一种协同太阳能与风能的海水淡化装置的制作方法

本实用新型涉及海水淡化技术领域，尤其是涉及一种协同太阳能与风能的海水淡化装置。

背景技术：

目前，水资源是人类社会生存发展必不可少的自然资源，能源是推动社会发展社会进步的重要因素。然而人类可利用淡水水资源不到水资源总量的 3％，随着全球气候变暖，干旱与沙漠增多，人口数量增多等等问题日趋严重，现有可用淡水资源越来越少，而对水的需求却与日俱增。我国有着丰富的海水资源，40％的人口集中在沿海地区，通过淡化海水来弥补淡水资源的不足是确保海岸经济发展和用水安全的必须措施。但是，海水淡化是高能耗产业，对于能源而言，传统化石能源的储备也不容乐观，同时化石能源的燃烧也会造成环境污染。

随着科学技术的不断进步和传统能源短缺问题日益凸显，可再生能源的利用得到了广泛的关注，其中，太阳能和风能发电技术也逐渐成熟。利用风光互补为海水淡化提供能源供给，是同时解决水资源和传统能源危机的有效途径。海岛地区以及我国西北等地一般太阳能资源和风力资源丰富，且风、光资源具有良好的互补特性；海水水质好，可以缩小海水淡化系统预处理部分的体积和工艺步骤。所以，风光互补发电系统在淡水资源匮乏而需求迫切的海岛地区大有用武之地。

但是，现有技术中对于海水淡化处理的研究多数都还只停留在淡化技术及效率的提高上，缺乏对于淡化过程所采用的能源的研究，没有实现真正意义上的绿色资源利用，远离大陆的小型海岛，在缺乏水资源的同时也缺乏常规的电力资源，特别是作为海水淡化重要能源的电力资源恰恰又是极度缺乏。

现有技术亟需一种协同太阳能与风能的海水淡化装置，以克服上述缺陷。

技术实现要素：

为了克服现有海水淡化装置存在的不足，本实用新型提出了一种协同太阳能与风能的海水淡化装置，联合了风能及太阳能两种可再生能源作为海水淡化装置的供给能源，使两种能源优势互补，适用于淡水量缺乏的海岛地区，装置结构简单，造价低廉，维护方便，安装简易。

为了实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：

一种协同太阳能与风能的海水淡化装置，其包括：风力发电装置、光伏发电装置、风力发电控制器、光伏发电控制器、蓄电池组、逆变器和海水淡化装置；

所述风力发电装置电连接所述风力发电控制器，所述风力发电控制器电连接所述蓄电池组，所述光伏发电装置电连接所述光伏发电控制器，所述光伏发电控制器电连接所述蓄电池组，所述蓄电池组电连接所述逆变器，所述逆变器电连接所述海水淡化装置；

所述风力发电装置利用风能发电，所述风力发电控制器控制所述风力发电装置发出的电能给所述蓄电池组充电的时间，所述光伏发电装置利用太阳能发电，所述光伏发电控制器控制所述光伏发电装置发出的电能给所述蓄电池组充电的时间，所述逆变器将所述蓄电池组中储存的直流电转化为交流电，为所述海水淡化装置提供所需能量。

优选地，所述风力发电装置包括：风轮机体、风轮片、对风装置、发电机、塔架、风轮机法兰座、风轮机轴、风轮毂、抗松螺母和整流罩；所述风轮机体前端设置有所述风轮片，其作为风能捕捉装置，所述风轮机体后端设置有所述对风装置，其作为调向机构，所述风轮机体内部设置有所述发电机，所述风轮片固定在所述风轮毂上，所述风轮毂通过所述抗松螺母与所述风轮机轴固定连接，利用风能转动所述风轮机轴驱动所述发电机发电，所述风轮毂前端设置有所述整流罩，所述塔架通过所述风轮机法兰座与所述风轮机体可转动的连接。

优选地，所述风轮片具有3片，所述对风装置的翼展与弦长壁为2-5。

优选地，所述光伏发电装置为1.2米*0.54米的太阳能电池板，利用太阳能进行光伏发电。

优选地，所述海水淡化装置包括：泵、蒸发室、冷凝室、出气管路、冷凝管、出水管路、阀和淡水收集槽，所述泵将海水通过管路泵入所述蒸发室，海水经过蒸馏原理产生水蒸气，所述蒸发室的水蒸气通过出气管路进入所述冷凝室，水蒸气在所述冷凝室中通过所述冷凝管凝结成可饮用的淡水，淡水通过所述出水管路和阀输送到所述淡水收集槽中收集。

本实用新型的有益效果是:

本装置创新性地联合了风能及太阳能两种可再生能源作为供给能源，克服了单独使用传统的风力发电和太阳能发电在资源利用上有其自身的缺陷，有些地区日照时间段或风力不足，单独使用风力发电或太阳能发电不能满足供电的需要。风光互补供电系统正是利用了这一原理，使能源获取优势互补，也弥补了风电和光电独立系统的缺陷。两种能源分别弥补了对方在地域及时间上的不足，具有很强的互补性，能源利用率较高。

通过蒸馏原理使海水、苦咸水等蒸发，部分蒸汽引至热量回收装置套管式换热器凝结成淡水资源，同时蒸汽的凝结热量加热海水、苦咸水等，实现能源的高效利用。

本实用新型的装置具有普适性，尤其适用于淡水量缺乏的海岛地区，能够很好的解决居民生活饮水问题。装置结构简单，造价低廉，维护方便，安装简易，缺水地区的普通家庭能够接受。装置可以扩大规模后结合污水处理等技术，解决大面积海水淡化的问题。此外，除应用在海岛地区，该装置也能应用在沙漠地区和西北缺水地区。如果采取加固措施，此装置还可应用于大型轮船的救生艇上，对于意外事故发生后乘坐救生艇的待援人员的生存率的提高有重要意义。

附图说明

图1是本实用新型的协同太阳能与风能的海水淡化装置的结构示意图。

图2是本实用新型的协同太阳能与风能的海水淡化装置的控制原理图。

图3是本实用新型的协同太阳能与风能的海水淡化装置的风力发电装置的结构示意图。

图4是本实用新型的协同太阳能与风能的海水淡化装置中的海水淡化装置的结构示意图。

图5是本实用新型的协同太阳能与风能的海水淡化装置的实物图。

图6是本实用新型的协同太阳能与风能的海水淡化装置的风力发电装置全年风速频率直方图。

图7是本实用新型的协同太阳能与风能的海水淡化装置的风力发电装置功率曲线图。

具体实施方式

为使本实用新型实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

根据附图1-7详细描述如下。

应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

一种协同太阳能与风能的海水淡化装置，其包括：风力发电装置1、光伏发电装置3、风力发电控制器2、光伏发电控制器4、蓄电池组5、逆变器 6和海水淡化装置7；

所述风力发电装置1电连接所述风力发电控制器2，所述风力发电控制器2电连接所述蓄电池组5，所述光伏发电装置2电连接所述光伏发电控制器4，所述光伏发电控制器4电连接所述蓄电池组5，所述蓄电池组5电连接所述逆变器6，所述逆变器6电连接所述海水淡化装置7；

所述风力发电装置1利用风能发电，所述风力发电控制器2控制所述风力发电装置1发出的电能给所述蓄电池组5充电的时间，所述光伏发电装置2利用太阳能发电，所述光伏发电控制器4控制所述光伏发电装置2发出的电能给所述蓄电池组5充电的时间，所述逆变器6将所述蓄电池组5中储存的直流电转化为交流电，为所述海水淡化装置7提供所需能量。

所述风力发电装置1包括：风轮机体6、风轮片7、对风装置8、发电机 9、塔架10、风轮机法兰座11、风轮机轴12、风轮毂13、抗松螺母14和整流罩15；所述风轮机体6前端设置有所述风轮片7，其作为风能捕捉装置，所述风轮机体6后端设置有所述对风装置8，其作为调向机构，所述风轮机体6内部设置有所述发电机9，所述风轮片7固定在所述风轮毂13上，所述风轮毂13通过所述抗松螺母14与所述风轮机轴12固定连接，利用风能转动所述风轮机轴12驱动所述发电机9发电，所述风轮毂13前端设置有所述整流罩15，所述塔架10通过所述风轮机法兰座11与所述风轮机体6可转动的连接。

本装置采用NE-300S型风力发电机，其结构如图3所示，风机相关参数见表2，其采用新式尾舵作为调向机构，它的翼展与弦长的比为2～5，对风向变化反应敏感，跟踪性好。

表2风力发电机结构功能参数

光伏发电装置3是将太阳辐射能转换为直流电能，再通过逆变器6将直流电能转换成交流电能，用来供给海水淡化装置7所需的电能。同时连接蓄电池组5进行储能以备天气不好条件下的供电。所述光伏发电装置3为采用 1.2m*0.54m太阳能板进行光伏发电，具体参数见表1

表1太阳能电池板规格参数表

所述海水淡化装置7包括：泵16、蒸发室17、冷凝室18、出气管路19、冷凝管20、出水管路21、阀22和淡水收集槽23，所述泵16将海水通过管路泵入所述蒸发室17，海水经过蒸馏原理产生水蒸气，所述蒸发室17的水蒸气通过出气管路19进入所述冷凝室18，水蒸气在所述冷凝室18中通过所述冷凝管20凝结成可饮用的淡水，淡水通过所述出水管路21和阀22输送到所述淡水收集槽23中收集。

利用光伏发电装置3和风力发电装置1实现风光互补所产生的电能对海水、苦咸水等进行加热，通过蒸馏原理产生水蒸气，部分蒸汽引至冷凝管20 凝结成可饮用的淡水资源。结构组成如图4所示。

蒸发室17利用利用光伏发电装置3和风力发电装置1所发的电对海水进行加热后，热的水蒸气通过出气管路19进入冷凝管20中进行冷凝后，淡水冷凝通过出水管路21进入淡水收集槽23中被收集。至此完成海水的淡化过程。

效率计算：

风力发电装置的发电量计算

以北京为例，北京年平均风速为3～5m/s，见图7所示；由此风力机的功率曲线得出：在额定风速13m/s时，风轮输出功率为额定功率300W；在年平均风速下，风力机输出功率为20～60W；由年度发电量计算公式：

式中：P(u)为功率曲线函数，单位为W；fw(u)为风速分布函数；Vin为切入风速，取2m/s；Vout为切出风速，取25m/s；N0为每年小时数，N0＝8765 (考虑到闰年)

计算得：年发电量Ey＝1317.717kW·h，日平均发电量Es＝3.61kW·h

以及全年的风速频率直方图(如图6)和风力发电庄子的功率曲线图(如图7)

光伏发电装置发电量计算

太阳能电池板日发电量的数学公式：

式中：

Esi—太阳电池组合板平均每日发出的电能，kWh；

HTi—组合板平面第i月每日单位面积上接受的辐射量，MJ/m2；

ηm—组件的转换效率，通常为8％～16％；

Fti—第i月组件转换效率的温度修正因子；

Fp—组件的封装因子，有效电池面积与组件总面积之比，通常Fp＞0.8；

Fs—积尘因子，组件表面积尘时的发电量与表面完全清洁时的发电量之比，对于户用系统取1；

Fu—组件未工作在最大功率点处影响组件输出功率的系统性能失配因子，一般取0.95；

F0—由于材料老化、性能下降等其它因素影响组件输出功率的修正因子，一般取0.98；

A—太阳能电池板的总面积，m2。

此处电池板有效面积为1.05m*0.5m＝0.525m2。以渤海区域为例，其纬度与北京接近，故太阳辐照量参照北京地区，每日水平辐照量及倾斜面辐照量数据如下：

计算得出年发电量约为1165.309kWh，日平均发电量Esi＝0.301kWh。

海水淡化装置淡化效率

①只有风能工作

冷凝管能量平衡方程：

其中海水进口温度为T1，海水出口温度为T2

蒸发器蒸发量Q0:P(t)N2＝Q2Cp(100-T2)+Q0r

一天蒸发量M：

在环境温度：30℃ 海水参数Cp＝4.18kJ/㎏.k

r＝2257.1kJ/㎏ 工作时间：8:00-16:00

进入集热水箱的海水流量Q2＝0.0012㎏/s；加热水箱蒸发过程热效率 N1＝70％；出蒸气管路损失的修正系数N2＝90％；冷凝器散热损失的修正系数 N3＝90％时，进行计算，结果见表3。

表3计算结果汇总表

本使用新型的协同太阳能与分能的海水淡化装置能在全年正常运转，实验结果证明，该装置在只有风能部分运行时一天淡化海水量达到12.6kg，只有太阳能部分运行时为1.9kg，而协同了风能与太阳能后该装置一天的淡化海水量可达到15kg，按照人类最基本用水需求量，本装置能够满足3口之家基本的用水需求，可以有效地解决海岛居民的淡水使用问题。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。