CN115594244A - 漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统，包括光伏装置、控制器、制冷循环回路、储冰装置、喷淋装置和融冰装置，喷淋装置连接储冰装置，融冰装置连接喷淋装置，控制器连接光伏装置，在制冷循环回路上沿着流体流动方向依次包括变频压缩机、冷凝器、膨胀节流阀和蒸发器，变频压缩机连接控制器，控制器依据光伏发电功率的变化对应调节变频压缩机转速，蒸发器位于储冰装置内，经变频压缩机、冷凝器、膨胀节流阀和蒸发器的一系列处理可以实现制冷蓄冰，储冰装置内储存的冰会输送至喷淋装置被喷淋清洗，清洗后的冰会输送至融冰装置进行融冰，使得冰释放冷量并变成水液。借此，在海洋工况中，在不使用蓄电池的情况下，实现制冷制淡水循环。

Description

漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统

技术领域

本发明涉及海洋光伏及储能技术领域，特别涉及一种漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统。

背景技术

随着海洋强国战略以及“双碳”战略的实施，离岸、离网的海洋工况中的人员活动愈加频繁，对于各种形式能源的稳定供应均有迫切需求。这就不仅需要为离岸工况提供绿色低碳的能量来源，还需要解决能量的高效储存以及释放问题。冷能(冰)是海洋环境中人员活动必不可少的一种能量形式，不仅可以为人员生活提供必要舒适条件，能为渔业生产提供保鲜手段，还能为维系生命的药品、血浆等提供保存条件。而淡水作为离岸人员生存与工作的必备物资，缺乏淡水会严重限制人员活动，在离岸离网的海洋环境中，如何利用现有条件自主制备淡水十分关键。

太阳能是一种分布广泛的可再生绿色能源，利用漂浮式的光伏进行太阳能发电具有不需要岸基补给、效率高、成本低、维护简单等优势，是解决海洋环境下能量供应的重要技术手段。目前，在海洋环境中利用太阳能进行制冷与利用太阳能进行海水淡化存在一些相关的技术应用。

关于利用太阳能制冷技术，目前主要是利用海洋环境中的漂浮式光伏发电存储在大容量的蓄电池中，需要冷量的时候将蓄电池接入制冷系统，通过蓄电池放电驱动制冷循环，从而实现冷量的稳定供应。

关于利用太阳能进行海水淡化，目前分为主动式与被动式两种。被动式太阳能海水淡化的例子就是盘式太阳能蒸馏器，吸收太阳能的热量蒸发并重新冷凝蒸汽从而获取淡水。主动式太阳能海水淡化的代表是反渗透技术，采用光伏发电驱动海水经过选择性半透膜，该膜只能允许水分子通过，而盐分不能通过。利用光伏发电产生压力势差，当压力超过海水的渗透压之时，水分子将会被压到膜的另一侧，从而实现水与盐分的分离。

在海洋环境中，目前的技术都是单独采用太阳能进行制冷或者进行海水淡化，高效的冷量与淡水的联产系统尚未得见。且针对每一种单独的技术，在实际应用中也存在一些具体缺陷与不足。

针对第一种技术，即在海洋环境下配备了蓄电池储能的光伏制冷系统，具有以下几点不足：第一，大规模使用蓄电池成本很大，在高盐高湿的海洋环境下，蓄电池的维护保养费用太高；第二，蓄电池充电/放电均有显著的能量损耗，制冷效率较低；第三，蓄电池重量大，海洋环境下蓄电池的应用场景受到制约；第四，蓄电池一旦发生泄露，会对周边大面积海域造成严重污染。第五，一般采用空气作为冷媒来冷却制冷系统的冷凝器，换热效率不足导致制冷性能偏低。

针对第二种技术，即在海洋环境下采用太阳能进行海水淡化，分为被动式与主动式两种，两者的缺点分别阐述。其中，被动式太阳能海水淡化系统的缺点是内部海水容量大，因而升温缓慢，致使海水蒸发动力不足，加之整个蒸馏过程中未能回收蒸汽的凝结潜热，所以一般系统的效率都不高。而以反渗透为代表的主动式太阳能海水淡化技术，主要缺陷有几点：第一，也是需要使用大容量的蓄电池，在海洋环境中存在安全隐患，以及频繁充放电带来的蓄电池寿命下降的问题。第二，反渗透膜造价昂贵，且需要定期更换，维护保养成本高昂。

发明内容

为解决上述背景技术中的难题，本发明面向海洋环境下光伏制冷系统以及太阳能海水淡化系统因为利用蓄电池带来的安全与使用寿命问题、反渗透膜成本高昂问题、被动式太阳能海水淡化系统效率低等一系列问题，将太阳能制冰与海水淡化过程有机融合，通过光伏发电直驱压缩机进行制冷循环，冷冻海水产生冰块。在这个过程中，盐分从海水中析出并附着于冰块表面，通过冲洗即可得到含盐量很低的冰块。后通过融冰装置，冰块在融冰装置内与换热器换热，将冷量从冰块中释放，不仅可以得到充足的冷量，还可以得到冰块融化后的淡水，从而利用太阳能实现了制冷和制淡水的高效联产。

本发明提供一种漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统，其包括光伏装置、控制器、制冷循环回路、储冰装置、喷淋装置以及融冰装置。

光伏装置用于将太阳能转化为电能。控制器连接光伏装置并获取光伏装置的输出功率。在制冷循环回路上沿着流体流动方向依次包括变频压缩机、冷凝器、膨胀节流阀和蒸发器。变频压缩机连接控制器。其中，控制器根据光伏装置的输出功率调控变频压缩机的转速，使得变频压缩机将液态制冷剂压缩为过热蒸汽，接着，冷凝器对过热蒸汽进行冷凝，形成过冷液态制冷剂，然后，过冷液态制冷剂进入膨胀节流阀，过冷液态制冷剂的温度和压力受膨胀和节流的影响而降低，随后，过冷液态制冷剂进入蒸发器，在吸热蒸发的过程中释放冷量并与海水换热实现制冷蓄冰，过冷液态制冷剂完成蒸发过程后形成蒸汽，最后蒸汽再流入变频压缩机被压缩为过热蒸汽。蒸发器位于储冰装置内，储冰装置用于储存在蒸发器处所制成的冰。喷淋装置连接于储冰装置。融冰装置连接于喷淋装置。其中，储冰装置内储存的冰会输送至喷淋装置，接着，喷淋装置对冰进行喷淋清洗，以清除结冰过程中析出并附着于冰表面的盐颗粒，经过清洗后的冰会输送至融冰装置，然后，融冰装置对冰进行融冰，冰释放冷量并变成低含盐量的水液。

在一些实施例中，漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统还包括淡水装置，淡水装置连接融冰装置和喷淋装置，在融冰装置中形成的水液会输送至淡水装置内进行存储，淡水装置内存储的水液可作为喷淋装置的喷淋水源。

在一些实施例中，漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统还包括动力泵，动力泵设置在制冷循环回路上，动力泵用于驱动制冷循环回路上的流体流动，以进一步提升流体流动速率。优选地，动力泵可以是制冷工质泵。

在一些实施例中，漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统还包括第一水泵和第二水泵，第一水泵连接冷凝器，第一水泵用于抽取海水至冷凝器，以使得制冷工质吸收冷量；第二水泵连接蒸发器，第二水泵用于抽取海水至蒸发器，以吸收冷量冻结从而实现制冰制冷。

在一些实施例中，冷凝器与蒸发器的表面附着有抗腐蚀涂层。

在一些实施例中，光伏装置是漂浮式光伏装置，漂浮式光伏装置漂浮设置在海面上。

在一些实施例中，变频压缩机是直流变频压缩机。

本发明具有以下优点：

第一，本发明的漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统在海洋环境中无需借助蓄电池，便可以实现制冷制冰循环。蓄电池不仅充放电具有大量的能量损耗，而且在海洋环境中工作会面临重量过大、寿命不足以及泄露自燃等一系列安全性问题。本发明利用光伏直驱压缩机工作，控制器根据光伏的发电输出功率调控压缩机转速，后经制冷循环回路上的各器件来蓄冷制冰，将制出的冰储存起来作为后续的使用能源；而现有技术则是直接使用蓄电池将光伏转换出来的电能进行储存，有着上述诸多问题。

第二，相比于目前陆上或者海洋上常见的风冷式冷凝器，温度较低的海水取之不尽用之不竭，是天然的大冷库，而本发明正是采用海水作为冷却介质。此外，通过冷凝器与蒸发器表面附着抗腐蚀性涂层，并及时排出高盐度的卤水，从而实现蒸发器长期在高腐蚀性盐水环境下的稳定运行，进一步提升冷凝器的制冷效率。

第三，本发明通过冻结海水、喷淋冲洗、高效融冰等工序，不仅可以将太阳能高效转化为冷能并有效存储于冰中，还能巧妙利用结冰的过程，通过冲淋将冰与盐分有效分离，而后利用融冰过程释放冷量并实现淡水的制备，实现了冷量与淡水的高效联产。

本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地特征和有益效果可以通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书等内容中所特别指出的结构来实现和获得。

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一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图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；在下面描述中附图所述位置关系，若无特别指明，皆是以图示中组件绘示的方向为基准。

图1是本发明一实施例提供的漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统的系统结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统的系统运作示意图。

图中标记：

10-光伏装置；12-控制器；20-制冷循环回路；21-变频压缩机；22-冷凝器；23-膨胀节流阀；24-蒸发器；26-储冰装置；31-动力泵；32-第一水泵；33-第二水泵；42-喷淋装置；44-融冰装置；46-淡水装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，皆为“至少包含”的意思。

请参阅图1和图2，图1是本发明一实施例提供的漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统的系统结构示意图，图2是本发明一实施例提供的漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统的系统运作示意图。为达所述优点至少其中之一或其他优点，本发明的一实施例提供一种漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统。如图中所示，该漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统可以包括光伏装置10、控制器12、制冷循环回路20、喷淋装置42、融冰装置44以及淡水装置46。

光伏装置10用于将太阳能转化为电能。优选地，光伏装置10是采用漂浮式光伏装置，漂浮式光伏装置是漂浮设置在海面上，以将太阳能转化为电能，提供电力。

控制器12连接光伏装置10，其能够获取光伏装置10的输出功率。控制器12可以根据光伏装置10的输出功率来调控变频压缩机21的转速。

在制冷循环回路20上沿着流体流动方向(如制冷剂和蒸汽的流动方向)依次包括变频压缩机21、冷凝器22、膨胀节流阀23和蒸发器24。其中，变频压缩机21连接控制器12，变频压缩机21受控制器12的控制而改变自身转速。由于变频压缩机21可以提供高压，在制冷循环回路20上的流体借由高压向低压流动的特性，以此实现流动循环，较为适用于小型便携式的设备。优选地，变频压缩机21可以是直流变频压缩机，冷凝器22可以是海水冷凝器。

蒸发器24是位于储冰装置26内，储冰装置26是用于储存在蒸发器24阶段所制成的冰。

喷淋装置42连接于储冰装置26，喷淋装置42用于对储冰装置26内储存的冰进行喷淋清洗，使得冰与盐分能够得到有效分离。

融冰装置44连接于喷淋装置42，融冰装置44用于融化冰，以释放冷量并形成低含盐量的水液(如淡水)，一次处理后脱盐率可达90％左右。

淡水装置46连接融冰装置44和喷淋装置42，在融冰装置44中形成的水液会输送至淡水装置46内进行存储，淡水装置46内存储的水液可作为喷淋装置42的喷淋水源，以便于喷淋装置42对冰进行喷淋清洗。

整体来说，储冰装置26内储存的冰会输送至喷淋装置42，接着，喷淋装置42对冰进行喷淋清洗，经过清洗后的冰会输送至融冰装置44，然后，融冰装置44对冰进行融冰，冰释放冷量并变成水液，最后，冰融化产生的水液回到淡水装置46。

漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统的制冷制淡水循环过程如下：首先，变频压缩机21将液态制冷剂压缩为过热蒸汽；接着，过热蒸汽进入冷凝器22，冷凝器22对过热蒸汽进行冷凝，过热蒸汽经过冷凝形成过冷液态制冷剂；然后，过冷液态制冷剂进入膨胀节流阀，受膨胀节流阀的膨胀和节流作用，过冷液态制冷剂的温度和压力会降低；随后，降低温度和压力的过冷液态制冷剂进入蒸发器24，过冷液态制冷剂在吸热蒸发的过程中释放冷量并与海水换热实现制冷蓄冰，并且过冷液态制冷剂在经历蒸发过程后形成蒸汽，形成的蒸汽最后再流回变频压缩机21，变频压缩机21再将其压缩为过热蒸汽，从而完成一次制冰循环；经过蒸发器24阶段所制成的冰是储存在储冰装置26内，需要说明的是，在蒸发器24阶段，由于盐分会从海水中析出并附着于冰的表面，因此得到的冰是含有大量盐分的冰；含有大量盐分的冰通过冰输送通路来到喷淋装置42，经过喷淋装置42的淡水冲洗即可把冰表面附着的盐溶解冲走，得到纯净的冰；纯净的冰继续通过冰输送通路来到融冰装置44，通过与融冰装置44内的换热盘管中的工质换热，冰释放冷量并重新变成了淡水，释放的冷量则被换热工质带走，以满足各种不同形式的负载对于冷量的需求，负载可以是任何需要冷能能量需求的装置，例如可以是空调、冰箱、冷柜等等，冰融化产生的淡水最后回到淡水装置46，从而完成太阳能光伏直驱制冷和制淡水的高效联产。

在一些实施例中，漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统还可以包括动力泵31。动力泵31设置在制冷循环回路20上，动力泵31可以是位于变频压缩机21与冷凝器22之间，其主要用于加强驱动制冷循环回路20内的流体流动，以实现制冷循环，更加适用于中大型设备。优选地，动力泵31可以是制冷工质泵。此外，动力泵31也可以是设置在其它位置，例如位于膨胀节流阀23与蒸发器24之间等等，只需要使得流体能够在制冷循环回路20内循环流动即可。

在一些实施例中，漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统还包括第一水泵32和第二水泵33。第一水泵32连接冷凝器22，第一水泵32用于抽取海水至冷凝器22，以便于进行换热。第二水泵33连接蒸发器24，第二水泵33用于抽取海水至蒸发器24，以便于进行换热。需要说明的是，图2中上方的水泵为第一水泵32，下方的水泵为第二水泵33。

在一些实施例中，冷凝器22与蒸发器24的表面附着有抗腐蚀涂层，以便于及时排出高盐度的卤水，从而实现蒸发器24长期在高腐蚀性盐水环境下的稳定运行。

补充说明的是，图2中的节流阀、蓄冰槽、喷淋室、融冰室、淡水柜分别对应于图1中的膨胀节流阀23、储冰装置26、喷淋装置42、融冰装置44、淡水装置46，且蒸发器24是设置在蓄冰槽内的。此外，高盐度的盐水能够通过喷淋室底部的排水口排至外界环境中。

另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统，其特征在于：所述漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统包括：

光伏装置，用于将太阳能转化为电能；

控制器，连接所述光伏装置，获取所述光伏装置的输出功率；

制冷循环回路，在所述制冷循环回路上沿着流体流动方向依次包括变频压缩机、冷凝器、膨胀节流阀和蒸发器，所述变频压缩机连接所述控制器；

所述控制器根据所述光伏装置的输出功率调控所述变频压缩机的转速，使得所述变频压缩机将液态制冷剂压缩为过热蒸汽，接着，所述冷凝器对所述过热蒸汽进行冷凝，形成过冷液态制冷剂，然后，过冷液态制冷剂进入膨胀节流阀，过冷液态制冷剂的温度和压力受膨胀和节流的影响而降低，随后，过冷液态制冷剂进入所述蒸发器，在吸热蒸发的过程中释放冷量并与海水换热实现制冷蓄冰，过冷液态制冷剂完成蒸发过程后形成蒸汽，最后蒸汽再流入所述变频压缩机被压缩为过热蒸汽；

储冰装置，所述蒸发器位于所述储冰装置内，所述储冰装置用于储存在所述蒸发器处所制成的冰；

喷淋装置，连接于所述储冰装置；

融冰装置，连接于所述喷淋装置；

其中，所述储冰装置内储存的冰会输送至所述喷淋装置，接着，所述喷淋装置对冰进行喷淋清洗，以清除结冰过程中析出并附着于冰表面的盐颗粒，经过清洗后的冰会输送至所述融冰装置，然后，所述融冰装置对冰进行融冰，冰释放冷量并变成低含盐量的水液。

2.根据权利要求1所述的漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统，其特征在于：所述漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统还包括淡水装置，所述淡水装置连接所述融冰装置和所述喷淋装置，在所述融冰装置中形成的水液会输送至所述淡水装置内进行存储，所述淡水装置内存储的水液可作为所述喷淋装置的喷淋水源。

3.根据权利要求1所述的漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统，其特征在于：所述漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统还包括动力泵，所述动力泵设置在所述制冷循环回路上，所述动力泵用于驱动所述制冷循环回路上的流体流动。

4.根据权利要求3所述的漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统，其特征在于：所述动力泵是制冷工质泵。

5.根据权利要求1所述的漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统，其特征在于：所述漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统还包括第一水泵和第二水泵，所述第一水泵连接所述冷凝器，所述第一水泵用于抽取海水至所述冷凝器，所述第二水泵连接所述蒸发器，所述第二水泵用于抽取海水至所述蒸发器。

6.根据权利要求1所述的漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统，其特征在于：所述冷凝器与所述蒸发器的表面附着有抗腐蚀涂层。

7.根据权利要求1所述的漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统，其特征在于：所述光伏装置是漂浮式光伏装置，所述漂浮式光伏装置漂浮设置在海面上。

8.根据权利要求1所述的漂浮式光伏直驱制冷制淡水系统，其特征在于：所述变频压缩机是直流变频压缩机。

Images