海水波浪能淡化系统的制作方法

本发明公开了一种海水波浪能淡化系统，是一种应用于广阔海洋、电能及淡水缺乏区域，利用海洋波浪能和压缩空气协同实现海水的反渗透膜式淡化的淡化系统。

背景技术：

随着世界能源危机和近海资源逐步开发，远洋鱼类及深海石油资源的开发日益受到各国关注，我国先后出台了“一带一路”、以及《全国海洋经济规划发展纲要》，旨在加速我国远洋资源的开发利用。然而，海上淡水缺乏和电力供给困难等问题，极大制约了远洋资源的开发利用，海水波浪能作为一种新兴的清洁能源，蕴含容量大，且与海水淡化天然耦合，已成为世界各国科研人员的重要研究方向。

目前，海水淡化主要采用反渗透膜淡化工艺，利用电能驱动提水泵完成淡化膜供水压力恒定，以提高海水淡化效率和反渗透膜使用寿命，但海水淡化是高耗能产业，传统电力供给必将加剧环境污染和能源危机。同时，反渗透膜式海水淡化效率和使用寿命都与淡化压力密切相关，但波浪能的间歇性和波动性极易导致膜淡化压力变化，严重影响其使用寿命，储能是有效解决波动功率平抑的有效方法，但常用的蓄电池和液压等储能方式，极易导致环境污染。压缩空气储能是一种严格无污染的新型储能方式，如何与波浪能以及海水淡化能量耦合，提升波浪能利用率、海水淡化效率是必须要解决的关键问题。

技术实现要素：

本发明的技术任务是针对上述技术上的不足，提出的一种新型海水波浪能淡化系统。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：海水波浪能淡化系统包括两正交浮子组、曲柄联杆结构、海水淡化、压缩空气储能以及水气存储单元。两正交浮子组根据波浪方向全方位捕获波浪能，并经曲柄联杆结构驱动淡化活塞上下运动，完成海水吸入、海水淡化以及淡水和高压浓盐水排出，压缩空气储能平抑波浪能波动性和间歇性问题，确保海水淡化恒压高效转化，提升反渗透膜淡化效率和使用寿命。

两正交浮子组为两组正交设置的捕获装置ⅰ和捕获装置ⅱ，捕获装置包括两圆柱体浮子、浮子联杆、俯仰中轴、俯仰齿轮、锥形齿轮ⅰ、水平联轴以及调向结构。所述圆柱体浮子在海浪浮力和激荡力共同作用下，上下运动捕获波浪能，驱动浮子联杆作俯仰运动，并由俯仰中轴、俯仰齿轮以及锥形齿轮ⅰ协同转化成水平联轴的旋转运动，水平联轴旋转运动经调向结构与曲柄联杆结构机械耦合，驱动淡化活塞运动完成海水淡化。所述调向结构包括内嵌电磁离合器ⅱ的锥形齿轮ⅱ以及内嵌电磁离合器ⅰ的牵引齿轮，锥形齿轮ⅱ经电磁离合器ⅱ与捕获装置ⅰ的水平联轴耦合，将捕获装置ⅰ捕获能量传递至牵引齿轮；所述牵引齿轮内嵌电磁离合器ⅰ与捕获装置ⅱ水平联轴同轴耦合，将捕获装置ⅱ捕获能量传递至牵引齿轮，牵引齿轮外齿为锥形结构，与锥形齿轮ⅱ机械耦合，所述电磁离合器根据波浪方向改变耦合至牵引齿轮的捕获装置数量；所述曲柄联杆结构上端和牵引齿轮刚性联接，下部经约束轴承和淡化活塞刚性联接，完成牵引齿轮旋转运动到淡化活塞上下运动的转化。

海水淡化包括淡化活塞、淡水腔以及淡化腔，所述淡化活塞为内嵌反渗透膜的圆柱体活塞，在曲柄联杆推动下分离淡水和浓盐水，纵向设置多个空心圆柱型淡化通道，将淡水送入淡水腔；所述淡水腔包括淡化活塞以及淡水腔内壁，用于存储淡化活塞下移产生的淡水；淡水腔上端设置淡水排出阀，在淡化活塞上移过程中将淡化后的淡水送入淡水存储室存储。所述淡化腔是海水淡化主要场所，由淡化活塞、淡化腔内壁、海水进入通道以及淡化腔底板构成，淡化活塞由曲柄联杆以及压缩空气储能共同作用，完成海水吸入、海水淡化以及淡水排出；所述海水进入通道为圆环式柱状结构，内嵌圆环式柱状大气进出通道，海水进入通道上端设置海水进入阀ⅰ，下端设置海水进入阀ⅱ，控制海水进入淡化腔的流量；所述淡化腔底板为外套在大气进出通道的圆盘式固定端板，用于支撑淡化海水质量以及反渗透膜淡化压力；淡化腔底板设置圆盘式端盖，由内嵌在端板上的电磁铁控制，用于开关圆环式浓盐水排出通道ⅰ。

压缩空气储能包括大气进出通道、压缩活塞、压缩腔、膨胀腔以及中心浮球。所述大气进出通道为圆环式柱状结构，设置在两活塞联杆运动通道的外侧，上端与大气相连，下端经大气进出阀ⅰ和压缩腔相联，控制吸入气体流量；所述压缩活塞为耐盐腐蚀的扁平圆柱体活塞，与淡化活塞刚性联接，内嵌浓盐水排出通道ⅱ，浓盐水排出阀ⅰ控制浓盐水排出流量，压缩活塞上侧为膨胀腔室，下侧为压缩腔室，调控膨胀腔室和压缩腔室气体压力，确保反渗透膜淡化压力恒定；所述压缩腔由压缩活塞、压缩腔内壁以及压缩腔底板共同构成，压缩活塞下移，将多余波浪能转化为气体内能，气压逐步升高，直至超过中心浮球气压，单向阀ⅰ开启，压缩空气储存至中心浮球；所述膨胀腔由淡化腔底板、压缩活塞、膨胀腔内壁以及大气进出通道外侧共同构成，中心浮球内压缩气体经电磁流量阀ⅱ进入膨胀腔做功，助推淡化活塞下移，确保反渗透膜淡化压力恒定，海水淡化结束，高压浓盐水经淡化腔底板进入膨胀腔，助推压缩活塞下移，进一步压缩空气储能；所述中心浮球用于存储压缩空气，同时为海水淡化设备提供浮力支撑，确保波浪能捕获装置水平基准稳定。

水气存储单元包括压储气室、淡水存储室以及光伏电池。所述压储气室固定在淡水存储室下方，存储压缩气体，并为淡水存储室提供浮力支撑，经压缩气体通道和中心浮球相联，压缩气体通道上设置气体双向流动的涡旋机，用于调控中心浮球气压，有效提升压缩空气储能效率。所述淡水存储室位于压储气室上侧，由压储气室提供的浮力支撑，并经淡水通道和淡水排出阀与淡水腔相连，淡水通道上设置单向阀ⅱ；淡水存储室上侧设置直流抽水泵，负责为远洋轮船等用户提取淡水。所述光伏电池设置在淡水存储室上端，内设磷酸铁锂蓄电池，为海水波浪能淡化系统的电磁阀、电磁铁、电磁离合器、直流抽水泵以及涡旋机提供电源支持。

本发明带来的有益效果是：

1)将反渗透膜式海水淡化和波浪能捕获一体化设计，海水吸入和淡水排出一体化完成，引入了基于海水势能的自吸入机制，省却了传统海水淡化重要耗能设备——提水泵的使用，极大降低海水淡化功率消耗。

2)内置反渗透膜的多孔淡化活塞，下移运动实现浓盐水和淡水自动分离，极大简化了海水淡化环节；特别是浓盐废水的排出机制，浓盐水废压能助推空气压缩，提供了一种新型高压浓盐水能量回收途径，极大提高了海水淡化效率以及波浪能利用效率。

3)将淡化活塞和压缩活塞一体化设计，动态调控膨胀腔和压缩腔内气体压力，有效平抑波浪能的波动性和间歇性问题对膜淡化性能影响，极大提高了海水淡化效率和反渗透膜使用寿命。

4)本发明具有结构紧凑、可移动、易维护、抗海浪冲击性强，海水淡化效率高并具有稳定淡水供给等优点，必将大幅推动海水波浪能淡化系统的实用化。

附图说明

图1海水波浪能淡化系统结构图。

图2两正交浮子组俯视图。

图3两正交浮子组和曲柄联杆结构剖面图。

图4淡化活塞结构图。

图5淡化腔底板剖面图。

图6海水进入通道和大气进出通道剖面图。

图7淡化系统多种模式选择流程图。

图中标号说明：1.海水进入阀ⅰ，2.海水进入阀ⅱ，3.电磁铁，4.浓盐水排出阀ⅰ，5.浓盐水排出阀ⅱ，6.电磁流量阀ⅱ，7.大气进出阀ⅰ，8.电磁流量阀ⅰ，9.大气进出阀ⅱ，10.单向阀ⅰ，11.淡化活塞，12.压缩活塞，13.淡水腔，14.淡化腔，15.膨胀腔，16.压缩腔，17.曲柄联杆结构，18.光伏电池，19.保护罩，20.淡水排出阀，21.圆柱体浮子，22.中心浮球，23.固定地锚，24.压储气室，25.淡水存储室，26.直流抽水泵，27.圆盘式端盖，28.单向阀ⅱ，29.涡旋机，30.浮子联杆，31.俯仰中轴，32.俯仰齿轮，33.锥形齿轮ⅰ，34.锥形齿轮ⅱ，35.水平联轴，36.淡水通道，37.牵引齿轮，38.约束轴承，39.电磁离合器ⅰ，40.电磁离合器ⅱ，41.淡化通道，42.反渗透膜，43.大气进出通道，44.海水进入通道，45.浓盐水排出通道ⅰ，46.淡化腔底板，47.浓盐水排出通道ⅱ，48.压缩腔底板，49.压缩气体通道，50.活塞联杆运动通道；a-a’.淡化腔底板剖面,b-b’.海水进入通道和大气进出通道剖面。

变量说明：h海浪波高，hmin启动波浪高度，pw.波浪能捕获功率，pd淡化功率，pe膨胀功率，pc.压缩功率。

注：h＜hmin时海浪蕴含能量少，无捕获价值。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

本发明所公布的海水波浪能淡化系统(如图1)包括两正交浮子组(包括圆柱体浮子21、浮子联杆30、俯仰中轴31、俯仰齿轮32、锥形齿轮ⅰ33、水平联轴35、锥形齿轮ⅱ34、电磁离合器ⅰ39、电磁离合器ⅱ40、牵引齿轮37)、曲柄联杆结构17、海水淡化(淡化活塞11、淡水腔13、淡化腔14、海水进入阀ⅰ1、海水进入阀ⅱ2、海水进入通道44、淡化通道41、反渗透膜42、淡水排出阀20、电磁铁3、圆盘式端盖27、浓盐水排出通道ⅰ45)、压缩空气储能(压缩活塞12、压缩腔16、膨胀腔15、中心浮球22、大气进出阀ⅰ7、大气进出阀ⅱ9、大气进出通道43、单向阀ⅰ10、电磁流量阀ⅰ8、电磁流量阀ⅱ6)、水气存储单元(压储气室24、涡旋机29、压缩气体通道49、淡水存储室25、单向阀ⅱ28、淡水通道36、直流抽水泵26、光伏电池18)。

所述两正交浮子组中圆柱体浮子21在海浪浮力和激荡力共同作用下，上下运动捕获波浪能，驱动浮子联杆30俯仰，经俯仰中轴31、俯仰齿轮32以及锥形齿轮ⅰ33，将俯仰运动转化为水平联轴35的旋转运动；水平联轴35的旋转运动经锥形齿轮ⅱ34、电磁离合器ⅰ39以及电磁离合器ⅱ40转化为牵引齿轮37的旋转运动。曲柄联杆结构17上端和牵引齿轮37刚性联接，下部经约束轴承38和淡化活塞11刚性联接，将牵引齿轮37的旋转运动转化至淡化活塞11上下运动，驱动海水淡化。

所述海水淡化由淡化活塞11上下运动，完成海水吸入、海水淡化以及淡水排出。外界海水经海水进入阀ⅰ1、海水进入阀ⅱ2以及海水进入通道44进入淡化腔14，助推淡化活塞11上移；淡化腔14内的海水在淡化压力作用下，经淡化通道41以及反渗透膜42淡化为淡水，进入淡水腔13，并随淡化活塞11的上移，经淡水排出阀20排出；淡化腔14内的浓盐水，在电磁铁3开启圆盘式端盖27的作用下，经浓盐水排出通道ⅰ45排入膨胀腔15，助推压缩活塞12下移，直至压缩活塞12下移到压缩腔底板48，膨胀腔15内浓盐水再经浓盐水排出阀ⅰ4、浓盐水排出通道ⅱ47以及浓盐水排出阀ⅱ5排出至大海。

所述压缩空气储能由压缩活塞12的上下运动，完成压缩储能和膨胀助推，平抑波浪的波动功率，确保海水恒压淡化。外界大气经大气进出阀ⅰ7以及大气进出通道43进入压缩腔16，随压缩活塞12下移，将多余波浪能以压缩空气形式进行存储，随着压缩气体压力升高，单向阀ⅰ10打开，高压气体存储至中心浮球22；中心浮球22内高压气体，分别电磁流量阀ⅰ8和电磁流量阀ⅱ6进入压缩腔16和膨胀腔15，压缩气体膨胀释能，调控淡化腔14内压力，膨胀助推压缩活塞12和淡化活塞11运动，确保淡化腔14内气压恒定。

所述水气存储单元用于存储淡水和压缩空气，同时压缩空气为淡水提供浮力支持。压储气室24经涡旋机29、压缩气体通道49与中心浮球22联通，涡旋机29用于调控中心浮球22内气压，确保压缩储能和膨胀释能无过欠压缩和膨胀损耗；淡水存储室25经单向阀ⅱ28和淡水通道36，汇总收集淡水，并经直流抽水泵26供给外界需求；光伏电池18内设磷酸铁锂蓄电池，为海水波浪能淡化系统的电磁阀、电磁铁、电磁离合器、直流抽水泵以及涡旋机提供电源支持。

波浪的间歇性和波动性极易导致海水淡化压力波动，严重影响海水淡化效率以及膜使用寿命，为此调控压缩空气储能状态，平抑波动功率对海水淡化压力影响，系统存在波浪海水淡化、波浪压缩海水淡化、波浪膨胀海水淡化以及水压膨胀海水淡化四种工作模式，如图7所示，工作模式判定是基于波浪工况、中心浮球气压、以及实时计算获取的pw、pc、pe以及pd进行的。

当pw＝pd时，系统运行在独立波浪海水淡化模式；

当pw>pd，调控压缩功率pc，波浪能的多余功率以压缩空气形式存储，使pw-pc＝pd，系统运行在波浪压缩海水淡化模式；

当pw<pd，调控膨胀功率pe，使pw+pe＝pd，波浪能差额功率由高压气体膨胀补充，系统运行在波浪膨胀海水淡化；

当h<hmin时，波浪蕴含能量较小，海水淡化所需能量完全有压缩空气储能提供，系统运行在水压膨胀海水淡化。

1、独立波浪海水淡化

当海况良好时，系统捕获波浪能基本满足海水淡化要求，圆柱体浮子21上仰主要进行海水吸入、大气吸入以及淡水排出；下俯主要进行海水淡化、浓盐水废压利用及排出。

圆柱体浮子21在波浪作用下上仰，波浪机械能、水势能和大气动能，共同驱动淡化活塞11和压缩活塞12上移。海水在水势能作用下，经海水进入阀ⅰ1、海水进入阀ⅱ2进入淡化腔14，外界大气经大气进出阀ⅰ7进入压缩腔16，淡水腔14内的淡水随淡化活塞11上移，经淡水排出阀20逐步排出，并在淡化活塞11上移至淡水腔13顶部时，海水进入阀ⅰ1、海水进入阀ⅱ2以及淡水排出阀20关闭。圆柱体浮子21上仰至上限，上仰结束。

圆柱体浮子21在波浪作用下下俯，波浪机械能驱动淡化活塞11和压缩活塞12下移，进行海水淡化。海水通过淡化活塞11内嵌的淡化通道41和反渗透膜42将淡水送入淡水腔13，随着淡化活塞12逐步下移至淡化下限位置，海水淡化完成，此时电磁铁3启动，圆盘式端盖27上移，淡化腔13内残留的高压浓盐水，经浓盐水排出通道ⅰ45自动进入膨胀腔15，此时海水淡化完成，系统进入浓盐水废压利用阶段，大气进出阀ⅰ7、大气进入阀ⅱ9关闭，压缩活塞12在波浪机械能和浓盐水废压能共同作用下开始压缩气体，随着压缩气体气压升高，高压气体经单向阀ⅰ10进入中心浮球22进行存储，压缩活塞12下移至压缩腔16底部，浓盐水在自身废压作用下，经浓盐水排出阀ⅰ4、浓盐水排除通道ⅱ47以及浓盐水排出阀ⅱ5排出，直至浓盐水全部排出，浓盐水排出阀ⅰ4和浓盐水排出阀ⅱ5关闭，圆柱体浮子21下俯至下限，下俯结束。

2、波浪压缩海水淡化

当波浪较大，系统捕获波浪能超过海水淡化所需能量时，多余能量以压缩空气形式储存在中心浮球22。圆柱体浮子21上仰主要进行海水和大气的吸入以及淡水排出；下俯主要进行海水淡化、浓盐水废压利用、浓盐水排出以及压缩空气储能。

圆柱体浮子21在波浪作用下上仰，波浪机械能、水势能和大气动能，共同驱动淡化活塞11和压缩活塞12上移。海水在水势能作用下，经海水进入阀ⅰ1、海水进入阀ⅱ2进入淡化腔14，外界大气经大气进出阀ⅰ7进入压缩腔16，淡水腔13内的淡水随淡化活塞11上移，经淡水排出阀20逐步排出，并在淡化活塞11上移至淡水腔13顶部时，海水进入阀ⅰ1、海水进入阀ⅱ2、大气进出阀ⅰ7、大气进入阀ⅱ9以及淡水排出阀20关闭，圆柱体浮子21上仰至上限，上仰结束。

圆柱体浮子21在波浪作用下下俯，波浪机械能驱动淡化活塞11和压缩活塞12下移，多余波浪能以压缩空气形式储存，消纳多余功率确保淡化压力恒定。海水通过淡化活塞11内嵌的淡化通道41和反渗透膜42，将淡水送入淡水腔13；随着淡化活塞12逐步下移至淡化下限位置，海水淡化完成，此时电磁铁3开启，圆盘式端盖27上移，淡化腔14内残留的高压浓盐水，经浓盐水排出通道ⅰ45自动进入膨胀腔15，压缩活塞12在波浪机械能和浓盐水的废压能共同作用下压缩气体，气体气压逐步升高，经单向阀ⅰ10存储至中心浮球22，压缩活塞12最终下移至压缩腔16底部，浓盐水在自身废压作用下，经浓盐水排出阀ⅰ4、浓盐水排出通道ⅱ47以及浓盐水排出阀ⅱ5排出，当圆柱体浮子21下俯至下限，下俯结束。

3、波浪膨胀海水淡化

当波浪较小，系统捕获的波浪能低于海水淡化所需能量时，不足的能量由中心浮球22内高压气体，膨胀助力补充。圆柱体浮子21上仰主要进行海水和大气的吸入、淡水排出以及膨胀气体的排出，下俯主要进行海水淡化、膨胀助力、浓盐水废压利用及排出。

圆柱体浮子21在波浪作用下上仰，波浪机械能、水势能和大气进入的动能，共同驱动淡化活塞11和压缩活塞12上移。海水在水势能作用下，经海水进入阀ⅰ1、海水进入阀ⅱ2进入淡化腔14，外界大气经大气进出阀ⅰ7进入压缩腔16，淡水腔13内的淡水随淡化活塞11上移，经淡水排出阀20逐步排出，同时膨胀腔15内压缩气体也在压缩活塞12的推动下，经大气进入阀ⅱ9排出，并在淡化活塞11上移至淡水腔13顶部时，海水进入阀ⅰ1、海水进入阀ⅱ2以及淡水排出阀20关闭，圆柱体浮子21上仰至上限，上仰结束。

圆柱体浮子21在波浪作用下下俯，波浪机械能以及气体膨胀能共同驱动淡化活塞11和压缩活塞12下移，进行海水淡化。海水通过淡化活塞11内嵌的淡化通道41和反渗透膜42将淡水送入淡水腔13，同时，中心浮球22内气体经电磁流量阀ⅱ6进入膨胀腔15，膨胀助推活塞下移，压缩腔内气体无阻经大气进出阀ⅰ7、大气进入阀ⅱ9自动排出，淡化活塞12逐步下移至淡化下限位置，海水淡化完成，此时进入至浓盐水废压利用阶段，此时大气进出阀ⅰ7、大气进入阀ⅱ9关闭，电磁铁3开启，圆盘式端盖27上移，淡化腔13内残留的高压浓盐水经浓盐水排出通道ⅰ45自动进入膨胀腔15，压缩活塞12在波浪机械能和浓盐水的废压能共同作用下，压缩气体气压升高，并经单相阀ⅰ10进入中心浮球22存储，直至压缩活塞12下移至压缩腔16底部，浓盐水在自身废压的作用下，通过浓盐水排出阀ⅰ4、浓盐水排除通道ⅱ47以及浓盐水排出阀ⅱ5排出。圆柱体浮子21下俯至下限，下俯结束。

4、水压膨胀海水淡化

当波浪极小，波浪能没有捕获价值时，活塞11上移所需的能量由水势能、大气动能以及气体膨胀能共同提供，下俯过程所需能量完全由气体膨胀能提供。活塞上移主要进行海水吸入、淡水排出、膨胀助推以及膨胀气体的排出，下移主要进行海水淡化、膨胀助推以及浓盐水废压利用及排出。

淡化活塞上移过程，水势能、大气进入动能以及压缩气体膨胀能共同驱动淡化活塞11和压缩活塞12上移。海水在水势能作用下，经海水进入阀ⅰ1、海水进入阀ⅱ2进入淡化腔14，中心浮球22内压缩气体经电磁流量阀ⅰ8进入压缩腔16，膨胀做功助推压缩活塞12和淡化活塞11上移，淡水腔13内的淡水随淡化活塞11的上移，经淡水排出阀20排出，膨胀腔15内气体在压缩活塞12推动下，经大气进入阀ⅱ9排出，直至淡化活塞11上移至淡水腔13顶部，海水进入阀ⅰ1、海水进入阀ⅱ2、电磁流量阀ⅰ8以及淡水排出阀20关闭，淡化活塞11上移至上限，上移结束。

淡化活塞下移过程，气体膨胀能驱动淡化活塞11和压缩活塞12下移，进行海水淡化。中心浮球22内气体经电磁流量阀ⅱ6进入膨胀腔15，推动压缩活塞12下移，带动淡化活塞11下移，海水在淡化活塞11的压力下，通过淡化活塞11内嵌的淡化通道41和反渗透膜42，将淡水送入淡水腔13，压缩腔16内气体无阻经大气进出阀ⅰ7、大气进入阀ⅱ9自由排出，淡化活塞11逐步下移至淡化下限位置，海水淡化完成，此时进入浓盐水废压利用阶段，大气进出阀ⅰ7、大气进入阀ⅱ9关闭，此时电磁铁3开启，圆盘式端盖27上移，淡化腔13内残留的高压浓盐水经浓盐水排出通道ⅰ45自动进入膨胀腔15，压缩腔16内气体在浓盐水的废压能作用下进行压缩，高压气体经单向阀ⅰ10进入中心浮球22，直至压缩活塞12下移至压缩腔16底部，浓盐水在自身废压的作用下经浓盐水排出阀ⅰ4、浓盐水排出通道ⅱ47以及浓盐水排出阀ⅱ5排出，淡化活塞11下移至下限，下移结束。