元和膜电容电吸附净水单元之间；所述的储能单元与电压调节单元并联，位于光伏电能收集单元和膜电容电吸附净水单元之间；所述的直驱电能监控单元分别连接至储能单元和膜电容电吸附净水单元；
所述并网控制单元位于光伏电能收集单元和电网母线之间；所述的智能检否测单元分别连接至电网母线、并网控制单元和光伏直驱群组中的电压调节单元。
2.如权利要求1所述的光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统，其特征在于：所述的电压调节单元将光伏直流电升压稳压至适应膜电容电吸附直流电供电的需要；所述的储能单元从光伏电能收集单元获得富余的电能并保存，向膜电容电吸附净水单元供应直流电；所述的直驱电能监控单元同时监测储能单元和膜电容电吸附净水单元的用电情况，在膜电容电吸附净水单元和储能单元之间进行灵活调配。
3.如权利要求1所述的光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统，其特征在于：所述的并网控制单元在储能单元满载、净水设备供电满足条件下，将光伏直驱群组产生的多余电能逆变到电网母线，并在光伏群组无法满足净水供电的条件下，从电网取电达到调峰补偿；所述的智能检测单元同时监测市电并网群组和光伏直驱群组的运行状态，在两个群组进行自动调配。
4.如权利要求2所述的光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统，其特征在于：所述的电压调节单元包括升压器和稳压器；所述的升压器将光伏系统所供电压调节至膜电容电吸附设备所需电压；所述的稳压器控制膜电容电吸附净水设备的上游电压。
5.如权利要求1所述的光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统，其特征在于：所述的直驱电能监控单元包括计算机、传感器以及多个开关组；所述的传感器分别安装于储能单元和电压调节单元，对净水设备用电状态和储能器收电状态进行监测；所述的开关组分别位于光伏电能收集单元与储能单元之间、储能单元与膜电容电吸附净水单元之间、光伏电能收集单元与电压调节单元之间，进行各通路的连断控制；所述的计算机收集传感器数据，并制定各开关组的连断策略，进行光伏直驱群组工作模态的切换。
6.如权利要求3所述的光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统，其特征在于：所述的并网控制单元包括并网组柜，所述的并网组柜包括AC/DC转换器、逆变器和并网组柜开关组；所述的AC/DC转换器位于电网母线和光伏直驱群组中的电压调节单元之间，AC/DC转换器将电网交流电转换成膜电容电吸附设备所需直流电；所述的逆变器位于电网母线和光伏直驱群组中的光伏电能收集单元之间，逆变器将光伏收集单元产生的直流电转换成交流电逆变到电网母线；所述的并网组柜开关组对电网母线和光伏直驱群组之间的电能传输方向进行物理切换。
7.如权利要求3所述的光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统，其特征在于：所述的智能检测模块位于电网母线和并网控制单元之间，并连接至光伏直驱群组中的电压调节单元，所述的智能检测模块在市电并网群组和光伏直驱群组之间进行电能的自动调配。
8.如权利要求5所述的光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统，其特征在于：所述的开关组包括第一开关组、第二开关组以及第三开关组；所述的第一开关组位于光伏电能收集单元和电压调节单元之间，第二开关组位于光伏电能收集单元和储能单元之间，第三开关组位于储能单元和膜电容电吸附净水单元之间；所述的第一开关组、第二开关组以及第三开关组均为常闭开关。
9.如权利要求6所述的光伏直驱膜电容电吸附脱盐系统，其特征在于：所述的并网组柜开关组包括第四开关组和第五开关组，第四开关组和第五开关组均为常闭开关；所述的第四开关组位于逆变器和电网母线之间，控制光伏直驱群组至电网的通路开闭，所述的第五开关组位于转换器和电网母线之间，控制电网至光伏直驱群组的开闭。
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