CN204661361U

CN204661361U - 太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置

Info

Publication number: CN204661361U
Application number: CN201420854541.6U
Authority: CN
Inventors: 王晓初; 金兰; 程振华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2024-12-30

Abstract

本实用新型涉及太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置，属于海水淡化技术领域，包括太阳能光伏板、电源控制系统、取水泵、反渗透膜组件，还包括DC-DC电路，直流电机组、和电控阀门；太阳能光伏板与DC-DC电路的电输入接口连接；DC-DC电路的电输出直接与直流电机组的电输入连接，取水泵的水输出与反渗透膜组件的进水口相连，反渗透膜组件的浓缩海水出口管道连接有电控阀门，电源控制系统控制信号输出接口分别与DC-DC电路的控制信号接口、电控阀门电连接。直流电机组与取水泵、高压泵通过联轴器相连。本装置无需蓄电池和逆变器，减小了能耗、体积和成本，能够响应太阳辐照的变化调节工作参数，保证反渗透膜组件的高效正常运行。

Description

太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置

技术领域

本实用新型属于海水淡化技术领域，特别涉及的是太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置。

背景技术

地球上的淡水资源总量有限，地理分布不均匀，而海水淡化是解决淡水紧缺问题的一种有效途径。海水淡化需要消耗大量能量，对于中小型用水量且远离电网的海岛、船舶等分布式应用，利用太阳能光伏技术作为海水淡化能源具有良好的技术可行性与经济性。

目前，利用太阳能光伏的海水反渗透装置通常包括蓄电池或逆变器。

中国专利201010532277.0公布了一种光伏太阳能反渗透淡化装置，该装置的组成结构如图1所示，包括太阳能光伏板、蓄电池、机泵、反渗透膜组件及电源控制系统；其特点为太阳能光伏板连入到蓄电池，蓄电池连出到机泵(电机和水泵)，蓄电池通过电源控制系统控制将储存太阳能光伏板产生的电能为化学能，再将化学能转换为稳定的电能输出给机泵，使机泵抽出的原水输入反渗透膜组件，原水经过反渗透膜组件输出淡水。可以看到，在这种装置中，太阳能光伏板产生的电能要通过电源控制器控制蓄电池转换为稳定电流才能供给机泵使用，首先，蓄电池在进行“直流电—化学能—直流电”的能量转换过程中会损耗能量，然而目前理想实验室测试状态下，最优质的蓄电池其充放电效率也不超过95％，而通常市场可见的蓄电池充放电效率则仅介于60％到85％之间，特别是蓄电池充放电效率受环境温度影响极大，因此实际中使用蓄电池将大大增加能量损耗；其次，目前蓄电池的成本非常高，一般为了匹配kW级的太阳能光伏板，所需的蓄电池初期成本可以高达上万元至数万元不等，而且以目前和未来有限时间内的预期来看，蓄电池的充放电循环次数有限(通常为数千次)，其性能会随着太阳能光伏对其频繁的充放电而逐渐下降，导致蓄电池必须定期更换，不难看到，蓄电池在初期成本中所占比重达到15％以上，以设备运行十年时间周期内的全成本进行分析，则蓄电池成本在装置总体成本中所占比重高达50％以上，蓄电池的存在将大大增加装置成本与价格；第三，实际中使用蓄电池需要针对安全性能做出防范设计，特别是太阳能光伏对蓄电池的充放电过程中，由于太阳辐照的波动和不稳定，需要相应措施保证蓄电池的运行环境，可以看到，蓄电池的使用会进一步增加装置的成本，也降低了装置的可靠性与安全性。

中国专利201210400659.7公布了一种光伏海水淡化系统及控制方法和光伏海水淡化逆变器，如图2所示，该装置包括太阳能光伏板、直流-交流逆变器、交流机泵及反渗透膜组件；其特点在于其海水淡化系统采用交流电路，且通过直流-交流逆变器的变频功能实现太阳能光伏板的最大功率跟踪输出功能。其不足之处在于，首先，直流-交流逆变器结构中需要额外的直流升压电路、开关驱动电路、电源隔离电路、过流/欠过压保护电路等，与直流-直流变压电路相比结构复杂，转换效率低；其次，交流电机的可调性较差，调速范围较小，因此在太阳辐照变化较剧烈的天气情况下，光伏板输出功率的不稳定特性不利于交流电机的正常工作和整个装置的产水性能；第三，从成本上来看，上述两点加大了系统的投入成本和维护成本；因此系统的总体效率低，及系统成本高。

实用新型内容

本实用新型的目的是为解决已有技术存在的问题，提供一种太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置，该装置可利用太阳能独立运行，采用光伏直流电直接驱动海水淡化，无需蓄电池与逆变器，适合偏远海岛生活、船舶舰艇等分布式中小规模用水的目标场合使用。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置，包括太阳能光伏板、电源控制系统、取水泵、反渗透膜组件，其特征在于：该装置还包括DC-DC电路，直流电机组、和电控阀门；所述太阳能光伏板与DC-DC电路的电输入接口连接；DC-DC电路的电输出接口直接与直流电机组的电输入接口连接，取水泵的水输出口与反渗透膜组件的进水口相连，反渗透膜组件的浓缩海水出口管道连接有电控阀门，电源控制系统控制信号输出接口分别与DC-DC电路的控制信号接口、电控阀门电连接。直流电机组与取水泵、高压泵通过联轴器相连。

通过采用本实用新型的技术方案，本实用新型的有益效果是：

本实用新型装置无需蓄电池与逆变器，一方面省去了蓄电池、逆变器本身的体积和成本，另一方面减小了能量转换的损耗，提高了能量利用率，使得在相同的反渗透系统运行条件下，所需的太阳能光伏板功率变小，因此减小了太阳能光伏板的体积；总体效果是，提高了能量利用率，降低了装置的大小和成本,以及装置的运行维护成本。

本实用新型的特点在于海水淡化系统采用直流电路，无需通过直流-交流逆变器或蓄电池进行电源转换，且太阳能光伏板的最大功率跟踪输出通过直流-直流变压电路实现。

附图说明

图1为已有含蓄电池的海水淡化装置示意图。

图2为已有含逆变器的海水淡化装置示意图。

图3为本实用新型的太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置实施例1组成示意图。

图4为本实用新型的一种优化的太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置实施例2组成示意图。

图5为使用本实用新型装置在夏季多云天24小时内太阳辐照强度变化图。

具体实施方式

参照附图及实施例对本实用新型作详细说明。

本实用新型提出的一种太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置实施例1，如图3所示，该装置包括太阳能光伏板、DC-DC电路，电源控制系统、直流电机组、取水泵、预处理组、高压泵、反渗透膜组和电控阀门；所述太阳能光伏板与DC-DC电路的电输入接口连接，DC-DC电路的电输出接口直接与直流电机组的电输入接口连接，高压泵连接在取水泵的水输出口与反渗透膜组件的进水口之间反渗透膜组件的浓缩海水出口管道连接有电控阀门，电源控制系统控制信号输出接口分别与DC-DC电路的控制信号接口、电控阀门电连接；直流电机组与取水泵、高压泵通过联轴器相连，预处理组件连接在取水泵水进口。

实施例1所述装置的各部件的功能及具体实施方式分别说明如下：

所述的太阳能光伏板用于将太阳能转换为直流电能；所述DC-DC电路用于将太阳能光伏板产生的直流电能进行电压转换；所述电源控制系统包括电流传感器、电压传感器和嵌入式微控制器A，其中，太阳能光伏板的输出端先后连接电流传感器和电压传感器，电流传感器、电压传感器的输出端与嵌入式微控制器A的输入接口连接，电流传感器和电压传感器分别用于采集DC-DC电路输入接口的电流I_in和电压U_in，嵌入式微控制器A用于进行光伏最大功率跟踪控制，输出时变控制信号到DC-DC电路的控制信号接口，同时输出不变的固定信号到电控阀门电接口。所述取水泵用于原水的汲取，所述高压泵用于原水的增压；所述直流电机组包括取水泵与高压泵的配用电机，用于泵水以及原水的输运和增压；所述预处理组可采用过滤器、加药箱和清洗水箱，分别用于对原水的过滤、加药、以及杀菌等预处理，具体可根据原水水质进行选取其中的一种或多种。所述反渗透膜组包括压力容器和若干支反渗透膜，用于将原水淡化产生淡水，其中压力容器用于安装反渗透膜，反渗透膜的数量根据期望的产水回收率选取，一般在合理的设计中，所期望的产水回收率越高，所选取的反渗透膜数量越多。所述电控阀门用于将电源控制系统的控制信号转变为阀门开度的相应改变

本实用新型提出的一种太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置实施例2，如图4所示，该装置包括太阳能光伏板、DC-DC电路，电源控制系统、直流电机组、取水泵、预处理组、高压泵、反渗透膜组、流体控制系统和电控阀门；所述太阳能光伏板与DC-DC电路的电输入接口连接，DC-DC电路的电输出接口直接与直流电机组的电输入接口连接，直流电机组的电输出接口与取水泵电输入接口连接，取水泵的水输出口与反渗透膜组件的进水口相连，反渗透膜组件的浓缩海水出口管道连接有电控阀门，电源控制系统控制信号输出接口分别与DC-DC电路的控制信号接口和流体控制系统连接；流体控制系统输出接口与电控阀门电连接，直流电机组与取水泵、高压泵通过联轴器相连，预处理组件连接在取水泵水进口，高压泵连接在取水泵的水输出口与反渗透膜组件的进水口之间；

实施例2所述装置的各部件的功能及具体实施方式分别说明如下：

所述太阳能光伏板用于将太阳能转换为直流电能；所述DC-DC电路用于将太阳能光伏板产生的直流电能进行电压转换；所述电源控制系统包括电流传感器、电压传感器和嵌入式微控制器A，其中，太阳能光伏板的输出端流经电流传感器，与电压传感器连接，电流传感器、电压传感器的输出端与嵌入式微控制器A的输入接口连接，电流传感器和电压传感器分别用于采集DC-DC电路输入接口的电流I_in和电压U_in，嵌入式微控制器A用于进行光伏最大功率跟踪控制，输出时变控制信号到DC-DC电路的控制信号接口。所述取水泵用于原水的汲取，所述高压泵用于原水的增压；所述直流电机组包括取水泵与高压泵的配用电机，用于泵水以及原水的输运和增压；所述预处理组包括过滤器、加药箱和清洗水箱，分别用于对原水的过滤、加药、以及杀菌等预处理，具体可根据原水水质进行选取。所述反渗透膜组包括压力容器和若干支反渗透膜，用于将原水淡化产生淡水，其中压力容器用于安装反渗透膜，反渗透膜的数量根据期望产水回收率选取，一般在合理的设计中，所期望产水回收率越高，所选取的反渗透膜数量越多。所述流体控制系统包括流量传感器、压力传感器和嵌入式微控制器B，流量传感器安装于原水管道和淡水管道中，压力传感器安装于原水管道和浓缩海水管道中，嵌入式微控制器B与嵌入式微控制器A、流量传感器、压力传感器和电控阀门连接；流量传感器或压力传感器采集反渗透膜组的原水流量Q_f或原水压力p_f、反渗透膜组的浓缩海水流出压力p_c或反渗透膜组的淡水流量Q_p，嵌入式微控制器B与嵌入式微控制器A时间同步并共享传感器数据，进行产水回收率控制，输出时变控制信号到电控阀门的电接口；所述电控阀门用于将流体控制系统的控制信号转变为阀门开度的相应改变。

实施例1和实施例2中所述的光伏最大功率跟踪控制，是根据所述的I_in和U_in计算当前功率P_in，基于导纳微分法和卡尔曼滤波估计法，完成对含噪声信号I_in、U_in和P_in的滤波估计，并根据去噪后的信号实时产生控制信号，输出到DC-DC电路的控制端，调整DC-DC电路驱动信号的占空比，从而调整等效的DC-DC转换后的直流电信号，使得去噪后的P_in尽最大可能最大化，完成最大功率控制。

实施例2中所述的产水回收率控制，是根据所述的Q_f、p_f、p_c和Q_p，按照回收率标准公式计算瞬时产水回收率Y，结合预期的产水回收率目标值Y^r，基于人工智能决策策法和经典控制方法，产生实时控制信号输出到电控阀门，通过调整电控阀门的开度而调节流体系统参数Q_f、p_f、p_c和Q_p，间接调整瞬时产水回收率Y，最终使得Y等于预期的产水回收率目标值Y^r，完成产水回收率控制。其中Y^r的取值根据使用需求选取，其值直接影响到系统的产水率和反渗透膜组的损耗，其值越大，产水率越高但反渗透膜组的损耗越大，可以选取一个折中的取值,介于5％～65％之间。

作为优化方案，实施例1和实施例2所述的电源控制系统还包括与太阳能光伏板相连的光伏板跟踪驱动机构；光伏板跟踪驱动机构包括太阳方位传感器和电控转动执行机构，嵌入式微控制器A分别与太阳方位传感器和电控转动执行机构连接，其中，太阳方位传感器用于实时测量太阳方位，产生太阳方位的测量信号，输出到嵌入式微处理器A；嵌入式微控制器A与光伏板跟踪驱动机构连接，接收太阳方位测量信号，产生转动控制信号；电控转动执行机构用于将接收到的转动控制信号转换为相应转动的执行，完成光伏板对太阳方位的主动追踪。太阳方位传感器采用常规的太阳敏感器和天空偏振探测仪器，满足小于0.05°的方位测量误差，电控转动执行机构采用常规步进电机与机械结构连接组成。

下面以原水含盐度为32500mg/L，采用本实用新型所述装置进行海水淡化处理，太阳能光伏板功率选取为500W，DC-DC电路基于buck原理设计制造，电流传感器和电压传感器采用常用的商用12位ADC芯片实现，流量传感器和压力传感器分别采用常用的商用流量计和压力表实现，嵌入式微处理器A和B均采用商用计算芯片PIC24实现，里面分别编程为电源控制系统和流体控制系统的程序指令；取水泵采用常规不锈钢水泵，高压泵采用承压55bar以上的商用高压不锈钢水泵，预处理组采用常规的水预处理过滤器及滤料实现，电控阀门采用电流驱动的常规电控阀门；使用该装置在太阳辐照变化为图5所示的夏季24小时内(有云天气)，产水流量从0～0.18m³/h变化，24小时内总产水量为1.09m³。

暂且抛开已有技术装置的其他不足，下面以太阳能光伏板输出功率P_PV为基准100％，对比本实用新型与两种旧有技术方案中输入到电机组功率值P_m：

本实用新型中，P_m＝P_PV·η_mppt·η_dcdc，其中η_mppt为最大功率跟踪效率，η_dcdc为DC-DC电路转换效率；

已有技术方案1为依赖蓄电池的直流电机组，如图1所示，P_m＝P_PV·η_mppt·η_b，其中η_b为蓄电池充放电效率；

已有技术方案2为依赖逆变器的交流电机组，如图2所示，P_m＝P_PV·η_mppt·η_dcac，其中η_dcac为逆变器的转换效率；

具体举一个实例来说，如果η_mppt≈98％，η_dcdc≈97％，η_b≈85％，η_dcac＝90％，那么根据三种方案下的P_m计算公式计算可以得到，本实用新型中P_m≈95％，旧有技术方案1中P_m≈83％，旧有技术方案2中P_m≈88％。

可以看到，本实用新型提高了能量利用率；与此同时值得注意的是，本实用新型也解决了已有技术装置的其他不足。

Claims

1.一种太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置，包括太阳能光伏板、电源控制系统、取水泵、反渗透膜组件，其特征在于：该装置还包括DC-DC电路，直流电机组、和电控阀门；所述太阳能光伏板与DC-DC电路的电输入接口连接；DC-DC电路的电输出接口直接与直流电机组的电输入接口连接，取水泵的水输出口与反渗透膜组件的进水口相连，反渗透膜组件的浓缩海水出口管道连接有电控阀门，电源控制系统控制信号输出接口分别与DC-DC电路的控制信号接口、电控阀门电连接，直流电机组与取水泵、高压泵通过联轴器相连。

2.根据权利要求1所述的太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置，其特征在于，所述装置还包括连接在取水泵水进口的预处理组件。

3.根据权利要求1所述的太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置，其特征在于，所述装置还包括连接在取水泵的水输出口与反渗透膜组件的进水口之间的高压泵。

4.根据权利要求1所述的太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置，其特征在于，所述装置还包括连接在电源控制系统与电控阀门之间的流体控制系统。

5.根据权利要求1所述的太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置，其特征在于，所述电源控制系统包括电流传感器、电压传感器和嵌入式微控制器A，其中，太阳能光伏板的输出端依次连接电流传感器和电压传感器，电流传感器、电压传感器的输出端与嵌入式微控制器A的输入接口连接。

6.根据权利要求5所述的太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置，其特征在于，所述的电源控制系统还包括与太阳能光伏板相连的光伏板跟踪驱动机构；光伏板跟踪驱动机构包括太阳方位传感器和电控转动执行机构，该嵌入式微控制器A分别与太阳方位传感器和电控转动执行机构连接，其中，太阳方位传感器输出端与嵌入式微处理器A相连；嵌入式微控制器A与光伏板跟踪驱动机构连接。

7.根据权利要求6所述的太阳能光伏直驱海水反渗透淡化装置，其特征在于，所述装置还包括连接在电源控制系统与电控阀门之间的流体控制系统，所述的流体控制系统包括流量传感器或压力传感器和嵌入式微控制器B，流量传感器安装于原水管道和淡水管道中，压力传感器安装于原水管道和浓缩海水管道中，嵌入式微控制器B与嵌入式微控制器A、流量传感器、压力传感器和电控阀门连接；嵌入式微控制器B的控制信号输出接口与所述电控阀门的控制信号接口连接。