CN106145489B - 一种基于多能互补的耦合低温多效海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多能互补的耦合低温多效海水淡化系统，该系统包括光伏光热集热器、风力发电机、电辅助加热装置、蓄热装置、饱和蒸汽发生装置及多效蒸发海水淡化装置，所述的光伏光热集热器、风力发电机通过风光互补控制器连接构成联合供热装置与供电装置，供热装置顺序连接蓄热装置、电辅助加热装置及饱和蒸汽发生装置，供电装置连接电辅助加热装置、与多效蒸发海水淡化装置连接的用电设备及收集余电的蓄电池。与现有技术相比，本发明利用太阳能风能有机耦合低温多效海水淡化系统得到淡水，具有较高的太阳能利用效率，同时该系统运行稳定可靠。

Description

一种基于多能互补的耦合低温多效海水淡化系统

技术领域

本发明涉及一种海水淡化系统，尤其是涉及一种基于多能互补的耦合低温多效海水淡化系统，属于海水淡化技术领域。

背景技术

近年来，我国社会和经济迅猛发展，工业用水和居民用水量也在逐年增加，这导致我国水资源短缺现象越来越突出。2014年末，我国总人口数已达到13.67亿，作为人口总量居世界第一的人口大国，我国的淡水资源总量却只占有全球总量的6％，人均拥有淡水资源量仅是世界平均水平的1/4。另外，我国的水资源分布的极不平衡，我国江河众多，流域面积在100平方千米以上的河流就有5万多条，但受气候以及地理特征的影响，河流流域分布非常不均衡，绝大部分河流分布在我国湿润多雨的东部地区，而气候干燥少雨的西北内陆则分布很少。目前，在可供淡水资源有限的情况下，解决水资源短缺的问题采取这些措施：提高水的利用效率，开辟第二水源；调节水源流量，增加可靠供水；加强水资源管理等。海水淡化作为淡水资源的一种开源技术，是沿海地区或远离陆地的海岛地区的一个辅助水源，也是解决目前沿海城市水资源短缺问题的一条重要途径。

按照《联合国海洋公约》的规定，我国管辖的海域面积约300万平方千米，我国大陆海岸线长达18000多千米，是世界上海岸线最长的国家之一。因此，海水淡化的研究工作对增加我国淡水来源途径具有积极的意义。尤其是对海中孤岛而言，由于岛屿与陆地相距较远，海岛往往也是电力不足的区域，至今仍有50多个海岛靠柴油发电，每天两小时，这也直接影响到海水淡化工程的实施，深挖岛内地下水或者岛外输入淡水等方式，对离岸较远的海岛，因成本高、能耗大，难以实现。因此，岛屿上居民淡水需求大多依赖海水淡化来满足。我国面积在500㎡以上的海岛共7371个，其中无人居住海岛6938个，占海岛总数的94％。受自然、交通等条件的限制，我国海岛开发利用程度较低。由于海岛面积小，蒸发量大，绿化程度低，大多数因缺乏淡水水源而无法居住和开发，有常驻居民的近500个海岛，这其中，除208个海岛靠大陆管线引水、船送饮水和海水淡化外，剩余的270个有居民海岛只能靠天吃水。因此，我国海岛淡水需求非常的迫切，海水淡化技术的利用前景很大。

在现有的太阳能风能海水淡化系统中，利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能的热效应和光效应。热效应是直接利用太阳能作为热源加热海水蒸馏；光效应是利用太阳能发电驱动海水脱盐。不管是利用太阳能的光效应还是利用热效应，两者都存在的问题是太阳能的利用效率不高。风能海水淡化主要有两种形式：分离式风电海水淡化；耦合式风力直接驱动海水淡化。分离式是先将风能转化为电能，然后再驱动脱盐单元进行海水淡化。耦合式是将风能转化的机械能直接用于驱动脱盐单元进行海水淡化。由于风能供应不稳定，具有间歇性，波动性的特点，两种风能海水淡化形式都必须采用相关的调节装置解决风能的波动性问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于多能互补的耦合低温多效海水淡化系统，能有效提高太阳能综合利用效率，稳定海水利用风光互补特性，稳定海水淡化效果。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于多能互补的耦合低温多效海水淡化系统，该系统包括光伏光热集热器、风力发电机、电辅助加热装置、蓄热装置、饱和蒸汽发生装置及多效蒸发海水淡化装置，所述的光伏光热集热器、风力发电机通过风光互补控制器连接构成联合供热装置与供电装置，其中，供热装置顺序连接蓄热装置、电辅助加热装置及饱和蒸汽发生装置，供电装置连接电辅助加热装置、与多效蒸发海水淡化装置连接的用电设备及收集余电的蓄电池。

所述的光伏光热集热器及风力发电机同时与风光互补控制器连接，所述的风光互补控制器与蓄电池连接，所述的光伏光热集热器同时还与蓄热装置连接，所述的电辅助加热装置同时与蓄热装置及蓄电池连接。

所述的饱和蒸汽发生装置与电辅助加热装置连接，饱和蒸汽发生装置的饱和蒸汽出口管路与多效蒸发海水淡化装置的加热蒸汽入口管路连接。

所述的多效蒸发海水淡化装置为低温多效蒸发单元，包括顺序连接的首效蒸发器、二效蒸发器、三效蒸发器及末效冷凝器，各蒸发器内设置喷淋管和换热管，换热管的两端分别连接上一效的蒸汽出口管和淡水出口管；喷淋管连接来自上一效的浓海水出口管。首效蒸发器汽侧出口管路连接二效蒸发器的汽侧入口管路，二效蒸发器汽侧出口管路连接三效蒸发器的汽侧入口管路，三效蒸发器汽侧出口连接末效冷凝器，末效冷凝器连接原料海水预处理装置，首效蒸发器未蒸发的流体出口管路连接二效蒸发器的喷淋管入口管路，二效蒸发器未蒸发的流体出口管路连接三效蒸发器的喷淋管入口管路，首效蒸发器喷淋管入口管路连接末效冷凝器进料海水出口管路，三效蒸发器底部留有浓海水排除口，以排出浓海水，三效蒸发器未蒸发的流体出口管路连接浓海水收集装置，二效蒸发器与三效蒸发器蒸发产生的蒸汽经过冷凝产生的淡水通过淡水收集管进入淡水收集装置。

所述的多效蒸发海水淡化装置还包括用电设备，这些用电设备受蓄电池供电，所述的用电设备包括设在海水预处理装置进水口前方的海水泵，与各蒸发器连接的小型真空泵。

所述的光伏光热集热器同时与饱和蒸汽发生装置连接，在光伏光热集热器与饱和蒸汽发生装置之间传输载热工质，在光伏光热集热器与饱和蒸汽发生装置之间设有用于传输载热工质的小型太阳能循环泵，该小型太阳能循环泵与蓄电池连接。

本发明通过多能互补供热供电装置使换热工质达到预热温度，再利用电辅助加热装置对预热温度的换热工质继续加热，加热至再热温度，通过管道将再热工质输入饱和蒸汽发生器，在设定的温度和压力下，部分换热工质蒸发产生饱和蒸汽进入低温多效海水淡化装置，未蒸发的换热工质继续进入电辅助加热装置进行循环。

在传统的太阳能海水淡化系统中，只是将太阳能转换为热能或电能驱动海水淡化。而在本发明中，引入了一套光伏光热集热器和风力发电机联合装置。光伏光热集热器能够最大限度的吸收太阳能，使之变成热能和电能，同时，利用太阳能和风能的互补特性，利用太阳能风能联合发电向装置供能。太阳能风能产生的能量使载热工质受热升温，当温度升至设定的温度，进入饱和蒸汽发生装置，载热工质进入低压的饱和蒸汽发生装置，在较低温度下蒸发产生饱和蒸汽，产生的饱和蒸汽向低温多效蒸发海水淡化装置提供热源。低温多效海水淡化装置在增加了热回收装置末效冷凝器，对进料海水进行预热，提高了系统能量利用效率。

本发明采用多能互补供热供电系统，利用光伏光热集热器收集太阳能使加热工质升温至预热温度。利用光伏光热集热器和风力机所发电能供给电辅助加热装置、装置循环水泵和小型真空泵，在蒸发器上设置小型真空泵，降低了装置的压力，使海水在较低温度下迅速蒸发，具有较高的淡化效率，能较快产生较高品质的淡水的特点。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明的海水淡化装置、电辅助加热装置、太阳能循环泵、小型真空泵、海水泵的电能由太阳能和风能发电联合提供，不需要使用外部电能。

2、利用光伏光热集热器，大幅度提高了单独使用光伏发电或光热利用的太阳能利用效率，同时，利用太阳能和风能的互补特性，保证装置运行的可靠性。

3、该海水淡化装置能耗低、便于安装、能自动化运行、基本不需人员现场操作，利用太阳能和风能等可再生能源，适应性强，投资相对较低，运行维护成本低，不消耗石油、煤炭、天然气等化石能源的小型海水淡化装置，可根据淡水需求量改变装置中风力发电机和光伏光热集热器的装机容量，灵活性高，尤其适用于小型海岛、渔船及军用舰艇的使用，可很好的解决我国沿海居民及海岛居民的用水需求。

附图说明

图1是本发明基于多能互补的低温多效海水淡化系统的结构示意图。

图2是本发明实施例供电供热装置结构示意图。

图3是本发明实施例中多效蒸发装置的结构示意图。

图中：1.光伏光热集热器，2.风力发电机，3.蓄热装置，4.风光互补控制器，5.小型真空泵，6.电辅助加热装置，7.小型太阳能循环泵，8.多效蒸发海水淡化装置，81.首效蒸发器，82.二效蒸发器，83.三效蒸发器，84.末效冷凝器，9.海水预处理装置，10.饱和蒸汽发生装置，11.浓海水收集装置，12.淡水收集装置，13.蓄电池，14.海水泵，15.载热工质。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种基于多能互补的耦合低温多效海水淡化系统，如图1～图3所示，该系统包括光伏光热集热器1、风力发电机2、电辅助加热装置6、蓄热装置3、饱和蒸汽发生装置10及多效蒸发海水淡化装置8，光伏光热集热器1、风力发电机2通过风光互补控制器4连接构成联合供热装置与供电装置，其中，供热装置顺序连接蓄热装置3、电辅助加热装置6及饱和蒸汽发生装置10，供电装置连接电辅助加热装置6、与多效蒸发海水淡化装置8连接的用电设备及收集余电的蓄电池13。具体而言，其组成包括：光伏光热集热器1、风力发电机2、蓄热装置3、风光互补控制器4、蓄电池13、电辅助加热装置6、小型太阳能循环泵7、小型真空泵5、多效蒸发海水淡化装置8、海水预处理装置9、饱和蒸汽发生装置10、浓海水收集装置11、淡水收集装置12、海水泵14及载热工质15。

参见图1和图2，本实施例中，光伏光热集热器1及风力发电机2同时与风光互补控制器4连接，风光互补控制器4与蓄电池13连接，光伏光热集热器1出口与蓄热装置3入口连接，蓄热装置3出口与电辅助加热装置6入口连接，此外，电辅助加热装置6出口与饱和蒸汽发生装置10冷凝管入口连接，饱和蒸汽发生装置10冷凝管出口与光伏光热集热器1入口连接。在光伏光热集热器1与饱和蒸汽发生装置10之间设有用于传输载热工质15的小型太阳能循环泵7，该小型太阳能循环泵7与蓄电池13连接。当载热工质在光伏光热集热器内经过循环加热后进入蓄热装置，当载热工质预热后进入到电辅助加热装置进行再热，载热工质经过再热后进入饱和蒸汽发生装置，在其中蒸发产生饱和蒸汽，未蒸发的载热工质继续进入电辅助加热装置进行再热循环。饱和蒸汽发生装置10与电辅助加热装置6连接，饱和蒸汽发生装置10的饱和蒸汽出口管路与多效蒸发海水淡化装置8的加热蒸汽入口管路连接。

参见图1和图3，本实施例中，多效蒸发海水淡化装置8为低温多效蒸发单元，包括顺序连接的首效蒸发器81、二效蒸发器82、三效蒸发器83及末效冷凝器84，各蒸发器内设置喷淋管和换热管，换热管的两端分别连接上一效的蒸汽出口管和淡水出口管；喷淋管连接来自上一效的浓海水出口管。首效蒸发器81汽侧出口管路连接二效蒸发器82的汽侧入口管路，二效蒸发器82汽侧出口管路连接三效蒸发器83的汽侧入口管路，三效蒸发器83汽侧出口连接末效冷凝器84，末效冷凝器84连接原料海水预处理装置9，首效蒸发器81未蒸发的流体出口管路连接二效蒸发器82的喷淋管入口管路，二效蒸发器82未蒸发的流体出口管路连接三效蒸发器83的喷淋管入口管路，首效蒸发器81喷淋管入口管路连接末效冷凝器84进料海水出口管路，三效蒸发器83底部留有浓海水排除口，以排出浓海水，三效蒸发器83未蒸发的流体出口管路连接浓海水收集装置11，二效蒸发器82与三效蒸发器83蒸发产生的蒸汽经过冷凝产生的淡水通过淡水收集管进入淡水收集装置12。多效蒸发海水淡化装置8还包括用电设备，这些用电设备受蓄电池13供电，用电设备包括设在海水预处理装置9进水口前方的海水泵14，与各蒸发器连接的小型真空泵5。

进料海水进入首效蒸发器后在饱和蒸汽的加热下蒸发产生蒸汽，产生的蒸汽进入下一效冷凝器，作为下一效蒸发器的热源。而未蒸发的另一部分海水继续流入下一效蒸发器进行蒸发直至末效。各效蒸发器蒸发产生的蒸汽经过冷凝产生的淡水通过淡水收集管进入淡水收集装置，进料海水中淡水经过各效蒸发器蒸发作用后，海水盐度升高，高盐度的浓海水最后从末效蒸发器排污口排到浓海水收集装置。

电辅助加热装置6的作用是：对于经过光伏光热集热器预热的载热工质继续加热，使其温度能够达到饱和蒸汽发生装置中要求的蒸发温度，可利用对系统中温度传感器的控制，对载热工质再热温度进行控制。

在使用过程中，将光伏光热集热器1按一定倾角收集太阳能，产生的热能传递给传热工质使其温度上升，光伏光热集热器1和风力发电机2产生的电能先供给电辅助加热器装置6、小型太阳能循环泵7、小型真空泵5和海水泵14使用，保证各种泵的正常运行，多余的电能则储蓄于蓄电池13中，当蓄电池13电量充满。多能互补供热供电装置、海水淡化装置、电辅助加热装置、蓄热装置均与控制系统线路连接，通过控制系统设置各个装置的程序，实现系统的自动运行。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于多能互补的耦合低温多效海水淡化系统，其特征在于，该系统包括光伏光热集热器(1)、风力发电机(2)、电辅助加热装置(6)、蓄热装置(3)、饱和蒸汽发生装置(10)及多效蒸发海水淡化装置(8)，

所述的光伏光热集热器(1)、风力发电机(2)通过风光互补控制器(4)连接构成联合供热供电装置，其中，供热装置顺序连接蓄热装置(3)、电辅助加热装置(6)及饱和蒸汽发生装置(10)，供电装置连接电辅助加热装置(6)、与多效蒸发海水淡化装置(8)连接的用电设备及收集余电的蓄电池(13)；

所述的光伏光热集热器(1)及风力发电机(2)同时与风光互补控制器(4)连接，所述的风光互补控制器(4)与蓄电池(13)连接，所述的光伏光热集热器(1)同时还与蓄热装置(3)连接，所述的电辅助加热装置(6)同时与蓄热装置(3)及蓄电池(13)连接；

所述的饱和蒸汽发生装置(10)与电辅助加热装置(6)连接，饱和蒸汽发生装置(10)的饱和蒸汽出口管路与多效蒸发海水淡化装置(8)的加热蒸汽入口管路连接；

所述的多效蒸发海水淡化装置(8)还包括用电设备，这些用电设备受蓄电池(13)供电，所述的用电设备包括设在海水预处理装置(9)进水口前方的海水泵(14)，与各蒸发器连接的小型真空泵(5)；

所述的光伏光热集热器(1)同时与饱和蒸汽发生装置(10)连接，在光伏光热集热器(1)与饱和蒸汽发生装置(10)之间传输载热工质(15)，在光伏光热集热器(1)与饱和蒸汽发生装置(10)之间设有用于传输载热工质(15)的小型太阳能循环泵(7)，该小型太阳能循环泵(7)与蓄电池(13)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于多能互补的耦合低温多效海水淡化系统，其特征在于，所述的多效蒸发海水淡化装置(8)为低温多效蒸发单元，包括顺序连接的首效蒸发器(81)、二效蒸发器(82)、三效蒸发器(83)及末效冷凝器(84)，

首效蒸发器(81)汽侧出口管路连接二效蒸发器(82)的汽侧入口管路，二效蒸发器(82)汽侧出口管路连接三效蒸发器(83)的汽侧入口管路，三效蒸发器(83)汽侧出口连接末效冷凝器(84)，末效冷凝器(84)连接原料海水预处理装置(9)，

首效蒸发器(81)未蒸发的流体出口管路连接二效蒸发器(82)的喷淋管入口管路，二效蒸发器(82)未蒸发的流体出口管路连接三效蒸发器(83)的喷淋管入口管路，首效蒸发器(81)喷淋管入口管路连接末效冷凝器(84)进料海水出口管路，

三效蒸发器(83)未蒸发的流体出口管路连接浓海水收集装置(11)，二效蒸发器(82)与三效蒸发器(83)蒸发产生的蒸汽经过冷凝产生的淡水通过淡水收集管进入淡水收集装置(12)。