專利名稱：潮流能非穩(wěn)態(tài)增壓海水淡化及發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于海洋可再生能源開發(fā)和海水淡化領(lǐng)域，涉及潮流能非穩(wěn)態(tài)增壓海水淡化及發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
能源和環(huán)境是人類可持續(xù)發(fā)展面臨的重大問題，隨著對能源資源的開發(fā)日趨激烈，在環(huán)境污染加重的同時環(huán)保壓力也隨之增大，世界各國政府都對可再生能源與清潔能源的開發(fā)利用給予了高度重視。海洋蘊(yùn)藏著巨大的可再生清潔能源(如波浪能、潮流能、風(fēng)能、太陽能等)和資源(如海水等)，開發(fā)應(yīng)用前景分廣闊，海洋能源和資源的開發(fā)和利用是 建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的重要基礎(chǔ)。隨著淡水資源稀缺性的日益突顯，各國對海水的利用越來越重視。尤其是對于海島、海上鉆井平臺等，對電力和淡水依賴程度高，能源、資源匱乏，開發(fā)利用成本高。即使在島嶼密集海域，集中修建大型海水淡化和發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施，其投入成本高，風(fēng)險大，且共享困難。專利申請風(fēng)、光及海潮流清潔能源海水淡化裝置，申請?zhí)?01010198014. 0，主要內(nèi)容如附圖I所示；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能電池板和海潮流發(fā)電裝置共同為海水淡化裝置提供電能，進(jìn)行海水淡化，使海水淡化裝置不再受電力供應(yīng)的限制；但該實(shí)用新型中風(fēng)能、海流能分別通過風(fēng)力渦輪和浮球轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，機(jī)械能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，電能通過蓄電池存儲，蓄電池中的電能通過電動機(jī)轉(zhuǎn)化為高壓泵的機(jī)械能為海水增壓，因此整個循環(huán)效率極低。采用浮球吸收海流中波浪的能量，而未采用水輪機(jī)利用海流中潮流能。反滲透法海水淡化以后，濃水直接排放而余壓沒有回收，海水淡化能耗高。綜上，該實(shí)用新型循環(huán)效率低，海水淡化本身效率低。專利申請利用潮汐能驅(qū)動的海水淡化及發(fā)電的方法與裝置，申請?zhí)?01010581552. 8，主要內(nèi)容如附圖2所示；它利用漲潮時大海中的高位海水在流向蓄水池內(nèi)的過程中沖擊水輪機(jī)轉(zhuǎn)動和/或退潮后蓄水池中的高位海水在流向大海的過程中沖擊水輪機(jī)轉(zhuǎn)動，水輪機(jī)帶動高壓泵工作產(chǎn)生高壓海水，高壓海水經(jīng)過反滲透膜組件淡化，從反滲透膜組件中排出的高壓濃海水沖擊渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動，渦輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能，實(shí)現(xiàn)潮汐能的綜合利用和轉(zhuǎn)化。但在海邊修建蓄水池，對生態(tài)環(huán)境影響大。專利申請利用海洋能源進(jìn)行海水淡化和發(fā)電的方法及裝置，申請?zhí)?00910038665.0，主要內(nèi)容如附圖3所示；通過采能器采集海洋波涌的能量，用海水加壓泵對海水進(jìn)行加壓，然后通過海水高壓管輸入到海水淡化系統(tǒng)中進(jìn)行淡水生產(chǎn)；尾水導(dǎo)入水輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電。綜上，該實(shí)用新型利用波浪能進(jìn)行海水淡化和發(fā)電。綜上，采用海洋可再生能源如風(fēng)能、太陽能、波浪能等為動力進(jìn)行反滲透法海水淡化或發(fā)電是一種清潔、綠色、環(huán)保的制淡和發(fā)電方法。理論上，正滲透可以采用具有非常高的滲透壓的驅(qū)動溶液而實(shí)現(xiàn)比反滲透更大的水通量，然而研究發(fā)現(xiàn)實(shí)際通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于預(yù)期值。這是由于正滲透過程特有的濃差極化現(xiàn)象造成的。而在反滲透的膜分離過程中，同樣存在濃差極化。濃差極化層的存在將不同程度地妨害膜的傳遞效率，例如增高膜表面溶液滲透壓、明顯縮短其壽命，甚至帶來嚴(yán)重后果。一般可以通過增加膜表面的剪切力和湍流來降低濃差極化對膜過程的影響。目前海水淡化存在的問題集中于1、缺乏將潮流能直接用于增壓進(jìn)行海水淡化的技術(shù)；2、如何消除反滲透淡化中的濃差極化問題；3、反滲透法海水淡化后的濃鹽水余壓較高，如果不進(jìn)行回收，將顯著提高海水淡化成本。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對海島或海洋設(shè)施淡水和電力供應(yīng)不便、基礎(chǔ)投資大、不便共享的問題，結(jié)合海洋可再生能源進(jìn)行海水淡化或發(fā)電的難點(diǎn)，提出潮流能非穩(wěn)態(tài)增壓海水淡化及發(fā)電裝置。 本實(shí)用新型解決技術(shù)問題采用的方案如下潮流能非穩(wěn)態(tài)增壓海水淡化及發(fā)電裝置，包括海水入口、海水預(yù)處理裝置、增壓泵入口管路、多通道配流盤、水輪機(jī)、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)軸、非均勻缸體、增壓泵軸承、可調(diào)斜盤、非勻質(zhì)彈簧、變徑柱塞、增壓泵出口管路、制淡入口溢流閥、非穩(wěn)態(tài)反滲透膜、淡水管路、高壓濃鹽水管路、制淡出口溢流閥、液流電池、濃鹽水排放管路、密封組件、機(jī)艙、控制器、流量調(diào)節(jié)組件、偏航裝置、剎車裝置、支撐裝置；所述的水輪機(jī)，為豎直軸水輪機(jī)、水平軸水輪機(jī)中的一種，水輪機(jī)與機(jī)艙之間采用流線形圓錐體過渡；所述的變徑柱塞，個數(shù)為2-8個，各變徑柱塞的直徑不相同；所述的非均勻缸體，非均勻缸體上面分布有柱塞缸，柱塞缸個數(shù)與變徑活塞相同，每個柱塞缸內(nèi)徑與對應(yīng)的變徑柱塞外徑相同,柱塞缸中心與非均勻缸體中心之間的距離有兩種，柱塞缸沿周向分布不均勻；所述的非勻質(zhì)彈簧，個數(shù)與變徑柱塞相同，每個非勻質(zhì)彈簧的中徑和線徑沿長度方向變化，即每個非勻質(zhì)彈簧的剛度為非線性剛度，各非勻質(zhì)彈簧之間結(jié)構(gòu)和剛度也不相同；所述的多通道配流盤，有兩類圓弧形配流通道，兩類圓弧半徑分別與柱塞缸中心距離非均勻缸體中心的距離相同；所述的非穩(wěn)態(tài)反滲透膜，膜表面沿高壓海水流動方向呈正弦波動；水輪機(jī)、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)軸、非均勻缸體之間剛性連接，構(gòu)成同軸的旋轉(zhuǎn)體，通過增壓泵軸承支撐；可調(diào)斜盤與轉(zhuǎn)軸軸線之間的夾角通過流量調(diào)節(jié)組件調(diào)節(jié)；增壓泵出口管路通過制淡入口溢流閥連接非穩(wěn)態(tài)反滲透膜，非穩(wěn)態(tài)反滲透膜通過高壓濃鹽水管路和制淡出口溢流閥連接液流電池；增壓泵入口管路連接多通道配流盤和海水預(yù)處理裝置；控制器采用電纜連接液流電池、剎車裝置、流量調(diào)節(jié)組件；整個裝置通過支撐裝置安裝于海底潮流流速較高的海域，構(gòu)成座底式結(jié)構(gòu)。所述的潮流能非穩(wěn)態(tài)增壓海水淡化及發(fā)電裝置，潮流能非穩(wěn)態(tài)增壓海水淡化及發(fā)電裝置通過支撐裝置安裝于機(jī)艙和綠色船舶之間，該結(jié)構(gòu)和風(fēng)力海水淡化及發(fā)電裝置、太陽能海水淡化及發(fā)電裝置、蓄電池、淡水容器、波浪能海水淡化及發(fā)電裝置共同構(gòu)成漂浮式結(jié)構(gòu)；綠色船舶采用蓄電池直接驅(qū)動螺旋槳，綠色船舶上還分別安裝風(fēng)力海水淡化及發(fā)電裝置、太陽能海水淡化及發(fā)電裝置和波浪能海水淡化及發(fā)電裝置；風(fēng)力海水淡化及發(fā)電裝置、太陽能海水淡化及發(fā)電裝置、波浪能海水淡化及發(fā)電裝置和潮流能非穩(wěn)態(tài)增壓海水淡化及發(fā)電裝置一起采用海洋可再生能源進(jìn)行海水淡化和發(fā)電，淡水收集在淡水容器內(nèi)，電能存儲于蓄電池內(nèi)。工作原理天然海水通過海水入口進(jìn)入海水預(yù)處理裝置，凈化后的海水通過增壓泵入口管路進(jìn)入多通道配流盤；潮流驅(qū)動水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，水輪機(jī)通過聯(lián)軸器帶動轉(zhuǎn)軸、非均勻缸體并在增壓泵軸承支承下一起旋轉(zhuǎn)，在靜止的可調(diào)斜盤和非勻質(zhì)彈簧作用下，變徑柱塞沿非均勻缸體內(nèi)的柱塞缸軸向運(yùn)動，將多通道配流盤中的海水增壓，高壓海水通過增壓泵出口管路、制淡入口溢流閥，進(jìn)入非穩(wěn)態(tài)反滲透膜，一部分穿過滲透膜變成淡水，進(jìn)入淡水管路存儲起來，另一部分變成高壓濃鹽水通過高壓濃鹽水管路和制淡出口溢流閥進(jìn)入液流電池，高壓濃鹽水驅(qū)動液流電池中的泵做功，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，存儲起來；高壓濃鹽 水經(jīng)過液流電池變成濃鹽水,通過濃鹽水排放管路排放到海洋中。工作過程中,密封組件用于阻擋海水進(jìn)入機(jī)艙中；當(dāng)需要改變增壓流量時，通過控制器調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)組件，改變可調(diào)斜盤的傾角；當(dāng)潮流方向改變時，偏航裝置自動調(diào)整水輪機(jī)的方向；在極端天氣情況下，可以通過控制器控制剎車裝置進(jìn)行保護(hù)。本實(shí)用新型的有益效果是I、高效采用水輪機(jī)直接增壓，通過一系列非穩(wěn)態(tài)增壓操作，實(shí)現(xiàn)海水在高壓范圍內(nèi)無規(guī)則變化，從而在不平整的膜表面形成湍動，顯著降低了濃差極化，因此大大降低了反滲透壓力，從而提高海水淡化效率；采用潮流能-機(jī)械能-壓力能的簡潔、有效循環(huán)模式，而仍有一定壓力的濃鹽水在液流電池中驅(qū)動泵旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化為電能存儲，實(shí)現(xiàn)了潮流能的高效、充分利用。2、多種能源供應(yīng)于一體。綜合利用海上風(fēng)能、太陽能、潮流能、波浪能進(jìn)行海水淡化和發(fā)電，實(shí)現(xiàn)各種能量的互補(bǔ)利用，確保整體功能的可達(dá)性，避免了能源類型單一，來源不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。3、移動式采用綠色船舶為載體，集海水淡化、發(fā)電儲能于一體。其一，可以根據(jù)氣象預(yù)報將船舶移動至海洋能密集海域拋錨固定，進(jìn)行制淡和發(fā)電作業(yè)；其二，可以方便定期或按需為周邊島嶼供應(yīng)淡水、電力(蓄電池)，能夠替代海島用油發(fā)電，節(jié)省燃料；避免了在單一島嶼投資興建大型基礎(chǔ)設(shè)置海水淡化的高額投資，不便各島嶼共享的缺點(diǎn)；其三，可以在暴風(fēng)雨時移動至避風(fēng)港避難，安全可靠。因此適合于西沙、南海群島，方便軍民兩用。4、清潔，無生態(tài)污染采用電力驅(qū)動的綠色船舶，蓄電池本體采用無污染材料，工作過程無污染物排放。整個系統(tǒng)供應(yīng)的能源及消耗能源均為海洋清潔能源，無污染物排放，且避免了海洋結(jié)構(gòu)物對海洋生態(tài)的危害。

圖I是現(xiàn)有的風(fēng)、光及海潮流清潔能源海水淡化裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是現(xiàn)有的利用潮汐能驅(qū)動的海水淡化及發(fā)電的方法與裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是現(xiàn)有的利用海洋能源進(jìn)行海水淡化和發(fā)電的方法及裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實(shí)用新型的潮流能非穩(wěn)態(tài)增壓海水淡化及發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是圖4的截面圖。[0032]圖6是本實(shí)用新型的潮流能非穩(wěn)態(tài)增壓海水淡化及發(fā)電裝置方案2結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1水輪機(jī)；2聯(lián)軸器；3轉(zhuǎn)軸；4密封組件；5機(jī)艙；6流量調(diào)節(jié)組件；7可調(diào)斜盤；8變徑柱塞；9非均勻缸體；10非勻質(zhì)彈簧；11多通道配流盤；12增壓泵出口管路；13制淡入口溢流閥；14非穩(wěn)態(tài)反滲透膜；15淡水管路；16高壓濃鹽水管路；17制淡出口溢流閥；18液流電池；19濃鹽水排放管路；20控制器；21海水入口 ；22海水預(yù)處理裝置；23增壓泵入口管路；24增壓泵軸承；25剎車裝置；26偏航裝置；27支撐裝置；28綠色船舶；29風(fēng)力海水淡化及發(fā)電裝置；30太陽能海水淡化及發(fā)電裝置；31蓄電池；32淡水容器；33波浪能海水淡化及發(fā)電裝置。
具體實(shí)施方式如圖所示，本實(shí)用新型的潮流能非穩(wěn)態(tài)增壓海水淡化及發(fā)電裝置由水輪機(jī)I、聯(lián)軸器2、轉(zhuǎn)軸3、密封組件4、機(jī)艙5、流量調(diào)節(jié)組件6、可調(diào)斜盤7、變徑柱塞8、非均勻缸體9、非勻質(zhì)彈簧10、多通道配流盤11、增壓泵出口管路12、制淡入口溢流閥13、非穩(wěn)態(tài)反滲透膜14、淡水管路15、高壓濃鹽水管路16、制淡出口溢流閥17、液流電池18、濃鹽水排放管路19、控制器20、海水入口 21、海水預(yù)處理裝置22、增壓泵入口管路23、增壓泵軸承24、剎車裝置25、偏航裝置26、支撐裝置27、綠色船舶28、風(fēng)力海水淡化及發(fā)電裝置29、太陽能海水淡化及發(fā)電裝置30、蓄電池31、淡水容器32、波浪能海水淡化及發(fā)電裝置33構(gòu)成。(I)根據(jù)淡水和電能需求量，確定非穩(wěn)態(tài)反滲透膜14和液流電池18的功率，工作特性曲線；(2)根據(jù)功率需求，確定水輪機(jī)I的功率、效率及工作特性曲線；(3)根據(jù)水輪機(jī)I提供的扭矩和非穩(wěn)態(tài)反滲透膜14所需要的壓力、流量，設(shè)計增壓泵中可調(diào)斜盤7、變徑柱塞8、非均勻缸體9、非勻質(zhì)彈簧10、多通道配流盤11的參數(shù)；(4)根據(jù)海域特點(diǎn)，確定支撐結(jié)構(gòu)，如果潮流流速較大，且僅給單一附近島嶼供應(yīng)淡水和電能，則支撐裝置27安裝于海底，否則可采用綠色船舶28的漂浮式結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求1.潮流能非穩(wěn)態(tài)增壓海水淡化及發(fā)電裝置，包括海水入口、海水預(yù)處理裝置、增壓泵入ロ管路、多通道配流盤、水輪機(jī)、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)軸、非均勻缸體、增壓泵軸承、可調(diào)斜盤、非勻質(zhì)彈簧、變徑柱塞、增壓泵出口管路、制淡入口溢流閥、非穩(wěn)態(tài)反滲透膜、淡水管路、高壓濃鹽水管路、制淡出口溢流閥、液流電池、濃鹽水排放管路、密封組件、機(jī)艙、控制器、流量調(diào)節(jié)組件、偏航裝置、剎車裝置、支撐裝置； 所述的水輪機(jī)，為豎直軸水輪機(jī)、水平軸水輪機(jī)中的ー種，水輪機(jī)與機(jī)艙之間采用流線形圓錐體過渡； 所述的變徑柱塞，個數(shù)為2-8個，各變徑柱塞的直徑不相同； 所述的非均勻缸體，非均勻缸體上面分布有柱塞缸，柱塞缸個數(shù)與變徑活塞相同，姆個柱塞缸內(nèi)徑與對應(yīng)的變徑柱塞外徑相同，柱塞缸中心與非均勻缸體中心之間的距離有兩種，柱塞缸沿周向分布不均勻； 所述的非勻質(zhì)彈簧，個數(shù)與變徑柱塞相同，每個非勻質(zhì)彈簧的中徑和線徑沿長度方向變化，即每個非勻質(zhì)彈簧的剛度為非線性剛度，各非勻質(zhì)彈簧之間結(jié)構(gòu)和剛度也不相同； 所述的多通道配流盤，有兩類圓弧形配流通道，兩類圓弧半徑分別與柱塞缸中心距離非均勻缸體中心的距離相同； 所述的非穩(wěn)態(tài)反滲透膜，膜表面沿高壓海水流動方向呈正弦波動； 水輪機(jī)、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)軸、非均勻缸體之間剛性連接，構(gòu)成同軸的旋轉(zhuǎn)體，通過增壓泵軸承支撐；可調(diào)斜盤與轉(zhuǎn)軸軸線之間的夾角通過流量調(diào)節(jié)組件調(diào)節(jié)；增壓泵出口管路通過制淡入口溢流閥連接非穩(wěn)態(tài)反滲透膜，非穩(wěn)態(tài)反滲透膜通過高壓濃鹽水管路和制淡出ロ溢流閥連接液流電池；增壓泵入口管路連接多通道配流盤和海水預(yù)處理裝置；控制器采用電纜連接液流電池、剎車裝置、流量調(diào)節(jié)組件； 整個裝置通過支撐裝置安裝于海底潮流流速較高的海域，構(gòu)成座底式結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的潮流能非穩(wěn)態(tài)增壓海水淡化及發(fā)電裝置，其特征還在于潮流能非穩(wěn)態(tài)增壓海水淡化及發(fā)電裝置通過支撐裝置安裝于機(jī)艙和緑色船舶之間，該結(jié)構(gòu)和風(fēng)力海水淡化及發(fā)電裝置、太陽能海水淡化及發(fā)電裝置、蓄電池、淡水容器、波浪能海水淡化及發(fā)電裝置共同構(gòu)成漂浮式結(jié)構(gòu)；綠色船舶采用蓄電池直接驅(qū)動螺旋槳，緑色船舶上還分別安裝風(fēng)カ海水淡化及發(fā)電裝置、太陽能海水淡化及發(fā)電裝置和波浪能海水淡化及發(fā)電裝置；風(fēng)カ海水淡化及發(fā)電裝置、太陽能海水淡化及發(fā)電裝置、波浪能海水淡化及發(fā)電裝置和潮流能非穩(wěn)態(tài)增壓海水淡化及發(fā)電裝置一起采用海洋可再生能源進(jìn)行海水淡化和發(fā)電，淡水收集在淡水容器內(nèi)，電能存儲于蓄電池內(nèi)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種潮流能非穩(wěn)態(tài)增壓海水淡化及發(fā)電裝置，屬于海洋可再生能源開發(fā)和海水淡化領(lǐng)域。由水輪機(jī)、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)軸、密封組件、機(jī)艙、流量調(diào)節(jié)組件、可調(diào)斜盤、變徑柱塞、非均勻缸體、非勻質(zhì)彈簧、多通道配流盤、增壓泵出口管路、制淡入口溢流閥、非穩(wěn)態(tài)反滲透膜、淡水管路、高壓濃鹽水管路、制淡出口溢流閥、液流電池、濃鹽水排放管路、控制器、海水入口、海水預(yù)處理裝置、增壓泵入口管路、增壓泵軸承、剎車裝置、偏航裝置、支撐裝置、綠色船舶、風(fēng)力海水淡化及發(fā)電裝置、太陽能海水淡化及發(fā)電裝置、蓄電池、淡水容器、波浪能海水淡化及發(fā)電裝置組成。采用水輪機(jī)非穩(wěn)態(tài)增壓降低了反滲透膜的濃差極化，余能通過液流電池回收發(fā)電，兼?zhèn)浜Ｋ?、發(fā)電、儲能三大功能，高效、清潔。
文檔編號C02F1/44GK202465346SQ20122008883
公開日2012年10月3日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者劉艷, 宗智, 宿曉輝, 李明強(qiáng), 楊冉升, 賀高紅, 趙廣, 郭嘉楠 申請人:大連理工大學(xué)