CN1811178A - 海水淡化，污水净化并同时发电的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用空气能，冰冷能，太阳能，温差能，海水淡化，污水净化并同时发电的方法及装置。属海水淡化(污水净化)及新能源开发利用技术领域。本发明提出了利用冬季储冰，待气温较高(空气中含有无穷无尽的能量)时，利用海水(污水)与冰或雪或冷空气或经冷空气降温后的水的温差能，进行海水淡化，污水净化及发电的方法及装置，工作过程如下：先将经过滤后的海水(污水)输入加热系统，经加热后，海水(污水)被输入闪蒸系统，在闪蒸器内的真空作用下，一部分海水(污水)迅速被汽化，变成蒸汽，蒸汽推动汽轮机，带动发电机发电，之后，蒸汽被送入冷凝系统，被冷凝成淡水，送入淡水回收系统内，被回收利用。

Description

海水淡化，污水净化并同时发电的方法及装置
                            技术领域
本发明属海水淡化，污水净化及新能源开发利用技术领域。
                            背景技术
与本发明临近的技术是：“低温(24℃-27℃)能源激发器，低温(24℃-27℃)蒸馏器”，(专利申请号85106310)它是利用表层海水(24℃-27℃)与深层海水(1000米深，4℃)之间的温差能来进行海水淡化及发电的，由于其冷凝的方式是用深层的低温海水，因此，其不足之处是冷海水取水管道非常长，向上抽水的动力系统需消耗很大的一部分电力，且冷海水在沿管道进入冷凝器的过程中温度显著提高，减小了可以利用的海水温差，且其设备制造难度很大。
与本发明临近的技术还有：“太阳池热发电系统”(引自《新能源发电技术》中国电力出版社)。太阳池实质上是一个含盐量具有一定浓度的盐水池。池上部保有一层较轻的新鲜水，底部为较重的盐水，使在沿太阳池的竖直方向维持一定的盐度梯度。太阳光的可见光和紫外线部分可以透过几米深的清净水，这部分辐射能量将被池的深色底部吸收。由于净水体是一个很好的有效绝热体，因此，良好设计的太阳池的最底层的水，由于不断吸热而可能沸腾。必须尽量避免这种沸腾，这是因为池底水一旦沸腾，将毁坏池内稳定的密度梯度。所以，在设计用于各种太阳热利用和热发电的太阳池时，必须做到既能有效的进行大量有用热的转移，而又可切实避免池底水沸腾。
太阳池面积通常有1ha大小，不能采用不同工质的热交换管网进行换热。热力学原理指出，流体层可以从池底缓慢移走而不扰乱水体主体。这样就可以用泵从池底抽出被加热的盐水，通过热交换器换热后，再送回池底。由于回流的流体比抽出的流体温度低，因此能够做到将加热的盐水从池底抽出，同时维持池内所需要的密度梯度而不致扰动太阳池正常工作。
应用太阳池的上述特性，将天然盐水湖建成太阳池，就是一个巨大的平板太阳集热器。利用它吸收太阳能，再通过热交换器加热低沸点工质产生过热蒸汽，驱动汽轮发电机组发电，这就是太阳池热发电的原理。
以色列奥尔马特汽轮机公司在美国加州冬圣伯纳第诺地区一个干涸湖泊上建筑了世界上最大的太阳池发电站，其总净发电功率为48MW，第一组12MW机组与1985年投入运行，整座电站于1987年12月投入运行。
这座电站有四个盐水湖，每个面积48*1000平方米，池深3.6-4.8米，可供1-2组汽轮发电机组发电。池底的浓盐水被太阳光加热后，温度可达93.3度。用泵将浓盐水抽出，通过热交换器加热氟里昂，使之汽化，产生过热蒸汽，驱动低沸点工质汽轮发电机组发电。汽轮机排出的蒸汽经凝汽器凝结后，返回热交换器再进行加热。系统运行温度可达82.2度。该电站由奥尔马特公司设计，建造和经营，产生的电能卖给加州爱迪生电网。
目前此技术属于开发示范应用阶段。由于建造太阳池需要一定的地域限制，只能在沿海或盐水湖地区建造，且技术难度较高，适宜大容量并网发电。且其技术方案只能用于发电，不能用于海水淡化。
                            发明内容
本发明的目的是创造一种可应用广泛存在于空气中的无穷无尽能源的空气能及太阳能进行海水淡化及发电的方法及装置。淡水资源严重缺乏，已成为全球性的一个问题。联合国有关机构指出“水将成为世界最严重的资源问题”，缺水问题将严重制约21世纪经济和社会发展。在我国，全国有300多个城市缺水，尤其是北方城市，几乎所有城市都严重缺水。本发明即是为了解决这一国际性难题，造福人类。
本发明提出了利用冬季储冰，待气温较高(空气中含有无穷无尽的能量)时，利用海水(污水)与冰或雪或冷空气或经冷空气降温后的水的温差能，进行海水淡化(污水净化)及发电的方法及装置，开创了一种新的能源利用方式(暂且定义为冰冷能)，属国际首创。
众所周知，当水凝结成冰时，需要放出热量，而当冰熔化为水时，需要吸收热量，而冰与水在温度升高或降低时，都伴随着能量的转移。而冰是一种广泛存在且易于储存的物质。因此，储存了冰就相当于储存了能量。由热力学第二定律我们知道：(从单一热源吸收热量而全部转化为有用功的机械称为第二类永动机)。第二类永动机是不可能造成的。因此，若想有效的利用空气中的热能作功，就必须有与之相对应的低温物质来配合。我们在这里做一简单计算：由物理学可知，1千克冰熔化为水所需热量为335KJ，而1千克-20℃的冰温度升高至0℃，所需热量为42KJ，而1千克水由0℃升至20℃所需热量为84KJ。假设我们取工作区间为-20℃冰至20℃水，则：若使1千克-20℃冰升温变成20℃的水，所需热量约为：335KJ+42KJ+84KJ＝461KJ。对比一下，燃烧1千克标准煤所放出的热量为：29000KJ。用29000KJ除以461KJ，可得出：29000/461＝62.9，也即：用62.9千克冰吸收的热量，相当于1千克煤燃烧时放出的热量，也即：储存62.9千克的冰所得的冷能相当于得到1千克的煤的能量价值。若建造一个10000米*10000米*50米的储冰库，则相当于得到了一个储量为：79491255吨的煤矿。同理，若建造一个100000米*10000米*50米的储冰库，则相当于得到了一座储量将近8亿吨的大型煤矿。而我国东北地区幅员辽阔，寒冷季节漫长，可以得到无穷无尽的冷能量。若在沿海地区，则可引海水制冰储存，即可得到能量，也可在发电的同时，将冰熔化为淡水。(海水冷冻后，结冰部分为淡水，而所剩海水部分浓度变大。)从而解决海水淡化的问题。
本发明中的方法及装置主要有：图4中；加热系统35(太阳能热水器或太阳池热水系统或太阳能箱组或空气能加热系统或其任意叠加)；闪蒸系统(由真空泵与闪蒸器组成，闪蒸器内被抽成真空)34；发电系统36(由汽轮机带动发电机组成)；冷凝系统37(冰或雪或冷空气或经冷空气降温后的水)；淡水回收系统38：冷海水回收系统39；本发明的工作过程如下：先将经过滤后的海水(污水)输入加热系统35，经加热后，海水(污水)被输入闪蒸系统34，在闪蒸器内的真空作用下，一部分海水(污水)迅速被汽化，变成蒸汽，蒸汽进入(发电系统36)汽轮机内，推动汽轮机，带动发电机发电，之后，蒸汽被送入冷凝系统37内，被冷凝成淡水，送入淡水回收系统38内，被回收利用。被输入闪蒸系统的另一部分海水(污水)，温度降低，送入冷海水(污水)回收系统39回收利用或排入大海。
本发明的有益效果：
本发明采用了太阳能箱组或太阳池热水系统或太阳能热水器或空气能加热系统或其任意叠加作为加热系统，可分别与冰或雪或冷空气或经冷空气降温后的水作为冷凝系统，组成不同的海水(污水)淡化(净化)及发电的方法及装置，大大的提高了各种自然能的利用效果，使海水淡化(污水净化)及发电的成本降为很低。开发利用了一种自然界中无穷无尽的能量。解决了淡水这一困扰世界的国际性难题。
                            附图说明
图1：太阳能箱组1；高透光塑料水袋2；出水阀3；出水管道4；放气阀5；入水阀6；闪蒸器7；汽轮机8；发电机9；连通管道10；冷凝器11；通气阀12；出水阀13；出水阀14；出水阀15；真空泵16；储冰库17；抽气阀31；真空泵32；抽气阀33；
图2：入水阀18；出水阀19；制冰池20；通气阀12；出水阀14：储冰库17；冷凝器
图3：空气能蒸发器21；连通管道22；入水阀23；出水阀24；抽气阀25；真空泵26；储水箱27；冷凝器28；连通管道29；电风扇30；
图4：加热系统35(太阳能热水器或太阳池热水系统或太阳能箱组或空气能加热系统或其任意叠加)；闪蒸系统(由真空泵与闪蒸器组成，闪蒸器内被抽成真空)34；发电系统36(由汽轮机带动发电机组成)；冷凝系统37(冰或雪或冷空气或经冷空气降温后的水)；淡水回收系统38；冷海水(污水)回收系统39；
                          具体实施方式
方法1：(图2)：制冰池20，由防渗水防冻材料制成，其上部带一入水阀18，底部有一出水阀19，储冰库17，由保温，防冻材料制成。其上部带一通气阀12，底部有一出水阀14，内有一热交换室安放冷凝器11。(图3)空气能蒸发器21，由金属散热材料构成。连通管道22，29，22的上部有一抽气阀25，25连接一真空泵26，22连接冷凝器28，28由金属散热材料构成，储水箱27，27的上部有一入水阀23，底部有一出水阀24。
(图1)：太阳能箱组1为一组箱体由保温材料制成，内表面由黑色吸光材料(黑色塑料等)制成，顶部由双层真空玻璃(或高透光多层内充气塑料薄膜)密封而成。倾角由所在地区纬度不同而定，以太阳光垂直射入安放为佳。内装高透光塑料水袋2，2的上部有入水阀6和放气阀5，下部有出水阀3组成，如此结构可使太阳光透过2，直射底部吸光材料，由底部向上加热，热效率可比真空管式太阳能热水器提高20％以上，且成本造价可大幅度降低。若独立使用，即可作为太阳能热水器使用。2采用软体透明塑料袋为盛水材料，优点是可有效防止水的结垢，并使材料更换成本很低。出水阀3由出水管道4与闪蒸器7相连，闪蒸器7可由金属材料构成，也可由钢筋混凝土材料建成，其高度应大于10米，其底部有一出水阀15，15应低于7的底部(10米)。7的顶部连接一汽轮机8，带动发电机9。7的顶部的另一端连接一抽气阀31，31连接真空泵32。汽轮机8的出口，由连通管道10连接冷凝器11，冷凝器11的底部由管道连一放水阀13，放水阀13应低于冷凝器11的底部(10米)。冷凝器11置于储冰库17内，17的上部有一通气阀12，底部有一出水阀14，冷凝器11连接一个抽气阀33，33连接真空泵16。
本发明的工作过程如下：(图2)先将放水阀19关闭，将水由入水阀18注入制冰池20。(冬季北方寒冷季节温度可达-20℃--30℃)若在沿海地区，最好使用海水。由于天气寒冷，水面部分开始结冰，待达到一定的程度后，将上层冰取走，存入储冰库17内，上层水继续结冰，取走，如此循环。若使用海水，则每取一层冰，海水盐浓度增大一些，待达到一定浓度后，打开放水阀19，将浓海水排走，重新引入新海水，继续工作。也可就近取来江，河，湖，海中的天然冰，或天上下的雪，直接存入储冰库中储存。待储冰库满后，顶部盖以保温，防冻材料封存。待气温高时，即可启用。
(图3)将出水阀24关闭，将简单过滤后的海水(污水)由入水阀23注满储水箱27。由21，22，25，26，28，29组成一密闭循环系统。其工作过程为：使空气能蒸发器21的底部低于冷凝器28的底部。在21的底部，预先放入0℃的水(或酒精)，打开抽气阀25，启动真空泵26，将系统抽为真空，使其真空度高于0.023MPa，关闭抽气阀25及真空泵26。由物理学可知，水在低压下，沸点降低。在0.023MPa的压力下，沸点为20℃。当外界温度高于20℃时，蒸发器21内的水吸收热量，迅速开始沸腾。然后，低压蒸汽经过连通管道22进入冷凝器28内，与储水箱27内的海水(污水)交换热量，(蒸汽温度高于水温)蒸汽放出热量，重新被冷凝为水，经管道29流回蒸发器21。而储水箱27内的海水(污水)，吸收热量温度升高，由电风扇30不断将热的空气吹向21，使蒸发器21内的水吸热沸腾，如此循环，直至27内的海水(污水)温度被加热至与21内的蒸汽与外界高温空气温度达到一致，工作循环停止。此为，海水(污水)的初级预热阶段。空气能蒸发器21内的工作介质，可以是水，也可以是酒精或其他有此种特性的低沸点工质。用此方法给海水预热，其优点是加热速度快，空气能量是无穷无尽的，可快速收集大量的能量。尤其当夏季空气气温高达35℃以上时，此方法非常有效，且占地面积小。而利用太阳能则需要占用很大的场地。此方法与太阳能相结合，用太阳能加热器进一步提高预热后海水的温度，则可大大提高太阳能的工作效率。
(图1)打开抽气阀31及33，关闭出水阀13，15及出水阀3，启动真空泵32和16，将7，8，10，11内抽成真空。然后关闭抽气阀31，真空泵32。由真空泵16维持系统内的真空度。将储水箱27内预热后的海水(污水)经由出水阀24接入(图1)入水阀6，注入太阳能箱组1内的高透光塑料水袋2中，并同时打开放气阀5，待2中水注满后，关闭5，6。待高透光塑料袋2中的水经太阳能加热至一定温度时(以45℃以上为宜)，即可打开出水阀3和放气阀5，将热海水(污水)注入闪蒸器7内，一部分海水(污水)迅速吸收周围海水(污水)的热量蒸发，汽化为蒸汽，冲击汽轮机8，带动发电机9发电，由汽轮机8排出的蒸汽经管道10进入冷凝器11，由储冰库17内的冰(或水或雪)，冷凝为淡水，待水量达到一定程度后(以不超过抽气阀33的高度为宜)，打开出水阀13，将淡水排出，回收利用。
真空泵16继续工作，维持系统内的真空度，并同时排出海水(污水)中的杂质气体。
闪蒸器7内的另一部分海水(污水)被吸收热量后温度降低，沉入底部，当水量达到一定程度后(以不超过出水管道4的高度为宜)，打开出水阀15，排出回收利用。
储冰库17内的冰，与冷凝器11产生热交换，温度逐渐升高，熔化为淡水，低温水仍可继续使用，当温度升至18℃-20℃时，打开通气阀12，出水阀14，排出回收利用。如此，即可完成冬季储冰，用于海水淡化及发电的方法及过程。
方法2：本发明也可直接用冰或雪或冷空气或经冷空气降温后的水做冷凝系统(温度低于浅表层海水)与浅表层海水(污水)(20℃-27℃)结合，组成海水淡化(污水净化)及发电的方法及装置。
方法3：本发明也可由冰或雪或冷空气或经冷空气降温后的水做冷凝系统分别与空气能加热系统或太阳能加热系统(太阳能箱组或太阳能热水器)或太阳池加热系统相结合，一一对应，分别组成相应的海水淡化(污水净化)及发电的方法及装置。
方法4：本发明也可在寒冷地区制冰，运至温热带缺淡水地区，组成海水淡化(污水净化)及发电的方法及装置，既可解决能源问题，又可解决缺淡水问题。
方法5：本发明也可以不用发电系统，直接由冰或雪或冷空气或经冷空气降温后的水做冷凝系统分别与空气能加热系统或太阳能加热系统或太阳池加热系统相结合，一一对应，分别组成相应的海水淡化(污水净化)的方法及装置。
方法6：本发明也可以不用发电系统，直接由冰或雪或冷空气或经冷空气降温后的水做冷凝系统分别与温海水(污水)组成相应的海水淡化(污水净化)的方法及装置。
方法7：本发明也可以由空气能加热系统或太阳能加热系统(太阳能箱组或太阳能热水器)或太阳池加热系统加热海水(污水)，直接由过滤后的普通海水做冷凝系统，组成相应的海水淡化(污水净化)及发电的方法及装置。
方法8：本发明也可以不用发电系统，由空气能加热系统或太阳能加热系统(太阳能箱组或太阳能热水器)或太阳池加热系统加热海水(污水)，直接由过滤后的普通海水做冷凝系统，组成相应的海水淡化(污水净化)的方法及装置。

Claims (10)

1.一种利用空气能，冰冷能，太阳能，温差能，海水淡化，污水净化并同时发电的方法及装置；其方法及装置主要有：加热系统(35)(太阳能热水器或太阳池热水系统或太阳能箱组或空气能加热系统或其任意叠加)；闪蒸系统(由真空泵与闪蒸器组成，闪蒸器内被抽成真空)(34)；发电系统(36)(由汽轮机带动发电机组成)；冷凝系统(37)(冰或雪或冷空气或经冷空气降温后的水)；淡水回收系统(38)；冷海水回收系统(39)；本发明的工作过程如下：先将经过滤后的海水(污水)输入加热系统(35)，经加热后，海水(污水)被输入闪蒸系统(34)，在闪蒸器内的真空作用下，一部分海水(污水)迅速被汽化，变成蒸汽，蒸汽进入(发电系统(36))汽轮机内，推动汽轮机，带动发电机发电，之后，蒸汽被送入冷凝系统(37)内，被冷凝成淡水，送入淡水回收系统(38)内，被回收利用；被输入闪蒸系统的另一部分海水(污水)，温度降低，送入冷海水(污水)回收系统(39)回收利用或排入大海；其特征是：可由冰或雪或冷空气或经冷空气降温后的水做冷凝系统分别与空气能加热系统或太阳能加热系统(太阳能箱组或太阳能热水器)或太阳池加热系统相结合，一一对应，分别组成相应的海水淡化(污水净化)及发电的方法及装置。
2.根据权利要求1所述的利用空气能，冰冷能，太阳能，温差能，海水淡化，污水净化并同时发电的方法及装置；其特征是：可直接用冰或雪或冷空气或经冷空气降温后的水做冷凝系统(温度低于浅表层海水或污水)与浅表层海水(污水)(20℃-27℃)结合，组成海水淡化(污水净化)与发电的方法及装置。
3.根据权利要求1所述的利用空气能，冰冷能，太阳能，温差能，海水淡化，污水净化并同时发电的方法及装置；其特征是：可在寒冷地区制冰，运至温热带缺淡水地区，组成海水淡化(污水净化)及发电的方法及装置，既可解决能源问题，又可解决缺淡水问题。
4.根据权利要求1所述的利用空气能，冰冷能，太阳能，温差能，海水淡化，污水净化并同时发电的方法及装置；其特征是：可以不用发电系统，直接由冰或雪或冷空气或经冷空气降温后的水做冷凝系统分别与空气能加热系统或太阳能加热系统(太阳能箱组或太阳能热水器)或太阳池加热系统相结合，一一对应，分别组成相应的海水淡化(污水净化)的方法及装置。
5.根据权利要求1所述的利用空气能，冰冷能，太阳能，温差能，海水淡化，污水净化并同时发电的方法及装置；其特征是：可以不用发电系统，直接由冰或雪或冷空气或经冷空气降温后的水做冷凝系统分别与温海水(污水)组成相应的海水淡化(污水净化)的方法及装置。
6.根据权利要求1所述的利用空气能，冰冷能，太阳能，温差能，海水淡化，污水净化并同时发电的方法及装置；其特征是：储冰库系统由制冰池(20)，由防渗水防冻材料制成；其上部带一入水阀(18)，底部有一出水阀(19)，储冰库(17)，由保温，防冻材料制成；其上部带一通气阀(12)，底部有一出水阀(14)，内有一热交换室安放冷凝器(11)；组成，其可与空气能加热系统或太阳能箱组或太阳能热水器或太阳能加热系统或太阳池加热系统相结合，一一对应，分别组成相应的海水淡化(污水净化)及发电的方法及装置。
7.根据权利要求1所述的利用空气能，冰冷能，太阳能，温差能，海水淡化，污水净化并同时发电的方法及装置；其特征是：空气能加热系统由空气能蒸发器(21)，由金属散热材料构成；连通管道(22)，(29)，(22)的上部有一抽气阀(25)，(25)连接一真空泵(26)，(22)连接冷凝器(28)，(28)由金属散热材料构成，储水箱(27)，(27)的上部有一入水阀(23)，底部有一出水阀(24)构成。
8.根据权利要求1所述的利用空气能，冰冷能，太阳能，温差能，海水淡化，污水净化并同时发电的方法及装置；其特征是：太阳能箱组(1)为一组箱体由保温材料制成，内表面由黑色吸光材料(黑色塑料等)制成，顶部由双层真空玻璃(或高透光多层内充气塑料薄膜)密封而成，倾角由所在地区纬度不同而定，以太阳光垂直射入安放为佳，其优点为热效率高且可有效防止不同水质的结垢且成本低廉；太阳能箱组(1)单独使用，可作为太阳能热水器使用。
9.根据权利要求1所述的利用空气能，冰冷能，太阳能，温差能，海水淡化，污水净化并同时发电的方法及装置；其特征是：本发明也可以由空气能加热系统或太阳能加热系统(太阳能箱组或太阳能热水器)或太阳池加热系统加热海水(污水)，直接由过滤后的普通海水(污水)做冷凝系统，组成相应的海水淡化(污水净化)及发电的方法及装置。
10.根据权利要求1所述的利用空气能，冰冷能，太阳能，温差能，海水淡化，污水净化并同时发电的方法及装置；其特征是：本发明也可以不用发电系统，由空气能加热系统或太阳能加热系统(太阳能箱组或太阳能热水器)或太阳池加热系统加热海水(污水)，直接由过滤后的普通海水(污水)做冷凝系统，组成相应的海水淡化(污水净化)的方法及装置。
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