一种自发电型船舶淡水补充设备的制作方法

一种自发电型船舶淡水补充设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种高效率、低能耗、低造价、活化简便、无额外耗能的自发电型船舶淡水补充设备，包括一个集成控制系统，与所述集成控制系统相连的至少一个海水脱盐系统和至少一个波浪压电发电机；所述海水脱盐系统包括壳体，位于所述壳体上方的海水进水口，位于壳体内的进水缓冲层和多个电极板；所述进水缓冲层位于海水进水口的下方，所述电极板位于进水缓冲层的下方；所述壳体的下方设有分流装置，所述壳体上设有竖直设置的电极，所述电极板与集成控制系统相连；所述电极上设有多个外接头，所述电极与外接头相连；所述电极板上层设有活性炭吸附层。本实用新型的一种自发电型船舶淡水补充设备，成本较低，体积小巧灵活，能量损耗小。
【专利说明】一种自发电型船舶淡水补充设备
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种船舶海水淡化系统，尤其是一种自发电型船舶淡水补充设备。
【背景技术】
[0002]远洋运输及其船舶在经济全球化时代在促进国际物流、增进国际贸易方面担负着越来越繁重的任务，发挥着越来越重要的作用。
[0003]船舶动力装置需要消耗大量淡水，主要用作柴油机冷却水、锅炉给水、蓄电池用水等。这些淡水当然可以设专用水舱储存，但是对于远洋船舶，由于连续航行时间长，离开补给基地远，要储备足够多的淡水，必然要减少载货吨位，影响运输能力的充分利用；同时如果淡水储存时间长，也容易被细菌污染而变质；远洋船舶航行的生命力，也要求能源源不断地补充淡水，以适应海上航行多变的气象和工作条件，而单纯的用水舱储存的淡水，就难以达到这个目的。
[0004]其次，由于化石能源的不可再生，人类也面临着日趋严峻的能源危机。目前，世界各国都在开发新能源，例如:太阳能、风能、波浪能、潮汐能、地热能生物质能等一系列可再生能源。海洋波浪蕴藏着巨大的能量，正弦波浪每米波峰宽度的功率P?HT kW/m。式中，H为波高，m ；T为波周期，S。通过某种装置可将波浪的能量转换为机械的、气压的或液压的能量，然后通过传动机构、气轮机、水轮机或油压马达驱动发电机发电。全球有经济价值的波浪能开采量估计为I?10亿kW。中国波浪能的理论储量为7000万kW左右。
[0005]现有的海水淡化系统包括如下几种:
[0006]1、冷冻法
[0007]即冷冻海水使之结冰，在液态淡水变成固态冰的同时盐被分离出去。冷冻法得到的淡水味道不佳，难以使用。真空冷冻海水淡化法工艺包括脱气、预冷、蒸发结晶、冰晶洗涤、蒸汽冷凝等步骤。此方法腐蚀、结垢轻，预处理简单，设备投资小，并可处理高含盐量的海水，海水淡化水产品可达到国家饮用水标准，是一种较理想的海水淡化法；但能耗较大。
[0008]2、反渗透法
[0009]通常又称超过滤法，是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。反渗透法的最大优点是节能；但反渗透膜需要较大的工作压力，设备要求高，效率较低。
[0010]3、太阳能法
[0011]主要是利用太阳能进行蒸馏。此方法结构简单、取材方便，具有安全、环保等优点，不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高；但太阳能设备造价昂贵，受地域限制大，难以大规模使用。
[0012]4、低温多效
[0013]低温多效海水淡化技术是指盐水的最高蒸发温度低于70°C的淡化技术，其特征是将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，用一定量的蒸汽输入通过多次的蒸发和冷凝，后面一效的蒸发温度均低于前面一效，从而得到多倍于蒸汽量的蒸馏水的淡化过程。低温多效蒸馏是蒸馏法中最节能的方法之一；但是其单机造水效率低，技术要求高。
[0014]5、多级闪蒸
[0015]所谓闪蒸，是指一定温度的海水在压力突然降低的条件下，部分海水急骤蒸发的现象。多级闪蒸海水淡化是将经过加热的海水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发，将蒸汽冷凝而得到淡水。多级闪蒸技术最成熟，运行安全性高弹性大，可以达到较大规模；但一般需要与火电厂联合建设，独立性低，耗能较多，传热效率有限，能量利用率低。
[0016]6、电渗析法
[0017]电渗析法是将具有选择透过性的阳膜与阴膜交替排列，组成多个相互独立的隔室海水被淡化，而相邻隔室海水浓缩，淡水与浓缩水得以分离。其优点是可以处理不同水质并对可对不同水质进行分离提纯；缺点是在各种方法中耗能最高，规模较小，效率较低。
[0018]7、压汽蒸馏
[0019]压汽蒸馏海水淡化技术，是海水预热后，进入蒸发器并在蒸发器内部分蒸发。所产生的二次蒸汽经压缩机压缩提高压力后引入到蒸发器的加热侧。蒸汽冷凝后作为产品水引出，如此实现热能的循环利用。虽然此方法可以对热能进行循环利用，但能耗仍不容乐观，需要较高设备来提高压力。
[0020]8、露点蒸发法
[0021]露点蒸发发基于载气增湿和去湿的原理，同时回收冷凝去湿的热量，传热效率受混合气侧的传热控制。露点蒸发淡化技术是以空气为载体，通过用海水或苦咸水对其增湿和去湿来制得淡水，并通过热传递将去湿过程与增湿过程耦合，使冷凝潜热直接传递到蒸发室，为蒸发盐水提供汽化潜热，以提高过程的热效率。此方法是一种新型的苦咸水和海水淡化方法，但技术尚不成熟。
[0022]9、水电联产
[0023]水电联产主要是指海水淡化水和电力联产联供。由于海水淡化成本在很大程度上取决于消耗电力和蒸汽的成本，水电联产可以利用电厂的蒸汽和电力为海水淡化装置提供动力，从而实现能源高效利用和降低海水淡化成本。国外大部分海水淡化厂都是和发电厂建在一起的，这是当前大型海水淡化工程的主要建设模式。但此方法对电厂的依耐性导致其难以普遍运用的缺陷。
[0024]10、热膜联产
[0025]热膜联产主要是采用热法和膜法海水淡化相联合的方式(即MED-R0或MSF-R0方式)，满足不同用水需求，降低海水淡化成本。其优点是:投资成本低，可共用海水取水口，主要缺点是能耗较高。
[0026]综合以上各种方法，主要是蒸发法(5种)和膜法(3种)，各种膜法淡化系统的规模相对较小，易腐蚀易堵塞，活化再生过程复杂；蒸发法能耗高，需要较多的能源；太阳能法、冷冻法和高压法对设备要求高，造价较高；除此之外，有些方法还需要依赖大型电厂联建，灵活度小。
[0027]上述已有十余种较主流的海水淡化技术和设备，可用于船舶海水淡化的主要有蒸发法、电渗析发、反渗析法等，而这些方法中耗能较多，但由于这些设备的种种局限性和技术的不完善性，作为船舶淡水补充设备，这些技术仍然有很大的不便，最核心的问题是这些设备需要消耗较多的能源，这大大加重了船舶的蓄能负担，而缺乏能源补给的海上船舶难
以供养。
实用新型内容
[0028]本实用新型提供了一种高效率、低能耗、自供能、低造价、活化简便的自发电型船舶淡水补充设备。
[0029]实现本实用新型目的的一种自发电型船舶淡水补充设备，包括一个集成控制系统，与所述集成控制系统相连的至少一个海水脱盐系统和至少一个波浪压电发电机；
[0030]所述海水脱盐系统包括壳体，位于所述壳体上方的海水进水口，位于壳体内的进水缓冲层和多个电极板；所述进水缓冲层位于海水进水口的下方，所述电极板位于进水缓冲层的下方；所述壳体的下方设有分流装置，所述集成控制系统外设上设有正、负两根电极插条，所述电极板上设有插头，所述电极插条上交替设有多个插孔；所述电极板的插头与插孔相连；所述电极板的插头依次交错接到正、负两根电极插条上；所述电极板外镀有活性炭吸附层。
[0031]所述壳体下方设有压力传感器。
[0032]所述电极外设有电绝缘保护层。
[0033]所述分流装置包括设置在壳体上的脱盐海水出口和高浓度海水出口，所述脱盐海水出口和高浓度海水出口外分别设有电磁阀阀门，所述电磁阀阀门与集成控制系统相连。
[0034]所述波浪压电发电机包括中部壳层，位于所述中部壳层下方的浮体振子，所述固定壳层与浮体振子之间通过四个导向柱连接；所述固定浮体上设有两个防水固定环，所述防水固定环内设有多个条形辐射状压电陶瓷片，所述压电陶瓷片设有磁边；所述驱动轴的两端分别设有附磁环，所述附磁环上设有四个非接触磁体驱动片，用于驱动压电陶瓷片振动；所述浮体振子上设有驱动齿条，所述驱动轴中部设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述驱动齿条相啮合。
[0035]所述导向柱上设有浮体缓冲弹簧，所述浮体缓冲弹簧位于浮体振子和固定浮体之间。
[0036]所述导向柱上设有导向卡头缓冲弹簧，所述导向卡头缓冲弹簧位于固定浮体与导向柱的卡头之间。
[0037]所述磁边与非接触磁体驱动片为近距离非接触驱动。
[0038]所述集成控制系统包括直流转换器、局部调压模块、蓄电池、CPU、自定义标码、工作电路驱动开关、压力传感器、溢电报警器、电能输出接头。
[0039]本实用新型的一种自发电型船舶淡水补充设备的有益效果如下:
[0040]1、本实用新型的一种自发电型船舶淡水补充设备，无需人频繁维护、调试，能通过自带发电和蓄电系统进行波浪能的采集、储存和利用，能持续向外输出脱盐海水和多余电能，以补充海运船舶新鲜淡水资源供应不足的状况。设备成本较低，体积小巧灵活，受场地影响较小。
[0041]2、脱盐方式的创新:利用EST电吸附原理，脱盐设备中设置多重回环的低压电极板，电极板外附有活性炭吸附导电层，以增强对离子的吸附性。活性炭电极的总表面积较大，表面上布满凹凸不平的活性炭颗粒，由于活性炭尖端电子密度大，所以宏观上整块极板上电压分布较均衡，电荷分布密度大，可以同时吸附较多的离子；一个工作循环中，海水的处理量较大，工作效率较高。
[0042]3、能量的利用率高，能耗小:采用低压直流近距离吸附、高压瞬间反向脱附，由于离子吸附的速率随着电压的升高而增大，随着电极板距离的增大而减小；H2o和cr的电解速率随着电压的升高而增大；通过适当的调节电压和极板距离，可以使两者之间达到一个较融洽的值；此时设备内部几乎不发生电化学反应，即外加电能只用于对离子的吸附上，能量利用率达到95%以上，而由于海水中盐离子的浓度较低、所含电量较少，吸/脱附所需要的能耗很低，所以本设备的能耗很低。
[0043]4、本自发电型船舶淡水补充设备采用新型压电陶瓷材料发电，将压电发电振子环形辐射状阵列于密封固定防护轮内，密封固定防护轮内有受波浪能采集浮体驱动的“磁力齿轮”，“磁力齿轮”通过与压电振子边缘磁附体产生引力和斥力，驱动压电振子震动；该磁力非接触驱动方式避免了摩擦产生的能量损失，同时也无损压电振子。由于压电发电振子在“悬臂梁”式装配下快速拨动时发电效率最高，所以当压电发电振子受到磁力驱动时，快速振动产生交变电信号最强。波浪能收集浮体每次振动都可以驱动振动轴转动η圈，拨片齿轮相应的转动η圈；每个拨片齿轮均匀设置4个强磁驱动齿，即每个压电片相应的被驱动4η次；每个压电片每次受拨动后平均阻尼运动5次，振动能取首次振动的3倍，即轴每转动一圈，每个压电片振动12η次；一台压电发电机设有两圈压电陶瓷振子，每圈设置8片，即轴每转动一圈所产生的能量相当于1片压电发电片振动2*8*12η = 192η次，考虑到驱动齿轮受到压电发电片的阻碍作用，以每次浮体振子驱动中心轴转动4圈计算(轴上驱动齿轮外径3cm，每次波浪能收集浮体相对于压电发电机上升高度0.377m)，则振子浮体每个来回相当于拨动一片压电陶瓷振动192*4*2 = 1536次(η取4);因此，在充分利用空间、波浪能和材料性能的情况下，本新型压电发电机的效率得到了大大的突破。
[0044]5、本自发电型船舶淡水补充设备中，脱盐系统末端是盐水分离管，该部分由两个并联的常闭式电磁阀构成，电磁阀转换灵敏，通过CPU驱动电磁阀交替式转换，达到精确分流的目的；由海水盐浓度和脱附饱和度测算出分流循环时间，该时间可以根据不同海域海水含盐量和用水要求自行设定。
[0045]6、整体结构的创新:本自发电型船舶淡水补充设备，通过将波浪能发电系统、储能系统、输水系统、脱盐系统和计算机控制系统相结合，智能运行，无需人工操作；自行发电储能，淡化海水，为船舶补充淡水和电能。
[0046]7、自定义淡水精度的创新:本自发电型船舶淡水补充设备，通过控制系统的自定义系列按钮，可以根据各海域预先测得的淡水精度表，设置离子脱附饱和度来得到不同精度的淡水，以满足不同用水标准的用水要求。
[0047]8、智能控制的创新:本自发电型船舶淡水补充设备采用计算机智能化控制，程序分为以下几部分:a.探测蓄电池电量；b.控制工作系统的驱动开关；c.感应脱盐装置中的水量；d.探测并触发溢电报警器；e.控制单向输出开关。
[0048]蓄电池的电量划分为外溢线、工作线、断电线；当波浪较大，蓄电池中的电量达到外溢线时，溢电蜂鸣器报警，CPU芯片驱动单通道电能输出开关打开，设备开始向船舶蓄能系统输送电能，将之保持在外溢线一下；当设备中的电量达到工作线时，设备便开始自动工作；当蓄电池中的电量达到断电线时，整个脱盐系统停止工作；由于不同船舶对资源的补充需求不同，该设备可以通过控制系统设置开/关淡水模块，激活电能输出端口，以达到向外供电的目的。
【专利附图】

【附图说明】
[0049]图1为本实用新型的一种自发电型船舶淡水补充设备的海水脱盐系统结构示意图。
[0050]图2为本实用新型的一种自发电型船舶淡水补充设备的波浪压电发电机结构示意图。
[0051]图3为图2的剖视图。
【具体实施方式】
[0052]如图1所示，本实用新型的一种自发电型船舶淡水补充设备，包括一个集成控制系统6，与所述集成控制系统6相连的至少一个海水脱盐系统和至少一个波浪压电发电机；
[0053]所述海水脱盐系统包括壳体8，位于所述壳体8上方的海水进水口 1，位于壳体8内的进水缓冲层2和多个电极板4 ;所述进水缓冲层2位于海水进水口 I的下方，所述电极板4位于进水缓冲层2的下方；所述壳体8的下方设有分流装置5，所述集成控制系统外设上设有正、负两根电极插条3，所述电极板4上设有插头，所述电极插条3上交替设有多个插孔；所述电极板4的插头与插孔相连；所述电极板4的插头依次交错接到正、负两根电极插条3上；所述电极板4外镀有活性炭吸附层。
[0054]所述壳体8下方设有压力传感器7。所述电极3外设有电绝缘保护层。
[0055]所述分流装置5包括设置在壳体上的脱盐海水出口和高浓度海水出口，所述脱盐海水出口和高浓度海水出口外分别设有电磁阀阀门，所述电磁阀阀门与控制系统相连。
[0056]如图2、3所示，所述波浪压电发电机包括中部壳层10，位于所述中部壳层10下方的浮体振子11，所述中部壳层10与浮体振子11之间通过四个导向柱16连接；所述中部壳层10上设有两个防水固定环13，所述防水固定环13内设有多个条形辐射状压电陶瓷片15,两个所述防水固定环13的中心通过驱动轴14相连，所述驱动轴14通过轴承19固定在防水固定环13上；所述驱动轴14的两端分别设有附磁环22，所述附磁环22上设有四个以上的磁体驱动片23，用于驱动压电陶瓷片15振动；所述浮体振子11上设有驱动齿条18，所述驱动轴14上设有驱动齿轮17，所述驱动齿轮17与所述驱动齿条18相啮合。
[0057]所述导向柱16上设有浮体缓冲弹簧20，所述浮体缓冲弹簧20位于浮体振子11和中部壳层10之间。
[0058]所述导向柱16上设有导向卡头缓冲弹簧21，所述导向卡头缓冲弹簧21位于固定浮体10与导向柱16的卡头12之间。
[0059]所述压电陶瓷片15的外边缘附有磁边24，所述磁边24与非接触磁体驱动片为近距离非接触驱动。
[0060]所述集成控制系统6包括直流转换器、局部调压模块、蓄电池、CPU、自定义标码、工作电路驱动开关、压力传感器、溢电报警器、电能输出接头。
[0061]本实用新型的一种自发电型船舶淡水补充设备的工作原理如下:
[0062]波浪压电发电机呈单元式固定在船周围，发电机上设有与控制中心相连的输电网管道，保证输电线不被拉断和磨损；发电机外涂有防腐保护层；波浪能采集浮体振子在缓冲导向柱的导向下，自动保持在船体吃水线上，受海浪的压力和浮力，浮体振子和传动齿条沿导向柱相对于发电机做竖直方向上的相对运动；齿条驱动发电机的中轴转动；中轴上的强磁驱动片通过磁力驱动压电振子震动；压电发电振子产生的交流电信号通过输电网流入相应的集成控制系统中；控制系统中的全桥将收到的交流电转换成直流电并储存在蓄电池中；电量检测器检测蓄电池中的电量，并以百分数的形式显示在显示屏上；默认状态工作时，蓄电池内的电量达到60%时，CPU激活工作电路，各个模块进入工作状态；主蓄电池、自吸式水泵、电磁阀和继电器统一采用直流12V规格；吸附电压采用直流1.2V，脱附电压采用直流5V。
[0063]设备启动后，自吸式水泵开始工作，使脱盐设备内充满水，以保证脱盐设备的正常工作；当脱盐设备内的水量达到箱内容量的95%时，压力传感器将信号传递到计算机芯片中；CPU收到信号后，控制海水排放阀门打开，吸附电极通电；极板间形成直流匀强电场；海水中的盐离子受到电场的力的作用，向电极板移动，并被活性炭电极吸附，盐离子运动延迟，海水流中的离子重分布；当水流延时段完成后，CPU控制淡水排放阀打开，向外输出脱盐海水；一段时间后，电极板上的盐离子渐渐饱和，电场由上到下依次减弱；当饱和度达到95%时，CPU控制吸附电极反向通电5s，；上一阶段被碳电极吸附的盐离子受到瞬间反向高压电场力的作用，被碳电极排除到通过的水流中，当水流延时段完成后，CPU驱动海水排水阀打开，淡水排水阀关闭，高浓度离子被水流带回大海中，电极板脱附活化；以上即为该设备的一个工作周期。
[0064]当蓄电池内的电量低于20 %时，脱盐模块停止工作；当电量达到90 %时，计算机控制溢电蜂鸣器报警，外溢单向输出端被激活，电能输送到船内储能系统。
[0065]CPU接有自定义标码开关，通过标码开关控制吸附时间，标码参数是以脱附饱和度标注的，默认脱附饱和度为90%，此状态下工作效率较高，通过标码开关可以将脱附饱和度降低，以此来提高淡水的精度，以满足不同用水标准的需要。
[0066]在发电机的持续供能、计算机智能化的控制和自定义的设置下，脱盐设备持续上述工作循环，出水管源源不断向缓存蓄水箱中输出淡水，以上便是本自发电型船舶淡水补充设备的工作原理。
[0067]本实用新型的一种自发电型船舶淡水补充设备的优点如下:
[0068]1.本一种自发电型船舶淡水补充设备采用高效节能的EST电吸附技术，由于设备电压和极板间距的协调，使得设备中电化学反应微弱，能量利用率高；除此之外，本设备造价低，寿命长，电极活化方便彻底。
[0069]2.本一种自发电型船舶淡水补充设备采用的活性炭惰性电极包覆层，保护铜极板不受电化学反应的腐蚀；除此之外，碳电极微观上呈凹凸不平的蜂窝状，有利于微尖端的电量分布，使得整个极板上电量分布较均匀；蜂窝状的表面也增大了吸附的表面积和对离子的粘滞力。
[0070]3.本一种自发电型船舶淡水补充设备，通过控制系统的自定义系列按钮，可以根据各海域预先测得的淡水精度表，设置离子脱附饱和度来得到不同精度的淡水，以满足不同用水标准的用水要求。
[0071]4.本一种自发电型船舶淡水补充设备采用齿轮拨动辐射状压电片，即有效的利用了采集的波浪能，也使压电发电振子达到较高的效率；由于“悬臂梁”式压电陶瓷片在同等受力情况下发电效率最高，充分发挥了材料的性能。
[0072]5.本一种自发电型船舶淡水补充设备中采用辐射状设置多层压电片，达到了空间的最佳利用。
[0073]6.本一种自发电型船舶淡水补充设备整个线路中采用暗线埋线，有效的保护了外部环境对线路的侵蚀和磨损。
[0074]7.本一种自发电型船舶淡水补充设备采用智能化的计算机控制系统，运行在无人操控的状态下，节约了人力物力。
[0075]上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种自发电型船舶淡水补充设备，其特征在于:包括一个集成控制系统，与所述集成控制系统相连的至少一个海水脱盐系统和至少一个波浪压电发电机；所述海水脱盐系统包括壳体，位于所述壳体上方的海水进水口，位于壳体内的进水缓冲层和多个电极板；所述进水缓冲层位于海水进水口的下方，所述电极板位于进水缓冲层的下方；所述壳体的下方设有分流装置，所述集成控制系统外设上设有正、负两根电极插条，所述电极板上设有插头，所述电极插条上交替设有多个插孔；所述电极板的插头与插孔相连；所述电极板的插头依次交错接到正、负两根电极插条上；所述电极板外镀有活性炭吸附层。
2.根据权利要求1所述的自发电型船舶淡水补充设备，其特征在于:所述壳体下方设有压力传感器。
3.根据权利要求1所述的自发电型船舶淡水补充设备，其特征在于:所述电极外设有电绝缘保护层。
4.根据权利要求1所述的自发电型船舶淡水补充设备，其特征在于:所述分流装置包括设置在壳体上的脱盐海水出口和高浓度海水出口，所述脱盐海水出口和高浓度海水出口外分别设有电磁阀阀门，所述电磁阀阀门与集成控制系统相连。
5.根据权利要求1?4任一所述的自发电型船舶淡水补充设备，其特征在于:所述集成控制系统包括直流转换器、局部调压模块、蓄电池、CPU、自定义标码、工作电路驱动开关、压力传感器、溢电报警器、电能输出接头。
【文档编号】C02F1/469GK203513339SQ201320373385
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年6月27日 优先权日:2013年6月27日
【发明者】张强, 赵迪 申请人:张强, 赵迪