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科学技术创新期刊信息

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编辑出版:《科学技术创新》杂志社

国际标准刊号:ISSN:2096-4390

国内统一刊号:CN:23-1600/N

期刊级别:省级刊物

周   期: 旬刊

出 版 地:黑龙江省哈尔滨市

语  种: 中文;

开  本: 大16开

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一种基于波浪能的海水淡化装置

时间:2020-12-07  点击:100


       

王广航 刘伟 陈特儒

摘 要:为应对全球水势日益严峻的情况,《“十三五”国家科技创新规划》提出了突破低成本、高效能海水淡化系统优化设计的核心技术的要求。与此同时,我国海洋面积广阔,波浪能源丰富,充分利用海浪能,具有巨大的社会价值和经济价值,开发海洋能源势在必行,然而传统的海水淡化技术是一个高耗能产业。基于上述背景,该组设计了一种利用波浪能实现海水淡化的装置,它把波浪能转化为压力势能,通过反渗透得到淡水,可以提高装置的抗风浪能力,有助于波浪能的高效利用。该装置采用全密闭式设计,耐腐蚀性强,安全性高,适用性强,易于拆卸,在缺水海岛的供水方面有较大的意义,为我国海水淡化提供了新的思路。

关键词:波浪能 筏式波能转换装置 海水反渗透淡化

中图分类号:TK72 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2019)01(a)-0-04

波浪能作为一种清洁能源普遍地存在于自然界中。作为一个能源消耗大国,利用海洋资源能够缓解我国对能源的需求压力。同时,我国缺水海岛众多,部分海岛淡水资源严重缺乏。利用波浪能制取淡水,不仅是对新型能源的开采,也是对解决全球日益严峻的用水问题的一种尝试。此装置结构简单,环境适应性强,生产淡水的速度快,海浪能利用率较高,具有广阔的发展前景。

1 研制背景

我国在南海岛礁的建设过程中,一直被淡水资源匮乏问题所困扰,随着南海岛礁不断扩大,淡水的需求量不断增大,靠船运和收集雨水等方式已很难满足越来越大的淡水需求量。海水淡化一直是目前主要采取的措施,但仍然存在能源消耗巨大的问题,这对南海各岛屿的建设造成了巨大困难。

国务院印发的《“十三五”国家科技创新规划》以及国家发改委编制的《全国海水利用“十三五”规划》更是明确提出了突破低成本、高效能海水淡化系统优化设计的核心技术的要求,建设沿海缺水城市海水淡化民生保障工程,保障沿海海岛及船舶用水安全。

2 设计说明

2.1 系统组成

如图1~图3所示,本装置分3个部分:动力系统,增压系统,淡化系统。

(1)动力系统。由浮筒、连接轴承、连杆和活塞组成,以提供装置必需的浮力并将波浪能转换为液压势能。

(2)增压系统。由活塞、液压室和隔膜组成,通过隔膜给海水增压。

(3)淡化系统。由预处理室、膜淡化室和储水罐组成,使升压后的海水进行膜淡化并收集淡水。

2.2 工作流程

如图4所示,装置工作时,海水冲击浮筒,带动浮筒产生角位移,推动活塞拉伸,进一步导致液压室产生负压,由于单向阀的作用,海水会被吸入装置中,从而进入预处理室进行预处理,流入液压室。随后浮筒的角位移又使活塞压缩,液压油挤压隔膜,此时由于单向阀的作用,液压室中的海水被压入反渗透膜淡化室,最后收集在储水罐中。

以上是一个活塞的循环流程,本装置设有4个活塞,在一个角位移变化过程中,活塞的拉伸和压缩成对出现,极大地提高了工作效率。

3 创新点

3.1 波浪能转换

装置在水中随波浪起伏,这会引起相邻浮筒的相对角位移,我们使用此系统将波浪能转换成可以利用的机械能,其原理图和流程如图5所示。

该装置的工作原理如图5所示。海浪首先到达浮筒1,将浮筒1抬升,浮筒1和浮筒2之间的相对角位移发生变化,A活塞压缩,B活塞拉伸。海浪到达浮筒2并将浮筒2抬升,浮筒1由于重力而下沉,活塞B压缩,同时活塞A拉伸。海浪通过后,完成本次循环过程。

液压活塞由于浮筒间的相对转动不断被拉伸和压缩,将波浪能转化为液压势能,给海水增压,推动海水进行膜淡化。

3.2 海水增压

设计的海水增压系统,能为反渗透膜进行海水淡化提供较大的压力。除此之外,通过油压隔膜的方式,间接为海水增压,避免了海水对液压系统和动力系统的内部腐蚀问题,同时提高了密封性。

由于工作装置的特殊性,增压系统不能直接与动力系统接触,这样会造成对动力系统的腐蚀。常用的增压方式中,液压方式具有传动平稳和承载能力大的优点,十分适用于该装置。在液压室中加入隔膜,实现了增压系统与动力系统的分隔。

海水增压系统如图6所示,其具体原理如下:活塞压缩液压油时,液压油挤压隔膜,由于两个单向阀的作用,海水会被压入淡化系统而不会造成逆流。活塞拉伸时,液压室体积扩大,其中压力减小,由于单向阀的作用,外部海水会被吸入液压室,等待下一次活塞压缩。活塞压缩和拉伸构成循环。

4 理论分析

4.1 力矩分析

浮筒半径R=0.5m浮筒在海水中运动受到海水作用。如图7所示,使用Gambit进行网格划分模拟,浮筒会随波浪运动,故将浮筒周围划分为非结构化的网格,同时进行加密处理,以使得浮筒受到水的作用力时能够较为流畅地运动。经检查,该模型总共划分网格数为16412个,无划分失败网格。

模拟得到浮筒力矩图如图8所示。

平均力矩约為M=2121Nm,活塞到浮筒中轴的距离l=0.25m,设活塞的推力为F0,有F0=M/l=8484N,考虑到活塞和轴存在阻力,阻力系数为?=0.4,则活塞推力F=(1-?)F0=5090N,设活塞直径d=8cm,最终活塞压力为P=4F/πd2=1MPa。

4.2 淡水制取容量计算

该装置采用陶氏SW30HERLE-400DOW海水淡化膜,操作压力为1.05MPa,通量为1000L/H。海浪高1m,周期T=4s,波长L=15m,则海浪的函数近似为:y=sinπ/7.5x。

浮筒抬升至最高时,抬升角度θ=7.5°,Δl=Rsinθ单个活塞排水量V1=πd2?l/4=0.327L,一个周期内一组活塞排水量为V2=0.654L,共两截浮筒,因此每小时排水量为V=2×3600V2/T=1177.2L。考虑到海浪能的不稳定性,每天正常工作8h左右,回收率为12%,则每天净水量约为1413L。

4.3 建造成本

建造成本见表1。

4.4 运行成本

参考嵊山500t/日反渗透海水淡化示范工程制水成本以及该装置实际使用情况,如表2所示,用于处理的化学试剂费用为0.3元/t,劳动力费用为0.25元/t,维修费用为0.36元/t。得到合计成本为0.91元/t。

4.5 经济效益与减排效果

一个本装置,每年工作10个月(300d),每天实际工作12h,则淡化海水424t,能够满足6位成年人一年生活用水。

本装置实现了零耗电、零排放,对比常规反渗透海水淡化装置,每吨水节约电能5.2kW·h,相当于节约了0.64kg标准煤,少排放2.1kgCO2、0.68kgSO2、0.002kgNOx、0.0003kg烟尘。若在一片海域布置100个该装置,则减少27.14t标准煤消耗,少排放89.04tCO2、28.83tSO2、84.8kgNOx、12.72kg烟尘。

5 结语

目前中国仍有许多远洋岛屿缺乏淡水,淡水资源的制取在这些地区的重要性不言而喻。该装置恰好能够利用这些地区丰富的海洋资源制取淡水。该装置所利用的能源清洁且可再生,该装置采用模块化结构,同时采用密封结构,操作便捷,十分灵活,且环境适应性强,能在恶劣的环境下平稳运作,非常适合在远洋岛屿使用。

综上所述,该研究符合现代技术的要求,运用前景广泛。

参考文献

[1] 国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知[R/OL].http://www.most.gov.cn/mostinfo/xinxifenlei/gjkjgh/201608/t20160810_127174.htm.

[2] 国家发展改革委国家海洋局关于印发《全国海水利用“十三五”规划》的通知[EB/OL].http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbghwb/201612/t20161230_833749.html.

[3] 祁建祥.三节“海蟒”式波浪发电装置流固耦合特性研究[D].哈尔滨工业大学,2014.

[4] 霍杰.基于CFD的海蟒式俘能装置的水动力学特性研究[D].哈尔滨工业大学,2013.

[5] 丁婷.天津地区反渗透海水淡化成本分析[D].天津大學,2009.

[6] Ross Henderson. Design,simulation,and testing of a novel hydraulic power take-o system for the Pelamis waveenergyconverter[J].RenewableEnergy, 2006,31(2):271-283.


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2020-12-07

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