CN113833619B - 可循环的渗透压发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种可循环的渗透压发电系统，包括浓缩单元以及顺次连接的渗透压发生单元、气体压缩单元和发电单元。渗透压发生单元中半透膜将容器内部分隔为用于容置第一溶液的第一腔室和用于容置第二溶液的第二腔室，由于浓度差第一溶液的溶剂自发地流入第二腔室与第二溶液混合，从而推动传动件移动，传动件移动带动气体压缩单元压缩空气，被压缩的空气释放到发电单元进行发电。浓缩单元将第二腔室内的第三溶液浓缩后导回第二腔室，使得第一腔室和第二腔室之间始终存在液压差，实现传动件的持续做功。本发明以渗透压作为空气压缩的驱动力，可以对水体资源进行有效利用，节约能源，综合成本低。

Description

可循环的渗透压发电系统

技术领域

本发明涉及空气能储存和发电技术领域，尤其涉及一种可循环的渗透压发电系统。

背景技术

新能源逐渐被探索、开发并逐步地被利用到发电领域以替代传统的火电厂发电。新能源发电最难突破的一个环节就是如何将新能源存储，以服务与社会生产需求。目前大多为电化学存储，也就是用电池直接存储电能。但是，这种方式造价昂贵，生产电池本身也污染环境，电池寿命较短，维护费用高，风险也大。相比之下，因此物理储能是更为安全可靠的方式。现有一种物理储能方式是，利用电能驱动空气压缩机，将空气压缩以储存空气能，再通过释放被压缩的空气驱动透平发电机进行发电。将空气能和透平发电机进行有机结合，取代传统火电厂焚烧产生热能以驱动透平发电机的步骤，减少了大气污染，对新能源发展具有重要的意义。

但是以电力供应为基础的空气压缩机，消耗电能直接压缩空气以储存空气能，这种发电方式在储能的同时也在耗费相当多的能源，综合成本高。

在此同时，自然界中具有丰富的水体结构，目前可以被广泛利用的只有水力发电，大量的水资源没有被有效的利用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可循环的渗透压发电系统，利用水资源作为空气压缩的驱动力，以解决现有技术中的利用空气能发电的过程中使用空气压缩机综合成本高的问题。

本发明提出一种可循环的渗透压发电系统，包括渗透压发生单元、浓缩单元、气体压缩单元和发电单元，所述渗透压发生单元、所述气体压缩单元和所述发电单元依次连接；

所述渗透压发生单元包括容器、半透膜和传动件，所述半透膜固定在所述容器内部从而将所述容器内部分隔为用于容置第一溶液的第一腔室和用于容置第二溶液的第二腔室，所述第一溶液和所述第二溶液的溶剂相同并且所述第二溶液的浓度大于所述第一溶液的浓度，以使得所述第一溶液的溶剂可以透过所述半透膜流入所述第二腔室，所述传动件设置在所述第二腔室内，所述第一溶液的溶剂流入所述第二腔室后推动所述传动件移动，所述传动件移动带动所述气体压缩单元将空气压缩并储存，所述空气单元压缩的所述空气释放至所述发电单元进行发电；

所述第一溶液的溶剂流入所述第二腔室后与所述第二溶液混合形成第三溶液，所述第一腔室对应的容器壁上设有第一输入口，所述第一溶液从所述第一输入口进入所述第一腔室，所述第二腔室对应的容器壁上设有第二输入口和第二输出口，所述浓缩单元的输入端与所述第二输出口连通，所述浓缩单元的输出端与所述第二输入口连通，所述第三溶液从所述第二输出口进入所述浓缩单元，所述浓缩单元将进入所述浓缩单元内的所述第三溶液浓缩，浓缩后的所述第三溶液经过所述第二输入口进入所述第二腔室。

可选的，所述浓缩单元包括蒸发池，所述第三溶液进入所述蒸发池后溶剂蒸发从而与所述第三溶液分离，以得到浓缩的所述第三溶液。

可选的，所述浓缩单元还包括聚光加热器，所述聚光加热器用于聚集光照对所述蒸发池内的第三溶液加热以加快所述溶剂的蒸发。

可选的，所述蒸发池和所述第二腔体之间还设有第三溶液缓存区，用以储存浓缩后的所述第三溶液；

所述浓缩单元还包括冷凝器，将所述蒸发池内分离出的所述溶剂进行冷凝收集。

可选的，所述第一溶液为取自自然界水体的淡水或海水，所述第二溶液为人工配制的浓度大于所述第一溶液的盐水。

可选的，所述气体压缩单元包括压缩缸和储存罐，所述传动件移动带动所述压缩缸作功以压缩空气，所述压缩缸和所述储存罐上均设有热量回收装置，以吸收空气被压缩时产生的热量。

可选的，所述发电单元包括气体释放单元和发电机，所述气体释放单元包括等温膨胀器、工作介质以及用于容置所述工作介质的介质储存腔，所述介质储存腔包括两个腔体分别用于储存冷工作介质和热工作介质所述气体压缩单元输出的空气传输至所述等温膨胀器，所述热工作介质用于向所述等温膨胀器提供热能，以保证所述等温膨胀器向所述发电机均速输出空气。

可选的，所述工作介质向所述等温膨胀器提供热能后变成冷工作介质，所述冷工作介质经传输至所述气体压缩单元吸收空气被压缩时产生的热量，再经过所述浓缩单元吸收其余热以重新获得热工作介质，实现等温膨胀器的循环供热。

可选的，所述蒸发池的底部设有热交换器，所述冷工作介质吸收所述压缩缸的热量后，先经过所述冷凝器以吸收所述溶剂液化释放的热量，在经过所述蒸发池底部的热交换器以吸收加热所述蒸发池内溶液的剩余热量，最后回到所述介质储存腔。

可选的，所述压缩缸、所述等温膨胀器、所述冷凝器和所述蒸发池底部均设有工作介质流动腔，所述工作介质流动腔与所述介质储存腔依序连通供所述工作介质循环流动。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

在上述可循环的渗透压发电系统中，包括浓缩单元以及顺次连接的渗透压发生单元、气体压缩单元和发电单元。渗透压发生单元中半透膜将容器内部分隔为用于容置第一溶液的第一腔室和用于容置第二溶液的第二腔室，由于浓度差第一溶液的溶剂透过半透膜流入第二腔室与第二溶液混合，从而推动传动件移动，传动件移动带动气体压缩单元压缩空气，被压缩的空气释放到发电单元进行发电。浓缩单元的两端分别与第二输出口和第二输入口连通，将第二腔室内的第三溶液浓缩后导回第二腔室，使得第一腔室和第二腔室之间始终存在液压差，实现传动件的持续做功。本发明提供的可循环的渗透压发电系统中，浓缩单元用于保持第二腔室和第一腔室之间的液压差，保持渗透压的持续做工的状态，以渗透压作为空气压缩的驱动力，利用渗透压取代电能驱动压缩空气以储存空气能，对水资源进行有效利用，节约能源，综合成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为一个实施例中可循环的渗透压发电系统的原理图。

图2为从图1所示原理图中孤立出浓缩单元的原理图。

图3为从图1所示原理图中孤立出工作介质的循环流向示意图。

图中：

110、容器；121、第一腔室；122、第二腔室；123、第一输入口；124、第二输入口；125、第二输出口；130、半透膜；140、传动件；150、液压千斤顶； 210、第一泵体；220、蒸发池；230、热交换器；240、第二泵体；250、第三溶液缓存区；260、聚光加热器；270、冷凝器；310、压缩缸；320、储存罐；410、等温膨胀器；420、调速器；510、热工作介质；520、冷工作介质；600、发电机； 700、第一溶液供应腔；

箭头A：溶液的流动方向；

箭头B：工作介质的流动方向。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图1，作为本发明的一种具体实施方式，可循环的渗透压发电系统，包括渗透压发生单元、浓缩单元、气体压缩单元和发电单元。

其中渗透压发生单元、气体压缩单元和发电单元顺次连接，渗透压发生单元置于第一溶液供应腔100中，第一溶液供应腔100可以是水箱、水池等人工容水装置，也包括河流、水库等自然界中的水体。利用溶液的渗透压差提供动力，进而驱动气体压缩单元对空气进行压缩，完成能量储存，溶液循环溶液确保渗透压持续存在，最后被压缩的空气释放给发电单元，驱动发电单元发电。

具体的，渗透压发生单元包括容器110、半透膜130和传动件140。半透膜 130将容器110内部分隔为第一腔室121和第二腔室122，第一腔室121用于容置第一溶液，第二腔室122内用于容置第二溶液。

第一溶液和第二溶液的溶剂相同，并且第二溶液的浓度大于第一溶液的浓度，因此第一溶液的溶剂可以透过半透膜130流入第二腔室122与第二溶液混合。传动件140设置在第二腔室122内，第一溶液的溶剂流入第二腔室122后形成第三溶液，第二腔室122内的液体逐渐增多，推动传动件140移动。传动件140的另一端带动气体压缩单元将空气压缩并储存至储存罐320内，并在需要的时候将储存罐320内的气体释放至发电单元发电。

可选的，在传动件140和气体压缩单元之间设置有液压千斤顶150，用以将传动件140的移动距离放大至气体压缩单元的进程距离，进而推动空气压缩装置。

进一步地，第一腔室121对应的容器110壁上设有第一输入口123，第二腔室122对应的容器110壁上设有第二输入口124和第二输出口125。第一输入口 123供第一溶液进入第一腔室121，第二输入口124和第二输出口125之间用以连接浓缩单元。

浓缩单元的两端分别与第二输出口125和第二输入口124连通，第三溶液从第二输出口125进入浓缩单元，浓缩单元将第三溶液浓缩，浓缩后的第三溶液从第二输入口124进入第二腔室122，使得第一腔室121的溶剂持续地流入第二腔室122。

当第二腔室122内的第三溶液浓度降低到一定范围时，第一腔室和第二腔室之间的液压差会逐渐减小，溶剂流向第二腔室122的速度会逐渐减小，因此需要适时地将第二腔室122内的第三溶液抽出，再重新注入和第一溶液具有一定的浓度差的第二溶液，制造两个腔室之间的液压差，才能确保溶剂持续地向第二腔室 122流入。浓缩单元的正是起到前述作用。

如附图2所示，在其中一实施例中，浓缩单元沿着从第二输出口125到第二输入口124的顺序依次包括：第一泵体210、蒸发池220、热交换器230和第二泵体240，其中：

第一泵体210，当第二腔室122内的第三溶液浓度降低到一定范围时，将第三溶液从第二输出口125泵出，在此过程中第二腔室122内的液体量逐渐减少，传动件140会随之后退一段距离，即传动件140在第二腔室122内随着液压差的变化作往复运动；

蒸发池220，接收第一泵体210从第二腔室122内泵出的液体，并通过蒸发的形式将第三溶液浓缩以获得与第一溶液具有液压差的第三溶液；

热交换器230，设置在蒸发池220的底部，用以实现蒸发池220底部的热量交换，即可以对蒸发池220内的第三溶液进行加热，加快溶剂分离；

第二泵体240，用于将蒸发池220浓缩后的第三溶液泵入第二腔体。

至此，溶液完成一个循环，第三溶液以第二溶液的初始浓度重新回到第二腔室122中。

具体的，在本实施方式中，第一溶液即为自然环境中水体，如河水、湖水、海水等，经由第一输入口123进入到第一腔室121内，第二溶液为人工制作的浓盐水或其他可溶物为溶质的浓溶液，溶剂即为水。溶剂从第一腔室进入第二腔室与第二溶剂混合的过程即为浓盐水稀释的过程，将溶剂从第三溶液的混合溶液中分离的过程即为对溶液加热使水蒸发的过程。

可选的，浓缩单元还包括聚光加热器260，在白天光照时聚集光照对蒸发池 220内的溶液加热以加快溶剂的分离。

不难理解的是，聚光加热器260只有在白天才会工作，在夜间没有光照时则无法继续加热。因此，蒸发池220底部的热交换器230可以连接加热装置，利用外部供能以弥补夜间光照不足的问题，持续的对蒸发池220内的溶液加热，以确保系统在夜间的工作效率。

需要说明的是，聚光加热器260并不是蒸发过程的必要条件，只是作为辅佐作用加快这一进程，在没有聚光加热器260的情况下，溶剂依然可以主动蒸发，只是过程相对缓慢。

可选的，在蒸发池220上方还设有冷凝器270，用以将蒸发成蒸汽的溶剂(即水)冷凝回收。

基于此，本方案中既通过液压差实现了作功，又通过渗透压作功的过程完成了淡水的收集，同样可以作为一种海水淡化装置来使用。

在本实施方式所述的溶液循环中，仅仅通过第一泵体210和第二泵体240来实现溶液循环，难免会有损耗或供应过剩的误差存在，因此在蒸发池220和第二腔体之间还设有第三溶液缓存区250，用以储存多余的第三溶液，以抵消上述误差，提高内部循环的可调节性。

如附图3所示，在其中一实施例中，发电单元包括气体释放单元和发电机600，被压缩后的空气经过气体释放单元，驱动发电机600运转发电。气体释放单元包括等温膨胀器410、工作介质以及用于容置工作介质的介质储存腔。工作介质可以吸收热能和释放热能，并在本发明提供的可循环的渗透压发电系统内流通以实现热量的流转、调用。

可选的，在等温膨胀器410和气体压缩单元之间还设有调速器420。

具体的，介质储存腔包括两个腔体分别用于储存冷工作介质520和热工作介质510气体压缩单元输出的空气传输至等温膨胀器410，热工作介质510用于向等温膨胀器410提供热能，以保证等温膨胀器410向发电机600均速输出空气。

与之对应的，气体压缩单元包括压缩缸310、储存罐320，传动件140移动带动压缩缸310作功以压缩空气，压缩缸310和储存罐320上均设有热量回收装置，以吸收空气被压缩时产生的热量。

本发明提供的方案，是将空气压缩后储存为空气能，在将空气能释放做工的过程。空气能在释放时自身压力逐渐减小，所以释放能量的速率也是逐渐减小的，这种现象对能量的利用是具有负面作用的。等温膨胀器410的作用就是在压缩空气释放的过程中吸收大量的热能，以确保压缩空气的均速释放。

在上述过程中，空气压缩、加速溶剂蒸发都会产生大量的热量损耗，而等温膨胀器410在工作过程中又需要大量的热量供应。现有的设备结构中没有将这两部分的热量有效的平衡起来，这就导致了空气压缩、加速溶剂蒸发时多余的热量消散，又需要额外的能源来制造热量供应给等温膨胀器410。

因此，在本实施例中，利用工作介质进行热量转移，将原本消散的热量有效的回收，再利用到需要消耗热量的部分，实现能量的高效利用，节能且环保。具体实施方法如下：

压缩缸310、等温膨胀器410、冷凝器270和蒸发池220底部均设有工作介质流动腔，工作介质流动腔与介质储存腔依序连通供工作介质循环流动。

以热工作介质510作为起始点为例，工作介质向等温膨胀器410提供热能后变成冷工作介质520，冷工作介质520经传输至气体压缩单元吸收空气被压缩时产生的热量，再经过浓缩单元吸收其余热以重新获得热工作介质510，实现等温膨胀器410的循环供热。

冷工作介质520吸收压缩缸310的热量后，先经过冷凝器270以吸收溶剂液化释放的热量，在经过蒸发池220底部的热交换器230以吸收加热蒸发池220内溶液的剩余热量，最后回到介质储存腔。

更具体的说，在等温膨胀器410上释放过热量的工作介质变成冷工作介质 520之后，依次经过压缩缸310、冷凝器270蒸发池220底部的热交换器230：

压缩缸310产生的热量对冷工作介质520进行一级加热，得到一级加热过的冷工作介质520；

再经过冷凝器270，冷凝器270中溶剂冷凝液化释放的热量对一级加热过的冷工作介质520进行二级加热，得到二级加热过的常温工作介质；

最后流经热交换器230，热交换器230对蒸发池220内溶液加热的余温对二级加热过的常温工作介质进行三级加热，最终得到三级加热过的热工作介质510，流回介质储存腔，以备下一次对等温膨胀器410供热。

上述实施过程中，通过压缩缸310、冷凝器270蒸发池220底部的热交换器 230对介质进行三次加热，将设备内部产生的热能进行充分的回收、再利用，使得系统形成一个具有完备的能量循环的整体。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种可循环的渗透压发电系统，其特征在于：包括渗透压发生单元、浓缩单元、气体压缩单元和发电单元，所述渗透压发生单元、所述气体压缩单元和所述发电单元依次连接；

所述渗透压发生单元包括容器、半透膜和传动件，所述半透膜固定在所述容器内部从而将所述容器内部分隔为用于容置第一溶液的第一腔室和用于容置第二溶液的第二腔室，所述第一溶液和所述第二溶液的溶剂相同并且所述第二溶液的浓度大于所述第一溶液的浓度，以使得所述第一溶液的溶剂透过所述半透膜流入所述第二腔室，所述传动件设置在所述第二腔室内，所述第一溶液的溶剂流入所述第二腔室后推动所述传动件移动，所述传动件移动带动所述气体压缩单元将空气压缩并储存，所述气体压缩单元压缩的所述空气释放至所述发电单元进行发电；

所述第一溶液的溶剂流入所述第二腔室后与所述第二溶液混合形成第三溶液，所述第一腔室对应的容器壁上设有第一输入口，所述第一溶液从所述第一输入口进入所述第一腔室，所述第二腔室对应的容器壁上设有第二输入口和第二输出口，所述浓缩单元的输入端与所述第二输出口连通，所述浓缩单元的输出端与所述第二输入口连通，所述第三溶液从所述第二输出口进入所述浓缩单元，所述浓缩单元将进入所述浓缩单元内的所述第三溶液浓缩，浓缩后的所述第三溶液经过所述第二输入口进入所述第二腔室；

所述传动件和所述气体压缩单元之间设置有液压千斤顶，用以将所述传动件的移动距离放大至所述气体压缩单元的进程距离，进而推动所述空气压缩装置；

所述气体压缩单元包括压缩缸和储存罐，所述传动件移动带动所述压缩缸作功以压缩空气，所述压缩缸和所述储存罐上均设有热量回收装置，以吸收空气被压缩时产生的热量；

当所述第二腔室内的所述第三溶液浓度降低到一定范围时，将所述第三溶液从所述第二输出口泵出，在此过程中所述第二腔室内的液体量逐渐减少，所述传动件会随之后退一段距离，即所述传动件在所述第二腔室内随着液压差的变化作往复运动；

利用溶液的渗透压差提供动力，进而驱动气体压缩单元对空气进行压缩，完成能量储存，溶液循环溶液确保渗透压持续存在，最后被压缩的空气释放给发电单元，驱动发电单元发电。

2.如权利要求1所述的可循环的渗透压发电系统，其特征在于：所述浓缩单元包括蒸发池，所述第三溶液进入所述蒸发池后溶剂蒸发从而与所述第三溶液分离，以得到浓缩的所述第三溶液。

3.如权利要求2所述的可循环的渗透压发电系统，其特征在于：所述浓缩单元还包括聚光加热器，所述聚光加热器用于聚集光照对所述蒸发池内的第三溶液加热以加快所述溶剂的蒸发。

4.如权利要求2所述的可循环的渗透压发电系统，其特征在于：所述蒸发池和所述第二腔室之间还设有第三溶液缓存区，用以储存浓缩后的所述第三溶液；

所述浓缩单元还包括冷凝器，将所述蒸发池内分离出的所述溶剂进行冷凝收集。

5.如权利要求4所述的可循环的渗透压发电系统，其特征在于：所述第一溶液为取自自然界水体的淡水或海水，所述第二溶液为人工配制的浓度大于所述第一溶液的盐水。

6.如权利要求4所述的可循环的渗透压发电系统，其特征在于：所述发电单元包括气体释放单元和发电机，所述气体释放单元包括等温膨胀器、工作介质以及用于容置所述工作介质的介质储存腔，所述介质储存腔包括两个腔体分别用于储存冷工作介质和热工作介质所述气体压缩单元输出的空气传输至所述等温膨胀器，所述热工作介质用于向所述等温膨胀器提供热能，以保证所述等温膨胀器向所述发电机均速输出空气。

7.如权利要求6所述的可循环的渗透压发电系统，其特征在于：所述工作介质向所述等温膨胀器提供热能后变成冷工作介质，所述冷工作介质经传输至所述气体压缩单元吸收空气被压缩时产生的热量，再经过所述浓缩单元吸收其余热以重新获得热工作介质，实现等温膨胀器的循环供热。

8.如权利要求7所述的可循环的渗透压发电系统，其特征在于：所述蒸发池的底部设有热交换器，所述冷工作介质吸收所述压缩缸的热量后，先经过所述冷凝器以吸收所述溶剂液化释放的热量，在经过所述蒸发池底部的热交换器以吸收加热所述蒸发池内溶液的剩余热量，最后回到所述介质储存腔。

9.如权利要求8所述的可循环的渗透压发电系统，其特征在于：所述压缩缸、所述等温膨胀器、所述冷凝器和所述蒸发池底部均设有工作介质流动腔，所述工作介质流动腔与所述介质储存腔依序连通供所述工作介质循环流动。

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