CN102874969A - 交互吸收式太阳能风能海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

一种交互吸收式太阳能风能海水淡化装置，包括有太阳能集热器、风能风热转换器、热源水箱、冷却水箱、吸收器单元、冷凝器、淡水贮水箱、海水输入与排出管道、海水蒸发器、管板式换热器、电磁阀、管路和水泵、单片机工控单元、温度及比重传感器等构成，以太阳能、风能互补转化的热源水为动力，在单片机工控单元指令控制下，依程序驱动2台吸收器单元对海水中的水份进行吸收/解吸收的连续交互循环运行，构建出一种体积小、能源利用效率高、结构较简单、造价低、实用性强的海水淡化装置，能很快转化为定型商品。本海水淡化装置也可用工业余热及地热水为动力；可在沿海及海岛地面使用，也可安装在船舶舰艇上以内燃发动机余热水为动力获取淡水。

Description

交互吸收式太阳能风能海水淡化装置

技术领域

本发明涉及一种交互吸收式太阳能风能海水淡化装置，属于太阳能风能海水淡化的技术领域。

背景技术

随着全球人口的增长和经济的发展，陆地淡水资源的紧缺已十分突显，引起了许多国家的重视。海水中有大量的水资源，将海水淡化是解决淡水资源匮乏危机的一个有效途径。常用的海水淡化方法有蒸馏法，离子交换法，电渗析法，反渗透膜法，冷冻法等。这些技术的应用已在一定程度上缓解了部分地区的缺水状况，但这些方法不仅要消耗大量的电力和燃料等常规能源，进一步加剧了能源紧缺，而且又造成新的污染，所以，太阳能海水淡化的研究越来越引起人们的关注。太阳能海水淡化技术具有不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视，是一种可持续发展的海水淡化技术。目前常见的太阳能海水淡化技术以蒸馏法为主，利用太阳能产生热能直接加热海水蒸馏相变过程，即产生蒸发与冷凝。现已有的系统设备分为主动式和被动式两类，被动式海水淡化的装置中不使用电能驱动元件，比较简单，主动式太阳能蒸馏使用了附加设备，为提高太阳能利用效率设计成多级蒸馏等结构。现有的太阳能海水蒸馏淡化技术也有一些缺点，如设备占地面积较大，系统过程能量损失较多，被动式太阳能蒸馏设备结构简单，但热效率较低，主动式太阳能蒸馏设备复杂，造价高；另外，也普遍缺乏将太阳能与风能进行互补，充分利用当地的可再生清洁能源，在一天中获取更多量的淡水。

近年来，由于吸湿材料吸收剂的研制有很大进展，应用吸湿技术发展起来的吸收式制冷机、吸收式除湿空调设备已在许多领域使用。研究表明，卤族元素碱金属盐，如氯化锂、溴化锂、氯化钙等具有无毒、无臭、无害、无高压爆炸危险等优点，它们构成的吸收剂溶液对水气有强烈的吸收作用，例如，浓度为40％的氯化锂水溶液，温度在25℃时，饱和水蒸气压力为0.55kPa，浓度为50％的溴化锂水溶液，温度在25℃时，饱和水蒸气压力为0.85kPa；纯水在25℃时的饱和水蒸气压力为3.17kPa，35℃时为5.62kPa，45℃时为9.58kPa。在相同温度下，上述浓度吸收剂溶液表面的饱和水蒸气压力远小于纯水表面的饱和水蒸气压力，在压力梯度力作用下，大量的水分子脱离纯水而被吸收剂溶液吸收，其溶液浓度下降成为稀溶液，对稀溶液加热，在不高的温度下(60℃-80℃)，水分子很容易从溶液中解吸收气化，由于这些卤族元素碱金属盐熔点非常高，它们本身不会被气化，因此，对解吸收气化水气冷凝获取的是纯洁的淡水。海水的含盐度平均为3.5％，海水表面的饱和水气压接近相同温度下纯水表面的饱和水气压。用吸收剂溶液吸收海水中的水份，再用太阳能转化的热能(以水为载体)对吸收剂溶液进行解吸收；对解吸收后的水气冷凝液化而获得纯洁的淡水，这一过程就实现了海水的淡化处理，这种新的海水淡化技术具有实用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的以蒸馏法为主的太阳能海水淡化技术的不足，提供一种新的交互吸收式太阳能风能海水淡化装置，将太阳能、风能的互补综合利用技术、吸湿材料吸收剂溶液对水份的吸收/解吸收技术、微电子测控技术结合起来，构建出一种体积小、能源利用效率高、结构较简单、造价低、实用性强的海水淡化装置，能很快转化为定型商品，满足市场需求，为此，本发明采用下述技术方案来实现这个目的。

一种交互吸收式太阳能风能海水淡化装置，包括有太阳能集热器、风能风热转换器、热源水箱、冷却水箱、吸收器单元、冷凝器、淡水贮水箱、海水输入与排出管道、海水蒸发器、管板式换热器、电磁阀、管路和水泵、单片机工控单元、温度及比重传感器等构成，配置了两台结构相同的吸收器单元A1、A2，吸收器单元是装有吸收剂溶液的箱体，箱体各面有聚氨脂泡沫塑料保温层，吸收器单元内敷设有对吸收剂溶液加热、冷却的水盘管，水盘管入、出接口通过第1电磁阀F1、第2电磁阀F2、第3电磁阀F3、第4电磁阀F4与热源水环路或冷却水环路连接，热源水环路上有微型水泵P3，冷却水环路上有微型水泵P4，吸收器单元吸收剂溶液上的吸收空间通过第5电磁阀F5、第6电磁阀F6与冷凝器9或海水蒸发器13连接；海水输入管10分成两路，一路与冷凝器9的内壳管入口连接，内壳管出口与海水蒸发器13的喷淋管连接，另一路与海水蒸发器13内的管板式换热器14内管入口连接，换热后海水经内管出口流到海水蒸发器底部，管板式换热器的外管入、出管口与冷却水环路串接，海水蒸发器底部有处理后海水排出的倒U型管12，冷凝器9底部有细引流管与下方的淡水贮水箱8连接；太阳能集热器1与热源水箱3之间的管路上有温控水泵P1，风能风热转换器2与热源水箱3之间的管路上有温控水泵P2；热源水箱中有温度传感器T3，吸收器单元A1、A2内分别有吸收剂溶液的温度及比重传感器T1、G1，T2、G2；单片机工控单元16上有温度传感器T1、T2、T3及比重传感器G1、G2信息输入总线，电磁阀F1、F2、F 3、F4、F5、F6控制信息输出总线，微型水泵P 3、P4控制信息输出总线。本装置以太阳能、风能互补能源转化的热源水为动力，在单片机工控单元指令控制下，依程序驱动2台吸收器单元对海水中的水份进行解吸收/吸收的连续交互循环运行，海水也是冷却水及冷凝器的冷源。

吸收器单元内的吸收剂溶液表面的饱和水气压是由溶液浓度和温度决定，溶液浓度越高、温度越低，液面上的饱和水气压就越小。在相同的温度条件下，溶液浓度高，吸收海水中水份的能力就越强，而吸收剂溶液吸收水份后，溶液浓度逐渐降低成为稀溶液，吸收性能变弱；对稀溶液加热，从海水中吸入的那部分水份从溶液巾脱出(解吸收)，经冷凝液化成为纯洁淡水，稀溶液恢复原浓溶液状态。

吸收器单元A1运行在解吸收工作状况时，吸收器单元A2就运行在吸收工作状况，经过一段时间后进行交互，A1运行在吸收工况，A2运行在解吸收工况，吸收器单元A1、A2交互做解吸收/吸收的循环运行，在单片机工控单元16程序指令控制下，电磁阀F1、F2、F3、F4将处于供热/解吸收工况的吸收器单元内敷设的水盘管入、出接口与热源水环路连接，电磁阀F5、F6将该吸收器单元吸收剂溶液上的吸收空间与冷凝器9连接；与此同步，电磁阀F1、F2、F3、F4将处于冷却/吸收工况的吸收器单元内敷设的水盘管入、出接口与冷却水环路连接，电磁阀F5、F6将该吸收器单元吸收剂溶液上的吸收空间与海水蒸发器13连接。

吸收剂溶液从海水中吸收水气后，浓溶液逐渐转成稀溶液，太阳能风能转化的热能仅用于将吸收剂溶液从海水中吸收的那一部分水份解脱出来，在60℃-80℃不高的温度下，水分子很容易从溶液中解吸收气化，解吸收的过程能快速地进行，使稀溶液又转成浓溶液，对海水再吸收，两台吸收器单元连续交互进行解吸收/吸收过程。海水输入管分成两路，一路向供热/解吸收工况时段的吸收器单元脱出的大量水蒸气提供冷凝液化的冷源水，并将水气液化释放的气化潜热带走，自身升温，气化热被海水再利用，可以在海水蒸发器中喷淋蒸发出更多水气，加速了冷却/吸收工况时段的吸收器单元对水气的吸收进程；另一路海水对冷却/吸收工况时段的吸收器单元的冷却水提供冷源水，带走吸收剂溶液吸收水气而产生的吸收热，使溶液维持在较低的温度下快速地吸收更多水分。显然，采用这样的技术方案可以提高太阳能风能转化的热能进行海水淡化的能源利用效率。

单片微型计算机及外围器件构成的单片机工控单元按已定的程序控制管路执行机构电磁阀和水泵的运作，单片机工控单元根据从吸收器单元A1、A2连续采集的温度、比重数据计算出吸收剂溶液浓度的变化，指令控制吸收器单元分别所处解吸收/吸收的运行工况。单片机工控单元依据热源水温达到设定的阈值启动或关闭海水淡化设备的运转。单片机工控单元上有设备故障告警信号显示与输出，用户可及时发现并排除故障。

气候统计资料表明，多数淡水资源缺泛的沿海及海岛地区，不仅太阳辐射能资源丰富，而且风能资源也丰富。本发明设置了一组温控水泵，将太阳能集热器及风能风热转换器产生的热水共同存贮到绝热良好的热源水箱中，本发明应用太阳能与风能转化的热能互补驱动海水淡化装置运转，可以在太阳高度角较低及云霾天气等太阳辐射能集热功率较小的时候，由风能补充能源，可以使海水淡化装置在一天中能有更长的运转时期；甚至在夜间，当风能足够，热源水温度到达额定值时，单片机工控单元同样可以启动海水淡化装置运行。风能可以采取实时供热和蓄能供热两种方式。应用太阳能与风能互补向海水淡化装置提供更多更长时间的可再生清洁能源，能够从海水中获取更多量的纯洁淡水。

本发明海水淡化装置可以用小型太阳能电池板通过充电控制器与蓄电池向单片机工控单元、水泵、电磁阀等全部电器提供12V或24V直流电源，无需电网或燃油机供电。

本发明海水淡化装置由几个模块化部件组成，整机积木式构建，结构简单，体积相对较小，制造成本低，驱动本海水淡化装置运行的太阳能、风能互补能源转化的热源水可以更换为船舶舰艇内燃发动机的余热水、工业余热水、地热水。本海水淡化装置可以在沿海及海岛地面使用，也可以在船舶上使用，例如，将驱动本海水淡化装置的太阳能、风能转化的热源水更换为船舶内燃发动机的余热水，本发明海水淡化装置可成为远洋船舶舰艇上获取淡水的设备。在这样情况下应用，吸收器单元吸收剂溶液上加装斜栅隔板，以防船舶摇晃引起溶液溅起，也可改用固体吸湿材料吸收剂。

附图说明

附图1是本发明技术方案的示意图。如图1所示：太阳能集热器1，风能风热转换器2，热源水箱3，温度传感器4(图标T1、T2、T3)，电磁阀5(图标F1、F2、F3、F4、F5、F6)，比重传感器6(图标G1、G2)，吸收器单元7(图上A1、A2为相同结构的2台吸收器单元)，淡水贮水箱8，冷凝器9，海水输入管10，海水阀门11，倒U型海水排出管12，海水蒸发器13，管板式换热器14，冷却水箱15，单片机工控单元16，温控水泵17(图标P1、P2)，微型水泵18(图标P3、P4)。

具体实施方式

近年来，由于众多领域的需要，吸湿材料吸收(吸附)剂的研制有很大进展，本海水淡化装置吸收器单元内放置的吸收剂溶液为卤族元素碱金属盐溶液，如氯化锂、溴化锂、氯化钙等，可以是单一成分，也可以是混合盐溶液，从性价比考虑，建议用氯化锂或氯化锂与氯化钙混合盐溶液。吸收剂也可以采用固体粉末，使用固体吸收(吸附)剂时应做成蜂窝状，以取得较佳的传热及与水气传质效果。吸收器单元箱体可用不锈钢等材料制造。

本发明中所用低压直流微型水泵及温控直流水泵、低压直流电磁阀、翅片式冷凝器及管板式换热器等都可选用市售标准化产品。选用中等精度的温度传感器、比重传感器在本设备中已满足要求，价格也低廉。

单片微型计算机简称单片机，可靠性好，价格已很便宜，市场上规格较多，可选用8位单片机配外围器件构成工控单元。单片机工控单元按常规方法编程，编程依据主要由所选用吸收剂溶液在不同温度下的吸收、解吸收溶液浓度变化曲线技术参数而定，要有完整详细的实验技术资料确定本装置系统浓溶液、稀溶液的定义值。

市场现有的平板式、真空管式太阳能集热器提供70℃-80℃的热水一般都可做到，风热转换器选用定型产品。根据日平均海水淡化出水量，吸收剂特性，系统效率，工作环境条件及平均海水温度范围等预算出大致所需热源水的输入供热量，热源水箱容量，吸收剂量(干重及配比浓溶液量)；参考所使用纬度地区的太阳辐射能及风能气候资料可估算出所需太阳能集热器的功率及在太阳高度角低或云霾天气的时候互补风力机的输出热功率，可从市场上选择与本发明海水淡化装置整机系统相匹配的太阳能集热器、风能风热转换器定型产品配套。

本发明可以较快形成产品进入市场，按日均海水淡化出水量区间制造出结构一致的大、中、小型规范化定型产品，整机系统由几个组件构成，为模块化的结构，插接集成，现场安装及维修都很方便。

Claims (2)

1.一种交互吸收式太阳能风能海水淡化装置，包括有太阳能集热器、风能风热转换器、热源水箱、冷却水箱、吸收器单元、冷凝器、淡水贮水箱、海水输入与排出管道、海水蒸发器、管板式换热器、电磁阀、管路和水泵、单片机工控单元、温度及比重传感器等构成，其特征是：配置了两台结构相同的吸收器单元(A1)、(A2)，吸收器单元是装有吸收剂溶液的箱体，箱体各面有聚氨脂泡沫塑料保温层，吸收器单元内敷设有对吸收剂溶液加热、冷却的水盘管，水盘管入、出接口通过第1电磁阀(F1)、第2电磁阀(F2)、第3电磁阀(F3)、第4电磁阀(F4)与热源水环路或冷却水环路连接，热源水环路上有微型水泵(P3)，冷却水环路上有微型水泵(P4)，吸收器单元吸收剂溶液上的吸收空间通过第5电磁阀(F5)、第6电磁阀(F6)与冷凝器(9)或海水蒸发器(13)连接；海水输入管(10)分成两路，一路与冷凝器(9)的内壳管入口连接，内壳管出口与海水蒸发器(13)的喷淋管连接，另一路与海水蒸发器(13)内的管板式换热器(14)内管入口连接，换热后海水经内管出口流到海水蒸发器底部，管板式换热器的外管入、出管口与冷却水环路串接，海水蒸发器底部有处理后海水排出的倒U型管(12)，冷凝器(9)底部有细引流管与下方的淡水贮水箱(8)连接；太阳能集热器(1)与热源水箱(3)之间的管路上有温控水泵(P1)，风能风热转换器(2)与热源水箱(3)之间的管路上有温控水泵(P2)；热源水箱中有温度传感器(T3)，吸收器单元(A1)、(A2)内分别有吸收剂溶液的温度及比重传感器(T1)、(G1)，(T2)、(G2)；单片机工控单元(16)上有温度传感器(T1)、(T2)、(T3)及比重传感器(G1)、(G2)信息输入总线，电磁阀(F1)、(F2)、(F3)、(F4)、(F5)、(F6)控制信息输出总线，微型水泵(P3)、(P4)控制信息输出总线。

2.如权利要求1所述的交互吸收式太阳能风能海水淡化装置，其特征还是：驱动本海水淡化装置运行的太阳能、风能互补能源转化的热源水可以更换为船舶舰艇内燃发动机的余热水、工业余热水、地热水。