一种海水液压直驱式多能互补的海水淡化系统

1.本发明属于海水淡化技术领域，尤其涉及一种海水液压直驱式多能互补的海水淡化系统，特别涉及一种海水液压直驱式具有能量回收以及波浪能、洋流能与风能互补功能的海水淡化系统。


背景技术：

2.中国是一个淡水资源严重匮乏的国家，虽然淡水资源总量为2.8万亿立方米，但人均水量仅为世界人均量的1/4。海水淡化利用海水脱盐产生淡水，是一种实现海水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水总量，为水资源匮乏地区稳定供给淡水资源。现在业界使用的海水淡化方法有海水冻结法、蒸馏法、电解法和反渗透法等，其中反渗透法已经成为市场主流。
3.在反渗透海水淡化过程中，由于产水率低、操作压力高，使得系统的整体能耗较大。传统的反渗透系统依靠外部高压泵提供回路压力，而50％以上的压力能都储存在经反渗透膜过滤的高压浓盐水中，采用能量回收技术来回收利用这部分压力能是降低系统能耗和提高运行效率的关键措施。
4.随着新能源技术不断发展，风能、波浪能、太阳能等新型清洁能源逐渐展现出其相对于化石能源的优越性，对于人类的发展而言具有无限潜能。目前，大部分的海水淡化系统依托于电机的外部输入，而将经过反渗透膜的高压浓盐水残余的压力能转化为电能储存起来，这样复杂的能量传递过程不可避免地会产生损耗，降低效率。


技术实现要素：

5.本发明旨在解决现有技术的不足，提出一种海水液压直驱式多能互补的海水淡化系统，其改善了现有海水淡化系统能量利用效率低，依赖外部输入且与环境不相容的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种海水液压直驱式多能互补的海水淡化系统，包括风能捕获装置、波浪能捕获装置、蓄能稳压装置、海水淡化与能量回收模块、淡水箱；其中，所述风能捕获装置和所述波浪能捕获装置分别与所述蓄能稳压装置相连；所述蓄能稳压装置包含两条蓄能稳压支路，所述两条蓄能稳压支路在蓄能稳压装置出口管路汇总，且与所述海水淡化与能量回收模块相连；所述海水淡化与能量回收模块与所述淡水箱相连。
8.作为优选，所述风能捕获装置通过风能捕获装置出水管路与所述蓄能稳压装置相连；所述波浪能捕获装置通过波浪能捕获装置出水管路与所述蓄能稳压装置相连。
9.作为优选，所述风能捕获装置包括顺次通过管路连接的海水过滤器、水轮泵和风轮机驱动的给海水泵；所述风能捕获装置直接从外环境吸取海水并供给海水淡化系统，同时所述水轮泵在洋流驱动下，能补足所述风轮机驱动的给海水泵安装位置过高而带来的高压力需求，使其正常工作。
10.作为优选，所述海水淡化与能量回收模块包括能量回收与加压装置、反渗透膜组、
出水口流量表和进口节流阀；所述能量回收与加压装置包含：与蓄能稳压装置出口管路以及所述反渗透膜组进口相连的海水液压泵、与所述反渗透膜组高压浓盐水出口相连的海水液压马达；当经过蓄能稳压后具有预设压力的海水流至进口节流阀处时，此时系统处于启动阶段，所述进口节流阀全开，具有预设压力的海水全部进入反渗透膜组，剩余的高压浓盐水从反渗透膜组高压浓盐水出口流至所述海水液压马达，带动所述海水液压泵转动，待所述海水液压泵启动后，所述进口节流阀逐渐减小开度，在海水液压泵转速稳定后，节流阀全部关闭，使得具有预设压力的海水全部由海水液压泵加压，之后进入反渗透膜组；经过脱盐的海水从所述反渗透膜组的出口管路流出，进入所述淡水箱进行存储；余下部分高压浓盐水流经海水液压马达排至外环境，进一步为海水液压泵补足动力，实现能量回收的过程。
11.作为优选，所述水轮泵、所述风轮机驱动的给海水泵以及所述能量回收与加压装置中的海水液压泵均为变量泵。
12.作为优选，所述淡水箱内置水位传感器，用于及时反馈水箱状态。
13.作为优选，还包括控制模块，所述控制模块用于监测水轮泵、风轮机驱动的给海水泵、能量回收与加压装置中两液压马达的转速、浮子的动力学特征曲线、淡水箱的水位、以及第一进口压力表、第二进口压力表、出口压力表、出水口流量表对应监测量的时变曲线，以反馈系统工作状态。
14.作为优选，所述控制模块还用于同时控制所述水轮泵、所述风轮机驱动的给海水泵、所述能量回收与加压装置中的海水液压泵改变排量，以及进口节流阀的开度，在获得系统工作状态的情况下进行相应的调控。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
16.(1)本发明的系统完全由海洋能作为系统整体的能量输入，设计了多种补能装置之间互补的结构，保证了系统对于海洋能较高的利用率，且系统内部的工作介质为海水，相比于传统油压系统而言，无需考虑泄漏问题，提高了系统整体与环境的相容性。
17.(2)本发明的海水淡化与能量回收模块使用了一种泵-马达串联，包含闭环控制进口流量的能量回收与加压装置，在保证对输入的海水进行一定加压的情况下，对反渗透后残留的液压能进行回收，回收后的能量反馈给进口的加压泵，有效提高了系统整体的工作效率。
18.(3)本发明的风能捕获装置具有一个处于海平面下用于捕获洋流能的叶轮机(也可多个并联)，该叶轮驱动一个可调节排量的海水液压泵，可以将捕获的洋流能转化为一部分系统需要的压力，避免了传统风轮机因为安装位置过高、风力小时提供动力不足，所驱动的抽水泵压力不足的问题。
19.(4)本发明的波浪能捕获装置可以将多个安装浮子的海水液压缸并联构成浮子阵列，能同时采集多点波浪能，相较于单液压缸而言，可以有效避免单一浮子捕获波浪能时产生的系统压力与流量波动，也提高了对波浪能的利用效率。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明实施例海水液压直驱式多能互补的海水淡化系统的结构图；其中，
22.1.风能捕获装置，11.风轮机驱动的给海水泵，12.水轮泵，13.海水过滤器，14.风能捕获装置出水管路；
23.2.波浪能捕获装置，21.海水液压缸，22.第一单向阀，23.第二单向阀，24.浮子，25.第三单向阀，26.第四单向阀，27.海水液压缸进口管路，28.波浪能捕获装置出水管路；
24.3.蓄能稳压装置，31.进口止水单向阀，32.第一蓄能器，33.第一出口止水单向阀，34.出口压力表，35.安全溢流阀，36.第二出口止水单向阀，37.第二蓄能器，38.第一进口压力表，39.第二进口压力表，310.蓄能稳压装置出口管路；
25.4.海水淡化与能量回收模块，41.能量回收与加压装置，42.反渗透膜组，43.进口节流阀，44.出水口流量表，45.高压浓盐水出口管路，46.反渗透膜组出口管路；
26.5.淡水箱；
27.6.控制模块。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
30.实施例1：
31.如图1所示，本发明实施例提供一种海水液压直驱式多能互补的海水淡化系统，包括风能捕获装置(1)、波浪能捕获装置(2)、蓄能稳压装置(3)、海水淡化与能量回收模块(4)、淡水箱(5)和控制模块(6)；其中，所述风能捕获装置(1)和所述波浪能捕获装置(2)分别与所述蓄能稳压装置(3)相连；所述蓄能稳压装置(3)包含两条蓄能稳压支路，所述两条蓄能稳压支路在蓄能稳压装置出口管路(311)汇总，且与所述海水淡化与能量回收模块(4)相连；所述海水淡化与能量回收模块(4)与所述淡水箱(5)相连。
32.作为本发明实施例的一种实施方式，所述风能捕获装置(1)通过风能捕获装置出水管路(14)与所述蓄能稳压装置(3)相连；所述波浪能捕获装置(2)通过波浪能捕获装置出水管路(28)与所述蓄能稳压装置(3)相连。
33.作为本发明实施例的一种实施方式，所述风能捕获装置(1)包括顺次通过管路连接的海水过滤器(13)、水轮泵(12)和风轮机驱动的给海水泵(11)；所述风能捕获装置(1)直接从外环境吸取海水并供给系统，同时所述水轮泵(12)在洋流驱动下，能补足所述风轮机驱动的给海水泵(11)安装位置过高而带来的高压力需求，使其正常工作；所述水轮泵(12)数量可以按需增加，并联进入系统，补足压力；相应地，为多个水轮泵(12)出口管路需要增设单向阀防止互相沟通。
34.作为本发明实施例的一种实施方式，所述波浪能捕获装置(2)包括海水液压缸(21)、与液压缸杆相连的浮子(24)、与海水液压缸(21)进水侧两口通过管路相连的第一单向阀(22)和第二单向阀(23)、与海水液压缸(21)出水侧两口通过管路相连的第三单向阀
(25)和第四单向阀(26)；所述海水液压缸(21)数量可以按需增加，并联进入系统，捕获多点波浪能。
35.作为本发明实施例的一种实施方式，所述蓄能稳压装置(3)包括分别与所述风能捕获装置出水管路(14)和所述波浪能捕获装置出水管路(28)相连的两条蓄能稳压支路，所述蓄能稳压支路包括顺次通过管路连接的第一进口压力表(38)和第二进口压力表(39)、进口止水单向阀(31)、第一蓄能器(32)和第二蓄能器(37)、第一出口止水单向阀(33)和第二出口止水单向阀(36)、出口压力表(34)、安全溢流阀(35)；所述蓄能稳压装置(3)的两条支路中包含的压力表均通过所述系统控制模块(6)进行数据监测与记录。
36.作为本发明实施例的一种实施方式，所述海水淡化与能量回收模块(4)包括能量回收与加压装置(41)、反渗透膜组(42)、进口节流阀(43)和出水口流量表(44)；所述淡水箱(5)与所述海水淡化与能量回收模块(4)出口相连。所述能量回收与加压装置(41)由两部分构成：与蓄能稳压装置出口管路(311)相连接的第一海水液压马达、与所述反渗透膜组(42)进口相连的海水液压泵、与所述反渗透膜组(42)高压浓盐水出口相连的海水液压马达，二者之间刚性连接。当经过蓄能稳压后具有预设压力的海水流至进口节流阀(43)时，此时系统处于启动阶段，所述进口节流阀(43)全开，具有预设压力的海水全部进入反渗透膜组(42)，剩余的高压浓盐水从所述高压浓盐水出口管路(45)流至所述海水液压马达，带动所述海水液压泵转动，待所述海水液压泵启动后，所述进口节流阀(43)逐渐减小开度，在海水液压泵转速稳定后，节流阀全部关闭，使得具有预设压力的海水全部由海水液压泵加压，之后进入反渗透膜组(42)；经过脱盐的海水从所述反渗透膜组出口管路(46)流出，进入所述淡水箱(5)进行存储；余下部分高压浓盐水流经海水液压马达排至外环境，进一步为海水液压泵补足动力，实现能量回收的过程。
37.进一步，所述水轮泵(12)、所述风轮机驱动的给海水泵(11)以及所述能量回收与加压装置(41)中所涉及的液压泵均为变量泵，且可以由外部控制台调控。
38.进一步，所述淡水箱(5)内置一个水位传感器，便于及时反馈水箱状态，避免储水溢出。
39.作为本发明实施例的一种实施方式，所述控制模块(6)监测水轮泵(12)、风轮机驱动的给海水泵(11)、能量回收与加压装置(41)中液压马达与液压泵的转速，浮子(24)的动力学特征曲线，淡水箱(5)的水位，以及第一进口压力表(38)、第二进口压力表(39)、出口压力表(34)、出水口流量表(43)对应监测量的时变曲线，以便及时反馈系统工作状态。
40.进一步，所述控制模块(6)同时控制所述水轮泵(12)、所述风轮机驱动的给海水泵(11)、所述能量回收与加压装置(41)中的海水液压泵改变排量，以及所述进口节流阀(43)的开度，在获得系统工作状态的情况下对系统进行相应的调控。
41.本发明实施例的工作过程如下：
42.当海风存在时，风能捕获装置(1)直接从外环境吸取海水并直接供给系统，其中，风轮机驱动的给海水泵(11)工作，同时辅助给水的水轮泵(12)在洋流驱动下为系统补足一部分压力，保证供水充足，经过加压后的海水流经风能捕获装置出水管路(14)提供给系统；
43.当海面有波浪时，浮子(24)会在波浪带动下牵引海水液压缸(21)的液压杆上下运动：
44.当浮子向上运动时，液压缸上腔室空间被挤压，腔室内海水通过第四单向阀(26)
流出且具有一定压力；液压缸下腔室空间扩大形成负压，海水经过海水过滤器(13)、海水液压缸进口管路(27)和第二单向阀(23)流进液压缸下腔室；
45.当浮子向下运动时，液压缸下腔室空间被挤压，腔室内海水通过第三单向阀(25)流出且具有一定压力；液压缸上腔室空间扩大形成负压，海水经过海水过滤器(13)、海水液压缸进口管路(27)和第一单向阀(22)流进液压缸上腔室。第一单向阀(22)和第二单向阀(23)保证两腔室内海水不会互相沟通；第三单向阀(25)和第四单向阀(26)除了具有上述相同的作用之外，还能保证在波浪能捕获装置不工作时，阻止蓄能稳压装置(3)中储存的高压海水反向流入海水液压缸(21)中，保护回路。海水液压缸(21)进口通过管路与外环境相连，使系统内部能连续获得海水介质，也能为系统补偿一定的泄漏量。
46.两股具有一定压力的海水分别从波浪能捕获装置出水管路(28)和风能捕获装置出水管路(14)流入蓄能稳压装置(3)中，分别流至第一蓄能器(32)和第二蓄能器(37)吸收并储存一部分压力能，剩余液流分别流经第一出口单向阀(33)和第二出口单向阀(36)后，汇总为一股液流，经过蓄能稳压装置出口管路(310)流出，同时安全溢流阀(35)保证系统压力处于安全水平。进口止水单向阀(31)的作用是防止在风能捕获装置(1)不工作时，蓄能器中具有压力的海水反向流动损坏元件；类似地，第一出口单向阀(33)和第二出口单向阀(36)是防止在单个捕能装置不工作时，两回路中的高压海水互相沟通，损坏其他元件，干扰系统对于工作状态的监测，并且也实现了两个能量捕获装置之间的独立运作：当其中某装置不工作时，另一装置能持续为系统提供具有一定压力的液流，构成互补关系。
47.汇总后的海水流经能量回收与加压装置(41)的第一海水液压马达，驱动能量回收与加压装置(41)的海水液压泵运作，使其为管路内的海水加压，之后进入反渗透膜组(42)；得到的淡水通过反渗透膜组出口管路(45)流至淡水箱(5)进行储存；剩余的高压浓盐水经过高压浓盐水出口管路(44)流至能量回收与加压装置(41)的第二海水液压马达进行能量回收，为海水液压泵和第一海水液压马达补足动力。
48.汇总后的海水流至进口节流阀(43)时，此时系统处于启动阶段，所述进口节流阀(43)全开，海水全部进入反渗透膜组(42)，剩余的高压浓盐水从所述高压浓盐水出口管路(45)流至所述海水液压马达，带动所述海水液压泵转动，待所述海水液压泵启动后，所述进口节流阀(43)逐渐减小开度，在海水液压泵转速稳定后，节流阀全部关闭，使得具有预设压力的海水全部由海水液压泵加压，之后进入反渗透膜组(42)；经过脱盐的海水从所述反渗透膜组出口管路(46)流出，进入所述淡水箱(5)进行存储；余下部分高压浓盐水流经海水液压马达排至外环境，进一步为海水液压泵补足动力，实现能量回收的过程。
49.控制模块(6)监测风轮机驱动的给海水泵(11)、水轮泵(12)和浮子(24)的工作状态；同时监测蓄能稳压装置(3)进/出口压力以评估蓄能稳压装置工作状态；根据以上系统工作状态的信息调整所有变量泵的排量，以维持系统流量的稳定。
50.控制模块(6)也会监测能量回收与加压装置(41)的运行状态、淡水箱(5)的水位和出水口流量表(44)的数据，以评估系统能量回收的效率、实时的产水率并对淡水箱的水位进行预警。
51.以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种海水液压直驱式多能互补的海水淡化系统，其特征在于，包括风能捕获装置、波浪能捕获装置、蓄能稳压装置、海水淡化与能量回收模块、淡水箱；其中，所述风能捕获装置和所述波浪能捕获装置分别与所述蓄能稳压装置相连；所述蓄能稳压装置包含两条蓄能稳压支路，所述两条蓄能稳压支路在蓄能稳压装置出口管路汇总，且与所述海水淡化与能量回收模块相连；所述海水淡化与能量回收模块与所述淡水箱相连。2.如权利要求1所述的海水液压直驱式多能互补的海水淡化系统，其特征在于，所述风能捕获装置通过风能捕获装置出水管路与所述蓄能稳压装置相连；所述波浪能捕获装置通过波浪能捕获装置出水管路与所述蓄能稳压装置相连。3.如权利要求2所述的海水液压直驱式多能互补的海水淡化系统，其特征在于，所述风能捕获装置包括顺次通过管路连接的海水过滤器、水轮泵和风轮机驱动的给海水泵；所述风能捕获装置直接从外环境吸取海水并供给海水淡化系统，同时所述水轮泵在洋流驱动下，能补足所述风轮机驱动的给海水泵安装位置过高而带来的高压力需求，使其正常工作。4.如权利要求3所述的海水液压直驱式多能互补的海水淡化系统，其特征在于，所述海水淡化与能量回收模块包括能量回收与加压装置、反渗透膜组、出水口流量表和进口节流阀；所述能量回收与加压装置包含：与蓄能稳压装置出口管路以及所述反渗透膜组进口相连的海水液压泵、与所述反渗透膜组高压浓盐水出口相连的海水液压马达；所述进口节流阀与所述海水液压泵并联；当经过蓄能稳压后具有预设压力的海水流至进口节流阀处时，此时系统处于启动阶段，所述进口节流阀全开，具有预设压力的海水全部进入反渗透膜组，剩余的高压浓盐水从反渗透膜组高压浓盐水出口流至所述海水液压马达，带动所述海水液压泵转动，待所述海水液压泵启动后，所述进口节流阀逐渐减小开度，在海水液压泵转速稳定后，节流阀全部关闭，使得具有预设压力的海水全部由海水液压泵加压，之后进入反渗透膜组；经过脱盐的海水从所述反渗透膜组的出口管路流出，进入所述淡水箱进行存储；余下部分高压浓盐水流经海水液压马达排至外环境，进一步为海水液压泵补足动力，实现能量回收的过程。5.如权利要求4所述的海水液压直驱式多能互补的海水淡化系统，其特征在于，所述水轮泵、所述风轮机驱动的给海水泵以及所述能量回收与加压装置中的液压泵均为变量泵。6.如权利要求5所述的海水液压直驱式多能互补的海水淡化系统，其特征在于，所述淡水箱内置水位传感器，用于及时反馈水箱状态。7.如权利要求6所述的海水液压直驱式多能互补的海水淡化系统，其特征在于，还包括控制模块，所述控制模块用于监测水轮泵、风轮机驱动的给海水泵、能量回收与加压装置中液压马达的转速、浮子的动力学特征曲线、淡水箱的水位、以及第一进口压力表、第二进口压力表、出口压力表、出水口流量表对应监测量的时变曲线，以反馈系统工作状态。8.如权利要求7所述的海水液压直驱式多能互补的海水淡化系统，其特征在于，所述控制模块还用于同时控制所述水轮泵、所述风轮机驱动的给海水泵、所述能量回收与加压装置中的海水液压泵改变排量，以及进口节流阀的开度，在获得系统工作状态的情况下进行相应的调控。

技术总结
本发明公开了一种海水液压直驱式多能互补的海水淡化系统，包括风能捕获装置、波浪能捕获装置、蓄能稳压装置、海水淡化与能量回收模块、淡水箱和控制模块；所述风能捕获装置通过风轮机驱动海水泵提供具有预设压力的海水；所述波浪能捕获装置通过浮子与海水液压缸提供预设压力海水；所述海水淡化与能量回收模块通过反渗透膜对海水进行淡化，并通过能量回收与加压装置回收能量。本发明依靠海水直驱，通过多种捕能装置实现了多能互补，并通过能量回收装置提高了系统的能量利用效率，使得系统不依赖外部能量输入，淡水产量稳定。此外，工作介质为海水，对环境没有污染，与环境完全相容。与环境完全相容。与环境完全相容。


技术研发人员：尹方龙 张宇 聂松林 纪辉 马仲海
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/10/11