基于光伏发电的反渗透除盐净化无人船系统

1.本发明涉及内陆咸水湖泊淡化装置，具体涉及基于光伏发电的反渗透除盐净化无人船系统。


背景技术：

2.利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能的光效应和热效应。目前，太阳能海水淡化技术主要有蒸馏法、电渗析法和反渗透法。
3.太阳能蒸馏法尤其是太阳能多级闪蒸技术是当前应用较多的淡化技术，但是蒸馏法的缺点是只能在有阳光情况下工作，阴天和晚上则无法工作；电渗析法是指利用太阳能发电后，将具有选择透过性的阴阳离子交换膜交替排列，外加电流电场来分离淡水；反渗透法则是利用半透膜，利用电力驱动的加压设备在膜的进水端一侧施加大于海水渗透压的外压力，海水中的纯水反渗透至淡水中。其中，反渗透技术较为节能，其能耗仅为电渗析法的一半，蒸馏法的四十分之一，因此反渗透法是当前海水淡化应用的热门技术。
4.目前太阳能发电技术主要有两种方法：太阳能热发电和太阳能光伏发电。太阳能热发电就是利用聚光的方法将太阳光聚集到点或线上，得到的高温热源来加热水使其气化再利用蒸汽机发电；太阳能光伏发电是利用光电转化技术，以光伏电池板作为光伏发电的核心部件，是新兴的一种太阳能发电技术，当前大部分是使用晶硅光伏电池。
5.海水淡化膜是一种高分子复合材料制成的反渗透膜，随着技术的发展当前的海水淡化膜的脱盐率基本都在99％以上。在海水淡化膜的选取上尽量选取运行压力较低的，可以减小对高压水泵的功率的要求，从而起到节能的效果。
6.现在对太阳能海水淡化技术的应用主要集中在陆地上清洁淡水比较匮乏的地区，大部分为大型装置；适合渔船、帆船、工程船、舰船和救生艇等。小船以及海岛，无人操控区域使用的小型海水淡化装置研究相对较少，还没有投入批量生产的实用型设备，且使用环保能源作为除盐淡化的装置研究较少，该类淡化装置将具有广阔的市场。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供了一种基于光伏发电的反渗透除盐净化无人船系统，该系统结构简单，设计合理，使用方便，采用太阳能清洁绿色能源作为设备所需的能源，不需要额外提供能源，不但绿色环保还能够独立的工作，适合大中型咸水湖库及难以降低盐度的海水，适用范围更广。
8.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
9.基于光伏发电的反渗透除盐净化无人船系统，包括浮水浮筒，设置在浮水浮筒内的预处理装置、吸水加压泵、反渗透膜组件和淡水储水水箱、浓水储水水箱，设置在浮水浮筒上的太阳能光伏发电装置，以及推动浮水浮筒前进的船体导航行进模块；
10.浮水浮筒前面开设有进水口，侧面开设有出水口；
11.预处理装置与吸水加压泵连接，吸水加压泵与太阳能光伏发电装置连接；反渗透
膜组件与淡水储水水箱连接；船体导航行进模块和反渗透膜组件均连接有太阳能光伏发电装置；浮水浮筒尾部设置在线水质监测设备实时监测除盐后水体各参数指标，并且数据通过无线终端传输。
12.本发明进一步的改进在于，船体导航行进模块依靠水质传感设备和和地形探测设备在规定航线上进行除盐作业，及时定位船体位置，实时探测水下深度，实现水下智能化迁移。
13.本发明进一步的改进在于，还包括阻垢剂，阻垢剂投加置于循环水泵后，针对水体特点采用复配阻垢剂类型。
14.本发明进一步的改进在于，进水口设有滤网以及旋转清洁装置，预处理装置的内部设有活性炭过滤器，收集滤渣于船体集中处理。
15.本发明进一步的改进在于，吸水加压泵与反渗透膜组件之间的连接管道上设有第二进水阀与流量计。
16.本发明进一步的改进在于，太阳能光伏发电装置包括太阳能光伏板、充放电控制器、蓄电池组6、直流插座和逆变器；太阳能光伏板与充放电控制器连接，充放电控制器与蓄电池组的其中一电极连接，蓄电池组的另一电极与直流插座和逆变器连接，逆变器与吸水加压泵连接。
17.本发明进一步的改进在于，反渗透膜组件包括膜壳和设置在膜壳内部的海水淡化膜；膜壳的淡水出水口连接有淡水储水水箱，膜壳的浓缩水出水口连接浓水储水水箱，且浓水储水水箱与能量回收装置间设置增压水泵。
18.本发明进一步的改进在于，出水口设置出水阀，开启时淡水储水水箱净水排至周围环境。
19.本发明进一步的改进在于，浓水储水水箱管道连接能量回收装置，一部分浓水经第一进水阀和循环水泵提升后再次浓缩，剩余浓水经能量回收装置回流至特种膜，增加浓缩倍数后进入浓水更换箱。
20.本发明进一步的改进在于，特种膜采用陶氏xc-n反渗透膜。
21.本发明至少具有如下有益的技术效果：
22.本发明提供的基于光伏发电的反渗透除盐净化无人船系统，可广泛应用于反渗透苦咸水淡化制造领域。采用清洁绿色能源作为设备所需能源，当充电不足时可采用市政供电方式。不但绿色环保还能够独立工作，操作维护简单，其净水产量达1-20l/h。适合于大中型咸水湖库及难以降低盐度的海水，适用范围更广。本发明专利具有绿色环保，高效节能，方便除盐等优点。
23.本发明将太阳能发电装置与反渗透除盐装置相结合，设计一种新型的咸水湖库反渗透除盐装置，利用无人船的搭载对高盐度湖泊水体进行路线规划与巡航治理，可以有效降低咸水湖泊的盐度，减少水体的蒸发量，改善内陆咸水湖泊的动植物生长环境，解决传统湖泊除盐技术的高能耗、高污染问题。本装置采用船体进水孔进水，通过船体移动可以改变进水方向。高效利用反渗透膜组件脱盐，同时投加阻垢剂，减少反冲洗频率，提高湖泊除盐效率。
24.本发明涉及一种高盐度海水，湖泊除盐净化无人船系统，其包括导航巡查船系统，光伏板及蓄电池组供电系统和反渗透除盐系统，其中反渗透除盐系统包括除盐模块，反冲
洗模块和浓清水收集模块。除盐船系统配备除盐净水箱和浓水箱，依靠船体运动和水箱前段吸入泵装置获得应处理水源，通过反渗透除盐模块进行除盐净水。当完成一个反渗透除盐周期时，可以利用湖泊水进行反冲洗完成模块再生，同时将冲洗水排入浓水箱中。除盐净化无人船系统采用太阳能供电的方式，大大节约了反渗透除盐过程所需要的电量，在晴天时获得的电源储存在蓄电池中，在没有光照和气象环境恶劣的情况下也能完成除盐任务。
25.在湖泊水体除盐净化过程，无人船设定一定面积范围内净化任务，同时规定除盐路线，设定除盐周期和反洗周期，完成一个周期的除盐任务后及时将除盐浓水收集至浓水更换箱并集中处理。该装置融合互联网技术，通过人工设定即可完成水体的净化工作。
附图说明
26.图1为本发明基于光伏发电的反渗透除盐净化无人船系统的立体图。
27.图2为本发明基于光伏发电的反渗透除盐净化无人船系统的侧视图。
28.图3为本发明基于光伏发电的反渗透除盐净化无人船系统的俯视图。
29.附图标记说明：
30.1.作业灯，2.太阳能光伏板，3.在线水质监测设备，4.推动器，5.进水口，6.蓄电池组，7.逆变器，8.增压水泵，9.阻垢剂，10.第一进水阀，11.能量回收装置，12.特种膜，13.吸水加压泵，14.第二进水阀，15.流量计，16.预处理装置，17.循环水泵，18.反渗透膜组件，19.集水坑，20.淡水储水水箱，21.浓水储水水箱，22.浓水更换箱，23.浮水浮筒，24.出水阀，25.出水口。
具体实施方式
31.以下结合附图对本发明做出进一步的说明。
32.如图1至图3所示，本发明提供的基于光伏发电的反渗透除盐净化无人船系统，包括预处理装置16、吸水加压泵13、反渗透膜组件18、太阳能光伏发电装置、淡水储水水箱20和浓水储水水箱21和浮水浮筒23；预处理装置16与吸水加压泵13连接，吸水加压泵13与太阳能光伏发电装置连接；反渗透膜组件18与淡水储水水箱20连接。船体导航行进模块和反渗透膜组件18均连接有太阳能光伏发电装置。
33.所述船体导航行进模块依靠水质传感设备和和地形探测设备在规定航线上进行除盐作业，及时定位船体位置，实时探测水下深度，实现水下智能化迁移。
34.所述阻垢剂9投加置于循环水泵17后，针对水体特点采用复配阻垢剂类型。
35.所述的进水口5设有滤网以及旋转清洁装置，预处理装置16的内部设有活性炭过滤器，收集滤渣于船体集中处理。
36.所述的吸水加压泵13与反渗透膜组件18之间的连接管道上设有第二进水阀14与流量计15。
37.所述的太阳能光伏发电装置包括太阳能光伏板2、充放电控制器、蓄电池组6、直流插座和逆变器7；太阳能光伏板2与充放电控制器连接，充放电控制器与蓄电池组6的其中一电极连接，蓄电池组6的另一电极与直流插座和逆变器7连接，逆变器7与吸水加压泵13连接。
38.本发明依靠太阳能为能源，储电池续航6小时左右。在睛天或多云即可产生电能，
并贮存到所述蓄电池组6内，再通过充放电控制器分配电能给电源分配器，所述电源分配器直接连接除盐船主体，向循环水泵17，增压水泵8等供电工作。
39.所述的反渗透膜组件18包括膜壳和设置在膜壳内部的海水淡化膜；所述的膜壳的淡水出水口连接有淡水储水水箱20；所述的膜壳的浓缩出水口上连接有浓水储水水箱21；所述的浓水储水水箱21与能量回收装置11间设置有增压水泵8。
40.所述出水口25设置出水阀24，开启时淡水储水水箱20净水排至周围环境。
41.所述浓水储水水箱21管道连接能量回收装置11，一部分浓水经循环水泵17提升后再次浓缩。剩余浓水经能量回收装置11泵至特种膜12，增加浓缩倍数后进入浓水更换箱22。
42.所述的能量回收装置11为流动功装置。将反渗透系统高压浓水的压力能量回收再利用，从而降低反渗透水体淡化的制水能耗和制水成本。适用于船舶用的小型淡化系统，能耗低，回收效果好。
43.所述特种膜12采用陶氏xc-n反渗透膜，能对反渗透浓水中的有机物、盐度和水进行较为彻底的分离，透过液水质较好，具有高选择性和较高的单价离子透过率，以及较高的二价离子和cod截留率，有助于分离出高纯度的盐溶液，减少浓缩废水。同时反渗透盐水浓缩液进入浓水更换箱22，透过液通过管路回流至浓水箱。
44.当完成一个作业周期，除盐船靠岸，更换浓水更换箱22。同时反渗透单元浓缩液采用蒸发结晶，获得蒸发产物。产水达标回用，产盐资源化利用，从而达到一、二价盐分离，浓水零排放的目的。
45.所述水质检测设备安装电导率仪和溶解性固体测量设备，可以探测水体高盐度区域，进行重点作业。
46.所述船体采用前段进水，侧端出水模式，避免处理后净水与原水混合，降低处理效果。船体设计采用玻璃钢材料，船壳质量轻，且耐腐蚀，耐冲击，更好保护船体内精密仪器设备。
47.以下对本发明的工作原理说明如下：
48.船体进行除盐工作时，水体从进水孔5进入浮水浮筒23，经过吸水加压13泵入预处理装置16，预处理装置16设置滤孔过滤水体较大悬浮物及杂质，并通过旋转清洁器排出船体。预处理系统第二模块设置活性炭过滤水体，降低水体浊度。同时第二进水阀14实时监控进水流量并及时调节水泵功率。水体经过管路进入反渗透除盐模块，利用膜的截留效果去除水体盐度，净化水体，达到降低水体矿化度的作用。净化后水体进入淡水储水水箱20收集，一定体积后打开出水阀24净水排放自然水体。反渗透浓水经过管路进入21浓水储水水箱，经过循环管路和能量回收装置11泵入第二进水阀14前段。同时循环水泵17将阻垢剂9泵入前段管路，预防反渗透膜组件18结垢。船体设置集水坑19方便后期检查与维修。经过浓缩后的浓水通过能量回收装置11及增压水泵8增压，同时管线设置特种膜12能够进一步浓缩浓水，浓缩水经增压水泵8进入浓水更换箱22。当结束一个除盐周期后船体靠岸，更换浓水更换箱，处理浓水。最后经过浓水蒸发结晶，获得除盐附加产物及处理水。
49.船体通过推动器4前进，使用导航系统可以设置除盐路线。浮水浮筒23尾部设置在线水质监测设备3实时监测除盐后水体各参数指标，并且数据通过无线终端传输。在作业过程中打开作业灯1，在夜晚可以观察船体作业路线是否正确。船体采用太阳能光伏板2，太阳能光伏板2吸收太阳能，通过逆变器7转换并且将电能储存在蓄电池组6内，使船体在光线较
弱或者夜晚仍能继续工作。
50.本发明应用于湖库水体污染治理，可以高效节能除去水体盐度，节约水体治理成本，可以有效降低咸水湖泊的盐度，减少水体的蒸发量，改善内陆咸水湖泊的动植物生长环境，同时解决传统湖泊除盐技术的高能耗、高污染问题。
51.(1)节省劳动力成本，提高生产效率。随着日益增加的人工成本，高昂的劳动力成本已逐渐成为企业或机构进一步发展所遇到的瓶颈问题。在水体广阔，难以全天候人工管理的湖库水体环境，采用反渗透除盐船水体除盐技术，可以替代大量人力，不仅能节约人力成本，同时还可提高工作效率。
52.(2)实现监测实时化，融合互联网和云平台技术，综合运用在线水质监测设备3和遥感处理设备。监测设备数据实时回传到监控中心，保证信息的时效性。
53.(3)节省能源，专利环境友好型水体净化设备。充分利用环境中的太阳能，净化过程中产生的浓盐水可以再次提纯，节约运行成本。无人船行驶过程中收集的水下地形数据还可作为基础数据提供给其他机构，产生附加价值。
54.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。