[发明专利]海水波浪能淡化系统

权利要求书

1.一种应用于广阔海洋的海水波浪能淡化系统，其特征包括两正交浮子组、曲柄联杆结构、海水淡化、压缩空气储能以及水气存储单元；两正交浮子组根据波浪方向全方位捕获波浪能，并经曲柄联杆结构，驱动淡化活塞上下运动，在电磁阀的配合下，进行海水吸入、海水淡化、淡水排出、浓盐水废压利用以及排出，并实时调控压缩腔和膨胀腔内气压，平抑波浪能波动功率，确保海水淡化恒压高效转化，提升反渗透膜淡化效率和使用寿命；

所述两正交浮子组为两组正交设置的捕获装置Ⅰ和捕获装置Ⅱ，捕获装置包括两圆柱体浮子、浮子联杆、俯仰中轴、俯仰齿轮、锥形齿轮Ⅰ、水平联轴以及调向结构；所述圆柱体浮子为波浪能捕获单元，在海浪浮力和激荡力作用下，上下垂直运动捕获波浪能，浮子联杆和圆柱体浮子刚性连接，在圆柱体浮子作用下作俯仰运动，并经俯仰中轴、俯仰齿轮以及锥形齿轮Ⅰ作用，转化为水平联轴的旋转运动，调向结构经电磁离合器与曲柄联杆结构耦合，驱动淡化活塞上下运动，淡化和分离海水；所述调向结构包括锥形齿轮Ⅱ以及牵引齿轮，锥形齿轮Ⅱ内嵌电磁离合器Ⅱ与捕获装置Ⅰ水平联轴耦合，将捕获装置Ⅰ捕获能量传递至牵引齿轮；牵引齿轮内嵌电磁离合器Ⅰ与捕获装置Ⅱ水平联轴同轴耦合，将捕获装置Ⅱ捕获能量传递至牵引齿轮，牵引齿轮外齿为锥形结构，与锥形齿轮Ⅱ机械耦合；电磁离合器根据波浪方向改变牵引齿轮耦合的捕获装置数量；所述曲柄联杆结构上端和牵引齿轮刚性联接，下部经约束轴承和淡化活塞刚性联接，完成牵引齿轮旋转运动到淡化活塞上下运动的转化，为海水淡化提供能量支持；

所述海水淡化包括淡化活塞、淡水腔以及淡化腔，所述淡化活塞为内嵌反渗透膜的圆柱体活塞，在曲柄联杆推动下分离淡水和浓盐水，纵向设置多个空心圆柱型淡化通道，将淡水送入淡水腔；所述淡水腔包括淡化活塞以及淡水腔内壁，用于存储淡化活塞下移产生的淡水，淡水腔上端设置淡水排出阀，在淡化活塞上移过程中将淡化后的淡水送入淡水存储室进行存储；所述淡化腔是海水淡化场所，由淡化活塞、淡化腔内壁、海水进入通道以及淡化腔底板构成，淡化活塞在曲柄联杆以及压缩空气储能共同作用下，完成海水吸入、海水淡化以及淡水排出，所述海水进入通道为圆环式柱状结构，内嵌圆环式柱状大气进出通道，海水进入通道上端设置海水进入阀Ⅰ，下端设置海水进入阀Ⅱ，控制海水进入淡化腔的流量；所述淡化腔底板为外套在大气进出通道的圆盘式固定端板，用于支撑淡化海水重量以及反渗透膜淡化压力，淡化腔底板设置圆盘式端盖，由内嵌在端板上的电磁铁控制，开启浓盐水排出通道Ⅰ，将高压浓盐水排出至膨胀腔；

所述压缩空气储能包括大气进出通道、压缩活塞、压缩腔、膨胀腔以及中心浮球；所述大气进出通道为圆环式柱状结构，设置在活塞联杆运动通道的外侧，上端与大气相连，下端经大气进出阀Ⅰ和压缩腔相联，控制吸入气体流量；所述压缩活塞为耐盐腐蚀的扁平圆柱体活塞，与淡化活塞刚性联接，内嵌浓盐水排出通道Ⅱ，浓盐水排出阀Ⅰ控制浓盐水排出，压缩活塞上侧为膨胀腔，下侧为压缩腔，调控膨胀腔和压缩腔气体压力，控制反渗透膜淡化压力恒定；所述压缩腔由压缩活塞、压缩腔内壁以及压缩腔底板共同构成，压缩活塞下移，将多余波浪能转化为气体内能，气压升高直至超过中心浮球气压，单向阀Ⅰ开启，压缩空气储存至中心浮球；所述膨胀腔由淡化腔底板、压缩活塞、膨胀腔内壁以及大气进出通道外侧共同构成，中心浮球内压缩气体经电磁流量阀Ⅱ进入膨胀腔做功，助推淡化活塞下移，确保反渗透膜淡化压力恒定，海水淡化结束，高压浓盐水经淡化腔底板进入膨胀腔，助推压缩活塞下移，进一步压缩空气储能；所述中心浮球用于存储压缩空气，同时为海水淡化设备提供浮力支撑，确保波浪能捕获装置水平基准稳定；

所述水气存储单元包括压储气室、淡水存储室以及光伏电池；所述压储气室固定在淡水存储室下侧，存储压缩气体，为淡水存储室提供浮力支撑，经压缩气体通道和中心浮球相联，压缩气体通道上侧设置气体双向流动的涡旋机，用于调控中心浮球气压，有效提升压缩空气储能效率；所述淡水存储室位于压储气室上侧，由压储气室提供浮力支撑，并经淡水通道和淡水排出阀与淡水腔相连，淡水通道上设置单向阀Ⅱ；淡水存储室上侧设置直流抽水泵，负责为远洋轮船用户提取淡水；所述光伏电池设置在淡水存储室上端，内设磷酸铁锂蓄电池，为海水淡化系统中电磁阀、电磁铁、电磁离合器、直流抽水泵以及涡旋机提供电源支持；

所述海水波浪能淡化系统存在波浪海水淡化、波浪压缩海水淡化、波浪膨胀海水淡化以及水压膨胀海水淡化四种工作模式：

（1）独立波浪海水淡化

当波浪能捕获功率P_w=淡化功率P_d时，系统运行在独立波浪海水淡化模式，系统捕获波浪能满足海水淡化要求；圆柱体浮子在波浪作用下上仰，波浪机械能、水势能和大气动能，共同驱动淡化活塞和压缩活塞上移，海水在水势能作用下，经海水进入阀Ⅰ、海水进入阀Ⅱ进入淡化腔，外界大气经大气进出阀Ⅰ进入压缩腔，淡水腔内的淡水随淡化活塞上移，经淡水排出阀逐步排出，并在淡化活塞上移至淡水腔顶部时，海水进入阀Ⅰ、海水进入阀Ⅱ以及淡水排出阀关闭，圆柱体浮子上仰至上限，上仰结束；圆柱体浮子在波浪作用下下俯，波浪机械能驱动淡化活塞和压缩活塞下移，进行海水淡化，海水通过淡化活塞内嵌的淡化通道和反渗透膜将淡水送入淡水腔，随着淡化活塞逐步下移至淡化下限位置，海水淡化完成，此时电磁铁启动，圆盘式端盖上移，淡化腔内残留的高压浓盐水，经浓盐水排出通道Ⅰ自动进入膨胀腔，此时海水淡化完成，系统进入浓盐水废压利用阶段，大气进出阀Ⅰ、大气进入阀Ⅱ关闭，压缩活塞在波浪机械能和浓盐水废压能共同作用下开始压缩气体，随着压缩气体气压升高，高压气体经单向阀Ⅰ进入中心浮球进行存储，压缩活塞下移至压缩腔底部，浓盐水在自身废压作用下，经浓盐水排出阀Ⅰ、浓盐水排除通道Ⅱ以及浓盐水排出阀Ⅱ排出，直至浓盐水全部排出，浓盐水排出阀Ⅰ和浓盐水排出阀Ⅱ关闭，圆柱体浮子下俯至下限，下俯结束；

（2）波浪压缩海水淡化

当P_wP_d，调控压缩功率P_c，波浪能的多余功率以压缩空气形式存储，使P_w-P_c= P_d，系统运行在波浪压缩海水淡化模式；圆柱体浮子在波浪作用下上仰，波浪机械能、水势能和大气动能，共同驱动淡化活塞和压缩活塞上移，海水在水势能作用下，经海水进入阀Ⅰ、海水进入阀Ⅱ进入淡化腔，外界大气经大气进出阀Ⅰ进入压缩腔，淡水腔内的淡水随淡化活塞上移，经淡水排出阀逐步排出，并在淡化活塞上移至淡水腔顶部时，海水进入阀Ⅰ、海水进入阀Ⅱ、大气进出阀Ⅰ、大气进入阀Ⅱ以及淡水排出阀关闭，圆柱体浮子上仰至上限，上仰结束；圆柱体浮子在波浪作用下下俯，波浪机械能驱动淡化活塞和压缩活塞下移，多余波浪能以压缩空气形式储存，消纳多余功率确保淡化压力恒定，海水通过淡化活塞内嵌的淡化通道和反渗透膜，将淡水送入淡水腔；随着淡化活塞逐步下移至淡化下限位置，海水淡化完成，此时电磁铁开启，圆盘式端盖上移，淡化腔内残留的高压浓盐水，经浓盐水排出通道Ⅰ自动进入膨胀腔，压缩活塞在波浪机械能和浓盐水的废压能共同作用下压缩气体，气体气压逐步升高，经单向阀Ⅰ存储至中心浮球，压缩活塞最终下移至压缩腔底部，浓盐水在自身废压作用下，经浓盐水排出阀Ⅰ、浓盐水排出通道Ⅱ以及浓盐水排出阀Ⅱ排出，当圆柱体浮子下俯至下限，下俯结束；

（3）波浪膨胀海水淡化

当P_wP_d，调控膨胀功率P_e，使P_w+P_e=P_d，波浪能差额功率由高压气体膨胀补充，系统运行在波浪膨胀海水淡化；圆柱体浮子在波浪作用下上仰，波浪机械能、水势能和大气进入的动能，共同驱动淡化活塞和压缩活塞上移，海水在水势能作用下，经海水进入阀Ⅰ、海水进入阀Ⅱ进入淡化腔，外界大气经大气进出阀Ⅰ进入压缩腔，淡水腔内的淡水随淡化活塞上移，经淡水排出阀逐步排出，同时膨胀腔内压缩气体也在压缩活塞的推动下，经大气进入阀Ⅱ排出，并在淡化活塞上移至淡水腔顶部时，海水进入阀Ⅰ、海水进入阀Ⅱ以及淡水排出阀关闭，圆柱体浮子上仰至上限，上仰结束；圆柱体浮子在波浪作用下下俯，波浪机械能以及气体膨胀能共同驱动淡化活塞和压缩活塞下移，进行海水淡化，海水通过淡化活塞内嵌的淡化通道和反渗透膜将淡水送入淡水腔，同时，中心浮球内气体经电磁流量阀Ⅱ进入膨胀腔，膨胀助推活塞下移，压缩腔内气体无阻经大气进出阀Ⅰ、大气进入阀Ⅱ自动排出，淡化活塞逐步下移至淡化下限位置，海水淡化完成，此时进入至浓盐水废压利用阶段，此时大气进出阀Ⅰ、大气进入阀Ⅱ关闭，电磁铁开启，圆盘式端盖上移，淡化腔内残留的高压浓盐水经浓盐水排出通道Ⅰ自动进入膨胀腔，压缩活塞在波浪机械能和浓盐水的废压能共同作用下，压缩气体气压升高，并经单相阀Ⅰ进入中心浮球存储，直至压缩活塞下移至压缩腔底部，浓盐水在自身废压的作用下，通过浓盐水排出阀Ⅰ、浓盐水排除通道Ⅱ以及浓盐水排出阀Ⅱ排出，圆柱体浮子下俯至下限，下俯结束；

（4）水压膨胀海水淡化

当海浪波高H启动波浪高度h_min时，波浪蕴含能量较小，海水淡化所需能量完全由压缩空气储能提供，系统运行在水压膨胀海水淡化；淡化活塞上移过程，水势能、大气进入动能以及压缩气体膨胀能共同驱动淡化活塞和压缩活塞上移，海水在水势能作用下，经海水进入阀Ⅰ、海水进入阀Ⅱ进入淡化腔，中心浮内压缩气体经电磁流量阀Ⅰ进入压缩腔，膨胀做功助推压缩活塞和淡化活塞上移，淡水腔内的淡水随淡化活塞的上移，经淡水排出阀排出，膨胀腔内气体在压缩活塞推动下，经大气进入阀Ⅱ排出，直至淡化活塞上移至淡水腔顶部，海水进入阀Ⅰ、海水进入阀Ⅱ、电磁流量阀Ⅰ以及淡水排出阀关闭，淡化活塞上移至上限，上移结束；淡化活塞下移过程，气体膨胀能驱动淡化活塞和压缩活塞下移，进行海水淡化，中心浮球内气体经电磁流量阀Ⅱ进入膨胀腔，推动压缩活塞下移，带动淡化活塞下移，海水在淡化活塞的压力下，通过淡化活塞内嵌的淡化通道和反渗透膜，将淡水送入淡水腔，压缩腔内气体无阻经大气进出阀Ⅰ、大气进入阀Ⅱ自由排出，淡化活塞逐步下移至淡化下限位置，海水淡化完成，此时进入浓盐水废压利用阶段，大气进出阀Ⅰ、大气进入阀Ⅱ关闭，此时电磁铁开启，圆盘式端盖上移，淡化腔内残留的高压浓盐水经浓盐水排出通道Ⅰ自动进入膨胀腔，压缩腔内气体在浓盐水的废压能作用下进行压缩，高压气体经单向阀Ⅰ进入中心浮球，直至压缩活塞下移至压缩腔底部，浓盐水在自身废压的作用下经浓盐水排出阀Ⅰ、浓盐水排出通道Ⅱ以及浓盐水排出阀Ⅱ排出，淡化活塞下移至下限，下移结束。