一种基于势能和渗透能的耦合供电系统及强化发电方法

本发明涉及发电，特别是一种基于势能和渗透能的耦合供电系统及强化发电方法。

背景技术：

1、传统的水力发电系统将河水的势能转换为动能，进一步推动发电机产生电能，具有可再生性强、成本低、发电量大等优点。但水力发电系统也存在着以下缺点：发电后剩余流体的能量未被利用；系统的发电量需要进一步提高；系统没有利用太阳能等天然能源强化发电。

2、离子渗透发电装置利用河水海水的浓度差驱动离子选择性通过离子选择膜，形成电势差发电。渗透能发电具有清洁环保、功率密度大等优点。而离子渗透发电装置受到河水海水来源的限制。此外，离子选择膜两端的离子浓差极化现象会降低有效浓度梯度，进而损害发电量。综上所述，亟待发明一种解决势能发电和渗透能发电问题的新方法。

3、另一方面，太阳能是取之不尽的能源，基于太阳能热利用技术，将太阳能光热效应用于强化发电，能够进一步提升系统的发电量求。

4、在背景技术部分中公开的所述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、针对所述现有技术存在的不足或缺陷，提供了一种基于势能和渗透能的耦合供电系统及强化发电方法。该耦合供电系统不仅仅同时利用了势能和渗透能发电，还通过势能转换的动能和光热效应提供的温度进一步强化了发电，提升了耦合供电系统的整体效率。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

2、一种基于势能和渗透能的耦合供电系统包括，

3、流路模块，其包括，

4、蓄水池，其储存具有重力势能的盐水，

5、发电站，其连接蓄水池以将重力势能转换为电能，将发电后的低流速水传递给浓缩单元和低盐水预处理单元，

6、浓缩单元，其连接所述发电站以将发电后的盐水通过浓缩得到高盐水，并对高盐水进行过滤、分离油污，

7、低盐水预处理单元，其连接所述发电站以将发电后的盐水过滤、分离油污，

8、离子渗透发电装置，其经由第一阀连接所述浓缩单元以接收高盐水以及经由第二阀连接所述低盐水预处理单元以接收低盐水，在浓度梯度的作用下，离子渗透发电装置中的离子选择性通过纳米选择膜形成电势差，并通过正负电极输出电能；

9、电路模块，其包括，

10、电网，其连接并发电站和离子渗透发电装置输出的电能，

11、强化发电模块，其包括，

12、第一扰流元件和第二扰流元件，其分别位于离子渗透发电装置的高盐室和低盐室，对高盐水和低盐水的流动进行扰流以破坏边界层以强化流速，

13、聚光元件，其置于离子渗透发电装置的下方以将太阳能产生的热能聚集至离子渗透发电装置中，

14、吸热涂层，其置于离子渗透发电装置的内外表面以接收聚光元件所聚集的光热能和防止装置内部的热量散失。

15、所述的系统中，发电站包括水轮机、发电机和尾水渠，水轮机接收重力势能的水并将势能转换为动能，发电机连接所述水轮机以将动能转换为电能，尾水渠将盐水传递给浓缩单元和低盐水预处理单元。

16、所述的系统中，浓缩单元包括光热蒸发模块或与海水或高盐废水混合的混合模块。

17、所述的系统中，离子渗透发电装置包括经由第一阀连接所述浓缩单元以接收高盐水的高盐室以及经由第二阀连接低盐水预处理单元以接收低盐水的低盐室，且高盐水和低盐水实时补充以维持恒定的浓度梯度。

18、所述的系统中，离子选择性通过纳米选择膜包括阴离子选择膜、阳离子选择膜、氧化石墨烯材料、共价有机框架材料或金属有机框架材料，离子选择性通过纳米选择膜通过修饰、掺杂形成异形结构以提高选择性和性能。

19、所述的系统中，吸热涂层被相变材料、纳米流体、金属泡沫材料所代替。

20、所述的系统中，第一扰流元件和第二扰流元件包括叉排或顺排的管束、折流板、紊流器或叶轮。

21、所述的系统中，还包括，

22、高盐水终处理单元，其连接且接收离子渗透发电装置排出的高盐水以终处理，

23、低盐水终处理单元，其连接且接收离子渗透发电装置排出的低盐水以终处理。

24、所述的系统中，第一扰流元件和第二扰流元件削弱离子渗透发电装置中纳米选择膜两端的浓差极化效应以及提高离子通量，聚光元件和吸热涂层带来的温度提升以提高离子的扩散系数以降低浓差极化效应。

25、基于势能和渗透能的耦合供电系统的强化发电方法包括如下步骤：

26、s1：蓄水池释放重力势能的盐水，并通过水轮机和发电机发电，发电后的盐水的一部分进行浓缩形成高盐水，另一部分进行预处理形成低盐水；

27、s2：离子渗透发电装置接收具有一定流速的高盐水和低盐水，并将渗透能转换为电能，流路中的第一扰流元件和第二扰流元件破坏流动边界层强化发电，聚光元件和吸热涂层使离子渗透发电装置的温度升高以强化发电；

28、s3：发电站和离子渗透发电装置的输出电能并入电网，利用完的高盐水和低盐水进行终处理。

29、与现有技术相比，本发明带来的有益效果为：

30、本发明结合势能带来的流速效应和稳定的浓度梯度，通过发电站和离子渗透发电装置对势能和渗透能进行了耦合回收发电，并通过流速调控、扰流元件、聚光元件削弱了离子渗透发电装置的浓差极化现象，因此对发电量进行了进一步的强化，实现了势能、渗透能和光能多种可再生能源的协同利用，本发明在不消耗能量的前提下持续输出强化后的电能，提升了势能、渗透能和光能的整体利用效率，具有显著的社会效益和经济效益，可广泛应用于水利发电和江河入海口发电等领域。

31、所述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的所述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

技术特征：

1.一种基于势能和渗透能的耦合供电系统，其特征在于，其包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，优选的，发电站包括水轮机、发电机和尾水渠，水轮机接收重力势能的水并将势能转换为动能，发电机连接所述水轮机以将动能转换为电能，尾水渠将盐水传递给浓缩单元和低盐水预处理单元。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，浓缩单元包括光热蒸发模块或与海水或高盐废水混合的混合模块。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，离子渗透发电装置包括经由第一阀连接所述浓缩单元以接收高盐水的高盐室以及经由第二阀连接低盐水预处理单元以接收低盐水的低盐室，且高盐水和低盐水实时补充以维持恒定的浓度梯度。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，离子选择性通过纳米选择膜包括阴离子选择膜、阳离子选择膜、氧化石墨烯材料、共价有机框架材料或金属有机框架材料，离子选择性通过纳米选择膜通过修饰、掺杂形成异形结构以提高选择性和性能。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，吸热涂层被相变材料、纳米流体、金属泡沫材料所代替。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，第一扰流元件和第二扰流元件包括叉排或顺排的管束、折流板、紊流器或叶轮。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括，

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，第一扰流元件和第二扰流元件削弱离子渗透发电装置中纳米选择膜两端的浓差极化效应以及提高离子通量，聚光元件和吸热涂层带来的温度提升以提高离子的扩散系数以降低浓差极化效应。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的基于势能和渗透能的耦合供电系统的强化发电方法，其特征在于，其包括如下步骤：

技术总结
公开了基于势能和渗透能的耦合供电系统及强化发电方法，系统中，蓄水池释放高势能水，并通过水轮机和发电机发电，低流速水的一部分进行浓缩形成高盐水，另一部分进行预处理形成低盐水；通过第一阀和第二阀调控流速，离子渗透发电装置接收具有一定流速的高盐水和低盐水，并将渗透能转换为电能，发电站和离子渗透发电装置的输出电能并入电网，利用完的高盐水和低盐水进行终处理。此外，流路中的扰流元件破坏流动边界层强化发电，聚光元件和吸热涂层使离子渗透发电装置的温度升高以强化发电。

技术研发人员：屈治国,朱黄祎
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1