CN1270928A

CN1270928A - 全天候太阳能－风能海水淡化供水工程

Info

Publication number: CN1270928A
Application number: CN00111116A
Authority: CN
Inventors: 孙伯鲁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2000-10-25

Abstract

本发明模拟地球上的降水过程,把海水蒸发,水蒸汽在不同气压下的冷凝和形成这一过程的太阳能量的放大进行了科学的设计,使得大自然的降水过程浓缩到一个系统之中,按照人类的要求获得淡水。根据能量守恒和热力学有关定律,本发明把太阳能和风能的能量转换为海水淡化过程的能量来源,不仅实现了能量的低成本采集,而且可以完全由人类利用自然界的条件实现淡水资源的随意组合。最终改变地球上的干旱和荒漠化的问题。本发明最大限度地降低了海水淡化成本,并可同步用海水直接发电,规模可大可小,适合在城乡沿海、海岛、内陆碱水源改造,船舶用淡水和工业淡水的净化,还可同时进行中温海水养殖,盐卤加工,海水发电,潮汐发电等。

Description

全天候太阳能-风能海水淡化供水工程

本发明属于海水淡化的实用技术领域。

海水淡化是人类最终解决淡水资源匮乏，消灭“荒漠化”，实现农、林、牧、渔业高产的唯一有效的途径。以往的海淡化设备，沿用海水在外加能源(电能、燃料加热)的传统方法，或反渗透、超滤等技术，不仅耗能高，淡化水的成本昂贵，而且设备庞大，要有锅炉或电加导热油来实现。每千升淡水综合成本近20元，比目前靠采集淡水供应的“自来水”方法要高出100倍以上。因此被认为是无法实施的技术。传统方法的工作效率也很低，只能生产少量的饮用水。

海水中的盐类以钾、钠、钙、镁、铁、锰、锶、铝等金属离子的盐酸盐、硫酸盐和卤化物的结合状态存在，是一种稳定的结构。结合能很高，溶质含量也很高，靠一般的方法难以去除这些盐类。而不除去这些盐类就不可能获得淡水。

淡水是人类、动物、植物和微生物赖以生存，繁衍后代的第一要素。地球上水资源总量为140亿亿立方米，其中97％是不能饮用和灌溉的海水，在3％的淡水资源中又有75％是两极的冰帽和陆地上终年不化的冰雪，所剩无几的淡水，绝大多数被地球上各种植物所吸收，被各种人类以外的动物所消耗，淡水的主要来源是雨、雪降水，但这些降水的绝大多数被江、河又流泄到海洋中。仅巴西的亚马逊河为例，它每年流入大海的淡水高达72000亿立方米，几乎没有被利用，与此同时在北美、非州、澳大利亚和中东、中国西部，因为缺乏淡水已成为不毛之地，地球“荒漠化”的进程正以前所未有的规模和速度发展。从根本上解决淡水匮乏的问题已成为全球人类最关注的问题。

本发明采用全天候(不分昼夜、阴晴)太阳能量密度放大，通过光靶光热交换系统，和惰性高温抗蚀介质循环、化学贮能等技术，把海水变成水蒸气，在风动力形成的真空状态下经冷凝成为近乎纯水的淡水然后贮存或使用。

整套设备由光热交换系统、能量采集系统和降水模拟系统三部分组成。

贮热器由化学贮热(结晶热-熔解热循环)或低熔点金属熔解热-凝固热循环或化学反应式贮热组成。它可确保在昼夜到来或阴天时继续减量操作。

按照A+R+T＝1的选择，调整吸收黑体材料(A＝吸收系数，R＝反射系数，T＝透过系数)，光靶可最大限度地提高太阳能的能量转化，其聚焦作功部分可产生400℃以上的高温，通过传热介质到达蒸腾工作面的蒙乃尔合金或钛合金工作面上的温度控制在海水汽化温度区域(75℃-76℃)。海水必须通过控制流量进入工作面，并在接触工作面的瞬间汽化，通过真空和温差产生负压进入冷凝系统。产出淡水。

蒸腾工作面上备有双向移动的刮刀，走渣槽，走渣槽可自动排渣，渣中主要成分是氯化钠，氯化镁、氯化钾、氯化钙、含溴、碘、氟以及铁、锰，少量含锶、硼、硅的复盐或叠氮化合物，各海洋中海水成分不同，也有不同的差别。该回收物应收集后精制，重新结晶才能食用。

成品淡化水为纯净水，可做为蒸馏水使用。大型机组应同水库进水道连接。该设备的构造、功能见图1、图2、图3、图4、其中图4为总图。

制作实例：

A、光放大系统

由金属热管、玻璃真空保温管、聚焦系统或光能放大系统组成，其中太阳能选波涂料可特异性地选择太阳光谱中短波高能量和减少太阳能辐射损失，其第一层由有机硅树脂和混和分散物组成，第二层由CuO-Gr2O3MnO2填料加有机硅树脂所组成，可耐高温、耐潮湿、耐腐蚀。有足够高的抗冲击强度和硬度，以及附着力。并可透过阳光。

保温隔热采用硅-硼真空玻璃管，套接真空金属热管，这样即可保证阳光透过又可选择性吸收可见光之外的其他波长的太阳能量。

每个光靶都同时接受点聚焦和线聚焦，其中的点聚焦采用透镜在180°范围内的焦距调节来实现能量的聚集，线聚焦是在柱型抛物面的反射面聚焦过程中产生，其反射面是真空镀铝经抛光，表面罩有聚酯膜的反射材料组成。

金属热管和聚焦(点)透镜，柱面太阳能线聚焦均可以将太阳能量富集放大。点聚焦和线聚焦组成集束系统，每个组合由50支金属热管和玻璃保温热管联接，可调节仰角角度和运动方位。金属热管的散热端插入流动的海水中。

B、蒸腾工作面制作，蒸腾工作面是本套设备的做功的位置，它起着将海水瞬间加热至沸点，变为水蒸汽，实现海水淡化的作用。

蒸腾工作面由抛光钛合金板或蒙及尔合金制作，贴嵌在惰性热循环介质塔内一侧。钛合金工作面产生约400℃高温，将海水瞬间加热至沸腾，产生的水蒸汽经管道进入冷凝器，冷凝后排出成品淡水，塔中心配有旋刮刀，将固型物质刮下，并收集到排渣池内，刮刀为钛合金材料制作，最大间隙0.5毫米，固相物质是否板结取决于刮刀的运动速度，在海水进入工作面作功时由于风动力形成的负压而导致海水沸点降低，水蒸汽沿负压方向迅速进入冷凝工作面，形成淡化水。同时海水中的其他组分被分离出来。

光靶内自下而上沿太阳入射垂直的角度按装有金属热管(重力热管)，使用铜管或无缝钢管加工而成其真空度为10^-8KPa在工作状态下，金属热管会以比铜快近1000倍的传导速度将水箱内的海水加热。光靶采用碱土金属铍的氧化物以及过渡性元素镍、微量的铬氧化物，氧化铝，经粉碎成型烧结而成。其中，铍的氧化物含量在5-7.25％，氧化镍4-6.25％，氧化铬含量在5-7.25％，氧化锰1.5-4.25％，石墨含量在7-9.5％，其他成分有瓷土，氧化镁等占10-60％。成型毛坯烧结前要用沉积法或涂饰法敷以厚度为10-25微米的选波太阳能涂层。烧结温度为1300℃左右。

C、光热交换系统太阳锅炉制作：

太阳锅炉的能量来自光靶内腔的导热介质，位置在塔的底部，锅炉工作介质是惰性高温硅树脂或贮热介质。太阳锅炉可对海水经第一蒸馏后，因重力进入底部的工作面的残留海水进行二次蒸馏，工作面上有刮刀做360°运动，刮下的盐卤进入排渣槽排出塔外。

D、塔的直径由海水淡化作业地点纬度，太阳常数和风力、大气质量等因素决定，塔的底部安装太阳锅炉和盐卤分离系统，塔的中部镶嵌光靶，顶部密封，留下排气孔和安全阀。塔采用钢骨架混凝土或三段式钢结构。

E、做为辅助部分，本发明配套海水予热池，其所用的电力的来源(泵、真空系统，刮刀搅拌)由本发明中组成部分的海水增压NdFeB永磁转子无惯性水力发电系统提供。该发电的理论基制是球体能够同时在两个相互垂直的平面内旋转这一重大发现，使用钕铁硼永磁转子高速旋转产生电力。

F、本发明为保证在阴天或夜间继续工作，有一个贮热专用设备，该设备由抗腐蚀钢结构内涂磷片玻璃化防腐涂料两道，内贮结晶融熔化学介质，也可选择So3-So2气态分合形式，也可根据夜间或阴天使用设备区域的气温、湿度和日光照射状况，利用特制的低熔点金属材料作为贮热工质，通过熔解(吸热)和凝固(放热)来完成，其构造方式是：用特制的热交换管将来自太阳能量的惰性介质作为工质通过泵循环，在阴天和夜间开循环泵使用工质能继续蒸腾海水，蒸腾器表面温度不能低于150℃。贮热设备外部有保温隔热涂层。贮热设备离蒸腾器的垂直距离不能太远，以避免能量的无意义损失。为确保淡水供应，本系统对相对湿度大于30％的沿海空气，通过风力形成的负压进行强制性冷凝借以产生数量更多的淡水，因风力机也是合天候运转，因此这一过程不会停止。見附图一

淡水的质量可分为两类：

一、可供饮用水，亦称生活用水。按照政府规定的仪器工业用和居民饮用水的标准来进行控制，做到这一步需要加上过滤净水设备，可生饮。采用标准是各国卫生立法和管理部门规定的标准，更多地对致病微生物、有害物质进行控制。

二、工业用水，包括工业工艺用水〔食品、粮食加工、酿造工业在内〕。本发明设备经淡化后得到的淡水，对53个有害化学物质含量浓度和15个放射性元素的检测符合标准。

检测化学物质有：乙腈；乙醛；二硫化碳；二硝基苯；二氯苯；丁基黄原酸盐；三氯苯；三硝基甲苯；马拉硫磷〔4049〕；已内酰胺；六六六；六氯苯；内吸磷〔1059〕水合肼；四乙基铅；四氯苯；石油；甲基对硫磷〔甲基1605〕；丙烯腈；丙烯醛；对硫磷〔1605〕；乐果；异丙苯；汞；砒啶；钒；松节油；苯；苯乙烯；苯胺；苦味酸；氟化物；活性氯；挥发酚类；砷；钼；铅；钴；铍；硒；三价铬；六价铬；铜；锌；硫化物；氰化称；氯苯；硝基氯苯；锑；滴滴涕；锌；镉。以上化学物质是国家水质标准控制的主要有害物质，经测定均未发现，偶有痕量残留，均远远低于国际水质标准中的含量。

放射性物质铀U236，233；镭Ra239；钋P0210；碳C14；氢LL；钙Ca45；磷P32；铜Cu64；碘I13；锶Sr89；钴C060；镍Ni163；钨W165均达标或未检出。

农田灌溉水质标准中全盐量标准为1500mg〔每升〕；氯化物为300mg〔每升〕；硫化物不超过1mg〔每升〕；汞含量检不出；镉、砷、铬、铅、铜、锌、硒、氟化物、氰化物、石油类、挥发酚、苯、三氯乙醛、丙烯醛均合格。经测度完全符合农田灌溉用水标准。例一、

将海水淡化选址确定后，建立工程施工地点的太阳能量综合档案，内容包括太阳通量、晴天和阴天、降水天气天数、风力概况、气温概况等。

以海水淡化塔为中心确定工区位置。并在离海水预热池50米外建立引入海水的水坝和水坝控制闸门。闸高以每年旧历八月十五至八月十八日最大潮水为参考标高，一般高出标高一米以上，闸门按装在拦洪坝的中部或最低部，贮存海水总量约一万立方米。

海水增压罐按装在发电设备基础地区，压力罐工作压力60Kg，压力罐用抗压能力强的钢板焊制，耐水压、气压均应超过60Kg[折成新单位]，压力罐配用精度高的两只压力表，入水和出水的管径比为2∶1，入水由配加电磁控制的阀门自动调节临界压力和工作压力。电磁自控系统联接多级增压泵的形状系统，罐的出水系通联接发电机，只适用于钕铁硼转子发电机。

压力罐的内部全部衬以防盐蚀的材料，管路全部采用耐高压和耐盐蚀的材料。能对10％NaCL；10％NaOH；10％HCI的极限酸、碱、盐工作介质有抗蚀作用。

涨潮时进入闸内的海水，经静止、沉砂，上层海水通过泵进入海水预热池，预热池上方有吸收太阳能量的，透光性良好的玻璃或高强度聚酯膜复盖，池中四壁由高吸热涂层、隔热涂层和选波太阳能涂层分别装饰三道，正常情况下海水预热温度可达40℃-55℃，基本可满足进入工作面的要求。

按装金属真空热管和玻璃绝热保温管阵列要考虑所在地的纬度、太阳通量、风力和光照时间和按装地的海拔高度等因素。骨架41°南北方向。支撑架下部同导轨联接，以利于接收来自各个方向的太阳能量。并能保证反向光总是准确地照在光靶的指定位置，骨架上其他部分进行防锈处理和装饰。

光放大装置由阵列式透镜组合，根据按装所在地的光照时间、太阳通量、地球纬度等因素在计算好反射面同光靶之间的距离後组装而成，镜面组合可整体调整也可分别调整俯仰角度。

光靶由金属陶瓷材料经粉碎、成型、烧结而成，其主要成分为碱土金属铍的氧化物，纯度99.5％以上，过渡性元素铁、钴、镍的氧化物以及石墨、氧化镁、氧化锰、瓷土等成分，杂质越少，光热转换效果越好。光靶的最外层是厚20微米的选波太阳能涂层，该涂层由有机硅树脂做为成膜物的主要成分，加上金属铜、铬、锰氧化物的325目以上颜料粉末，经热固化或沉积法面成。该涂层可以吸收红外光产生的能量，使阴天或多云的天气仍能接收太阳能量的红外光部分，加大了太阳能量的利用范围。

变翼风力机是可以使用各个不同方向的风源的低位风力机在4m.s时启动，在25m.s时自动保护变速，本系统采用这种变翼风力机代动真空系统形成海水汽化所需要的负压环境，使海水汽化的监界温度大幅度降低。

塔的底部有另一个工作面，呈园弧形，经第一工作面蒸腾未气化为水蒸汽的海水，在重力的作用下，通过第二工作面，继续受热，变为水蒸汽，盐卤被刮下，连同第一工作面的盐卤固相物质排出塔外回收。塔的底部形成的工作和贮热部分称太阳锅炉，由耐高温的管道泵同连接光靶腔体的工作介质形成闭路循环。

经预热的海水通过耐蚀泵自塔顶向下经喷头喷雾到温度控制在400℃左右的工作面上完成蒸馏过程。水蒸汽则通过塔顶的真空冷凝系统成为纯净的淡水流到出水管路进入贮水池。

太阳能的贮存通过太阳锅炉内贮的熔点为35～505℃的相变物工质在熔化时吸热，凝固时放热来完成能量[热能]的释放和贮存。例二、

过程同例一、太阳能量贮存采用化学反应贮热，其过程为：甲烷[CH4]和水蒸气或二氧化碳气体在900℃下可发生化学反应，通过压缩机可将该气体存起来，阴雨、夜间无太阳光照射时，可加入催化剂重新放出热作功。

使用的催化剂通常是以镍为骨架的催化系统。例三、

其他过程同例一，贮热采用乙二醇加热贮能，并将乙二醇导入纯铁粉和稀乙酸液混合的地下贮热池内，被加热的乙二醇注入深达30-40米的由十水硫酸钠[芒硝]或低熔点金属的V形粘土构造层中贮存热能。图示图二、光靶1、选波太阳能沉积涂层；2、光热交换管束；3、金属陶瓷光热高吸收靶区；4、惰性耐蚀载体进出管路接口；5、海水淡化第一工作面图三、海水淡化塔1、光靶区；2、太阳锅炉和贮能器；3、海水喷雾高压管路及喷头：4、海水进塔管路；5、塔体；6、盐卤排出孔；7、耐腐蚀泵。图四、太阳能海水淡化供水工程总图1、海水淡化塔；2、光放大环形阵列；3、光反射环形阵列；4、海水预热池：5、海水增压罐；6、无惯性钕铁噼永磁转子发电装置；7、变压；8、压力表；9、耐蚀泵；10、海水高潮进水坝区；11、海水坝区进水闸：12、海水沉沙贮水池；

Claims

一、本发明属于全天候太阳能、风能海水淡化供水工程，其特征为：模拟大自然的降水过程，使用太阳能、风能做为动力能源通过对海水或污水的预热，及使用太阳光靶和聚焦系统有效地增加太阳光能密度。使金属热管的散热端产生足够的能量，使预热海水或污水达到最佳闪蒸沸点，再通过负压导向的冷凝管路，完成在低沸点下的淡化过程。

做为全天候的过程，在相对湿度达到一定程度时，该发明还采用风动力形成的负压完成潮湿空气的含水凝结淡水的生成。
二、按照权利要求一，太阳能光靶由一种特殊的金属陶瓷烧结而成，其成分为氧化铍5-7.25％，氧化镍4-6.25％。氧化铬5-7.25％，氧化锰1.5-4.25％，石墨7-9.25％其余为瓷土和氧化镁等。经粉碎至325目，造坯成型，形成一种内园式靶状结构，并在其上部加点聚焦装置，使其获得较高能量。
三、按照权利要求一，本发明形成负压真空系统的动力是变翼风动力机，该风力机形成的风动力代动发电系统或真空发生系统，用此来降低水的沸点和沸程，实现海水的蒸汽凝结。
四、按照权利要求一，本发明的光能密度放大措施采用柱形抛物面线聚焦和折射点聚焦直对光靶相接合的办法进行，其放大光比分别为25和100左右，其构成要素中，除玻尔滋曼常数之外，吸收率反射率和太阳辐射程度均是变量。
五、按照权利要求一，本发明的冷凝装置，由外夹套为冰盐水(CaCL2盐水)的真空缓冲罐和集水罐组成，其中集水罐的液位显示是必不可省的，只有达标的负压才能完成海水蒸汽凝结成淡水。并在达标的临界负压下，使水的沸点降低到最低限度。
六、按照权利要求一，本发明中海水根据潮差形成的位能推动钕铁硼非惯性无传动永磁发电机发电，做为系统中照明、仪表显示水表和其他用途的辅助能源，同风动力形成的发电其同组成一个自用电站，最大限度地降低生产成本。
七、夜间和阴天的海水淡化过程，由相变物贮存的能量来维持，该相变物为22烷烃的饱和脂肪酸酯的三价铁铝盐，比热为2.23，熔解热为247KJ/Kg，可有效地支持海水淡化的过程。
八、按照权利要求一，本系统中的风力机是一种变翼式64面迎风动力机械可利用所有不同方向的风力资源做功，其工作面采用玻璃钢(不饱和聚酯树脂或环氧-酚醛树脂)材料组成。使用油压和水压驱动直接代动真空泵或多级真空系统做功。