本發(fā)明公開了一種集成海水淡化濃水零排放和不穩(wěn)定可再生能源穩(wěn)定發(fā)電的方法及裝置，涉及不穩(wěn)定可再生能源發(fā)電過程、電滲析海水淡化過程和反電滲析鹽差能發(fā)電過程，通過反電滲析壓差能發(fā)電模塊與不穩(wěn)定可再生發(fā)電模塊耦合彌補(bǔ)不穩(wěn)定可再生發(fā)電模塊不足發(fā)電量的同時處理海水淡化過程中產(chǎn)生的濃縮水，通過存儲或海水淡化模塊消耗不穩(wěn)定可再生能源多余的發(fā)電量，這個工藝設(shè)計思路巧妙，能源利用率高，實(shí)現(xiàn)全天候24小時穩(wěn)定發(fā)電，具有極好的技術(shù)推廣價值和社會效益。
權(quán)利要求書
1.一種集成海水淡化濃水零排放和不穩(wěn)定可再生能源穩(wěn)定發(fā)電的方法，其特征在于，包括以下步驟：
(1)測定不穩(wěn)定可再生能源發(fā)電模塊發(fā)電量，若測定發(fā)電量等于設(shè)定發(fā)電量則繼續(xù)發(fā)電;
(2)若測定發(fā)電量小于設(shè)定發(fā)電量，通過反電滲析發(fā)電模塊補(bǔ)充不足發(fā)電量，將存儲在淡水儲池中低鹽度水和存儲在濃縮海水儲池中的海水淡化過程產(chǎn)生的濃水分別輸送到反電滲析發(fā)電模塊的淡水室和濃水室，將離子交換膜兩側(cè)的鹽差能轉(zhuǎn)化成電能，待反電滲析發(fā)電模塊濃水室和淡水室出水鹽度均小于等于海水含鹽量時，將濃水排入海水中;
(3)若測定發(fā)電量大于設(shè)定發(fā)電量，將多余電量存儲備用或應(yīng)用于海水淡化模塊，通過海水淡化模塊海水轉(zhuǎn)化成淡水和濃縮水，其中淡水繼續(xù)處理或直接使用，濃縮水輸送到濃縮海水儲池中;步驟(1)-(3)通過智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動控制。
2.一種權(quán)利要求1所述集成海水淡化濃水 零排放和不穩(wěn)定可再生能源穩(wěn)定發(fā)電的方法的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征在于，包括不穩(wěn)定可再生能源發(fā)電模塊、電網(wǎng)配電系統(tǒng)，海水淡化模塊、濃縮海水儲池、淡水儲池、反電滲析發(fā)電模塊和智能控制系統(tǒng);所述不穩(wěn)定可再生能源發(fā)電模塊采用現(xiàn)有的不穩(wěn)定可再生能源對應(yīng)的發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生電能;所述電網(wǎng)配電系統(tǒng)將產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換、輸出和/或分配，比較終供給用電用戶使用;所述海水淡化模塊實(shí)現(xiàn)海水的濃縮淡化，海水淡化模塊濃縮水出口與濃縮海水儲池連接;所述反電滲析發(fā)電模塊濃水室進(jìn)口與濃縮海水儲池出水口連接，反電滲析發(fā)電模塊淡水室進(jìn)口與淡水儲池連接，反電滲析發(fā)電模塊將離子交換膜兩側(cè)淡水室中低鹽度水和濃水室中濃水形成的鹽度差轉(zhuǎn)化成電能并將電能通過電網(wǎng)配電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、輸出和分配;所述智能控制系統(tǒng)通過對不穩(wěn)定可再生模塊發(fā)電量的測定判斷發(fā)電量不足或發(fā)電量過多，進(jìn)而控制反電滲析發(fā)電模塊發(fā)電補(bǔ)充不足發(fā)電量或/和控制海水淡化模塊運(yùn)行將多余發(fā)電量消耗，淡化海水的同時將多余電能以鹽差能的形式存儲，海水淡化模塊通過電網(wǎng)配電系統(tǒng)與不穩(wěn)定可再生能源模塊電連接，電網(wǎng)配電系統(tǒng)分別將不穩(wěn)定可再生能源發(fā)電模塊和反電滲析發(fā)電模塊與用電用戶電連接，智能控制系統(tǒng)與電網(wǎng)配電系統(tǒng)、反電滲析發(fā)電模塊和海水淡化模塊電信息連接。
3.根據(jù)權(quán)利權(quán)利要求2所述集成海水淡化濃水零排放和不穩(wěn)定可再生能源穩(wěn)定發(fā)電的裝置，其特征在于，所述不穩(wěn)定可再生能源為受外界條件變化供應(yīng)不穩(wěn)定的可再生能源。
4.根據(jù)權(quán)利權(quán)利要求3所述集成海水淡化濃水零排放和不穩(wěn)定可再生能源穩(wěn)定發(fā)電的裝置，其特征在于，不穩(wěn)定可再生能源為為風(fēng)能、太陽能、潮汐能中的一種或多種。
5.根據(jù)權(quán)利權(quán)利要求4所述集成海水淡化濃水零排放和不穩(wěn)定可再生能源穩(wěn)定發(fā)電的裝置，其特征在于，所述海水淡化模塊為反滲透海水淡化裝置、電滲析海水淡化裝置中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利權(quán)利要求5所述集成海水淡化濃水零排放和不穩(wěn)定可再生能源穩(wěn)定發(fā)電的裝置，其特征在于，所述低鹽度水為雨水、河水和經(jīng)過生化處理后的生活污水中的一種或多種。
說明書
一種集成海水淡化濃水零排放和不穩(wěn)定可再生能源穩(wěn)定發(fā)電的方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明公開了一種集成海水淡化濃水零排放和不穩(wěn)定可再生能源穩(wěn)定發(fā)電的方法及裝置，具體涉及風(fēng)能/太陽能發(fā)電過程、電滲析海水淡化過程和反電滲析鹽差能發(fā)電過程。
背景技術(shù)
在全球性能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)與水資源危機(jī)的大背景下，可再生能源與海水淡化耦合技術(shù)將極大地解決目前海水淡化技術(shù)與可再生能源利用技術(shù)發(fā)展過程中各自存在的弊端：能量密集型的海水淡化技術(shù)如若使用常規(guī)能源(石油、煤炭、天然氣等不可再生能源)盡管在一定程度上可有效緩解淡水資源短缺的問題，但不可避免地產(chǎn)生大量溫室氣體和有害氣體(如NOx，SOx等腐蝕性氣體)，從而引發(fā)額外的環(huán)境負(fù)擔(dān);可再生能源盡管普遍具有低污染、大儲量(如全球可利用的太陽輻射能為17萬億千瓦、2014年全球風(fēng)電累計裝機(jī)容量3.7億千瓦)等特點(diǎn)，但易受地域、氣候和季節(jié)等環(huán)境因素影響，難以實(shí)現(xiàn)不間斷、全天候的供電。目前，太陽能/風(fēng)能與海水淡化的耦合可分為直接法與間接法(直接法與間接法的區(qū)別在于可再生能源利用部分與脫鹽部分是否一體，一體為直接法，分置為間接法)。由于直接法占地面積大、能源利用率低，在早期的耦合工藝中多被采用，目前開發(fā)的可再生能源與海水淡化耦合技術(shù)多以間接法為主。
電滲析(ED)工藝原理簡單、技術(shù)發(fā)展成熟，供電模式為直流電，從原理上完全適應(yīng)波動性強(qiáng)、穩(wěn)定性差的風(fēng)能/太陽能等可再生能源。目前，ED與可再生能源的耦合普遍忽視了濃縮海水的循環(huán)利用。在我國當(dāng)前高鹽廢水零排放的政策背景下，濃縮海水的高效利用將有效降低耦合工藝的運(yùn)行成本以及緩解環(huán)境負(fù)擔(dān)。反電滲析(RED)技術(shù)利用離子交換膜對陰陽離子的選擇透過性，在濃淡室通入具有不同鹽度的溶液(濃室為ED過程產(chǎn)生的濃縮海水，淡室為雨水/河水/生活污水等)，在膜兩側(cè)鹽度差的驅(qū)使下使陰陽離子自發(fā)地發(fā)生定向遷移從而產(chǎn)生電勢差，之后極室溶液在陰陽兩極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并通過回路將電勢能比較終轉(zhuǎn)化成電能。RED技術(shù)的引入，不僅將緩解ED過程濃水直接排放造成的環(huán)境壓力，而且將完成風(fēng)電/太陽能與鹽差能的切換，確保在任意時刻均能提供必要的電力供應(yīng)，比較終可實(shí)現(xiàn)全天候可再生能源供電及海水淡化零濃水排放。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種集成海水淡化濃水零排放和不穩(wěn)定可再生能源穩(wěn)定發(fā)電的裝置及其方法，是針對太陽能、風(fēng)能等無法全天候穩(wěn)定供電的可再生能源以及海水淡化濃水直接外排造成的環(huán)境危害的兩大弊端，設(shè)計開發(fā)的基于海水淡化和反電滲析技術(shù)的可再生能源全天候供電與海水淡水濃水高效利用技術(shù)。在該技術(shù)中利用海水淡化技術(shù)與太陽能/風(fēng)能無縫銜接，產(chǎn)生淡水同時濃縮海水，之后利用反電滲析技術(shù)將濃縮海水與低鹽溶液之間的鹽度梯度轉(zhuǎn)化成電能，產(chǎn)生電能的同時稀釋濃縮海水。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種集成海水淡化濃水零排放和不穩(wěn)定可再生能源穩(wěn)定發(fā)電的方法，具體包括以下步驟：
(1)測定不穩(wěn)定可再生能源發(fā)電模塊發(fā)電量，若測定發(fā)電量等于設(shè)定發(fā)電量則繼續(xù)發(fā)電;
(2)若測定發(fā)電量小于設(shè)定發(fā)電量，通過反電滲析發(fā)電模塊補(bǔ)充不足發(fā)電量，將存儲在淡水儲池中低鹽度水和存儲在濃縮海水儲池中的海水淡化過程產(chǎn)生的濃水分別輸送到反電滲析發(fā)電模塊的淡水室和濃水室，將離子交換膜兩側(cè)的鹽差能轉(zhuǎn)化成電能，待反電滲析發(fā)電模塊濃水室和淡水室出水鹽度均小于等于海水含鹽量時，將濃水排入海水中;
(3)若測定發(fā)電量大于設(shè)定發(fā)電量，將多余電量存儲備用或應(yīng)用于海水淡化模塊，通過海水淡化模塊海水轉(zhuǎn)化成淡水和濃縮水，其中淡水繼續(xù)處理或直接使用，濃縮水輸送到濃縮海水儲池中;步驟(1)-(3)通過智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動控制。
一種集成海水淡化濃水零排放和不穩(wěn)定可再生能源穩(wěn)定發(fā)電的裝置，包括不穩(wěn)定可再生能源發(fā)電模塊、電網(wǎng)配電系統(tǒng)，海水淡化模塊、濃縮海水儲池、淡水儲池、反電滲析發(fā)電模塊和智能控制系統(tǒng);所述不穩(wěn)定可再生能源發(fā)電模塊采用現(xiàn)有的不穩(wěn)定可再生能源對應(yīng)的發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生電能;所述電網(wǎng)配電系統(tǒng)將產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換、輸出和/或分配，比較終供給用電用戶使用;所述海水淡化模塊實(shí)現(xiàn)海水的濃縮淡化，海水淡化模塊濃縮水出口與濃縮海水儲池連接;所述反電滲析發(fā)電模塊濃水室進(jìn)口與濃縮海水儲池出水口連接，反電滲析發(fā)電模塊淡水室進(jìn)口與淡水儲池連接，反電滲析發(fā)電模塊將離子交換膜兩側(cè)淡水室中低鹽度水和濃水室中濃水形成的鹽度差轉(zhuǎn)化成電能并將電能通過電網(wǎng)配電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、輸出和分配;所述智能控制系統(tǒng)通過對不穩(wěn)定可再生模塊發(fā)電量的測定判斷發(fā)電量不足或發(fā)電量過多，進(jìn)而控制反電滲析發(fā)電模塊發(fā)電補(bǔ)充不足發(fā)電量或/和控制海水淡化模塊運(yùn)行將多余發(fā)電量消耗，淡化海水的同時將多余電能以鹽差能的形式存儲，海水淡化模塊與不穩(wěn)定可再生能源模塊電連接，電網(wǎng)配電系統(tǒng)分別將不穩(wěn)定可再生能源發(fā)電模塊和反電滲析發(fā)電模塊與用電用戶電連接，智能控制系統(tǒng)與電網(wǎng)配電系統(tǒng)、反電滲析發(fā)電模塊和海水淡化模塊電信息連接。
進(jìn)一步地，所述不穩(wěn)定可再生能源為受外界條件(如光照、風(fēng)力)變化供應(yīng)不穩(wěn)定的可再生能源，優(yōu)選為風(fēng)能、太陽能、潮汐能中的一種或多種，由于不穩(wěn)定可再生能源供應(yīng)不穩(wěn)定直接影響其發(fā)電量不穩(wěn)定。
進(jìn)一步地，所述海水淡化模塊為反滲透海水淡化裝置、電滲析海水淡化裝置中的一種，以便于發(fā)電裝置與現(xiàn)有的海水淡化模塊耦合處理海水淡化模塊產(chǎn)生的濃水。
進(jìn)一步地，所述低鹽度水為雨水、河水和經(jīng)過生化處理后的生活污水中的一種或多種。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用模塊化設(shè)計，由于電滲析模塊與反電滲析模塊均采用模塊化設(shè)計，在理論設(shè)計和實(shí)際操作過程中，可根據(jù)不穩(wěn)定可再生能源發(fā)電模塊的發(fā)電功率變化，合理配置膜堆數(shù)量，在設(shè)計和操作中具有極好的靈活性;濃縮海水作為高鹽料液，反電滲析發(fā)電模塊采用來自于海水淡化過程中濃縮室的產(chǎn)水，其鹽含量是海水的幾倍甚至幾十倍，即儲存的鹽差能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于海水，大大提高了發(fā)電效率;以雨水、河水或生活污水為反電滲析發(fā)電模塊淡水室進(jìn)水，水資源來源廣泛，發(fā)電成本低;反電滲析發(fā)電模塊不但彌補(bǔ)不穩(wěn)定可再生能源發(fā)電模塊發(fā)電量的不足問題，而且實(shí)現(xiàn)了海水淡化濃水的零排放;可以與現(xiàn)有海水淡化裝置耦合，也可新建結(jié)構(gòu)簡單的電滲析海水淡化裝置，通過海水淡化裝置將多余的發(fā)電量以鹽差能的形式消耗并存儲在濃水中，之后將鹽差能以電力的形式重新釋放，具有極好的技術(shù)推廣價值和社會效益;整個裝置通過反電滲析系統(tǒng)補(bǔ)充不足發(fā)電量和海水淡化模塊消耗多余發(fā)電量實(shí)現(xiàn)全天候24小時穩(wěn)定發(fā)電。
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