王廣航 劉偉 陳特儒

摘 要：為應(yīng)對(duì)全球水勢(shì)日益嚴(yán)峻的情況，《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出了突破低成本、高效能海水淡化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心技術(shù)的要求。與此同時(shí)，我國(guó)海洋面積廣闊，波浪能源豐富，充分利用海浪能，具有巨大的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，開發(fā)海洋能源勢(shì)在必行，然而傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)是一個(gè)高耗能產(chǎn)業(yè)。基于上述背景，該組設(shè)計(jì)了一種利用波浪能實(shí)現(xiàn)海水淡化的裝置，它把波浪能轉(zhuǎn)化為壓力勢(shì)能，通過反滲透得到淡水，可以提高裝置的抗風(fēng)浪能力，有助于波浪能的高效利用。該裝置采用全密閉式設(shè)計(jì)，耐腐蝕性強(qiáng)，安全性高，適用性強(qiáng)，易于拆卸，在缺水海島的供水方面有較大的意義，為我國(guó)海水淡化提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：波浪能 筏式波能轉(zhuǎn)換裝置 海水反滲透淡化

中圖分類號(hào)：TK72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）01（a）-0-04

波浪能作為一種清潔能源普遍地存在于自然界中。作為一個(gè)能源消耗大國(guó)，利用海洋資源能夠緩解我國(guó)對(duì)能源的需求壓力。同時(shí)，我國(guó)缺水海島眾多，部分海島淡水資源嚴(yán)重缺乏。利用波浪能制取淡水，不僅是對(duì)新型能源的開采，也是對(duì)解決全球日益嚴(yán)峻的用水問題的一種嘗試。此裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，生產(chǎn)淡水的速度快，海浪能利用率較高，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 研制背景

我國(guó)在南海島礁的建設(shè)過程中，一直被淡水資源匱乏問題所困擾，隨著南海島礁不斷擴(kuò)大，淡水的需求量不斷增大，靠船運(yùn)和收集雨水等方式已很難滿足越來越大的淡水需求量。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問題，這對(duì)南海各島嶼的建設(shè)造成了巨大困難。

國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》以及國(guó)家發(fā)改委編制的《全國(guó)海水利用“十三五”規(guī)劃》更是明確提出了突破低成本、高效能海水淡化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心技術(shù)的要求，建設(shè)沿海缺水城市海水淡化民生保障工程，保障沿海海島及船舶用水安全。

2 設(shè)計(jì)說明

2.1 系統(tǒng)組成

如圖1～圖3所示，本裝置分3個(gè)部分：動(dòng)力系統(tǒng)，增壓系統(tǒng)，淡化系統(tǒng)。

（1）動(dòng)力系統(tǒng)。由浮筒、連接軸承、連桿和活塞組成，以提供裝置必需的浮力并將波浪能轉(zhuǎn)換為液壓勢(shì)能。

（2）增壓系統(tǒng)。由活塞、液壓室和隔膜組成，通過隔膜給海水增壓。

（3）淡化系統(tǒng)。由預(yù)處理室、膜淡化室和儲(chǔ)水罐組成，使升壓后的海水進(jìn)行膜淡化并收集淡水。

2.2 工作流程

如圖4所示，裝置工作時(shí)，海水沖擊浮筒，帶動(dòng)浮筒產(chǎn)生角位移，推動(dòng)活塞拉伸，進(jìn)一步導(dǎo)致液壓室產(chǎn)生負(fù)壓，由于單向閥的作用，海水會(huì)被吸入裝置中，從而進(jìn)入預(yù)處理室進(jìn)行預(yù)處理，流入液壓室。隨后浮筒的角位移又使活塞壓縮，液壓油擠壓隔膜，此時(shí)由于單向閥的作用，液壓室中的海水被壓入反滲透膜淡化室，最后收集在儲(chǔ)水罐中。

以上是一個(gè)活塞的循環(huán)流程，本裝置設(shè)有4個(gè)活塞，在一個(gè)角位移變化過程中，活塞的拉伸和壓縮成對(duì)出現(xiàn)，極大地提高了工作效率。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 波浪能轉(zhuǎn)換

裝置在水中隨波浪起伏，這會(huì)引起相鄰浮筒的相對(duì)角位移，我們使用此系統(tǒng)將波浪能轉(zhuǎn)換成可以利用的機(jī)械能，其原理圖和流程如圖5所示。

該裝置的工作原理如圖5所示。海浪首先到達(dá)浮筒1，將浮筒1抬升，浮筒1和浮筒2之間的相對(duì)角位移發(fā)生變化，A活塞壓縮，B活塞拉伸。海浪到達(dá)浮筒2并將浮筒2抬升，浮筒1由于重力而下沉，活塞B壓縮，同時(shí)活塞A拉伸。海浪通過后，完成本次循環(huán)過程。

液壓活塞由于浮筒間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)不斷被拉伸和壓縮，將波浪能轉(zhuǎn)化為液壓勢(shì)能，給海水增壓，推動(dòng)海水進(jìn)行膜淡化。

3.2 海水增壓

設(shè)計(jì)的海水增壓系統(tǒng)，能為反滲透膜進(jìn)行海水淡化提供較大的壓力。除此之外，通過油壓隔膜的方式，間接為海水增壓，避免了海水對(duì)液壓系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)的內(nèi)部腐蝕問題，同時(shí)提高了密封性。

由于工作裝置的特殊性，增壓系統(tǒng)不能直接與動(dòng)力系統(tǒng)接觸，這樣會(huì)造成對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的腐蝕。常用的增壓方式中，液壓方式具有傳動(dòng)平穩(wěn)和承載能力大的優(yōu)點(diǎn)，十分適用于該裝置。在液壓室中加入隔膜，實(shí)現(xiàn)了增壓系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)的分隔。

海水增壓系統(tǒng)如圖6所示，其具體原理如下：活塞壓縮液壓油時(shí)，液壓油擠壓隔膜，由于兩個(gè)單向閥的作用，海水會(huì)被壓入淡化系統(tǒng)而不會(huì)造成逆流?；钊鞎r(shí)，液壓室體積擴(kuò)大，其中壓力減小，由于單向閥的作用，外部海水會(huì)被吸入液壓室，等待下一次活塞壓縮?；钊麎嚎s和拉伸構(gòu)成循環(huán)。

4 理論分析

4.1 力矩分析

浮筒半徑R=0.5m浮筒在海水中運(yùn)動(dòng)受到海水作用。如圖7所示，使用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分模擬，浮筒會(huì)隨波浪運(yùn)動(dòng)，故將浮筒周圍劃分為非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，同時(shí)進(jìn)行加密處理，以使得浮筒受到水的作用力時(shí)能夠較為流暢地運(yùn)動(dòng)。經(jīng)檢查，該模型總共劃分網(wǎng)格數(shù)為16412個(gè)，無劃分失敗網(wǎng)格。

模擬得到浮筒力矩圖如圖8所示。

平均力矩約為M=2121Nm，活塞到浮筒中軸的距離l=0.25m，設(shè)活塞的推力為F0，有F0=M/l=8484N，考慮到活塞和軸存在阻力，阻力系數(shù)為?=0.4，則活塞推力F=（1-?）F0=5090N，設(shè)活塞直徑d=8cm，最終活塞壓力為P=4F/πd2=1MPa。

4.2 淡水制取容量計(jì)算

該裝置采用陶氏SW30HERLE-400DOW海水淡化膜，操作壓力為1.05MPa，通量為1000L/H。海浪高1m，周期T=4s，波長(zhǎng)L=15m，則海浪的函數(shù)近似為：y=sinπ/7.5x。

浮筒抬升至最高時(shí)，抬升角度θ=7.5°，Δl=Rsinθ單個(gè)活塞排水量V1=πd2?l/4=0.327L，一個(gè)周期內(nèi)一組活塞排水量為V2=0.654L，共兩截浮筒，因此每小時(shí)排水量為V=2×3600V2/T=1177.2L?？紤]到海浪能的不穩(wěn)定性，每天正常工作8h左右，回收率為12%，則每天凈水量約為1413L。

4.3 建造成本

建造成本見表1。

4.4 運(yùn)行成本

參考嵊山500t/日反滲透海水淡化示范工程制水成本以及該裝置實(shí)際使用情況，如表2所示，用于處理的化學(xué)試劑費(fèi)用為0.3元/t，勞動(dòng)力費(fèi)用為0.25元/t，維修費(fèi)用為0.36元/t。得到合計(jì)成本為0.91元/t。

4.5 經(jīng)濟(jì)效益與減排效果

一個(gè)本裝置，每年工作10個(gè)月（300d），每天實(shí)際工作12h，則淡化海水424t，能夠滿足6位成年人一年生活用水。

本裝置實(shí)現(xiàn)了零耗電、零排放，對(duì)比常規(guī)反滲透海水淡化裝置，每噸水節(jié)約電能5.2kW·h，相當(dāng)于節(jié)約了0.64kg標(biāo)準(zhǔn)煤，少排放2.1kgCO2、0.68kgSO2、0.002kgNOx、0.0003kg煙塵。若在一片海域布置100個(gè)該裝置，則減少27.14t標(biāo)準(zhǔn)煤消耗，少排放89.04tCO2、28.83tSO2、84.8kgNOx、12.72kg煙塵。

5 結(jié)語

目前中國(guó)仍有許多遠(yuǎn)洋島嶼缺乏淡水，淡水資源的制取在這些地區(qū)的重要性不言而喻。該裝置恰好能夠利用這些地區(qū)豐富的海洋資源制取淡水。該裝置所利用的能源清潔且可再生，該裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用密封結(jié)構(gòu)，操作便捷，十分靈活，且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能在惡劣的環(huán)境下平穩(wěn)運(yùn)作，非常適合在遠(yuǎn)洋島嶼使用。

綜上所述，該研究符合現(xiàn)代技術(shù)的要求，運(yùn)用前景廣泛。

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