風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統技術方案

本發明專利技術公開了一種風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統，包括風力渦輪機、行星齒輪、提水泵、膜式氣壓淡化單元、渦旋機等。其中，風力渦輪機、提水泵及渦旋機分別經變速機構和行星齒輪行星架、齒圈及太陽輪相連，提水泵提升預處理海水，膜式氣壓淡化單元內有桶形反滲透膜和球形彈性氣囊，球形彈性氣囊經比例閥和氣罐相連，配合提水泵可實現反滲透水壓柔性無級控制；渦輪機回收廢水壓能輔助驅動提水泵；壓縮空氣儲能由渦旋機和氣罐以及兩并聯氣路組成，多余風能驅動渦旋機壓縮，風能不足時，渦旋機膨脹逆轉補充提水泵差額功率。本發明專利技術采用壓縮空氣儲能穩定海水淡化工況，結合彈性氣囊的反滲透壓柔性無級控制，大幅提高海水淡化效率以及滲透膜使用壽命。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術公開了一種風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統，包括風力渦輪機、行星齒輪、提水泵、膜式氣壓淡化單元、渦旋機等。其中，風力渦輪機、提水泵及渦旋機分別經變速機構和行星齒輪行星架、齒圈及太陽輪相連，提水泵提升預處理海水，膜式氣壓淡化單元內有桶形反滲透膜和球形彈性氣囊，球形彈性氣囊經比例閥和氣罐相連，配合提水泵可實現反滲透水壓柔性無級控制；渦輪機回收廢水壓能輔助驅動提水泵；壓縮空氣儲能由渦旋機和氣罐以及兩并聯氣路組成，多余風能驅動渦旋機壓縮，風能不足時，渦旋機膨脹逆轉補充提水泵差額功率。本專利技術采用壓縮空氣儲能穩定海水淡化工況，結合彈性氣囊的反滲透壓柔性無級控制，大幅提高海水淡化效率以及滲透膜使用壽命。【專利說明】風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統
本專利技術涉及一種海水淡化系統，尤其是一種應用于解決淡水資源匱乏的風力壓縮空氣儲能式膜技術海水淡化系統。
技術介紹
在世界水資源緊張和能源危機的雙重壓力下，海水淡化解決水資源缺乏獲得了各國科研人員重視。海水淡化能耗大，特別對于一些偏遠海島，電網無法觸及，電能和淡水資源同樣困擾海島住戶，但風資源豐富，發展風能等可再生能源海水淡化無疑是解決水資源匱乏的有效手段。 海水淡化主要有蒸餾法和膜法兩種類型，其中膜法式海水淡化因其能耗小、易維護、規模大等特點已成為海水淡化主流技術。但風能本身的間歇性和波動性常使海水淡化系統工作在變工況狀態下，研究發現海水淡化技術并不適合變工況運行，尤其是膜技術海水淡化技術，滲透壓和流量的波動直接影響淡化處理效率和淡化質量，增加反沖洗次數，甚至損壞滲透膜；目前普遍采用淡化單元開關控制、風機功率控制以及儲能等方法應對風能波動性以實現海水淡化恒工況，其中淡化開關控制通過改變海水淡化單元數量動態跟隨風機功率，實現海水淡化單元工況穩定，但卻因淡化單元數量變化難以保證淡水供應；風機功率控制則經由機艙偏航以及變槳距實現海水淡化功率恒定，但卻降低了風能捕獲效率；研究發現高效儲能是有效解決上述問題的有效手段，目前海水淡化系統普遍采用蓄電池儲能對風能平抑，但蓄電池儲能存在循環壽命短且生產過程及廢舊處理存在污染轉移問題，無疑增加構建海水淡化系統的成本和環保壓力。
技術實現思路
本專利技術目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種風力壓縮空氣儲能式膜技術海水淡化系統。 為實現上述目的，本專利技術采用下述技術方案:一種風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統，包括風力渦輪機、行星齒輪、提水泵、膜式氣壓淡化單元以及渦旋機等。風力渦輪機捕獲風能，并由行星齒輪將轉矩分配至海水淡化和壓縮空氣儲能兩支路，提水泵經變速裝置和行星齒輪齒圈機械耦合，提升預處理海水并送至膜式氣壓淡化單元，其流量由提水泵負責，反滲透壓由比例閥門控制彈性氣囊氣壓實現；廢棄海水能量由渦輪機助推提水泵；壓縮空氣儲能平抑風能波動性和間歇性問題，當風機功率超過提水泵功率，渦旋機工作在壓縮儲能模式，將多余能量存儲在氣罐中，而當風機功率不足于確保提水泵額定工況運行時，渦旋機膨脹助力輔助驅動提水泵運行；渦旋機與氣罐之間有兩條并聯氣路相連，即含單向閥壓縮支路以及含電磁比例閥的膨脹支路。 所述行星齒輪是機械耦合裝置，其有行星架、齒圈以及太陽輪等三個輸入和輸出軸，分別經變速機構和風力渦輪機、提水泵以及渦旋機機械聯接，完成風能合成與分解，且分配比例嚴格由齒圈和太陽輪轉速比決定，所述變速機構是確保提水泵和渦旋機高效轉速范圍運行。 所述提水泵用于提升預處理海水，同時為海水淡化單元提供反滲透壓及進水流量，其輸入功率嚴格由壓縮空氣儲能對波動的風機功率周期平抑。 所述膜式氣壓淡化單元，由圓柱型滲透膜和球型彈性氣囊組成，其中圓柱型滲透膜在反滲透壓作用下，可將淡水經滲透膜滲出，高壓鹽廢水排出；為提高海水淡化效率和滲透膜壽命，系統運行工況須確保穩定，其中反滲透壓是經由球形彈性氣囊氣壓控制實現。 所述風力渦輪機、提水泵、渦旋機以及渦輪機等設置有轉速傳感器。 所述渦旋機排氣口以及進口均設置有壓力傳感器，儲氣罐內設有壓力和溫度傳感器。 所述壓膜式氣壓淡化單元分別設有水壓傳感器、流量傳感器；球型壓縮氣囊內設有壓力傳感器，其氣囊具有韌性特點。 所述預處理池內設有PH傳感器和桶式過濾器，完成海水預處理，提供待淡化海水水源。 所述壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、比例閥門、開關閥、電磁離合器分別與中央控制器DSP28335相連。 本專利技術的有益效果是:1)風力渦輪機經機械耦合裝置驅動提水泵，省卻了傳統風力海水淡化系統中的發電機，減少了機械-電-機械等2級能量轉換環節，提高了風能利用率。2)采用壓縮空氣儲能方式確保提水泵工況穩定，有效消除風機波動性功率對海水淡化系統影響，易于實現反滲透膜恒工況運行，提高淡化效率以及反滲透膜使用壽命。3)采用獨特結構的桶形反滲透濾膜結構，提高了反滲透膜接觸面積；融提水泵和球型彈性氣囊共同構成膜式氣壓淡化單元的恒工況控制機制，尤其是球型彈性氣囊的柔性無級反滲透壓控制，有效解決了傳統反滲透裝置高壓泵流量和滲透壓嚴重耦合問題，可大幅提高海水淡化效率以及滲透膜使用壽命。 【專利附圖】【附圖說明】 圖1表示了風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統結構簡圖。 圖2表示了壓縮空氣膜式海水淡化單元結構簡圖。 圖3表示了海水淡化系統控制結構圖。 本專利所設計的風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統(如圖1)包括風力渦輪機 (I)、行星齒輪(3)、提水泵(8)、海水淡化單元(桶形反滲透膜(26)、球形彈性氣囊(27))、預處理濾池(9 )、渦輪機(16 )、渦旋機(15 )。 其中，2、6和12為電磁制動器；4行星齒輪行星架；5行星齒輪齒圈；11行星齒輪太陽輪；7提水泵變速機械結構；17海水單向閥；19海水開關閥；20廢水開關閥；25和29淡化后水；30壓縮氣體腔室；22淡水排出開關；23和21分別為比例電磁閥；28未處理海水圓柱腔室；13渦輪機機械耦合裝置；14渦旋機變速裝置；31溢流閥。 【具體實施方式】 下面結合附圖和實施例對本專利技術進一步說明。 如圖1-圖3所示，一種風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統，包括海水淡化支路和壓縮空氣儲能支路，兩支路機械耦合結構是由行星齒輪3完成；而氣體內能耦合方式則采用球形彈性氣囊30，其內氣壓改變由氣罐24在比例電磁閥23柔性調節，同時氣囊的彈性特性使其將氣體內能直接傳遞給海水，實現提水泵水壓和氣體氣壓海水水壓能量耦合；上述兩種能量耦合共同完成海水淡化和壓縮空氣儲能的能量交互，確保海水淡化恒定工況下運行。 所述渦旋機15是實現壓縮空氣儲能關鍵設備，即可將風機多余功率以壓縮空氣的形式儲存，又可在高壓氣體驅動下逆轉，將壓縮氣體內能轉化為機械能輔助驅動提水泵8，確保提水泵恒功率運行；渦旋機15與儲氣罐24之間通過兩并聯氣路相連，其中一路上設有單向閥18，另一路設有比例電磁閥21 ;渦旋機15通過變速裝置14與行星齒輪的太陽輪11相連，使渦旋機工作在高效轉速范圍；當渦旋機15工作于壓縮模式時，比例電磁閥21關閉，渦旋機15排出高壓氣體經單向閥18存儲在氣罐24內；當渦旋機15工作于膨脹模式時，高壓氣體經比例電磁閥21動態調節膨脹助力功率大小，確保提水泵恒功率運行。 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種風力壓縮空氣儲能式海水淡化系統，包括風力渦輪機、行星齒輪、提水泵、膜式氣壓淡化單元、渦旋機和氣罐等；風力渦輪機捕獲風能，通過和行星齒輪太陽輪聯接的基于渦旋機壓縮空氣儲能，平抑風能波動性和間歇性問題；提水泵提升預處理海水并送至膜式氣壓淡化單元，海水反滲透壓由提水泵和球型彈性氣囊聯合控制；渦輪機回收廢棄水壓能并輔助驅動提水泵；渦旋機在風能多余時，接收經行星齒輪分解的風能壓縮儲能，而在風能不足甚至無風時，渦旋機在高壓氣體膨脹下經行星齒輪和風能聯合驅動提水泵。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：褚曉廣，蔡彬，孔英，
申請(專利權)人：曲阜師范大學，褚曉廣，
類型：發明
國別省市：山東;37