一种新型波浪能风能供电的海水淡化设备设计

　　摘要：为解决海水淡化技术投资高、能源消耗大、供能不足等问题，本文研究设计一种波浪能风能互补供能升膜海水淡化装置。海水淡化系统由三个子系统组成：波浪能风能互补供能系统、蒸汽发生系统与海水淡化系统。该装置通过波浪能风能互补发电供能，利用升膜多效蒸发装置进行海水淡化。通过波浪能和风能的有机结合，辅以能量捕获装置、机械能转化装置和储能装置，为蒸汽发生系统与海水淡化系统提供能量，实现能源的多级利用，实现节能和环保。

　　关键词：波浪能； 风能； 海水淡化；

　　前言

　　脱盐技术一般可分为两类，即蒸馏法和膜法。蒸馏方法通常采用多级闪蒸和低温多效蒸馏，通常的膜法是电渗析和反渗透。自20世纪50年代以来，随着水危机的加剧，海水淡化技术迅速发展，各种海水淡化技术在世界舞台上蓬勃发展。60年代开发的多级闪蒸技术因为动力消耗大在我国应用较少，但由于技术成熟、运行可靠，在国际上仍有大量应用。由于低温多效蒸馏技术更加节能，近年来发展迅速，设备规模不断扩大，20世纪70年代，中国在西沙永兴岛建成了世界上最大的电解透析海水淡化站，但在20世纪80年代，中国的膜技术远远落后于美国。直到20世纪90年代后期，才开始逐步掌握反渗透膜的生产技术。与国外相比，中国在技术、产业规模、实施机制和示范投资方面存在较大差距，特别是在关键设备、零部件和材料的研发方面。

　　海洋中的波浪含着巨大能量，并且在20世纪70年代海浪发电装置已经出现。之后，世界上许多发达国家相继研究和试验了波浪发电。目前风能转化为热能的技术和形式也已经多样化[1],风力机实际效率可以达到理想效率的70%[2].波浪能风能互补供能具有可行性，结合升膜多效蒸发器，可以通过新的装置实现海水淡化。

　　1 设计方案

　　综合波浪能发电供能、风能发电供能、升膜多效蒸发装置，研究设计一种波浪能风能互补供能升膜海水淡化装置。

　　1.1 装置结构概述

　　本装置利用波浪能和风能构成一个科学的双重小型供能系统，保证海水淡化能量供给。海水淡化系统由三个子系统组成：波浪能风能互补供能系统、蒸汽发生系统与海水淡化系统，装置结构如图1所示。波浪能风能互补供能系统运动方式为摇摆式，机械结构为水平旋转轴，力量为风力和波力的结合，顺风向时风力推动水平旋转轴做功，逆风向摆动时波浪力推动水平轴做功，通过波风互补动力带动发电机实现发电。蒸汽发生系统利用波风互补供能产生蒸汽提供给海水淡化系统。海水淡化系统由平行的管式立管蒸发器组成，海水可以依靠自身重力和各种效应之间的压力差来实现逐流的流动。升膜蒸发器由中央循环管和加热管组成，如图2所示。由于中央循环管的直径远大于加热管的直径，因此中央循环管中溶液的密度高于周围加热管中剧烈沸腾的溶液的密度，形成自然循环。加热管束是由一系列缩放管组成，在蒸发淡化海水上有很大的优势，它可以在收缩段形成湍流，流速加快，冲刷壁面，使得残留的腐蚀物和污垢得以清除，可以起到强化传热和高效阻垢的作用。

　　图1 风能波浪能海水淡化装置结构示意图  

　　图2 升膜蒸发器简图  

　　1.2 装置运行

　　装置运行图如图3所示，波浪能风能互补供能系统通过捕能装置、机械能合成装置和发电装置实现海水淡化供能。能量收集装置是由垂直轴风力涡轮机和垂直摆动浮子组成，垂直震荡浮子通过浮子随着波浪上下起伏而捕获波浪能。机械能合成装置首先将由能量收集装置捕获的风能和波浪能转换成相对应装置的机械能，然后，液压能量转换系统将不同形式的机械能转换成液压能。发电装置主要由液压马达和直接驱动发电机组成。它以旋转运动的方式向外输出机械能并带动直驱发电机发电。波浪能风能供能系统顺风时风力起作用，逆风时波浪起作用，将波浪能和风能进行有机结合，然后再加上能量捕获、机械能转化、储能装置。将波浪能发电与风力发电有机结合，解决波浪能风能互补供能的技术难题，克服船舶海水淡化装置技术投资高、能源消耗大的问题；利用波浪能风能为蒸汽发生系统与海水淡化系统供能，将淡水变成蒸汽，随后将蒸汽的热量传递给装置里的海水，使海水蒸发后，冷却冷凝形成蒸馏水，实现多级能量利用，达到节能环保的目的。

　　图3 风能波浪能海水淡化装置工作原理示意图 

　　2 产水量估算

　　本设计依据波浪周期为6s,根据文献[3]数据波动总能量为6190.5J,则可得该装置波浪能产生的热量为：Qb=8.9×107J·d-1.

　　制热用风力机迎风面积A为4m2,来流风速v为10m·s-1,风力发电机转化为热能的效率ηF为35%,风力发电机输入的热量为：Qw=0.5ηFρv3At=7.8×107J·d-1;式中：ρ为空气密度，t为时间。

　　假设系统内进水量及温度维持不变，进水温度T1按照20℃计，蒸发1千克海水所需热量为：qi=cP（Ts-T1）+qr=2.60×106J·kg-1;式中：cP为比热容，qr为汽化潜热，Ts为蒸发温度。

　　根据能量守恒可得：（Qb+Qw）ηz=Qi+Qo,蒸馏器中的热利用率ηz为60%,Qo为热量损失，Qi为海水蒸发所消耗的热量。若忽略装置内的热量损失Qo,可得日产水量为39kg.

　　3 结论

　　本文研究设计了一种新型波浪能风能互补供能升膜海水淡化装置。该装置降低了海水淡化能耗，同等条件下日产淡水量较高。使用的能源是可再生能源中的波浪能和风能，实现了波浪能风能高效利用、昼夜不间断运行，使用高效传热上升膜蒸发装置进一步降低了能源消耗。风能波浪能互补海水淡化系统，能够充分保证海水淡化的能量供给，可以推广应用解决船舶上淡水不足的问题，应用范围非常广泛，同时起到节能环保的作用，符合建设绿色节能社会的要求。

　　参考文献

　　[1]刘卓。光伏或电力并网发电在高层建筑上的应用设计[J].上海电力，2009（3）：196~201.

　　[2]李华山，冯晓东，刘通。我国风力制热技术研究进展[J].太阳能，2008（9）：37~40.

　　[3]商赫，赵爱红，葛继明，尤守莉。太阳能波浪能航标灯的研究与设计[J].河南科技，2015（21）：22.