專利名稱：風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及水處理技術(shù)，具體為一種由風力機提供動力的風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置。
背景技術(shù)：
能源枯竭、水資源短缺和環(huán)境污染，是人類即將面臨和已經(jīng)面臨的重大難題。地球面積的70％是海洋，但地球上可供人們飲用的淡水卻日漸匱乏；因此，向海洋要淡水的海水淡化技術(shù)便應運而生。使用各種選擇性膜可把溶解的物質(zhì)從其溶劑中分離出來，其中選擇性膜包括微過濾器膜、超過濾膜和RO反滲透膜。反滲透膜具有高脫鹽率和高透水性能，可以用于對鹽味的水或海水進行淡化，從而得到大量適宜工業(yè)和飲用的水?，F(xiàn)有的利用反滲透技術(shù)淡化海水的設備均以電力或燃油等發(fā)動機為動力，適合于在陸地建廠，或在具有發(fā)電設備的大型輪船上使用，適用范圍受到電力或燃油等能源供應的局限，難于在更大范圍普遍推廣應用。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種投資省、效率高的風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置。
本實用新型的技術(shù)方案是一種風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置，具有海水淡化設備，海水淡化設備包括高壓泵、反滲透膜組，還包括立軸式風力機，風力機包括至少兩組垂直葉片，每組一對葉片通過垂直軸桿連接，每個垂直軸桿裝有第一傘齒輪，與每個垂直軸桿分別傳動連接的水平軸桿兩端裝有第二、三傘齒輪，水平軸桿一端通過第二傘齒輪與第一傘齒輪嚙合，其另一端通過第三傘齒輪與風力機主軸一端的第四傘齒輪嚙合，風力機主軸另一端連有導向電機，風力機主軸外側(cè)裝有水平軸桿帶動繞風力機主軸旋轉(zhuǎn)的外軸套，外軸套傳遞動力至高壓泵。
所述第四傘齒輪上端裝有頂絲，風力機主軸的軸承與第四傘齒輪之間裝有彈簧，風力機主軸與導向電機連接處的連軸器側(cè)面裝有定位螺釘。
所述外軸套通過平齒輪組、傳動軸和傘齒輪組連至高壓泵，傳動軸外側(cè)裝有制動器。
所述高壓泵與反滲透膜組之間的管路上裝有流量計、壓力變送器、控制閥，反滲透膜組連有調(diào)壓裝置，調(diào)壓裝置為與膜組連通的管路上依次設有止回閥、調(diào)壓閥。
本實用新型還包括控制部分，控制部分包括微控制器、驅(qū)動器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、接口電路，壓力變送器、流量計經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器連至微控制器，壓力變送器、流量計分別把壓力和流量信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號送至微控制器，微控制器的控制信號通過驅(qū)動器輸出至反滲透膜組進水的控制閥、反滲透膜組的調(diào)壓閥，微控制器通過接口電路連至計算機。
所述微控制器連有風向標，風向標將偏轉(zhuǎn)脈沖信號經(jīng)微控制器輸出至驅(qū)動電源，由驅(qū)動電源驅(qū)動風力機導向電機。
所述導向電機為步進電機。
所述流量計為電子流量計。
所述控制閥為電磁閥或電控球閥。
所述調(diào)壓閥為電控截止閥。
本實用新型的有益效果是1.本實用新型采用風力直接驅(qū)動，將風力推動立軸式風力機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)機械能直接驅(qū)動海水淡化設備中的高壓泵，相對于以風力發(fā)電為基礎的電力驅(qū)動裝置，其開機風速范圍廣、風能利用率高，具有投資省、效率高、維護費用低等優(yōu)勢。
2.本實用新型由于采用自然風作為動力，整個系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)過程中不產(chǎn)生任何污染環(huán)境的有害物質(zhì)，且維護簡單、費用低，是名副其實的環(huán)保、節(jié)能系統(tǒng)。
3.本實用新型整個裝置運轉(zhuǎn)費用極低，幾乎不需要日常維護，除個別易耗品外，風力機及反滲透裝置的使用壽命可長達15～20年，具有很好的經(jīng)濟性。
4.本實用新型可以采用計算機控制，自動化程度高，運轉(zhuǎn)安全可靠，反滲透裝置的多膜組切換控制過程及立軸式風力機的風向跟蹤和限速裝置均具備較高的技術(shù)創(chuàng)新價值。
5.本實用新型適用范圍廣，可以適用于風力資源較為豐富的海島及其他沿海地區(qū)，也可用于西北地區(qū)的苦咸水淡化，采用大功率風力機或多機組合方式，可用于驅(qū)動較大規(guī)模的海水淡化設備，可以在受到電力或燃油等能源供應的局限的地區(qū)使用。


圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實用新型立軸式風力機結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖2中立軸式風力機俯視圖。
圖4為本實用新型控制部分電路框圖。
圖5為本實用新型控制部分電路原理圖。
具體實施方式
如圖1～5所示，一種風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置，由海水淡化設備、立軸式風力機3、控制部分4等構(gòu)成，海水淡化設備包括高壓泵2、反滲透膜組1，反滲透膜組為三組，分別為1號膜組11、2號膜組12、3號膜組13，風力機3包括四組垂直葉片317，每組一對葉片317通過垂直軸桿31連接，每個垂直軸桿31裝有第一傘齒輪36，與每個垂直軸桿31分別傳動連接的水平軸桿32兩端裝有第二、三傘齒輪33、34，水平軸桿32一端通過第二傘齒輪33與第一傘齒輪36嚙合，其另一端通過第三傘齒輪34與風力機主軸38一端的第四傘齒輪35嚙合，風力機主軸38另一端連有導向電機315，風力機主軸38外側(cè)裝有水平軸桿32帶動繞風力機主軸38旋轉(zhuǎn)的外軸套312，外軸套312傳遞動力至高壓泵2，第四傘齒輪35上端裝有頂絲310，風力機主軸的軸承318與第四傘齒輪35之間裝有彈簧311，風力機主軸38與導向電機315連接處的連軸器313側(cè)面裝有定位螺釘314，外軸套312通過平齒輪組37、傳動軸39和傘齒輪組316連至高壓泵2，傳動軸39外側(cè)裝有制動器319，高壓泵2與反滲透膜組1之間的管路上裝有蝸輪流量計L、壓力變送器P、控制閥A1～A3，反滲透膜組1連有調(diào)壓裝置，調(diào)壓裝置為與反滲透膜組1連通的管路上依次設有止回閥H1～H3、調(diào)壓閥T；控制部分4包括微控制器IC1、驅(qū)動器IC2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器IC3、接口電路IC4(人機交互界面)，壓力變送器P、流量計L經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器IC3連至微控制器IC1，壓力變送器P、流量計L分別把壓力和流量信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器IC3將數(shù)字信號送至微控制器IC1，微控制器IC1的控制信號通過驅(qū)動器IC2輸出至反滲透膜組進水的控制閥、反滲透膜組的調(diào)壓閥，微控制器IC1通過接口電路IC4連至計算機5，微控制器IC1連有風向標6，風向標6將偏轉(zhuǎn)脈沖信號經(jīng)微控制器IC1輸出至驅(qū)動電源7，由驅(qū)動電源7驅(qū)動風力機導向電機315(步進電機)。
本實用新型風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置的運行由計算機控制，整個裝置的組成和控制過程描述如下一.風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置及控制過程反滲透海水淡化裝置中的核心部件高壓泵2由立軸式風力機3提供動力，由于風能的不確定性，風力機3的轉(zhuǎn)速會時快時慢，導致裝置中的流量和壓力不穩(wěn)定。本實用新型的設計思路是采用三組反滲透膜組1，根據(jù)風能的變化改變投入運行的膜組數(shù)量，從而達到即保證系統(tǒng)正常運行，又充分利用風能的目的。
如圖1所示，圖中控制閥A1、A2、A3為電磁閥或電控球閥，分別控制三套反滲透膜組1的開啟與關閉，調(diào)壓閥T采用電控截止閥，用于系統(tǒng)的壓力控制與調(diào)節(jié)，壓力變送器P和蝸輪流量計L分別用于測量系統(tǒng)的操作壓力和入口流量。為防止未開啟的膜組倒灌形成死端過濾，在每組膜組的濃水出口(C向)設有止回閥H1、H2、H3，淡水自圖中B向流出。
系統(tǒng)啟動前，控制閥A1、A2、A3處于開啟狀態(tài)，調(diào)壓閥T處于泄壓狀態(tài)。當風況滿足風力機的起動條件后，打開原水閥門，原水自A向進入，松開制動器319，風力機3起動并帶動高壓泵2工作，幾分鐘后轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定，控制部分4開始讀取流量數(shù)據(jù)。當流量小于單套膜組的最大流量Qmax時，控制閥A2、A3關閉，海水只通過1號膜組11，調(diào)壓閥T開始截流，將系統(tǒng)壓力調(diào)至標準操作壓力范圍內(nèi)，并加以保持，系統(tǒng)在單組膜運行狀態(tài)下產(chǎn)水。當風力機轉(zhuǎn)速加快，原水流量大于Qmax時，系統(tǒng)將切換到雙膜組工作狀態(tài)，在切換過程中，為防止系統(tǒng)壓力對2號膜組12的沖擊，調(diào)壓閥T先執(zhí)行泄壓程序，然后控制閥A2開啟，2號膜組12投入工作，調(diào)壓閥T恢復截流，將系統(tǒng)壓力恢復到正常值。當原水流量達到2倍Qmax時，系統(tǒng)再次進入切換狀態(tài)，控制部分4將啟動3號膜組13投入工作。當在強風作用下風力機轉(zhuǎn)速過快，原水流量接近3倍Qmax時，控制部分4將啟動風力機導向電機315使風力機偏航，限制風力機3的轉(zhuǎn)速，使膜組在滿負荷狀態(tài)下安全工作。當風力變?nèi)鯐r，控制部分4將根據(jù)系統(tǒng)流量依次減少膜組數(shù)量，切換過程同上。通過控制部分4重新定義膜組編號，可均勻調(diào)整各膜組的平均工作時間，使各膜組的失效速率保持一致。
與膜組的運行狀態(tài)相對應，將風力按強度大至分為四個等級，第一級為弱風，風速小了3米/秒，風力機無法啟動或轉(zhuǎn)速過低，系統(tǒng)不能工作。第二級為正常風，風速3～13.9米/秒，風力2～6級，在此范圍內(nèi)系統(tǒng)可正常工作，產(chǎn)水量隨風速的提高而增加，直到接近最大值。第三級為強風，風速14.1～23.9米/秒，風力7～9級。在此范圍內(nèi)風力機啟動限速裝置，全部膜組滿負荷運行，產(chǎn)水量最大。第五級為狂風，風速超過24米/秒，風力10級以上，為災害性大氣，設備停轉(zhuǎn)，風力機葉片順漿避風，立軸式風力機的設計規(guī)模將以此為依據(jù)。
二.立軸式風力機如圖2～3所示，風力機3擁有四組垂直葉片317，每組一對葉片317通過垂直軸桿31連接，各組葉片317在俯視圖(圖3)中所處的迎風姿態(tài)可使風力機3獲得最大的旋轉(zhuǎn)力矩，圖中D向為風向。由于裝有一套由多個傘齒輪組成的傳動機構(gòu)，四組葉片317在繞風力機3的中心軸公轉(zhuǎn)、將動力傳遞給高壓泵2的同時，還要繞自身的垂直中心線自轉(zhuǎn)，兩者的轉(zhuǎn)速比為2∶1(即風力機3每旋轉(zhuǎn)一周葉片自轉(zhuǎn)半周)，從而保證葉片在風力機3的旋轉(zhuǎn)過程中始終保持最佳的迎風角度，使風力機3保持連續(xù)運轉(zhuǎn)，并獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率。
1.動力傳動機構(gòu)風力機3的四組葉片317在風力場的氣動作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，滿足起動條件后，帶動風力機外軸套312轉(zhuǎn)動，并通過平齒輪組37、傳動軸39和傘齒輪組316將動力傳遞至高壓泵2。上述兩組傳動齒輪均起增速作用，對于較大規(guī)模的風力機，總速比可達1∶20～30，目的是使風力機保持低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的功率輸出模式，有利于降低風阻，提高效率。
2.傘齒輪傳動機構(gòu)和風向跟蹤與限速裝置傘齒輪傳動機構(gòu)中的第四傘齒輪35(中央傘齒輪)通過風力機主軸38與導向電機315(步進電機)相連。風向不變時，導向電機315的保持力矩使第四傘齒輪35保持不轉(zhuǎn)，風力機3的轉(zhuǎn)動使四組水平軸桿32兩端的第二、三傘齒輪33、34(介輪)繞第四傘齒輪35滾動，并通過傳動軸39和第一傘齒輪36(葉片齒輪)帶動葉片317自轉(zhuǎn)。
當風向改變時，風向標6軸上的碼盤將偏轉(zhuǎn)脈沖信號通過控制部分4傳給導向電機315，后者驅(qū)動第四傘齒輪35轉(zhuǎn)過同樣的角度，從而保持風力機的最佳對風方向。
在強風天氣下，當風力機3的轉(zhuǎn)速接近系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)速時，控制部分4可通過附加脈沖信號的方式轉(zhuǎn)動第四傘齒輪35，使風力機3的最佳對風方向與實際風向成一定角度，從而降低風力機的效率，達到限速的目的。
當接到停止指令時，只需使風力機的對風方向與實際風向成90°角，風力機會完全失去動力而在負載阻力的作用下慢慢停止轉(zhuǎn)動。
3.順槳避風在遇到臺風等災害性天氣時，需先將風力機停轉(zhuǎn)，松開連軸器313上的定位螺釘314，旋緊頂絲310使第四傘齒輪35與傳動機構(gòu)脫離。這樣四組葉片317可繞各自軸線自由轉(zhuǎn)動，在氣動作用下采取順風姿態(tài)，從而保護風力機3免遭破壞。
4.制動器在動力傳動軸39的適當位置裝有手動制動器319，目的是保證風力機3停機狀態(tài)的可靠性。
三.配套設施1.風力提水系統(tǒng)該系統(tǒng)包括風力提水機和蓄水池(罐)兩部分，蓄水池(罐)可建在坡頂或建筑物上，高度視高壓泵所需進口壓力而定，如原水水質(zhì)較差可在此配置加藥處理裝置。該系統(tǒng)同時具備儲能和穩(wěn)壓的作用。
2.風力發(fā)電機本實用新型采用的控制部分用電量很低，在無電的環(huán)境下，只需配備一臺300～500W的小型風力發(fā)電機便可滿足使用。如配備大型機組，則可同時兼顧生活用電。
四.控制部分如圖4～5所示，壓力變送器P和流量計L分別把壓力和流量這兩個物理量變換成標準的4～20mA的電信號；這兩路模擬信號送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器IC3，IC3將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送到微控制器IC1；微控制器IC1根據(jù)采集到的流量和壓力信號通過驅(qū)動器IC2A～IC2F及固態(tài)繼電器SSR1～SSR6去控制反滲透系統(tǒng)的執(zhí)行元件J1～J6，J1～J5分別為控制閥A1～A3、調(diào)壓閥T、風力機導向電機，J6備用；微控制器IC1將整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)通過接口電路IC4送至計算機5，以非常直觀的方式顯示給操作者，本實施例模數(shù)轉(zhuǎn)換器IC3采用MAX1402，微控制器IC1采用89C54，接口電路IC4采用MAX232，固態(tài)繼電器SSR1～SSR6采用JGT-4F，電源為220V交流電經(jīng)整流器Z1、Z2整流和穩(wěn)壓器U1、U2穩(wěn)壓后輸出5V直流電，從而為壓力變送器、流量計、微控制器等供電。
權(quán)利要求1.一種風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置，具有海水淡化設備，海水淡化設備包括高壓泵(2)、反滲透膜組(1)，其特征在于還包括立軸式風力機(3)，風力機(3)包括至少兩組垂直葉片(317)，每組一對葉片(317)通過垂直軸桿(31)連接，每個垂直軸桿(31)裝有第一傘齒輪(36)，與每個垂直軸桿(31)分別傳動連接的水平軸桿(32)兩端裝有第二、三傘齒輪(33、34)，水平軸桿(32)一端通過第二傘齒輪(33)與第一傘齒輪(36)嚙合，其另一端通過第三傘齒輪(34)與風力機主軸(38)一端的第四傘齒輪(35)嚙合，風力機主軸(38)另一端連有導向電機(315)，風力機主軸(38)外側(cè)裝有水平軸桿(32)帶動繞風力機主軸(38)旋轉(zhuǎn)的外軸套(312)，外軸套(312)傳遞動力至高壓泵(2)。
2.按照權(quán)利要求1所述風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置，其特征在于所述第四傘齒輪(35)上端裝有頂絲(310)，風力機主軸的軸承(318)與第四傘齒輪(35)之間裝有彈簧(311)，風力機主軸(38)與導向電機(315)連接處的連軸器(313)側(cè)面裝有定位螺釘(314)。
3.按照權(quán)利要求1所述風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置，其特征在于所述外軸套(312)通過平齒輪組(37)、傳動軸(39)和傘齒輪組(316)連至高壓泵(2)，傳動軸(39)外側(cè)裝有制動器(319)。
4.按照權(quán)利要求1所述風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置，其特征在于所述高壓泵(2)與反滲透膜組(1)之間的管路上裝有流量計、壓力變送器、控制閥，反滲透膜組(1)連有調(diào)壓裝置，調(diào)壓裝置為與膜組(1)連通的管路上依次設有止回閥、調(diào)壓閥。
5.按照權(quán)利要求4所述風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置，其特征在于還包括控制部分(4)，控制部分包括微控制器(IC1)、驅(qū)動器(IC2)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(IC3)、接口電路(IC4)，壓力變送器(P)、流量計(L)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(IC3)連至微控制器(IC1)，壓力變送器(P)、流量計(L)分別把壓力和流量信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(IC3)將數(shù)字信號送至微控制器(IC1)，微控制器(IC1)的控制信號通過驅(qū)動器(IC2)輸出至反滲透膜組進水的控制閥、反滲透膜組的調(diào)壓閥，微控制器(IC1)通過接口電路(IC4)連至計算機(5)。
6.按照權(quán)利要求5所述風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置，其特征在于所述微控制器(IC1)連有風向標(6)，風向標(6)將偏轉(zhuǎn)脈沖信號經(jīng)微控制器(IC1)輸出至驅(qū)動電源(7)，由驅(qū)動電源(7)驅(qū)動風力機導向電機。
7.按照權(quán)利要求1所述風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置，其特征在于所述導向電機(315)為步進電機。
8.按照權(quán)利要求1所述風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置，其特征在于所述流量計為電子流量計。
9.按照權(quán)利要求1所述風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置，其特征在于所述控制閥為電磁閥或電控球閥。
10.按照權(quán)利要求1所述風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置，其特征在于所述調(diào)壓閥為電控截止閥。
專利摘要本實用新型公開了一種風能直接驅(qū)動的反滲透海水淡化裝置，包括由高壓泵、反滲透膜組等構(gòu)成的海水淡化設備、立軸式風力機，風力機包括至少兩組垂直葉片，每組一對葉片通過垂直軸桿連接，每個垂直軸桿裝有第一傘齒輪，與每個垂直軸桿分別傳動連接的水平軸桿兩端裝有第二、三傘齒輪，水平軸桿一端通過第二傘齒輪與第一傘齒輪嚙合，其另一端通過第三傘齒輪與風力機主軸一端的第四傘齒輪嚙合，風力機主軸另一端連有導向電機，風力機主軸外側(cè)裝有水平軸桿帶動繞風力機主軸旋轉(zhuǎn)的外軸套，外軸套傳遞動力至高壓泵。本實用新型采用風力直接驅(qū)動海水淡化設備中的高壓泵，相對于以風力發(fā)電為基礎的電力驅(qū)動裝置，其風能利用率高，投資省、維護費用低。
文檔編號F03D9/00GK2661953SQ20032010592
公開日2004年12月8日 申請日期2003年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月10日
發(fā)明者余立群, 冷云平, 門永安, 安永冠 申請人:余立群