专利名称：风能直接驱动的反渗透海水淡化装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水处理技术，具体为一种由风力机提供动力的风能直接驱动的反渗透海水淡化装置。
背景技术：
能源枯竭、水资源短缺和环境污染，是人类即将面临和已经面临的重大难题。地球面积的70％是海洋，但地球上可供人们饮用的淡水却日渐匮乏；因此，向海洋要淡水的海水淡化技术便应运而生。使用各种选择性膜可把溶解的物质从其溶剂中分离出来，其中选择性膜包括微过滤器膜、超过滤膜和RO反渗透膜。反渗透膜具有高脱盐率和高透水性能，可以用于对盐味的水或海水进行淡化，从而得到大量适宜工业和饮用的水。现有的利用反渗透技术淡化海水的设备均以电力或燃油等发动机为动力，适合于在陆地建厂，或在具有发电设备的大型轮船上使用，适用范围受到电力或燃油等能源供应的局限，难于在更大范围普遍推广应用。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种投资省、效率高的风能直接驱动的反渗透海水淡化装置。
本实用新型的技术方案是一种风能直接驱动的反渗透海水淡化装置，具有海水淡化设备，海水淡化设备包括高压泵、反渗透膜组，还包括立轴式风力机，风力机包括至少两组垂直叶片，每组一对叶片通过垂直轴杆连接，每个垂直轴杆装有第一伞齿轮，与每个垂直轴杆分别传动连接的水平轴杆两端装有第二、三伞齿轮，水平轴杆一端通过第二伞齿轮与第一伞齿轮啮合，其另一端通过第三伞齿轮与风力机主轴一端的第四伞齿轮啮合，风力机主轴另一端连有导向电机，风力机主轴外侧装有水平轴杆带动绕风力机主轴旋转的外轴套，外轴套传递动力至高压泵。
所述第四伞齿轮上端装有顶丝，风力机主轴的轴承与第四伞齿轮之间装有弹簧，风力机主轴与导向电机连接处的连轴器侧面装有定位螺钉。
所述外轴套通过平齿轮组、传动轴和伞齿轮组连至高压泵，传动轴外侧装有制动器。
所述高压泵与反渗透膜组之间的管路上装有流量计、压力变送器、控制阀，反渗透膜组连有调压装置，调压装置为与膜组连通的管路上依次设有止回阀、调压阀。
本实用新型还包括控制部分，控制部分包括微控制器、驱动器、模数转换器、接口电路，压力变送器、流量计经模数转换器连至微控制器，压力变送器、流量计分别把压力和流量信号转换成电信号，经模数转换器将数字信号送至微控制器，微控制器的控制信号通过驱动器输出至反渗透膜组进水的控制阀、反渗透膜组的调压阀，微控制器通过接口电路连至计算机。
所述微控制器连有风向标，风向标将偏转脉冲信号经微控制器输出至驱动电源，由驱动电源驱动风力机导向电机。
所述导向电机为步进电机。
所述流量计为电子流量计。
所述控制阀为电磁阀或电控球阀。
所述调压阀为电控截止阀。
本实用新型的有益效果是1.本实用新型采用风力直接驱动，将风力推动立轴式风力机转动产生的旋转机械能直接驱动海水淡化设备中的高压泵，相对于以风力发电为基础的电力驱动装置，其开机风速范围广、风能利用率高，具有投资省、效率高、维护费用低等优势。
2.本实用新型由于采用自然风作为动力，整个系统在运转过程中不产生任何污染环境的有害物质，且维护简单、费用低，是名副其实的环保、节能系统。
3.本实用新型整个装置运转费用极低，几乎不需要日常维护，除个别易耗品外，风力机及反渗透装置的使用寿命可长达15～20年，具有很好的经济性。
4.本实用新型可以采用计算机控制，自动化程度高，运转安全可靠，反渗透装置的多膜组切换控制过程及立轴式风力机的风向跟踪和限速装置均具备较高的技术创新价值。
5.本实用新型适用范围广，可以适用于风力资源较为丰富的海岛及其他沿海地区，也可用于西北地区的苦咸水淡化，采用大功率风力机或多机组合方式，可用于驱动较大规模的海水淡化设备，可以在受到电力或燃油等能源供应的局限的地区使用。
图1为本实用新型结构示意图。
图2为本实用新型立轴式风力机结构示意图。
图3为图2中立轴式风力机俯视图。
图4为本实用新型控制部分电路框图。
图5为本实用新型控制部分电路原理图。
具体实施方式
如图1～5所示，一种风能直接驱动的反渗透海水淡化装置，由海水淡化设备、立轴式风力机3、控制部分4等构成，海水淡化设备包括高压泵2、反渗透膜组1，反渗透膜组为三组，分别为1号膜组11、2号膜组12、3号膜组13，风力机3包括四组垂直叶片317，每组一对叶片317通过垂直轴杆31连接，每个垂直轴杆31装有第一伞齿轮36，与每个垂直轴杆31分别传动连接的水平轴杆32两端装有第二、三伞齿轮33、34，水平轴杆32一端通过第二伞齿轮33与第一伞齿轮36啮合，其另一端通过第三伞齿轮34与风力机主轴38一端的第四伞齿轮35啮合，风力机主轴38另一端连有导向电机315，风力机主轴38外侧装有水平轴杆32带动绕风力机主轴38旋转的外轴套312，外轴套312传递动力至高压泵2，第四伞齿轮35上端装有顶丝310，风力机主轴的轴承318与第四伞齿轮35之间装有弹簧311，风力机主轴38与导向电机315连接处的连轴器313侧面装有定位螺钉314，外轴套312通过平齿轮组37、传动轴39和伞齿轮组316连至高压泵2，传动轴39外侧装有制动器319，高压泵2与反渗透膜组1之间的管路上装有蜗轮流量计L、压力变送器P、控制阀A1～A3，反渗透膜组1连有调压装置，调压装置为与反渗透膜组1连通的管路上依次设有止回阀H1～H3、调压阀T；控制部分4包括微控制器IC1、驱动器IC2、模数转换器IC3、接口电路IC4(人机交互界面)，压力变送器P、流量计L经模数转换器IC3连至微控制器IC1，压力变送器P、流量计L分别把压力和流量信号转换成电信号，经模数转换器IC3将数字信号送至微控制器IC1，微控制器IC1的控制信号通过驱动器IC2输出至反渗透膜组进水的控制阀、反渗透膜组的调压阀，微控制器IC1通过接口电路IC4连至计算机5，微控制器IC1连有风向标6，风向标6将偏转脉冲信号经微控制器IC1输出至驱动电源7，由驱动电源7驱动风力机导向电机315(步进电机)。
本实用新型风能直接驱动的反渗透海水淡化装置的运行由计算机控制，整个装置的组成和控制过程描述如下一.风能直接驱动的反渗透海水淡化装置及控制过程反渗透海水淡化装置中的核心部件高压泵2由立轴式风力机3提供动力，由于风能的不确定性，风力机3的转速会时快时慢，导致装置中的流量和压力不稳定。本实用新型的设计思路是采用三组反渗透膜组1，根据风能的变化改变投入运行的膜组数量，从而达到即保证系统正常运行，又充分利用风能的目的。
如图1所示，图中控制阀A1、A2、A3为电磁阀或电控球阀，分别控制三套反渗透膜组1的开启与关闭，调压阀T采用电控截止阀，用于系统的压力控制与调节，压力变送器P和蜗轮流量计L分别用于测量系统的操作压力和入口流量。为防止未开启的膜组倒灌形成死端过滤，在每组膜组的浓水出口(C向)设有止回阀H1、H2、H3，淡水自图中B向流出。
系统启动前，控制阀A1、A2、A3处于开启状态，调压阀T处于泄压状态。当风况满足风力机的起动条件后，打开原水阀门，原水自A向进入，松开制动器319，风力机3起动并带动高压泵2工作，几分钟后转速趋于稳定，控制部分4开始读取流量数据。当流量小于单套膜组的最大流量Qmax时，控制阀A2、A3关闭，海水只通过1号膜组11，调压阀T开始截流，将系统压力调至标准操作压力范围内，并加以保持，系统在单组膜运行状态下产水。当风力机转速加快，原水流量大于Qmax时，系统将切换到双膜组工作状态，在切换过程中，为防止系统压力对2号膜组12的冲击，调压阀T先执行泄压程序，然后控制阀A2开启，2号膜组12投入工作，调压阀T恢复截流，将系统压力恢复到正常值。当原水流量达到2倍Qmax时，系统再次进入切换状态，控制部分4将启动3号膜组13投入工作。当在强风作用下风力机转速过快，原水流量接近3倍Qmax时，控制部分4将启动风力机导向电机315使风力机偏航，限制风力机3的转速，使膜组在满负荷状态下安全工作。当风力变弱时，控制部分4将根据系统流量依次减少膜组数量，切换过程同上。通过控制部分4重新定义膜组编号，可均匀调整各膜组的平均工作时间，使各膜组的失效速率保持一致。
与膜组的运行状态相对应，将风力按强度大至分为四个等级，第一级为弱风，风速小了3米/秒，风力机无法启动或转速过低，系统不能工作。第二级为正常风，风速3～13.9米/秒，风力2～6级，在此范围内系统可正常工作，产水量随风速的提高而增加，直到接近最大值。第三级为强风，风速14.1～23.9米/秒，风力7～9级。在此范围内风力机启动限速装置，全部膜组满负荷运行，产水量最大。第五级为狂风，风速超过24米/秒，风力10级以上，为灾害性大气，设备停转，风力机叶片顺浆避风，立轴式风力机的设计规模将以此为依据。
二.立轴式风力机如图2～3所示，风力机3拥有四组垂直叶片317，每组一对叶片317通过垂直轴杆31连接，各组叶片317在俯视图(图3)中所处的迎风姿态可使风力机3获得最大的旋转力矩，图中D向为风向。由于装有一套由多个伞齿轮组成的传动机构，四组叶片317在绕风力机3的中心轴公转、将动力传递给高压泵2的同时，还要绕自身的垂直中心线自转，两者的转速比为2∶1(即风力机3每旋转一周叶片自转半周)，从而保证叶片在风力机3的旋转过程中始终保持最佳的迎风角度，使风力机3保持连续运转，并获得较高的能量转换效率。
1.动力传动机构风力机3的四组叶片317在风力场的气动作用下产生旋转力矩，满足起动条件后，带动风力机外轴套312转动，并通过平齿轮组37、传动轴39和伞齿轮组316将动力传递至高压泵2。上述两组传动齿轮均起增速作用，对于较大规模的风力机，总速比可达1∶20～30，目的是使风力机保持低转速、高转矩的功率输出模式，有利于降低风阻，提高效率。
2.伞齿轮传动机构和风向跟踪与限速装置伞齿轮传动机构中的第四伞齿轮35(中央伞齿轮)通过风力机主轴38与导向电机315(步进电机)相连。风向不变时，导向电机315的保持力矩使第四伞齿轮35保持不转，风力机3的转动使四组水平轴杆32两端的第二、三伞齿轮33、34(介轮)绕第四伞齿轮35滚动，并通过传动轴39和第一伞齿轮36(叶片齿轮)带动叶片317自转。
当风向改变时，风向标6轴上的码盘将偏转脉冲信号通过控制部分4传给导向电机315，后者驱动第四伞齿轮35转过同样的角度，从而保持风力机的最佳对风方向。
在强风天气下，当风力机3的转速接近系统的最大转速时，控制部分4可通过附加脉冲信号的方式转动第四伞齿轮35，使风力机3的最佳对风方向与实际风向成一定角度，从而降低风力机的效率，达到限速的目的。
当接到停止指令时，只需使风力机的对风方向与实际风向成90°角，风力机会完全失去动力而在负载阻力的作用下慢慢停止转动。
3.顺桨避风在遇到台风等灾害性天气时，需先将风力机停转，松开连轴器313上的定位螺钉314，旋紧顶丝310使第四伞齿轮35与传动机构脱离。这样四组叶片317可绕各自轴线自由转动，在气动作用下采取顺风姿态，从而保护风力机3免遭破坏。
4.制动器在动力传动轴39的适当位置装有手动制动器319，目的是保证风力机3停机状态的可靠性。
三.配套设施1.风力提水系统该系统包括风力提水机和蓄水池(罐)两部分，蓄水池(罐)可建在坡顶或建筑物上，高度视高压泵所需进口压力而定，如原水水质较差可在此配置加药处理装置。该系统同时具备储能和稳压的作用。
2.风力发电机本实用新型采用的控制部分用电量很低，在无电的环境下，只需配备一台300～500W的小型风力发电机便可满足使用。如配备大型机组，则可同时兼顾生活用电。
四.控制部分如图4～5所示，压力变送器P和流量计L分别把压力和流量这两个物理量变换成标准的4～20mA的电信号；这两路模拟信号送到模数转换器IC3，IC3将其转换为数字信号送到微控制器IC1；微控制器IC1根据采集到的流量和压力信号通过驱动器IC2A～IC2F及固态继电器SSR1～SSR6去控制反渗透系统的执行元件J1～J6，J1～J5分别为控制阀A1～A3、调压阀T、风力机导向电机，J6备用；微控制器IC1将整个系统的运行状态通过接口电路IC4送至计算机5，以非常直观的方式显示给操作者，本实施例模数转换器IC3采用MAX1402，微控制器IC1采用89C54，接口电路IC4采用MAX232，固态继电器SSR1～SSR6采用JGT-4F，电源为220V交流电经整流器Z1、Z2整流和稳压器U1、U2稳压后输出5V直流电，从而为压力变送器、流量计、微控制器等供电。
权利要求1.一种风能直接驱动的反渗透海水淡化装置，具有海水淡化设备，海水淡化设备包括高压泵(2)、反渗透膜组(1)，其特征在于还包括立轴式风力机(3)，风力机(3)包括至少两组垂直叶片(317)，每组一对叶片(317)通过垂直轴杆(31)连接，每个垂直轴杆(31)装有第一伞齿轮(36)，与每个垂直轴杆(31)分别传动连接的水平轴杆(32)两端装有第二、三伞齿轮(33、34)，水平轴杆(32)一端通过第二伞齿轮(33)与第一伞齿轮(36)啮合，其另一端通过第三伞齿轮(34)与风力机主轴(38)一端的第四伞齿轮(35)啮合，风力机主轴(38)另一端连有导向电机(315)，风力机主轴(38)外侧装有水平轴杆(32)带动绕风力机主轴(38)旋转的外轴套(312)，外轴套(312)传递动力至高压泵(2)。
2.按照权利要求1所述风能直接驱动的反渗透海水淡化装置，其特征在于所述第四伞齿轮(35)上端装有顶丝(310)，风力机主轴的轴承(318)与第四伞齿轮(35)之间装有弹簧(311)，风力机主轴(38)与导向电机(315)连接处的连轴器(313)侧面装有定位螺钉(314)。
3.按照权利要求1所述风能直接驱动的反渗透海水淡化装置，其特征在于所述外轴套(312)通过平齿轮组(37)、传动轴(39)和伞齿轮组(316)连至高压泵(2)，传动轴(39)外侧装有制动器(319)。
4.按照权利要求1所述风能直接驱动的反渗透海水淡化装置，其特征在于所述高压泵(2)与反渗透膜组(1)之间的管路上装有流量计、压力变送器、控制阀，反渗透膜组(1)连有调压装置，调压装置为与膜组(1)连通的管路上依次设有止回阀、调压阀。
5.按照权利要求4所述风能直接驱动的反渗透海水淡化装置，其特征在于还包括控制部分(4)，控制部分包括微控制器(IC1)、驱动器(IC2)、模数转换器(IC3)、接口电路(IC4)，压力变送器(P)、流量计(L)经模数转换器(IC3)连至微控制器(IC1)，压力变送器(P)、流量计(L)分别把压力和流量信号转换成电信号，经模数转换器(IC3)将数字信号送至微控制器(IC1)，微控制器(IC1)的控制信号通过驱动器(IC2)输出至反渗透膜组进水的控制阀、反渗透膜组的调压阀，微控制器(IC1)通过接口电路(IC4)连至计算机(5)。
6.按照权利要求5所述风能直接驱动的反渗透海水淡化装置，其特征在于所述微控制器(IC1)连有风向标(6)，风向标(6)将偏转脉冲信号经微控制器(IC1)输出至驱动电源(7)，由驱动电源(7)驱动风力机导向电机。
7.按照权利要求1所述风能直接驱动的反渗透海水淡化装置，其特征在于所述导向电机(315)为步进电机。
8.按照权利要求1所述风能直接驱动的反渗透海水淡化装置，其特征在于所述流量计为电子流量计。
9.按照权利要求1所述风能直接驱动的反渗透海水淡化装置，其特征在于所述控制阀为电磁阀或电控球阀。
10.按照权利要求1所述风能直接驱动的反渗透海水淡化装置，其特征在于所述调压阀为电控截止阀。
专利摘要本实用新型公开了一种风能直接驱动的反渗透海水淡化装置，包括由高压泵、反渗透膜组等构成的海水淡化设备、立轴式风力机，风力机包括至少两组垂直叶片，每组一对叶片通过垂直轴杆连接，每个垂直轴杆装有第一伞齿轮，与每个垂直轴杆分别传动连接的水平轴杆两端装有第二、三伞齿轮，水平轴杆一端通过第二伞齿轮与第一伞齿轮啮合，其另一端通过第三伞齿轮与风力机主轴一端的第四伞齿轮啮合，风力机主轴另一端连有导向电机，风力机主轴外侧装有水平轴杆带动绕风力机主轴旋转的外轴套，外轴套传递动力至高压泵。本实用新型采用风力直接驱动海水淡化设备中的高压泵，相对于以风力发电为基础的电力驱动装置，其风能利用率高，投资省、维护费用低。
文档编号F03D9/00GK2661953SQ20032010592
公开日2004年12月8日 申请日期2003年12月10日 优先权日2003年12月10日
发明者余立群, 冷云平, 门永安, 安永冠 申请人:余立群