自发电型船舶淡水补充设备

1自发电型船舶淡水补充设备设计者：赵迪，张强，刘勇，安策指导教师：丁光彬，李临生（河北工程大学水电学院，河北邯郸056021）作品内容简介本自发电型船舶淡水补充设备,它由取水装置、输水装置、脱盐装置、压电发电装置、电能输送线、蓄电装置、直流转化装置、调压装置、配电装置、供电装置、压力传感装置、计算机控制装置、自定义按钮系列、分流装置、分流驱动电机组成。本自发电型船舶淡水补充设备，采用新型EST技术和波浪压电发电技术，通过采集波浪能并将其运用到海水脱盐模块，以达到补给海运船舶淡水和电能的目的。本设备的脱盐模块采用直流低压近距吸附、反向高压瞬间脱附的方式，在电化学反应极其微弱的情况下将海水中的盐离子运动延时并分离，实现海水的淡化；该设备的发电装置通过拨动“悬臂梁”式辐射状圆周阵列的新型压电振子材料，充分的利用了采集的波浪能、发电振子分部空间和发电材料物理性质，实现了高效的电能转化与蓄积；本设备的控制模块采用计算机智能化程序控制，实现了装备的自动运行；本设备的自定义控制面板可以对计算机程序进行档位调节，以满足对供电和供水的灵活转化，除此之外也可以根据淡水精度表调节淡水的精度，以满足不同的用水标准。关键字：波浪发电海水淡化智能化运行无额外耗能1.研究背景远洋运输及其船舶在经济全球化时代在促进国际物流、增进国际贸易方面担负着越来越繁重的任务，发挥着越来越重要的作用。船舶动力装置需要消耗大量淡水，主要用作柴油机冷却水、锅炉给水、蓄电池用水等。这些淡水当然可以设专用水舱储存，但是对于远洋船舶，由于连续航行时间长，离开补给基地远，要储备足够多的淡水，必然要减少载货吨位，影响运输能力的充分利用；同时如果淡水储存时间长，也容易被细菌污染而变质；远洋船舶航行的生命力，也要求能源源不断地补充淡水，以适应海上航行多变的气象和工作条件，而单纯的用水舱储存的淡水，就难以达到这个目的。其次，由于化石能源的不可再生，人类也面临着日趋严峻的能源危机。目前，世界各国都在开发新能源，例如：太阳能、风能、波浪能、潮汐能、地热能生物质能等一系列可再生能源。海洋波浪蕴藏着巨大的能量，正弦波浪每米波峰宽度的功率P≈HTkW/m。式中，H为波高，m;T为波周期，s。通过某种装置可将波浪的能量转换为机械的、气压的或液压的能量，然后通过传动机构、气轮机、水轮机或油压马达驱动发电机发电。全球有经济价值的波浪能开采量估计为1～10亿kW。中国波浪能的理论储量为7000万kW左右。现有的海水淡化系统包括如下几种：冷冻法、反渗透法、太阳能法、低温多效、多级闪蒸、电渗析法、露点蒸发法、水电联产、热膜联产等。用于船舶海水淡化的主要有蒸发法、电渗析发、反渗析法等，而这些方法中耗能较多，但由于这些设备的种种局限性和技术的不完善性，作为船舶淡水补充设备，这些技术仍然有很大的不便，最核心的问题是这些设备需要消耗较多的能源，这大大加重了船舶的蓄能负担，而缺乏能源补给的海上船舶难以供养。22.设计原理2.1设计思路（A）根据电流的形成原理，即电子的定向运动产生电流。当向海水中施加电压时，海水中的阴阳离子受到电场力的作用，定向地向电极两边移动，形成离子流流（电流）。而根据H2O分子和离子的化学性质，当向盐溶液中施加一定电压时，会出现电解现象。海水中的成分主要是H2O、Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+等，据相关资料表明，当海水中施加的电压低于1.23V时，溶液中的电解反应几乎不发生，即该电压值为水电解的最低电压。在电解电压下，水溶液中主要发生物理反应，即离子的定向运动。（B)压电陶瓷是一种新材料，当通向电流时，陶瓷片发生快速振动，即蜂鸣效果；当该压电陶瓷材料受到外力振动时，也会产生一定的交流电压，通过整流桥和蓄电池可以将压电陶瓷材料产生的电压转化成直流电储存起来。2.2结构设计结构设计从三方面入手，即实现本发明目的三部分构件，包括一个集成控制系统，与所述集成控制系统相连的至少一个海水脱盐系统和至少一个波浪压电发电机。第一方面是海水脱盐模块（图1）的设计：所述海水脱盐系统包括壳体，位于所述壳体上方的海水进水口，位于壳体内的进水缓冲层和多个电极板；所述进水缓冲层位于海水进水口的下方，所述电极板位于进水缓冲层的下方；所述壳体的下方设有分流装置，所述集成控制系统外设上设有正、负两根电极插条，所述电极板上设有插头，所述电极插条上交替设有多个插孔；所述电极板的插头与插孔相连；所述电极板的插头依次交错接到正、负两根电极插条上；所述电极板外镀有活性炭吸附层。所述壳体下方设有压力传感器。所述电极外设有电绝缘保护层。所述分流装置包括设置在壳体上的脱盐海水出口和高浓度海水出口，所述脱盐海水出口和高浓度海水出口外分别设有电磁阀阀门，所述电磁阀阀门与集成控制系统相连。第二方面是波浪压电发电机（图2）的设计：所述波浪压电发电机包括中部壳层，位于所述中部壳层下方的浮体振子，所述固定壳层与浮体振子之间通过四个导向柱连接；所述固定浮体上设有两个防水固定环，所述防水固定环内设有多个条形辐射状压电陶瓷片，所述压电陶瓷片设有磁边；所述驱动轴的两端分别设有附磁环，所述附磁环上设有四个非接触磁体驱动片，用于驱动压电陶瓷片振动；所述浮体振子上设有驱动齿条，所述驱动轴中部设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述驱动齿条相啮合。所述导向柱上设有浮体缓冲弹簧，所述浮体缓冲弹簧位于浮体振子和固定浮体之间。所述导向柱上设有导向卡头缓冲弹簧，所述导向卡头缓冲弹簧位于固定浮体与导向柱的卡头之间。所述磁边与非接触磁体驱动片为近距离非接触驱动。第三方面是集成控制系统的设计：所述集成控制系统包括直流转换器、局部调压模块、图1海水脱盐模块效果图图2波浪压电发电机效果图3蓄电池、CPU、自定义标码、工作电路驱动开关、压力传感器、溢电报警器、电能输出接头。本发明的自发电型船舶淡水补充设备的工作原理如下：波浪压电发电机呈单元式固定在船周围，发电机上设有与控制中心相连的输电网管道，保证输电线不被拉断和磨损；发电机外涂有防腐保护层；波浪能采集浮体振子在缓冲导向柱的导向下，自动保持在船体吃水线上，受海浪的压力和浮力，浮体振子和传动齿条沿导向柱相对于发电机做竖直方向上的相对运动；齿条驱动发电机的中轴转动；中轴上的强磁驱动片通过磁力驱动压电振子震动；压电发电振子产生的交流电信号通过输电网流入相应的集成控制系统中；控制系统中的全桥将收到的交流电转换成直流电并储存在蓄电池中；电量检测器检测蓄电池中的电量，并以百分数的形式显示在显示屏上；默认状态工作时，蓄电池内的电量达到60%时，CPU激活工作电路，各个模块进入工作状态；主蓄电池、自吸式水泵、电磁阀和继电器统一采用直流12V规格；吸附电压采用直流1.2V，脱附电压采用直流5V。设备启动后，自吸式水泵开始工作，使脱盐设备内充满水，以保证脱盐设备的正常工作；当脱盐设备内的水量达到箱内容量的95%时，压力传感器将信号传递到计算机芯片中；CPU收到信号后，控制海水排放阀门打开，吸附电极通电；极板间形成直流匀强电场；海水中的盐离子受到电场的力的作用，向电极板移动，并被活性炭电极吸附，盐离子运动延迟，海水流中的离子重分布；当水流延时段完成后，CPU控制淡水排放阀打开，向外输出脱盐海水；一段时间后，电极板上的盐离子渐渐饱和，电场由上到下依次减弱；当饱和度达到95%时，CPU控制吸附电极反向通电5s，；上一阶段被碳电极吸附的盐离子受到瞬间反向高压电场力的作用，被碳电极排除到通过的水流中，当水流延时段完成后，CPU驱动海水排水阀打开，淡水排水阀关闭，高浓度离子被水流带回大海中，电极板脱附活化；以上即为该设备的一个工作周期。当蓄电池内的电量低于20%时，脱盐模块停止工作；当电量达到90%时，计算机控制溢电蜂鸣器报警，外溢单向输出端被激活，电能输送到船内储能系统。CPU接有自定义标码开关，通过标码开关控制吸附时间，标码参数是以脱附饱和度标注的，默认脱附饱和度为90%，此状态下工作效率较高，通过标码开关可以将脱附饱和度降低，以此来提高淡水的精度，以满足不同用水标准的需要。在发电机的持续供能、计算机智能化的控制和自定义的设置下，脱盐设备持续上述工作循环，出水管源源不断向缓存蓄水箱中输出淡水，以上便是本自发电型船舶淡水补充设备的工作。原理。3.创新特色（1）本设备无需人频繁维护、调试，能通过自带发电和蓄电系统进行波浪能的采集、储存和利用，能持续向外输出脱盐海水和多余电能，以补充海运船舶新鲜淡水资源供应不足的状况。（2）脱盐方式的创新：利用EST电吸附原理，脱盐设备中设置多重回环的低压电极板，电极板外附有活性炭吸附导电层，以增强对离子的吸附性。活性炭电极的总表面积较大，表面上布满凹凸不平的活性炭颗粒，由于活性炭尖端电子密度大，所以宏观上整块极板上电压分布较均衡，电荷分布密度大，可以同时吸附较多的离子；一个工作循环中，海水的处理量较大，工作效率较高。（3）能量的利用率高，能耗小：采用低压直流近距离吸附、高压瞬间反向脱附，由于离子吸附的速率随着电压的升高而增大，随着电极板距离的增大而减小；H2O和CI-的电解速率随着电压的升高而增大；通过适当的调节电压和极板距离，可以使两者之间达到一个较融洽4的值；此时设备内部几乎不发生电化学反应，即外加电能只用于对离子的吸附上，能量利用率达到95%以上，而由于海水中盐离子的浓度较低、所含电量较少，吸/脱附所需要的能耗很低，所以本设备的能耗很低。（4）本设备发电模块采用新型压电陶瓷材料发电，将压电发电振子环形辐射状阵列“悬臂梁”式装配于密封固定防护轮内，密封固定防护轮内有受波浪能采集浮体驱动的“磁力齿轮”，该磁力非接触驱动方式避免了摩擦产生的能量损失，同时也无损压电振子。（5）本设备分流装置由两个并联的常闭式电磁阀构成，电磁阀转换灵敏，通过CPU驱动电磁阀交替式转换，达到精确分流的目的。（6）整体结构的创新：本自发电型船舶淡水补充设备，通过将波浪能发电系统、储能系统、输水系统、脱盐系统和计算机控制系统相结合，智能运行，无需人工操作；自行发电储能，淡化海水，为船舶补充淡水和电能。（7）自定义淡水精度的创新：本自发电型船舶淡水补充设备，通过控制系统的自定义系列按钮，可以根据各海域预先测得的淡水精度表，设置离子脱附饱和度来得到不同精度的淡水，以满足不同用水标准的用水要求。（8）智能控制的创新：本自发电型船舶淡水补充设备采用计算机智能化控制，程序分为以下几部分：a.探测蓄电池电量；b.控制工作系统的驱动开关；c.感应脱盐装置中的水量；d.探测并触发溢电报警器；e.控制单向输出开关。4.应用前景(结语)水路运输在交通运输中占有举足轻重的地位，其中海运在经济全球化时代在促进国际物流、增进国际贸易方面担负着越来越繁重的任务，发挥着越来越重要的作用。传统的海运淡水供应方式存在着相当大的缺陷，而现有的船载海水淡化设备耗能较高，造价昂贵，这势必将促进本自发电型船舶淡水补充设备的推广。该自发电型船舶淡水补充设备可以在不额外消耗能源的情况下进行淡水的补充，并且可以向船舶提供电能；本设备完全自能化的运行，无需额外配备工作员；设备体积小巧，寿命较长，活化方便，检修方便；发电设备和淡水模块可以灵活的配置比例；多台设备并联可以公用同一个控制系统，降低成本。从本设备的种种创新和优势情况下，本产品在同类型产品中具有压倒性的市场优势；通过海运系统对新鲜淡水资源的补充需求和能源的补充需求方面，本产品具有相当广阔的潜在市场。相信本设备将会成为海运领域划时代的产品！参考文献[1]冷骏，王伟勇.船舶海水淡化装置及其现状分析[J].机电设备，2004，（5）：44～45[2]温格知.船舶海水淡化装置的管理[J].世界海运，1996，（6）：28～31[3]代凯,施利毅,等.碳纳米管电极电吸附脱盐工艺的研究[J].应用科学学报,2005,23(5):5392544.[4]杨慧云,王岐东,李斌.活性炭电极用于NaCl溶液电容性除盐[J].北京工商大学学报,2006,24(2):9212.[5]李定龙,等.电吸附除盐技术进展及其应用[J].水资源保护,2008,24(4):63266.