风能或海洋能的负成本海水淡化的制作方法

专利名称：风能或海洋能的负成本海水淡化的制作方法
技术领域：
本发明涉及电化学、风能或海洋能利用、海水淡化、海洋气象、地理、船舶和航海等多领域交叉的技术领域，尤其是风力发电、直流电解和电渗析及反渗析技术领域。
目前，公知的较成熟的海水淡化技术有多级闪蒸法、多效蒸馏法，需要(电厂供应)热蒸汽和另外的电耗约3-5KWH/T(度/吨淡水)；低温压汽蒸馏法，不需要蒸汽，电耗约7-12KWH/T；反渗析法电耗约3-7KWH/T，海水反渗析膜的寿命在3年多，还需要化学药品做海水消毒、过滤的预处理。总起来看，现行海水淡化方法的成本在人民币5-12元/吨的水平，这是制约海水淡化技术大规模应用的瓶颈。
目前公知的海洋能利用技术主要有潮汐发电、波浪发电、温差发电、海流发电等，由于沿海海面和海岸的风速较高并与海水淡化直接相关，风力发电也是重要的濒海能源利用方式，这些技术的缺点是发电量、频率和电压的不稳定，若要稳定并网则需很大的工程造价。
但是，海水淡化系统和利用风能或海洋能系统的各自的缺点和高成本，一旦通过本发明的方法结合起来，就可以成为巨大的优势，实现本发明的负成本海水淡化的发明目的。
本发明的目的是这样实现的无论风能或海洋能发电如何不稳定，将不稳定的交流电能整流成直流，直接用于电解海水都是可行的，电解产生的氯气、氢气和化学品都是重要的化工原料和清洁能源，电解产生的热量使水温升高，升高的水温不仅构成低温压汽蒸馏法所需的水温差(2.5℃)且易于达到更高的温差，升高的水温也使反渗析易于进行；电解后得到淡化水，可以直接产出或经简单淡化处理后产出成为优质淡水；风能或海洋能转换成的机械能可以不必转换为电能，而是直接驱动海水淡化机械，例如直接驱动反渗析法建立渗透压所需要的水泵；风能或海洋能以本发明的方法也可以直接以海水位能的压力驱动反渗析过程输出淡水。由于各项产出的价值远大于系统造价的折旧与维护营运费用之和，故本发明的海水淡化系统工程的综合成本为负。
本发明的关键技术特征在于1 省去风能或海洋能发电的造价高昂的电力稳定系统。风能或海洋能本身的不稳定，决定了其发出电力在功率、频率、电压等要素方面的大幅度随机变化，无法并接电网输出，而把这种原始不稳定电力转换为功率、频率和电压都达到并网的稳定度要求的电力稳定系统的造价，要远高于发电装置本身的造价。本发明将风能或海洋能发电的不稳定交流电力经简单整流变成不稳定直流电力，就地用于海水淡化，而本发明的淡化方法无须稳定的电力，这样就省去了风能或海洋能发电造价高昂的电力稳定系统。
风能或海洋能直接转换首先得到的机械能可以不必转换为电能，而是直接驱动海水淡化机械，例如驱动抽取海水的海水泵、驱动输送淡水的淡水泵、驱动反渗析法的加压水泵、驱动蒸馏法用的风扇、气泵和真空泵等。
风能或海洋能转换得到的电能和机械能虽然仍是不稳定的，但是用于海水淡化时，不影响淡化的效果，只影响淡化的个别速率，而且，某一台淡化设备的个别淡化速率虽是随机变化的，但是用本发明得到的遍布整个地区的大量个别的淡化设备合成的总淡化速率却是稳定的，它与该地区的气象、海文状况决定的自然条件功率一致，例如使用风能时，海水淡化的总速率与平均风速代表的自然条件功率成正比，使用潮汐能时，海水淡化总速率与潮汐落差代表的自然条件功率成正比，总体效果是均匀稳定的。
2 现行的海水淡化方法是无法利用不稳定直流电力的。必须提出可以直接利用不稳定直流电力的新淡化方法，即直流电解和电渗析淡化法，使海水中的盐碱成分电解为氯气、化工原料和氢气析出，剩余的水成为淡化了的水，即电解淡化水。
3 对电解淡化水再经简单、低成本的再淡化处理，就得到优质淡水。是否需要再淡化处理，视用途决定的对淡水纯度的要求而定，例如一些工业用淡水、冷却水的纯度要求较低，而饮用水要求的纯度就较高。而这种简单的再淡化处理，仍可以在本发明的电解综合淡化系统中直接利用风能或海洋能。对海水淡化过程析出的浓盐水再做直流电解和电渗析淡化处理，就得到电解淡化水和氯气、氢气和化工原料。两种方法的合理配合、整体的或局部的循环使用，就得到优质的淡水、氢气、氯气和化工原料，这样产出的纯净的两气一水和化工原料，其价值远大于营运维护费用与固定资产折旧和可能的贷款利息之和，所以称之为风能或海洋能的综合负成本海水淡化。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。


图1是电渗析—普通淡化方式实施例的原理示意图。
图2是说明整流器并联、电解槽电串连、水并联实施例的示意图。
图3是说明能源转换装置为风轮机的实施例的示意图。
图4是说明风轮机—水泵—水池实施例的示意图。
图5是说明冰山半边融解法的示意图。
图中，1-风能或海洋能机械转换机构，将风能或海洋能转换为机械能；M-风能或海洋能机械转换机构输出的机械能；G-发电机，本例中指交流发电机；D-整流器；2-直流电解槽，本例中指电渗析电解槽；SW-输入的海水；CL2-电渗析电解槽析出的氯气；H2-电渗析电解槽析出的氢气；B-电渗析电解槽析出的化工原料溶液；FW-电渗析电解槽输出的淡水；P-水泵；3-普通淡化装置；PFW-输出的纯净淡水。
图中，D1，D2，D3，…，DM，是M个整流器；21，22，23，…，2N，是N个电解槽，电渗析电解槽是电解槽的一种，I是整流器输出电流，K是短路开关。
图中，12是固装于风轮机主轴11之上的风轮机浆叶，13和14是支承风轮机主轴11的轴承，15是风轮机支架，16是固装于风轮机主轴11之上的低速大齿轮，161是与低速大齿轮16啮合并驱动发电机G的高速小齿轮，162是与低速大齿轮16啮合并驱动水泵P的高速小齿轮。
图中，4是蓄水池，41是蓄水池面向海洋方向的矮墙，矮墙的高度为FML，42是面向海洋方向的闸门，FM是满潮水位高度，H为蓄水池最高水位，PIN是水泵P的吸水管，POUT是水泵P的排水管，31是反渗析槽3的入水管，32是反渗析槽3的出水管。
图中，IB是被拖到目标海区的冰山，C是输送淡水的渠道，BD是长堤或浮围堰，P1、P2、P3是经吸水管PIN直接从冰山表面上抽取融化淡水并经排水管POUT将纯净淡水PFW送入淡水槽C的冰面水泵，P4、P5、P6、P7是抽取目标海区海面表层淡水送入淡水槽C的水面水泵，HM是深色的金属或非金属材料的散碎的或整块的块、片、膜状物体组成的热覆盖层，这些物体是无污染的材料，热覆盖层对阳光和空气的热吸收和对冰层表面的传导散热、辐射散热，大大加快了覆盖区冰面融化的速度。
图1中，风能或海洋能机械转换机构1可以是公知的潮汐发电的水轮机，可以是公知的风力发电的风轮机，可以是公知的波浪发电的纵向波力装置、横向波力装置或变流波力装置，可以是公知的海洋温差发电的工质蒸汽推动的涡轮机，可以是公知的海流发电的水轮机，等等，是将风能或海洋能转换为机械能的机构，它的机械能M经机械轴、齿轮和/或皮带轮、链轮和/或升速机等公知的机械传动机构输出，一路传给发电机M，另传给水泵P，发电机输出的交流电能经整流器D整流成直流电能输给电渗析电解槽2，电渗析是在电场作用下利用离子交换膜分离阴离子和阳离子的电解过程，是公知技术，海水中的氯化钠等盐的CL负离子向阳电极电迁移形成氯气从阳极析出，NA正离子向阴极电迁移在阴极形成氢气析出并形成氢氧化钠溶液，氯气CL2、氢气H2、氢氧化钠等化工原料B被分别引出，是纯度达99.9％的氢气和99.3％的氯气产品和浓度达50％以上的氢氧化钠溶液产品B；电渗析电解槽的稀液出口得到淡水FW，经水泵P直接输出为普通产品淡水，水泵P将其它淡水FW压入普通淡化装置3，普通淡化装置可以是前述的公知的海水淡化装置的任一种，但是在本发明中使用低温压汽蒸馏法或反渗析法更适合—因为无需额外的蒸汽，在本实施例中用反渗析法淡化装置，它是利用外加压力使海水中的盐碱类组分在反渗析膜的选择型透过的作用下分离出来从而得到纯净淡水和浓盐水的公知技术，水泵P既提供了反渗析法克服渗透压的水压，也提供了可以有效提高电渗析电解生产率的真空度—压力差。水泵P只要建立很低的压力就可以工作，因为反渗析法需要的水压随入水的盐含量浓度降低而降低，经过电渗析电解槽的FW淡水的盐浓度本已很低，相应所需的水压也就很低，这就使得风能或海洋能机械转换机构输出的机械能功率较低时(因于自然条件功率低，如风轮机在风速较低时、波浪能转换装置在波高较低时等)，系统也可正常工作。
本发明在自然条件功率高低波动时都能自动保持系统工作的平衡当自然条件功率低时，风能或海洋能转换装置输出的机械功率低，驱动发电机产生的电功率低，整流得到的直流电功率低，电解和电渗析的速率低，淡水生产率也就低，当反渗析槽的输入水流量低时，它需要的建立水压的水泵的功率也就可以低，这样整个系统仍旧保持平衡，只是总体的淡水生产率较低。反之，当自然条件功率高时，系统在高功率下平衡工作，总的淡水生产率也高。
反渗析槽输出的是纯净淡水PFW，比电渗析电解槽直接输出的淡水质量更高。由于渗析法产出的水是PH值6.3左右的微酸性的水，通常需要加硷溶液中和，在本发明中，正可以取用前序电解槽产出的氢氧化钠溶液做所需要的中和。
反渗析法通常需要灭菌等海水预处理，本发明中，前序电解槽已兼起到相当程度的灭菌作用，因而水预处理得以简化。
由于电解槽的槽电压通常较低而电流密度很大，例如离子膜槽的槽电压只有3.5V，而电流密度却高达4500A/m2，这样电解槽要电串连使用才行。风能或海洋能转换装置驱动的发电机发出的电能相对而言是高电压小电流的，因此各个发电机发出的交流电经各自的整流器整流后要并联起来，电流才够用。图2中，M个发电机发出的交流电力经各自的整流器D1、D2、D3、…、DM整流，这些整流器输出并联，得到的直流电流叠加得到输出电流I，构成直流电源。由于整流器的单向导电作用，当某一个发电机—整流器给出的电动势较弱时，它或是提供较小的电流，至多提供不出电流，但是不会出现直流电流回流到该发电机的消耗，这样并联的结果，消除了各个发电机在其风能或海洋能转换装置得到的自然条件功率不均衡时的供电差异，而自然条件功率整体减弱时，如前述只是整体降低了淡水的生产率。电源正极(本例中电源负极接地)连接电解槽21的正电极，21的负电极连接电解槽22的正电极，22的负电极连接电解槽23的正电极，…，如此串连，直至连接到最后一个电解槽2N的正电极，2N的负电极则与电源的负电极相接。这些电解槽串连得到的端电压是各槽压之和，由于电解槽的槽压是其电化学作用决定的本征电压，极其稳定，故串连电解槽仍相当于一个巨大的电解电容器，吸收了电源的不稳定。串连电解槽端电压是一个稳压源，它可以在不稳定的自然条件功率下，提供一个稳定电源，供给海水淡化系统的非由风能或海洋能转换装置输出的机械能直接驱动的动力装置(如风扇、压缩机、气泵和水泵等)以稳定电驱动的电力，特别是当滩涂较宽，需要在近海岸的海面上建立(浮动)泵站抽取洁净海水送到岸上的海水淡化装置和/或蓄水池时，提供这个泵站直流电动机以稳定且可人为调速需要的直流电力。当自然条件功率较强时，电源电动势提高、串连电解槽端电压不变而电解槽通过的电流I加大，淡水生产率相应提高，反之生产率就低。由电化学反应、电解槽正常生产的最低水通量决定的最低电流，本发明称为生产的下限电流IMIN，显然自然条件功率决定的电源电动势EMIN应满足EMIN≥IMIN*(RD+R2)式中，RD是电源内阻，由各个发电机—整流器分电源的内阻并联得到，R2为串连电解槽内阻，由各个串连电解槽的内阻相加得到。电解槽的稳压作用来自R2远小于RD，降低RD可以得到较低的EMIN。EMIN是由自然条件功率和电源结构决定的。为求取低造价，当发电机使用3相感应电机、整流器用3相桥式硅整流时，RD受造价因素限制不能很低。应设计使得EMIN低于平均自然条件功率对应的电源电动势EA，并辅以对电解槽串连数目的开关调节，基本方法有在自然条件功率决定的电源电动势E低于EMIN时，闭合短路开关K，使部分电解槽短路，电解槽串连的数目减少，串连电解槽端电压降低，对应的EMIN降低，以维持未被短路的电解槽的正常生产。当短路开关K闭合时，被短路的电解槽的水流通也应被相应的阀门切断。最大自然条件功率对应的电源最大输出电流IMAX应不大于电解槽许用的最大电流密度，也不大于发电机和整流器能够承受的短时电流，前者易于满足，后者可以设置保护电路，例如在IMAX超限时，降低发电机的励磁电流。大规模系统使用计算机控制是合理的，无庸赘述。
图2示意的电串联、水并联的实施例，海水SW同时并联通入各个电串联的电解槽(被短路开关短路的除外)，各电解槽经电解得到的淡化了的水FW并联输出，可以直接输出和/或经上述的普通淡化装置如反渗析槽做再淡化处理。所以称这种方法为“电串联、水并联”方式。
图3示意了能源转换装置为风轮机的一种实施例。采用了能适应各种风向的垂直轴风轮机，风力推动浆叶12转动经轴承13、14支承于支架15的风轮机主轴11，支架将浆叶支承到适当高度以得到较大的风力并使浆叶扫掠面积下面的空间可以利用来放置电解槽、反渗析槽等淡化装置，主轴11上的低速大齿轮16驱动发电机高速小齿轮161和水泵小齿轮162，从而实现升速驱动发电机G和水泵P，被驱动的发电机和水泵应对称置于低速大齿轮两边，以抵消啮合力对主轴轴承施加的负荷，提高装置的机械效率。低速大齿轮可以不止驱动1台发电机和水泵，还可以用同样的方式驱动其它水泵、风扇、空气压缩机、真空机等淡化设备，它们的高速小齿轮也应围绕低速大齿轮均匀放置。发电机G和水泵P按前述连接在本发明的海水淡化系统中。风轮机用低速大齿轮的每毫米齿宽啮合力较小，可以使用经济的工程尼龙齿轮，而高速小齿轮可用工程尼龙或铸铁材料。由于开式齿轮传动的效率只有0.9左右，闭式齿轮传动(齿轮箱)的效率可达0.96，为提高系统效率也可以用齿轮箱做升速。按照Betz定理的理论风能利用系数、机械装置的效率、发电机和整流器的效率，风能转换为机械能的机械转换效率EM约0.4--0.45，转换成直流电能的直流电能转换效率ED约0.3--0.4，而风能在风轮机上的自然条件功率PW＝0.5*ρ*υ^3*F(W)式中，ρ为空气质量密度，取1.29公斤/立方米(0℃，标准大气压)；υ为风速，米/秒；F为浆叶扫掠的园面积，平方米。
风轮机—水泵实施例设使用上述垂直轴风轮机为转换装置，不设发电机及整流器，由风轮机直接驱动水泵提供反渗析槽需要的水压，即不用发电机、整流器、电渗析电解槽，由图3所示的风轮机低速大齿轮对称地驱动3台水泵P，即3台水泵的高速小齿轮在低速大齿轮圆周成120度均布啮合，来提供图1所示反渗析槽3所需要的水压。3台水泵借助阀门组在风速高的季节并联输出(即出水端并接汇流)以得到大流量，在风速低的季节串连(即中间一台的入水端接前一台的出水端，而中间一台的出水端接后一台的入水端)连接以得到足够的水压，季节风向变换导致可能的风轮机转向反向之际，利用该阀门组将水泵反接使得反渗析槽的应有水流方向不变。这样省略了发电机和整流器的电转换环节，水泵上得到较高的以机械转换效率EM转换的机械能M。设地域为天津市大港区海岸，年平均风速4.1米/秒，风速的变幅较小，最大风速约23米/秒在1季度风速频率按10％。设风轮机空气动力系数0.7，使用图3所述开式齿轮升速，机械转换效率EM＝0.42，浆叶半径20米，则平均风速下3台水泵P得到的机械功率PE＝0.5*1.29*4.1^3*3.14*20^2*0.42＝23450W在制水能耗5千瓦时/吨(包括提取海水和输送淡水)的平均效率下，年总淡水产量QFW＝23.45*24*365/5＝41080吨/年当出现最大风速23米/秒时，对应的最大机械功率可达4140KW，在使用直径180毫米的球墨铸铁主轴和节圆直径900毫米的球墨铸铁低速大齿轮时，在上述风速频率下的曼尼疲劳寿命应力循环次对应的使用寿命超过20年。但峰值功率下水泵和反渗析槽超载，需加限压溢流装置提供保护。
在以3000套本发明上述风轮机—水泵实施例的海水淡化设备的规模实施时，每套设备风轮机—水泵部分的造价约每千瓦2700元(均指人民币)，连同反渗析淡化装置的整套设备折旧小于1.6万元/年，维护管理费用按总计150人、每人3万元/年计算维护管理的人事费用，按造价的7％计算维护修理费用，资金成本按息率7％，则平均每套设备的年成本约4万元；每套设备年均产出淡水4.1万吨，天津地区水价高于2元/吨，则每套设备的净收益为2元/吨*4.1万吨/年-4万元/年＝4.2万元/年因为是完全利用风能或海洋能制造淡水，故将净收益看成负成本。
3000套设备的系统规模，将每年产出约1.2亿吨淡水，相当于为天津地区人口每人每月增加1吨淡水。总的净收益也达1.26亿元/年。
风轮机--水泵—水池实施例如图4的示意，蓄水池4在向海洋侧有高度为FML的矮墙，以使涨潮时水位越过FML向蓄水池充水，将蓄水池水位充至满潮水位FM，闸门42在涨潮充水时开启使海水涌入，在退潮时关闭防止池水回流。风轮机1置于蓄水池顶部是为了利用蓄水池的建筑高度取得较大的风力，风轮机以机械方式—如前述的齿轮传动方式—直接驱动水泵P，水泵P经深入海水的吸水管PIN将海水SW抽上来，再经排水管POUT注入蓄水池4，可使水位达到最高水位H，经常保持在H附近的水重力位能提供了反渗析槽3海水透过反渗透膜所需要的压力，入水管31将高压海水引入反渗析槽3，透过反渗析膜成为纯净淡水PFW经出水管32输出。不稳定的风力和海水的潮汐起落在蓄水池的作用下成为稳定的高位水压，使淡化装置的生产率趋于稳定。入水管31在蓄水池的入口应如图示，高于蓄水池底部，以免吸入池底积淀。蓄水池兼起到反渗析法海水预处理应有的澄清沉淀、凝絮过滤及加氯消毒后去除余氯等工序要求。特别要说明的是，由于风轮机的机械输出功率与风速的3次方成正比，因此高风速的季风或阵风对蓄水池的蓄水贡献非常大，例如前述天津大港区的风速分布，计算可知在23米/秒风速的1分钟的蓄水贡献相当于平均风速近3个小时蓄水贡献，蓄水池使得高风速风能未因淡化装置的瞬时最大生产能力的限制而被浪费。当潮汐位差较小等因素使得引入潮水在价值工程考量上价值较低时，可以省去潮水引入的设计，蓄水池的矮墙41、闸门42等设施相应省去。当从蓄水池高度--造价等因素考量，最高水位H的设计不能够达到反渗析槽要求的水压时，则仍可设置反渗析槽的加压水泵，由风轮机直接驱动。
风轮机—水泵—蓄水池实施例的能源转换装置是风轮机，如果自然条件适合采用其它前述的能源转换装置，则可将本实施例方法的风轮机换成其它能源转换装置，用来驱动水泵向蓄水池蓄水。
本发明所述的反渗析法产生的浓盐水，都可以再经电渗析--电解槽或其它公知的处理方法解析和处理，得到氢气、氯气、其他化工原料和淡水，也就是说，可以将反渗析法作为前序处理，其浓盐水产物可经电渗析—直流电解方法作再处理得到氢气、氯气和氢氧化钠等化工原料，还可以将这样再处理得到的淡化的水再经反渗析处理，形成循环系统，使淡水产量、氢气、氯气和有关化工原料的产出得以最大化。本发明所述的使用风轮机等风能和海洋能转换装置直接发电整流得到的不稳定的直流电力进行电解的方法也可以用来作海水综合利用的深度加工，例如前述电渗析—电解槽产生的氢氧化钠溶液仍可进一步电解为氢气和氧气，也可以同时利用电解合成技术制造化工原料，例如在电解制取氢气、氧气、氯碱时，还可以电解合成制取单质氟、氯酸盐、过氯酸盐、过锰酸钾、铬酸、重铬酸钾等无机氧化剂，进一步制取碱金属等，氢气又可以用来氢能发电，发出稳定电力，反应物又产生淡水，这些电解深度加工和氢能发电等属于公知技术，就不细述了，但是，在本发明的大规模风能和海洋能海水淡化系统加入这些深度加工，显然使总产出的价值大幅提高，也利于系统的内部配套，例如上述氢能发电发出的稳定电力又可满足系统内需要稳定电力的驱动和照明的需要，等等。
冰山牵引和融化提供淡水的实施例北冰洋和南极拥有大量冰山，这些冰山是海洋里冰态的纯净淡水。选择面积适合、水下深度较薄的冰山，如果这块适宜的薄冰山—目标冰山是与更大的冰原连接着的，可以沿分割线每隔一定距离就钻孔放置炸药，同时引爆这些炸药，使目标冰山沿分割线裂解独立出来，这种爆炸的方法也可以用来使目标冰山获得起始运动的动力，目标冰山起始运动后，已做好桩--缆连接的大马力拖轮拖动冰山航行，也可以使用船舶顶推冰山航行。冰山航行的摩擦阻力，因水中冰的薄融解层的存在而大为降低；为了降低冰山航行时的形状阻力，航向取冰山形状的长轴方向，冰山较大的凸出部分应用上述的爆炸分割法切掉，以得到形状阻力较小的形状；冰山航行的兴波阻力则随航速的降低而急剧减小。也可以将发动机—螺旋桨驱动装置直接安放在冰山尾部，螺旋桨伸入海水中直接驱动冰山的航行。除了人为动力外，可以利用洋流和风力的自然动力。当一股洋流的指向航行目的地的速度分量为正矢量时，这股洋流有利于冰山的推进，冰山进入洋流后，牵引船舶的牵引方向和牵引力应使得与洋流速度方向的合成结果最优化地利于缩小冰山与目的地之间的距离，航行的速度合成问题属于公知技术，这里不细述。可以在冰山上设置帆，以利用风力驱动冰山，操纵帆使得在给定风向时得到缩小冰山与目的地之间距离的最优结果也是属于公知技术，这里不细述，需要指出的是，北冰洋及附近海域常有强大的风力，其风向也常对指向低纬度的航行有利。在常年平均气温低于零度的高纬度地区，不适合作为牵引冰山的目的地，因为将冰山牵到那里也不易融化，难以得到淡水。在南、北回归线之间的低纬度地区，将冰山牵到那里，途中融化损失的淡水会比较多。其间的中间纬度的地区是适宜的。航行的季节也很重要。例如从北冰洋向中国的渤海湾西岸牵引冰山，那么在北冰洋的牵引起始时间应为春、夏季，牵引到白令海域进入秋季，冬、春季节牵引到渤海，则途中平均气温很低，一般在摄氏零度以下，海水温度是接近零度的低温，冰山的自然融解的速度很低，并有风浪作用在冰山周缘冻结披挂上新的冰层。冰山牵引到目的地后---这里以渤海西岸为目的地例，以求解决京津地区缺水问题---可以有3种方法实现淡水取用方法1浮围堰法。将冰山牵引到目标海区，目标海区是目的地沿岸有显著内凹的小海湾或海峡，或有适宜岛链可以围成的浅海区域，将冰山牵引到目标海区后，在目标海区通向海洋的出口---上述小海湾或海峡的出口、上述岛链沿线设置浮围堰---一种以浮筒、泡沫塑料、工程尼龙和塑料板、帘膜等廉价轻比重材料构成的浮在海面上、深度(浮立在表层海水中的上述轻比重材料的板或帘膜的墙的高度)约数米的表层海水阻挡分隔线，由于淡水比重较海水轻，冰山融解淡水先是浮在目标海区的表面构成表层淡水，表层淡水被浮围堰阻隔不能流出目标海区，在目标海区沿岸设置的强大的抽水泵抽取表层淡水输送到沿岸的淡水蓄水池和直接送入城市地区，在数月以至数年的时间内，随着冰山的融解，使绝大部分融解淡水得到收集利用。
方法2切片法。将冰山切成面积较小、厚度为数米至数十米的薄冰片，例如长数百米、宽数十米、厚5-10米的薄冰片，将切下的冰片用拖轮或船舶顶推或用固定缆—绞车牵引的方法，逐个拖带到目标海区---有围堤(防波堤、长桥改制成等等)围成的内海区或沿岸水库(如天津的北大港水库等)---之内，冰片的厚度较薄是为了在拖带过程中冰片不会触底，冰山逐片运至目标海区后，已将目标海区内的大部分海水挤出，此后，再用抽水泵将目标海区的底层水---因海水因比重大，底部水是海水---抽到大海，这样目标海区改造成为淡水库冰山融化在目标海区改造成的淡水库内，使绝大部分溶解淡水得到利用。向目标海区运送冰片可以利用涨潮时的推力和涨潮高水位，将目标海区---淡水库内的海水排出可利用退潮机会，使大量海水自行从打开的闸门流回大海，抽水泵要排的只是残余海水，以节省能耗。将冰山切成薄冰片的方法很多，其中一种是，当冰山的总厚度较薄时，由履带式工程机械带动一个半径达到或接近冰山总厚度的圆形刀锯片，工程机械的动力输出装置经改装的刀锯轴驱动刀锯片转动切割冰，工程机械的履带行走机构沿冰山边缘的预定直线行走，拖动刀锯片进刀，在冰山边缘割出薄冰片。另外，也可以使用前述的爆炸分割法将冰山分割成能够拖带输送的较小冰块；还可以利用定向爆破法，在分割冰山的同时协助将冰块定向推送到目标区域。
方法3半边融解法。如图5的示意，将冰山送到目标海区通向海洋的出口，利用前述的浮围堰BD和冰山自身分隔目标海区与海洋---右边是波浪线表示的海水SW，左边是横短线表示的(表层)融化淡水，热覆盖层HM使冰面加速融化，融化的淡水被热覆盖层之间设置的多孔的长金属吸水管PIN吸走---当冰面较高时在重力作用下冰面水泵P1、P2、P3的功耗可以很小，并被冰面水泵送入淡水槽C；冰山周缘融化的淡水，被浮围堰隔绝在左侧的目标海区，并被水面水泵P4]P5、P6、P7抽取送到淡水槽C；淡水槽C汇集了冰山融化的纯净淡水PFW送出到用水城区；由于目标海区的内侧冰山在热覆盖层HM的作用下融解速度远大于未覆盖热覆盖层的冰山朝海洋的外侧，因此内侧冰面迅速融化低陷，使得表面融化的淡水向内侧流被冰面水泵的吸水管吸走而不致向冰山的外侧流失，这保证了冰山融化的淡水的大部分被收集利用，因此这个方法叫“半边融解法”。冰山外侧和在浮围堰以右(图5)的外周缘融化的淡水是流散损失的淡水，冰山外侧的表面积越小则流散损失淡水越少，完全用浮围堰将冰山围入内侧就将淡水损失降到最低。
这就是说，本发明所述的浮围堰法、切片法和半边融解法可以结合使用，求取最佳价值工程效果。并且，抽取冰山融化淡水的各种水泵以及有关设备，仍可以利用本发明所述的风轮机和其它海洋能能量转换装置将风能或海洋能转换为机械能直接驱动；仍可以利用前述蓄水池的矮墙和闸门及与蓄水池连通的淡水管，在涨潮时使表层淡水漫过矮墙进入蓄水池，矮墙可以起到放入表层淡水而隔绝下面的海水入池的作用，退潮时关闭闸门防止蓄水池内的淡水流回海面，而蓄水池水位的水压有助于节省向淡水管输送淡水的水泵的能源消耗。
作为计算的举例，从北冰洋牵引一块长约15公里、宽约5公里、厚约100米的大致椭圆型冰山，用爆炸法获得起始移动的动力，利用大马力拖轮拖动和顶推，冰山上设置大幅和足够数量的帆，利用可利用的洋流，穿过白令海峡，向西南经日本择捉、雅内北进入日本海，经朝鲜海峡后折向西北经黄海，在4-5月份进入渤海西岸靠近天津的目标海区，利用涨潮机会顶推搁浅，在其东缘建立浮围堰隔绝融化淡水向渤海湾的流失，按照半边融解法敷设热覆盖层、设置冰面水泵和水面水泵及淡水槽，淡水槽通天津市城区和邻近的一些水库。这样的冰山融化期可收集利用约4立方公里、约35亿吨纯净淡水，可单独供1000万人口的天津地区使用10-20年，或使天津地区30年不缺水。从经济效益角度看，上述过程的工程成本，按牵引用柴油机燃耗率150克/马力小时、抽水泵使用高效大功率离心水泵、浮围堰每米造价1000元、淡水槽用大直径水泥涵管粗略估算，大约3-7亿元，而35亿吨纯净淡水在天津地区的价值不低于70亿元。
权利要求
1一种海水淡化方法，它利用将风能或海洋能转换为机械能的能量转换装置和海水淡化装置，其特征在于能量转换装置将风能或海洋能直接转换得到的不稳定机械能和/或不稳定直流电能直接用于驱动可使用不稳定能量供应的海水淡化装置，得到生产率不稳定的廉价淡水。
2如权利要求1所述的海水淡化方法，其特征在于所述的能量转换装置是将风能转换为机械能的风轮机，风轮机直接驱动海水淡化装置的水泵和/或风扇、空气压缩机等设备。
3如权利要求2所述的海水淡化方法，其特征在于所述的海水淡化装置是反渗析法的反渗析槽，水泵为反渗析槽提供所需要的水压。
4如权利要求3所述的海水淡化方法，其特征在于还包括蓄水池，水泵将海水提升储存于蓄水池到达足够高的水位，产生的水压使与蓄水池接近底部相通的反渗析槽进行海水淡化，当蓄水池水位的压力不足时，水泵协助增加水压达到反渗析法需要的压力，水泵可置于蓄水池的顶部以得到较大的风力。
5如权利要求1和权利要求4所述的海水淡化方法，其特征在于除利用风能外还利用海洋的潮汐能，蓄水池向海洋的一面有矮墙和闸门，在涨潮时闸门打开让海水越过矮墙进入蓄水池，在退潮时闸门关闭保持池内的水不回流，以协助建立反渗析槽需要的水压。
6如权利要求1所述的海水淡化方法，其特征在于所述的能量转换装置直接驱动发电机经整流器得到不稳定直流电，所述的海水淡化装置是电解槽，包括电渗析电解槽，在不稳定直流电作用下电解海水或浓盐碱水，在阳极得到氯气，在阴极得到氢气，以及得到氢氧化钠等化工原料，并得到淡化了的淡水，多个电解槽在电极性上是串连接于上述不稳定直流电源，而它们的输出水管是并联的，电解槽各产出物的生产率是随自然条件功率增减而增减的。
7如权利要求2和权利要求6所述的海水淡化方法，其特征在于所述的能量转换装置风轮机同时直接驱动水泵和发电机，电解槽得到的淡水可以再经过反渗析槽得到更纯净的淡水，反渗析槽析出的浓盐碱水可在电解槽电解成氢气、氯气和化工原料以及淡化水，结合使用可以使海水得到深度加工，淡水和氢气、氯气及各种化工原料的产出得到最大化，产出的氢气可再做氢气发电得到稳定电源用于海水淡化系统。
8一种利用风能或海洋能和冰山获取海洋中的淡水的方法，其特征在于在南极或北冰洋选定较薄的适合的冰山，将冰山牵引到使用淡水地区沿岸的目标海区，可以使用爆炸法分割出冰山和/或使它获得起始移动的动力，利用大马力船舶拖动或顶推牵引冰山航行，以在冰山上装置的帆利用风能推动冰山航行和/或利用洋流海洋能推动冰山航行，在较暖的季节在高纬度海域航行，在较冷的季节进入较低的纬度的海域航行，目标海区是凹陷的小海峡、小海湾或/和有可资利用的岛链，可以将冰山用切片法切成薄冰片以便于进入目标海区，利用浮围堰将冰山融化的浮在海面的表层淡水与外侧海水隔绝开来用水泵抽取获得这些表层淡水，利用深色的金属或非金属材料的散碎的或整块的块、片、膜状物体组成的热覆盖层覆盖在冰山内侧表面加快冰面的融化用冰面水泵抽取获得这些融化的淡水，使冰山淡水的绝大部分得到收集利用。
9如权利要求1和权利要求8所述的得到海洋中的淡水的方法，其特征在于所述的将风能或海洋能转换为机械能的转换装置直接驱动抽取冰山融化淡水的水泵，以减少获取淡水的能耗。
10如权利要求8所述的方法，还使用向海洋一侧设有矮墙和闸门的蓄水池，其特征在于蓄水池与收集淡水的淡水管连通，利用潮汐海洋能，在涨潮时打开闸门让冰山融化的表层淡水漫过矮墙进入蓄水池，在退潮时关闭闸门防止池内淡水流回海面，蓄水池的水压可以减少向淡水管输送淡水的能耗。
全文摘要
一种从海洋中获取淡水的方法，利用转换装置1将风能或海洋能转换成不稳定的机械能M和/或直流电能，用以直接驱动电渗析电解槽2、反渗析槽3等海水淡化装置，配合使用蓄水池建立水压，得到廉价的淡水以及氢气、氯气和化工原料。利用风能或海洋能协助将两极的冰山牵引到目标海区，用浮围堰法、切片法和半边融解法收集利用绝大部分冰山融解的纯净淡水。
文档编号C02F1/44GK1530332SQ0312033
公开日2004年9月22日 申请日期2003年3月11日 优先权日2003年3月11日
发明者郑悦, 郑 悦 申请人:郑悦, 郑 悦