太阳能线聚光-风能协同超声波海水淡化装置及淡化方法

摘要

本发明公开了一种太阳能线聚光-风能协同超声波海水淡化装置及淡化方法，包括风力机空气增压及蓄能装置和蓄热及辅助加热装置，所述风力机空气增压及蓄能装置和蓄热及辅助加热装置分别通过管道与雾化增湿装置相连，雾化增湿装置与能量循环装置相连，蓄热及辅助加热装置与固定条形镜面太阳能聚光器相连。采用风能和太阳能协同运行，流体动力式超声波雾发器加快蒸发室海水蒸发，整个系统大都是采用新能源驱动，本研究装置具有很好的产水量和所需非常低的能耗，且在有风无太阳季节、有太阳无风季节也可单独运行，在偏远地区是一种很好的海水淡化选择，具有良好的经济效益与环境效益。

说明书

技术领域

本发明属于能源技术领域，特别涉及一种太阳能线聚光-风能协同超声波海水淡化装置及 淡化方法。

背景技术

随着社会的进步，工业、农产业及民用生活的发展及提高，对能源需求的越来越大，当 前世界能源结构形势越来越严峻，气候变化日趋明显，环境污染越发严重，面临空前挑战， 节能减排刻不容缓，急需发展新能源和更多的淡水资源。

新能源海水淡化技术领域的基础研究集中在：

①被动式淡化水方法，完全靠太阳能和环境条件自然变化驱动，如传统的太阳能蒸馏池， 多效太阳能蒸馏器、多级闪蒸装置等；

②主动式淡化水方法，制备淡水需要少量的动力消耗，同时还需要配备风机、水泵等额 外装置，强化传热传质效果，提高系统性能；

③风能、海洋能驱动气压和液压泵，反渗透海水淡化及能量回收相结合；

④实现能源梯级利用，上述技术与其它相关技术综合应用的复合系统等，如和太阳能温 室相结合，与压气蒸馏以及闪蒸法等工艺相结合等。

主动式海水淡化方法由于改善了淡化装置的传热传质效果，蒸发温度和冷凝温度可以分 开调控，倍受重视。海水淡化过程中的能量、水分、盐分回收，传热传质过程强化，部件中 的结垢特性，能源利用效率和产水率的提高等是研究的重点，太阳能转换利用环节主要是中 低温位的太阳能集热器，与蒸馏、闪蒸、压汽蒸馏等工艺以及各种传热传质过程相关的设备 结合，风能利用主要用于风力发电，再驱动液压泵反渗透海水淡化方式。

我国现有利用海水淡化技术主要包括热法、膜法、冷冻法；热法有多级闪蒸法、多效蒸 馏法、蒸汽压缩法、太阳能蒸馏法；膜法主要包括反渗透、电渗析法等。但目前真正形成产 业规模的只有多级闪蒸法、多效蒸馏法、蒸汽压缩法和反渗透法。多级闪蒸海水淡化技术主 要存在大量的海水循环和流体输送,需要较大的热传面积，导致操作成本升高。多效蒸馏法 有由于海水在加热表面上沸腾,容易在传热管壁上结垢,需要经常进行清洗和采用严格的防 垢措施；蒸汽压缩法压汽机造价高，设备容易结垢，规模较小。传统的风能海水淡化主要方 式是首先风机发电，然后驱动压缩机，产生高压水进行反渗透海水淡化，机械能—电能—机 械能二次转换的效率损失，电能储存装置的存在，导致能量利用率较低成本增加。

现有的海水淡化工程，多是采用单一淡化技术，而且通常与大型发电厂余热热源配套来 实施，因使用余热而降低运行成本；作为一个独立的海水淡化工程，各自存在自身的问题， 导致海水淡化工程存在不同程度的运行缺陷；而单独建设海水淡化工程，需要消耗大量的能 源，造成能源的浪费，也增加了产水成本。

目前，在海水淡化方法自身及方法间的集成、新能源与海水淡化技术的集成、发电-海水 淡化-综合利用的深度集成等方面发展缓慢，从而不能充分发挥各淡化方法的优势，也不能合 理利用能量，降低成本获取综合效益。风能、太阳能、海洋能及其它能量同时协调用于海水 淡化的研究尚未开展，更没有对性能优化进行过研究。

发明内容

为了解决我国在新能源海水淡化领域里技术和工艺上存在的问题，本发明具体公开了一 种太阳能线聚光-风能协同超声波海水淡化装置及淡化方法。采用固定式条形镜面反射镜线聚 光器及蓄热装置，风力机空气增压及蓄能装置，可以使风能和太阳能得到协同运行，另外采 用超声波雾化喷嘴，工作压力较宽，气流在亚声速条件下都可以得到较高声压，雾化处理量 大，结构简单，成本较低，性能稳定。

为了实现上述目的，本发明采用的具体方案如下：

一种太阳能线聚光-风能协同超声波海水淡化装置，包括风力机空气增压及蓄能装置和蓄 热及辅助加热装置，所述风力机空气增压及蓄能装置和蓄热及辅助加热装置分别通过管道与 雾化增湿装置相连，雾化增湿减湿装置与能量循环装置相连，蓄热及辅助加热装置与固定条 形镜面太阳能聚光器相连。

所述风力机空气增压及蓄能装置包括风力机，风力机与风力空压泵连接，风力空压泵一 路通过管道与气驱液增压缸连接，另一路通过管道与空气储气罐连接，空气储气罐与高压气 体控制阀连接，高压气体控制阀与超声波雾化喷嘴连接；

所述风力机为竖直式风能机；

所述风力空压泵与空气储气罐之间的管道上还接有空气压缩机。

所述蓄热及辅助加热装置包括热蒸汽蓄热箱，热蒸汽蓄热箱内设置有蓄热装置，蓄热装 置与电辅助加热器相连，热蒸汽蓄热箱与蒸汽控制阀连接，蒸汽控制阀与气体喷射器连接；

所述蓄热装置内设置有显热储热的鹅卵石。

所述雾化增湿减湿装置包括蒸发室和冷凝室，蒸发室的出口和冷凝室的进口之间设置有 气体喷射器，冷凝室的一端与预热海水进水控制阀连接，预热海水进水控制阀与超声波雾化 喷嘴连接，冷凝室的另一端与气水分离器连接，气水分离器的一端与淡水箱连接，另一端与 气驱液增压缸连接；

所述超声波雾化喷嘴为流体动力式超声波雾发喷嘴。

所述能量循环装置包括海水泵，海水泵的出口分两路，海水泵一路与浓盐水换热器连接， 浓盐水换热器一端与蒸发室连接，另一端与气驱液增压缸连接，气驱液增压缸与反渗透及能 量回收装置连接，海水泵另一路与冷凝室连接。

所述固定条形镜面太阳能聚光器的一端与太阳能集热器进水泵连接，太阳能集热器进水 泵与淡水箱连接，固定条形镜面太阳能聚光器的另一端与热蒸汽蓄热箱连接；

所述固定条形镜面太阳能聚光器包括若干个条形镜面反射镜，若干个条形镜面反射镜并 列放置，每个条形镜面反射镜的两端都固定到预先设计好且采用激光切割加工而成的两个圆 弧形支架上，两个圆弧形支架的圆心上设置有吸收器；

所述吸收器为玻璃金属真空管吸收器；

所述支架的结构是活动可调型，年调整一次倾角。

所述气驱液增压缸与高压气体控制阀之间管道上设有双向控制阀。

所述风力空压泵、空气压缩机、太阳能集热器进水泵、高压气体控制阀、双向控制阀、 预热海水进水控制阀、蒸汽控制阀、电辅助加热器、蓄热装置、海水泵、气驱液增压缸、反 渗透及能量回收装置和气体喷射器均与PLC控制器连接。

所述高压气体控制阀、双向控制阀、预热海水进水控制阀和蒸汽控制阀的类型为电磁阀。

所述固定条形镜面太阳能聚光器与太阳能集热器进水泵之间的管道上设有集热器进水流 量计及第三液体测温计。

所述高压气体控制阀与超声波雾化喷嘴之间的管道上设有第二气压表及超声波进口气体 流量计。

所述海水泵与浓盐水换热器之间的管道上设有换热器进口液体流量计及第四液体测量 计。

所述海水泵与冷凝室之间的管道上设有冷凝器进口液体流量计及第五液体测温计。

所述冷凝室与预热海水进水控制阀之间的管道上设有液压表及第一液体测温计。

所述热蒸汽蓄热箱与蒸汽控制阀之间的管道上设有第二气体测温计、第一气压表和蒸汽 流量计。

所述固定条形镜面太阳能聚光器与热蒸汽蓄热箱之间的管道上设有第一气体测温计。

所述浓盐水换热器与气驱液增压缸之间的管道上设有第二液体测温计。

风力机采用竖直式风能机，通过转轴驱动风力空压泵，产生高压空气，辅助空气压缩机 用于辅助压缩空气，固定条形镜面太阳能聚光器将太阳光线反射到玻璃金属真空管吸收器上， 吸收器跟踪太阳线聚光，从淡水箱出来的部分冷却水通过太阳能集热器进水泵进入固定条形 镜面太阳能聚光器的吸收器后，被加热成110-170℃中高温高压热蒸汽。

从空气储气罐出来的高压空气及经过冷凝器的海水进入超声波喷嘴，高速气流从超声波 喷嘴喷出时，高速空气激发超声波发生器的共振腔振动产生超声波，使海水在超声波作用下 发生振动得到雾化，蒸发室用于增湿空气，冷凝室用于减湿空气，气体喷射器在蒸发室出口 和冷凝室进口之间。气体喷射器用于对蒸发室抽空，对引射的饱和湿空气加压、加热，热量 可以通过预热冷却水回收、干空气余压可以进入气驱液增压缸后驱动反渗透及能量回收装置 再次利用。

一种太阳能线聚光-风能协同超声波海水淡化装置及淡化方法解决了太阳能-风能协同在 提供中高温及中高压进行海水（苦咸水）淡化方面的技术困难，降低系统制作成本，提高能 源的利用效率和系统经济性，聚光镜面底座支架采用活动可调型，年调整一次倾角，夏季 冬季该发明采用固定条形镜面太阳能聚光器聚光集热，产生中高温高 压热蒸汽、竖直式风力机带动驱动轴转动，驱动风力空压泵产生高压空气；采用流体动力式 超声波雾化技术，气体喷射器引射抽真空强化增湿，气体喷射器增压及冷凝减湿，经过气水 分离器排出低温中高压空气，进入气驱液增压缸，驱动反渗透及能量回收装置。固定条形镜 面太阳能聚光器的反射镜面固定，吸收器跟踪太阳的聚光集热系统加热水成中高温高压蒸汽， 风力机驱动风力空压泵产生高压空气，从而使预热海水产生超声波雾化，喷射器对蒸发室引 射抽真空，加快海水蒸发。固定条形镜面太阳能聚光器，流体动力式超声波雾化技术，增湿 减湿及反渗透组合海水淡化，潜热再次利用的海水淡化装置比其他装置更具优势，该装置制 作简单，成本低廉，特别是在风力较大的沿海地区，如在海上产业平台建设中的太阳能聚光 中高温海水淡化里的集成利用。

太阳能线聚光-风能协同超声波海水淡化装置所采用的淡化方法，具体工作步骤为：

步骤一：风力机通过转轴驱动风力空压泵，产生高压空气，空气压缩机压缩空气进入空 气储气罐，达到所设计的气压，气压在0.6-1.0MPa范围之间；

步骤二：打开高压气体控制阀，高压空气进入超声波雾化喷嘴，经过冷凝室预热的海水 通过预热海水进水控制阀流入超声波雾化喷嘴，在高速气流从超声波雾化喷嘴喷出时，预热 海水在超声波作用下发生振动得到雾化湿空气。

步骤三：淡水箱出来的冷却水进入固定条形镜面太阳能聚光器的吸收器加热，加热成中 高温高压热蒸汽，中高温高压热蒸汽先进入蓄热装置，使里面的蓄热介质得到热量升温，然 后再通过PLC控制器控制电辅助加热器加热成高温高压蒸汽，这样就克服了太阳能的不稳定 性和间隙性，出来的蒸汽温度比较稳定；

步骤四：高温高压蒸汽通过气体喷射器对蒸发室抽真空、对湿空气引射增压及加热，调 整蒸汽控制阀使热蒸汽排放适合气体喷射器的设计特性，湿空气能得到充分有效的快速蒸发， 强化传热传质效果，未得到蒸发的浓盐水通过蒸发室下面出口流入浓盐水换热器，通过换热 使海水预热，浓盐水排出；

步骤五：湿空气加压加热，进入冷凝室，凝结成淡水和中压冷空气，通过气水分离器分 离，中压冷空气通过排气管进入气驱液增压缸，产生高压水进入反渗透及能量回收装置，淡 水排入淡水箱储存，提供给用户；

步骤六：当长时间无太阳但有风时，打开双向控制阀，高压空气经过高压气体管道直接 驱动气驱液增压缸，产生高压水给反渗透及能量回收装置，进行海水淡化；

步骤七：当长时间无风却太阳很好时，打开双向控制阀使减湿后经气液分离器出来的中 压低温冷空气反向回到超声波雾化喷嘴，使预热海水雾化，单独驱动增湿减湿海水淡化；

所述步骤三固定条形镜面太阳能聚光器将太阳光线反射到玻璃金属真空管吸收器上，玻 璃金属真空管吸收器跟踪太阳线聚光，从淡水箱出来的部分冷却水通过太阳能集热器进水泵 进入玻璃金属真空管吸收器后，被加热成110-170℃中高温高压热蒸汽。

本发明的有益效果：

1.采用固定条形镜面太阳能聚光器将部分淡水反射聚光加热成蒸汽，鹅卵石显热蓄热带 辅助加热，加热蒸汽温度稳定。

2.风力机通过转轴驱动风力空压泵，产生高压空气，空气压缩机压缩空气进入空气储气 罐，保证需要的气体的输出压力，可以使风能和太阳能得到协同运行。

3.该海水淡化装置的风力荷载大，适合于沙漠和海岛风大地区，能够与风能较好的匹配 和协同运行，成本较低、运行稳定、安全经济，克服太阳能和风能的不稳定性和时段的不同 步性，系统稳定运行。

4.通过超声波喷嘴雾化，气体喷射器引射抽真空，根据超声波雾发器喷嘴喷出的水雾特 征，调节气体喷射器工作流体压力，使水雾在低压环境下充分得到蒸发，加快蒸发室海水蒸 发，提高了蒸发率及产水率，工作压力较宽，气流在亚声速条件下都可以得到较高声压，雾 化处理量大，结构简单，成本较低，性能稳定，整个系统传热传质效果增强，转换效率较高。

5.载热流体是饱和湿空气，而不是海水，使海水在低温低压下蒸发，空气增湿，同时对 湿空气加热加压，形成增湿室和减湿室间压力差、温度差，根据热动力性分析，增湿和减湿 分开及改变压力和温度，减湿后冷却空气压力能通过气驱液增压缸回收驱动反渗透海水淡化 装置、热量通过回收预热海水，整个系统过程减少熵产、提高能量利用效率、提高造水比。 海水高温结垢问题也得到解决。

6.采用风能和太阳能协同运行，流体动力式超声波雾发器加快蒸发室海水蒸发，除了辅 助、跟踪及控制装置，整个系统都是采用新能源驱动，通过考察和分析对比其他各种海水淡 化需要的单位产水量及能耗，本研究装置具有很好的产水量和所需非常低的能耗，且在有风 无太阳季节、有太阳无风季节也可单独运行，在偏远地区（沙漠和海岛）是一种很好的海水 淡化选择，具有良好的经济效益与环境效益。

附图说明

图1太阳能线聚光-风能协同超声波海水淡化装置结构图；

图中，1风力机，2风力空压泵，3空气压缩机，4空气储气罐，5固定条形镜面太阳能聚光 器，6电辅助加热器，7热蒸汽蓄热箱，8蓄热装置，9太阳能集热器进水泵，10预热海水进水 控制阀，11高压气体控制阀，12雾化喷嘴，13气体喷射器，14蒸发室，15冷凝室，16浓盐水 换热器，17气水分离器，18淡水箱，19反渗透及能量回收装置，20海水泵，21气驱液增压缸， 22PLC控制器，23双向控制阀，24蒸汽控制阀，25集热器进水流量计，26蒸汽流量计，27超 声波进口气体流量计，28换热器进口液体流量计，29冷凝器进口液体流量计，30第一气压表， 31液压表，32第二气压表，33第一液体测温计，34第一气体测温计，35第二气体测温计，36 第二液体测温计，37第三液体测温计，38第四液体测温计，39第五液体测温计。

具体实施方式

下面结合附图及其实施例对本发明进一步详细说明：

如图1所示，一种太阳能线聚光-风能协同超声波海水淡化装置，包括风力机空气增压及 蓄能装置和蓄热及辅助加热装置，所述风力机空气增压及蓄能装置和蓄热及辅助加热装置分 别通过管道与雾化增湿减湿装置相连，雾化增湿装置与能量循环装置相连，蓄热及辅助加热 装置与固定条形镜面太阳能聚光器5相连。

所述风力机空气增压及蓄能装置包括风力机1，风力机1与风力空压泵2连接，风力空 压泵2一路通过管道与气驱液增压缸21连接，另一路通过管道与空气储气罐4连接，空气储 气罐4与高压气体控制阀11连接，高压气体控制阀11与超声波雾化喷嘴12连接；

所述风力机1为竖直式风能机；

所述风力空压泵2与空气储气罐4之间的管道上还接有空气压缩机3。

所述蓄热及辅助加热装置包括热蒸汽蓄热箱7，热蒸汽蓄热箱7内设置有蓄热装置8，蓄 热装置8与电辅助加热器6相连，热蒸汽蓄热箱7与蒸汽控制阀24连接，蒸汽控制阀24与 气体喷射器13连接；

所述蓄热装置8内设置有显热储热的鹅卵石。

所述雾化增湿减湿装置包括蒸发室14和冷凝室15，蒸发室14的出口和冷凝室15的进 口之间设置有气体喷射器13，冷凝室15的一端与预热海水进水控制阀10连接，预热海水进 水控制阀10与超声波雾化喷嘴12连接，冷凝室15的另一端与气水分离器17连接，气水分 离器17的一端与淡水箱18连接，另一端与气驱液增压缸21连接；

所述超声波雾化喷嘴12为流体动力式超声波雾发喷嘴。

所述能量循环装置包括海水泵20，海水泵20的出口分两路，海水泵20一路与浓盐水换 热器16连接，浓盐水换热器16一端与蒸发室14连接，另一端与气驱液增压缸21连接，气 驱液增压缸21与反渗透及能量回收装置19连接，海水泵20另一路与冷凝室15连接。

所述固定条形镜面太阳能聚光器5的一端与太阳能集热器进水泵9连接，太阳能集热器 进水泵9与淡水箱18连接，固定条形镜面太阳能聚光器5的另一端与热蒸汽蓄热箱7连接；

所述固定条形镜面太阳能聚光器5包括若干个条形镜面反射镜，若干个条形镜面反射镜 并列放置，每个条形镜面反射镜的两端都固定到预先设计好且采用激光切割加工而成的两个 圆弧形支架上，两个圆弧形支架的圆心上设置有吸收器；

所述吸收器为玻璃金属真空管吸收器；

所述支架的结构是活动可调型，年调整一次倾角。

所述气驱液增压缸21与高压气体控制阀11之间管道上设有双向控制阀23。

所述风力空压泵2、空气压缩机3、太阳能集热器进水泵9、高压气体控制阀11、双向控 制阀23、预热海水进水控制阀10、蒸汽控制阀24、电辅助加热器6、蓄热装置8、海水泵20、 气驱液增压缸21、反渗透及能量回收装置19和气体喷射器13均与PLC控制器22连接。

所述高压气体控制阀11、双向控制阀23、预热海水进水控制阀10和蒸汽控制阀24的类 型为电磁阀。

所述固定条形镜面太阳能聚光器5与太阳能集热器进水泵9之间的管道上设有集热器进 水流量计25及第三液体测温计37。

所述高压气体控制阀11与超声波雾化喷嘴12之间的管道上设有第二气压表32及超声波 进口气体流量计27。

所述海水泵20与浓盐水换热器16之间的管道上设有换热器进口液体流量计28及第四液 体测量计38。

所述海水泵20与冷凝室15之间的管道上设有冷凝器进口液体流量计29及第五液体测温 计39。

所述冷凝室15与预热海水进水控制阀10之间的管道上设有液压表31及第一液体测温计 33。

所述热蒸汽蓄热箱7与蒸汽控制阀24之间的管道上设有第二气体测温计35、第一气压 表30和蒸汽流量计26。

所述固定条形镜面太阳能聚光器5与热蒸汽蓄热箱7之间的管道上设有第一气体测温计 34。

所述浓盐水换热器16与气驱液增压缸21之间的管道上设有第二液体测温计37。

太阳能线聚光-风能协同超声波海水淡化装置所采用的淡化方法，具体工作步骤为：

步骤一：风力机1通过转轴驱动风力空压泵2，产生高压空气，空气压缩机3压缩空气 进入空气储气罐4，达到所设计的气压，气压在0.6-1.0MPa范围之间；

步骤二：打开高压气体控制阀11，高压空气进入超声波雾化喷嘴12，经过冷凝室15预 热的海水通过预热海水进水控制阀10流入超声波雾化喷嘴12，在高速气流从超声波雾化喷 嘴12喷出时，预热海水在超声波作用下发生振动得到雾化湿空气。

步骤三：淡水箱18出来的冷却水进入固定条形镜面太阳能聚光器5的吸收器加热，加热 成中高温高压热蒸汽，中高温高压热蒸汽先进入蓄热装置8，使里面的蓄热介质得到热量升 温，然后再通过PLC控制器22控制电辅助加热器6加热成高温高压蒸汽，这样就克服了太 阳能的不稳定性和间隙性，出来的蒸汽温度比较稳定；

步骤四：高温高压蒸汽通过气体喷射器13对蒸发室14抽真空、对湿空气引射增压及加 热，调整蒸汽控制阀24使热蒸汽排放适合气体喷射器13的设计特性，湿空气能得到充分有 效的快速蒸发，强化传热传质效果，未得到蒸发的浓盐水通过蒸发室14下面出口流入浓盐水 换热器16，通过换热使海水预热，浓盐水排出；

步骤五：湿空气加压加热，进入冷凝室15，凝结成淡水和中压冷空气，通过气液分离器 17分离，中压冷空气通过排气管进入气驱液增压缸21，产生高压水进入反渗透及能量回收装 置19，淡水排入淡水箱18储存，提供给用户；

步骤六：当长时间无太阳但有风时，打开双向控制阀23，高压空气经过高压气体管道直 接驱动气驱液增压缸21，产生高压水给反渗透及能量回收装置19，进行海水淡化；

步骤七：当长时间无风却太阳很好时，打开双向控制阀23使减湿后经气水分离器17出来 的中压低温冷空气反向回到超声波雾化喷嘴12，使预热海水雾化，单独驱动增湿减湿海水淡 化；

所述步骤三固定条形镜面太阳能聚光器5将太阳光线反射到玻璃金属真空管吸收器上，玻 璃金属真空管吸收器跟踪太阳线聚光，从淡水箱18出来的部分冷却水通过太阳能集热器进水 泵9进入玻璃金属真空管吸收器后，被加热成110-170℃中高温高压热蒸汽，多余的淡水从18 下面出口排出给用户。

本研究装置具有很好的产水量和所需非常低的能耗，且在有风无太阳季节、有太阳无风 季节也可单独运行，在偏远地区（沙漠和海岛）是一种很好的海水淡化选择，具有良好的经 济效益与环境效益。