压流转换器及压力延迟渗透能发电系统的制作方法

本发明属于渗透能发电设备领域，具体涉及一种压流转换器及压力延迟渗透能发电系统。

背景技术：

随着全球人口的增长，工业化和自动化程度的不断提高，对能量的需求也与日骤增。然而矿产能源是有限的，如石油、天然气、煤炭等正在加速减少，而且带来日益严重的环境污染问题，因此探索和开发绿色环保且储量大的新能源已成为世界各国竞相攻坚的难题。据研究，河水与海水混合可以产生巨大的渗透能。对于一般的海水(～3.5％)与河水混合产生的渗透能的能量密度相当于280米高的重力势能，比当今世界最大的水利发电工程三峡水电站大坝还高100多米；更为突出的是，对于死海中的高浓咸水，这种渗透能相当于高达5100多米的重力势能。全球每年河流入海口处的渗透能约为2.6tw，相当于全球每年能量需求总量的20％。而且，渗透能是一种绿色、可再生的能源。

20世纪70年代，loeb等报道了一种仅依靠渗透压驱动膜分离的压力延迟(pro)渗透能发电技术，并提出采用此技术可以直接将巨大的渗透能转化为电能。该方法中浓溶液(如海水)和稀溶液(如河水)通过聚合物pro膜隔开，在渗透压的作用下，液体从稀溶液一侧流向浓溶液一侧，进而使浓溶液一侧液体的体积增加，增加的液体推动水轮发电机发电，将机械能转化为电能。2009年statkraft公司在挪威tofte建成第一座pro渗透能发电站。此外，荷兰投巨资在阿夫鲁戴克大坝中段建pro渗透能发电站，并于2014年11月底发电，但这两家pro渗透能发电站最终都因聚合物pro膜水通量低和发电系统自身能耗高导致的系统发电功率密度低而无法满足实际应用需要，发展高功率密度pro发电系统对于深入开发和高效利用全球巨大的渗透能资源具有重要意义。

对于一定溶液体系的pro渗透能发电系统，一方面，发电系统的功率密度与渗透单元浓溶液侧的背压(δp)有关，pro发电功率密度为：w＝a(δπ-δp)δp，其中，a是水渗透系数，δp是浓溶液侧背压，δπ是渗透压差。该功率密度函数中，水渗透系数在设备和pro膜确定后即可认为是常数，功率密度函数是一个关于背压δp的抛物线。在渗透过程中，当背压δp为渗透压差δπ的1/2时，功率密度达到最大。在以往的pro渗透能发电系统中，为了使浓溶液侧的背压达到最佳值(即δπ的1/2)，通常依靠施加外压来调节背压，由于一般的海水(～3.5％)与河水的渗透压差就高达2.5mpa，因此浓溶液侧的最佳背压需达到1.25mpa，这需要消耗很高的外加能量，从而导致系统的自身能耗非常高，尽管河水-海水pro渗透能发电体系的能量密度非常高，但是发电系统输出的净电量(系统发电量与系统自身消耗的电量之差)远远低于系统发电量。

另一方面，pro发电系统一般通过水轮发电机发电，水轮发电机的流量效率(ηv)为：ηv＝(q-∑q)/q(q为水流通过转动部分与非传动部分的间隙直接流入尾水管的流量，此部分流量不经过转轮做功，称为漏损)，可见通过水轮发电机的液体介质的流量q直接影响发电机的发电效率，当q小于或等于∑q，发电机无法发电；当q略高于∑q，流量损失很大，发电效率非常低；只有当q远远大于∑q，水轮发电机的漏损才可以被忽略，才能获得高流量效率。水轮发电机的流量效率随着流过发电机的液体介质流量的增加而提高。自pro发电方法被提出以来，经过50多年的研发，pro膜的水通量得到了很大的提高，其中聚合物pro膜与其他类型pro膜相比，综合性能最佳，然而在目前聚合物pro膜的流量水平下，水轮发电机的流量损失仍然极为显著，发电效率非常低，最终导致发电功率密度低。

技术实现要素：

本发明提供了一种压流转换器，旨在解决因渗透的液体流量较低而导致的发电功率密度低的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：压流转换器，包括小缸体、中间封盖、大缸体和活塞连接杆；所述小缸体和大缸体分别设置在中间封盖的两端，且小缸体的内腔与大缸体的内腔彼此相通；所述小缸体内腔的横截面尺寸小于大缸体内腔的横截面尺寸，且小缸体和大缸体各自的内腔中分别设置有小缸活塞和大缸活塞，所述活塞连接杆的两端分别与小缸活塞和大缸活塞相连，所述中间封盖上设有能够将大缸体的内腔与外界连通的通孔。

进一步的是，所述活塞连接杆与大缸活塞之间的大缸活塞的端面上设置有加强板。

进一步的是，所述小缸活塞与小缸体的内壁之间设置有小缸活塞密封圈，所述大缸活塞与大缸体的内壁之间设置有大缸活塞密封圈。

进一步的是，所述小缸体和大缸体同轴设置，且小缸体和大缸体分别与中间封盖密封连接。

进一步的是，所述小缸体和大缸体各自的端部上分别设置有小缸端盖和大缸端盖，所述小缸端盖与中间封盖之间连接有小缸拉杆，所述大缸端盖与中间封盖之间连接有大缸拉杆。

进一步的是，该压流转换器还包括小缸换向阀和大缸换向阀，所述小缸活塞和小缸端盖之间的小缸体内腔空间与小缸换向阀相连通，所述大缸活塞和大缸端盖之间的大缸体内腔空间与大缸换向阀相连通。

本发明还提供了一种发电功率密度较高的压力延迟渗透能发电系统，包括渗透池、稀溶液池、第一小缸换向阀、第一压流转换器、浓缩池、第一大缸换向阀、第一水轮发电机和大缸液体介质池；

所述渗透池内设置有压力延迟渗透膜，所述压力延迟渗透膜将渗透池分隔为浓溶液侧和稀溶液侧，所述稀溶液侧与稀溶液池循环连接；

所述第一压流转换器为任意一种上述的压流转换器；

所述浓溶液侧的出液口通过第一小缸换向阀分别与第一压流转换器的第一小缸体上的进出液口和浓缩池的进液口相连，所述浓缩池的出液口与浓溶液侧的进液口相连；

所述第一压流转换器的第一大缸体上的介质进出口通过第一大缸换向阀分别与第一水轮发电机的进液口和大缸液体介质池的出液口相连，所述第一水轮发电机的出液口与大缸液体介质池的进液口相连。

进一步的是，该压力延迟渗透能发电系统还包括储能器，所述储能器设置在浓溶液侧的出液口与第一小缸换向阀之间的连接上。

进一步的是，该压力延迟渗透能发电系统还包括压力回收单元，所述压力回收单元设置在所述浓缩池的出液口与浓溶液侧的进液口之间的连接上，所述压力回收单元的进液口还与储能器的出液口相连，压力回收单元的出液口还与浓缩池的进液口相连。

进一步的是，该压力延迟渗透能发电系统还包括第二小缸换向阀、第二压流转换器、第二大缸换向阀和第二水轮发电机；

所述第二压流转换器为任意一种上述的压流转换器；

所述第二压流转换器的第二小缸体上的进出液口通过第二小缸换向阀分别与储能器的出液口和浓缩池的进液口相连，第二压流转换器的第二大缸体上的介质进出口通过第二大缸换向阀分别与第二水轮发电机的进液口和大缸液体介质池的出液口相连，所述第二水轮发电机的出液口与大缸液体介质池的进液口相连。

本发明的有益效果是：

1)本发明的压流转换器结构简单，能够实现高能低流量和低能高流量之间的相互转换，利于其辅助压力延迟渗透能发电系统进行发电，可使渗透产生的高能低流量液体经过转换传递得到低能高流量的大缸液体介质，显著提高了通过水轮发电机的大缸液体介质流量，降低了水轮发电机的流量损失，进而提高发电机的流量效率，从而增加发电机的功率密度，很大程度地解决压力延迟渗透能发电系统中压力延迟渗透膜低通量这一致命的缺陷。

2)该压力延迟渗透能发电系统具有上述的压流转换器，通过调节小缸体内腔的横截面尺寸与大缸体内腔的横截面尺寸之间的比例，可使浓溶液侧背压大幅度提高，其中包括无需施加外压就可以达到理想的背压(δπ的1/2)，从而降低了为使发电系统达到最佳的背压必须依靠施加外压而带来的高能耗，有效减少了该压力延迟渗透能发电系统自身的能耗。

3)通过设置储能器用于吸收高压浓溶液的压力，并在切换压流转换器以及压力回收单元的能量交换缸交替升压新浓溶液时释放吸收的能量，消减上述过程带来的压力波动，延长压力延迟渗透膜的使用寿命。

4)通过设置压力回收单元用于回收渗透池浓溶液侧溶液的高压力，以给进入渗透池浓溶液侧的新的浓溶液加压，进一步降低该压力延迟渗透能发电系统自身的能耗。

附图说明

图1是本发明中压流转换器的实施结构示意图；

图2是图1的左视图；

图3是本发明中压力延迟渗透能发电系统的实施结构示意图；

图中标记为：小缸换向阀1、小缸拉杆2、小缸端盖螺母3、小缸端盖4、小缸端盖用密封圈5、小缸体6、小缸活塞螺母7、小缸活塞密封圈8、小缸活塞9、中间封盖10、通孔10-1、中间封盖用密封圈11、活塞连接杆12、大缸体13、加强板14、大缸活塞密封圈15、大缸活塞16、大缸活塞螺母17、大缸端盖18、大缸端盖螺母19、大缸拉杆20、大缸换向阀21、稀溶液输入泵22、稀溶液侧泵23、渗透池24、稀溶液侧流量计25、储能器26、浓溶液侧27、稀溶液侧28、压力延迟渗透膜29、稀溶液池30、浓溶液侧压力表31、压流转换器前流量计32、压流转换器流量控制阀33、压力回收单元流量控制阀34、压力回收单元前流量计35、压力回收单元泵36、压力回收单元37、第一小缸换向阀38、第一小缸体39、第一压流转换器40、第一大缸体41、浓缩池42、第二小缸换向阀43、浓溶液输入泵44、第二压流转换器45、第一大缸换向阀46、第一水轮发电机47、第一水轮发电机出口阀48、第一大缸液体介质泵49、第二大缸换向阀50、第二水轮发电机51、第二水轮发电机出口阀52、第二大缸液体介质泵53、大缸液体介质池54。

图3中的箭头指向表示液体的流向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

结合图1和图2所示，压流转换器，包括小缸体6、中间封盖10、大缸体13和活塞连接杆12；小缸体6和大缸体13分别设置在中间封盖10的两端，且小缸体6的内腔与大缸体13的内腔彼此相通；小缸体6内腔的横截面尺寸小于大缸体13内腔的横截面尺寸，且小缸体6和大缸体13各自的内腔中分别设置有小缸活塞9和大缸活塞16，活塞连接杆12的两端分别与小缸活塞9和大缸活塞16相连，中间封盖10上设有能够将大缸体13的内腔与外界连通的通孔10-1。

其中，小缸体6和大缸体13分别与中间封盖10密封连接，例如图1中，小缸体6嵌入设置在中间封盖10的一端上并通过密封圈密封，大缸体13套设于中间封盖10的另一端上并通过中间封盖用密封圈11密封；小缸体6的内腔与大缸体13的内腔通过设于中间封盖10上的过孔连通；通常确保小缸体6和大缸体13各自的轴线相互平行进行设置，优选将小缸体6和大缸体13同轴设置。小缸活塞9可滑动地设置在小缸体6的内腔中，为保证密封效果在小缸活塞9与小缸体6的内壁之间设置有小缸活塞密封圈8；大缸活塞16可滑动地设置在大缸体13的内腔中，为保证密封效果在大缸活塞16与大缸体13的内壁之间设置有大缸活塞密封圈15。活塞连接杆12设置在小缸体6内腔和大缸体13内腔中，通常活塞连接杆12的两端分别通过小缸活塞螺母7和大缸活塞螺母17与小缸活塞9和大缸活塞16连接固定，且小缸活塞螺母7与小缸活塞9之间、及大缸活塞螺母17与大缸活塞16之间均依次设置有弹性垫圈和平垫片。通孔10-1用于保证小缸活塞9和大缸活塞16之间的小缸体6内腔和大缸体13内腔空间内压力的平衡，以减少能量损耗。

该压流转换器的工作原理：由于小缸活塞9和大缸活塞16通过刚性的活塞连接杆12连接，所以两活塞的受力相同，因此p1s1＝p2s2(p为压强，s为活塞或内腔横截面面积，1和2分别对应小缸活塞9和大缸活塞16)；从大缸体13内流出的液体的体积与流入小缸体6内液体的体积之比为v2/v1＝(s2×l)/(s1×l)＝s2/s1(l为活塞连接杆12移动距离，小缸活塞9和大缸活塞16移动的距离相同)，因此通过增大s2和s1的比例，增加了从大缸体13内流出的液体的体积，即增加了流过水轮发电机内液体的流量，增加的倍数等于s2与s1的比值，由于通过水轮发电机的液体的流量可以成千上万倍地增加，增加的倍数甚至可以更大，因此通过压流转换器可以间接的得到高的液体流量，这可以有效提高水轮发电机的流量效率，从而增加水轮发电机的功率密度。

通过上述分析可知，对于没有该压流转换器的现有pro发电系统而言，以海水与河水的渗透体系为例，尽管渗透压差高达2.6mpa，但是由于压力延迟渗透膜的水通量低，在发电过程中，很大的水流量都是以漏损的形式浪费掉，因此现有的pro发电系统发电的功率密度低。但是对于具有该压流转换器的压力延迟渗透能发电系统而言，通过增大s2与s1的比例，可以使浓溶液侧27的背压大幅度提高，其中包括无需施加外压就可以达到理想的背压(δπ的1/2)，进而降低了为使发电系统达到最佳的背压必须依靠施加外压而带来的高能耗，从而有效减少了发电系统自身的能耗。

为了提高活塞连接杆12与大缸活塞16之间的连接强度，以加强大缸活塞16的稳固性，再如图1所示，活塞连接杆12与大缸活塞16之间的大缸活塞16的端面上设置有加强板14。

在上述基础上，为了进一步增强压流转换器的结构强度，提高其抗压能力，再结合图1和图2所示，小缸体6和大缸体13各自的端部上分别设置有小缸端盖4和大缸端盖18，小缸端盖4与中间封盖10之间连接有小缸拉杆2，大缸端盖18与中间封盖10之间连接有大缸拉杆20。优选的，小缸拉杆2和大缸拉杆20均为呈矩形分布设置的四根，如图2所示。

其中，小缸端盖4一般通过小缸端盖用密封圈5与小缸体6密封连接，小缸拉杆2通过小缸端盖螺母3与小缸端盖4固定，小缸端盖螺母3与小缸端盖4之间依次设置有弹性垫圈和平垫片。大缸拉杆20通过大缸端盖螺母19与大缸端盖18固定，大缸端盖螺母19与大缸端盖18之间依次设置有弹性垫圈和平垫片。

作为本发明中压流转换器的一种优选方案，再如图1所示，该压流转换器还包括小缸换向阀1和大缸换向阀21，小缸活塞9和小缸端盖4之间的小缸体6内腔空间与小缸换向阀1相连通，大缸活塞16和大缸端盖18之间的大缸体13内腔空间与大缸换向阀21相连通。

如图3所示，压力延迟渗透能发电系统，包括渗透池24、稀溶液池30、第一小缸换向阀38、第一压流转换器40、浓缩池42、第一大缸换向阀46、第一水轮发电机47和大缸液体介质池54；

渗透池24内设置有压力延迟渗透膜29，压力延迟渗透膜29将渗透池24分隔为浓溶液侧27和稀溶液侧28，稀溶液侧28与稀溶液池30循环连接；

第一压流转换器40为任意一种上述的压流转换器；

浓溶液侧27的出液口通过第一小缸换向阀38分别与第一压流转换器40的第一小缸体39上的进出液口和浓缩池42的进液口相连，浓缩池42的出液口与浓溶液侧27的进液口相连；

第一压流转换器40的第一大缸体41上的介质进出口通过第一大缸换向阀46分别与第一水轮发电机47的进液口和大缸液体介质池54的出液口相连，第一水轮发电机47的出液口与大缸液体介质池54的进液口相连。

其中，稀溶液池30用于存储循环的稀溶液并向稀溶液侧28供给稀溶液，稀溶液池30上通常还设有补液管，补液管上设置有稀溶液输入泵22。稀溶液池30的出液口与稀溶液侧28的进液口之间的连接上依次设置有稀溶液侧泵23和稀溶液侧流量计25，稀溶液侧流量计25用于显示稀溶液侧28的循环流量。大缸液体介质池54的出液口与第一大缸换向阀46之间的连接上设置有第一大缸液体介质泵49，第一水轮发电机47的出液口与大缸液体介质池54的进液口之间的连接上设置有第一水轮发电机出口阀48。稀溶液侧28中的稀溶液可以选用河水，浓溶液侧27中的浓溶液可以选用浓度为3.5％的海水，大缸液体介质池54中的大缸液体介质优选为粘度范围在1～10mpa.s的润滑油。浓缩池42一方面用于将稀释后的浓溶液通过蒸发等方法恢复成浓溶液，减少了浓溶液由含有污染物的海水等原浓溶液处理成低污染物的可以使用的新浓溶液的成本，从而降低发电的总成本；浓缩池42另一方面用于盛放尚未参与循环的新浓溶液。第一小缸换向阀38和第一大缸换向阀46都有三个接口，当将阀门开关旋拧到任意一侧，换向阀的三个接口中只有两个接口处于连通状态，而另外一个接口处于关闭状态。

在压力延迟渗透能发电系统中所使用的第一压流转换器40的最大放大倍率主要根据下列因素设计：渗透池24池体的抗压能力、压力延迟渗透膜29的抗压能力、管路的抗压能力、浓溶液侧27中浓溶液和稀溶液侧28中稀溶液之间的渗透压差。一般而言，渗透池24的池体抗压能力、压力延迟渗透膜29的抗压能力以及管路的抗压能力越高越有利于增加压流转换器的放大倍率，但需兼顾所用材料的成本与发电功率密度，浓溶液和稀溶液之间的渗透压差越大浓溶液侧27所需的背压越大，需要压流转换器的放大倍率越大。渗透池24池体及连接管路优选采用抗压能力大于5mpa的不锈钢材质制作。

压力延迟渗透膜29优选采用在支撑层上的抗压能力大于2.5mpa的渗透膜制作，压力延迟渗透膜29的面积根据所需发电的功率以及压力延迟渗透膜29的水通量而定。

该压力延迟渗透能发电系统处于工作状态时，先将第一小缸换向阀38旋拧至第一压流转换器40与浓溶液侧27连通状态，此时第一小缸换向阀38与浓缩池42之间处于关闭状态，同时将第一大缸换向阀46旋拧至第一压流转换器40与第一水轮发电机47状态，此时第一压流转换器40与大缸液体介质池54之间处于关闭状态；在渗透压差的驱动下渗透池24的稀溶液侧28中的液体透过压力延迟渗透膜29渗透到浓溶液侧27中，从而渗透池24可将渗透压差转变成浓溶液侧27的流体静压，浓溶液侧27中的液体可以推动与之相连的第一压流转换器40的小缸活塞，进而其大缸活塞推动第一大缸体41内的液体流出，流出的液体进而推动与之相连的第一水轮发电机47进行发电。

需要第一压流转换器40处于复位状态时，先将第一小缸换向阀38切换至第一小缸体39与浓缩池42连通状态，同时将第一大缸换向阀46切换至第一大缸体41与大缸液体介质池54连通状态，然后在第一大缸液体介质泵49的作用下，大缸液体介质从大缸液体介质池54中流入第一大缸体41内，并推动两个活塞回到初始位置，同时第一小缸体39内的液体被排入浓缩池42中。

在该压力延迟渗透能发电系统中，可将n(n为大于等于2的自然数)个压流转换器串联使用，使流过水轮发电机的液体流量增加至压力延迟渗透膜29的(s2/s1)ⁿ倍，这样避免了由于s2/s1比值过大而导致单个压流转换器过大，进而减小了压流转换器的制造难度。

为了消减压力波动，以延长压力延迟渗透膜29的使用寿命，在上述基础上，该压力延迟渗透能发电系统还包括储能器26，储能器26设置在浓溶液侧27的出液口与第一小缸换向阀38之间的连接上。储能器26用于吸收高压浓溶液的压力，并在切换压流转换器交替升压新浓溶液时释放吸收的能量。一般的，储能器26的出液口上设置有浓溶液侧压力表31，通过浓溶液侧压力表31观察浓溶液侧27在经过储能器26进行稳压处理后的即时背压，并通过压流转换器调节浓溶液侧27的背压；储能器26与第一小缸换向阀38之间的连接上依次设置有压流转换器前流量计32和压流转换器流量控制阀33，压流转换器前流量计32用于显示进入压流转换器的液体流量，压流转换器流量控制阀33用于控制进入压流转换器的液体流量。

作为本发明中压力延迟渗透能发电系统的一种优选方案，再如图3所示，该压力延迟渗透能发电系统还包括压力回收单元37，压力回收单元37设置在浓缩池42的出液口与浓溶液侧27的进液口之间的连接上，压力回收单元37的进液口还与储能器26的出液口相连，压力回收单元37的出液口还与浓缩池42的进液口相连。压力回收单元37用于回收渗透池24浓溶液侧27溶液的高压力，以给进入渗透池24浓溶液侧27的新的浓溶液加压，进一步降低该压力延迟渗透能发电系统自身的能耗。上述的储能器26还能够在切换压力回收单元的能量交换缸交替升压新浓溶液时释放吸收的能量，进一步消减压力波动，延长压力延迟渗透膜29的使用寿命。具体的，储能器26的出液口与压力回收单元37的进液口之间的连接上依次设置有压力回收单元流量控制阀34、压力回收单元前流量计35和压力回收单元泵36，压力回收单元流量控制阀34用于控制进入压力回收单元37的液体流量，压力回收单元前流量计35用于显示进入压力回收单元37的液体流量。

作为本发明中压力延迟渗透能发电系统的另一种优选方案，再如图3所示，该压力延迟渗透能发电系统还包括第二小缸换向阀43、第二压流转换器45、第二大缸换向阀50和第二水轮发电机51；

第二压流转换器45为任意一种上述的压流转换器；

第二压流转换器45的第二小缸体上的进出液口通过第二小缸换向阀43分别与储能器26的出液口和浓缩池42的进液口相连，第二压流转换器45的第二大缸体上的介质进出口通过第二大缸换向阀50分别与第二水轮发电机51的进液口和大缸液体介质池54的出液口相连，第二水轮发电机51的出液口与大缸液体介质池54的进液口相连。

在该压力延迟渗透能发电系统中，同一时刻，第一压流转换器40处于工作状态且第二压流转换器45处于复位状态或者相反。第二小缸换向阀43和第二大缸换向阀50都有三个接口，当将阀门开关旋拧到任意一侧，换向阀的三个接口中只有两个接口处于连通状态，而另外一个接口处于关闭状态。

具体的，浓缩池42的出液口与压力回收单元37的进液口之间的连接上设置有浓溶液输入泵44。大缸液体介质池54的出液口与第二大缸换向阀50之间的连接上设置有第二大缸液体介质泵53，第二水轮发电机51的出液口与大缸液体介质池54的进液口之间的连接上设置有第二水轮发电机出口阀52。

该压力延迟渗透能发电系统可以并联设置多个发电组(每个发电组包括一个小缸换向阀、一个压流转换器、一个大缸换向阀和一台水轮发电机，连接方式同第二小缸换向阀43、第二压流转换器45、第二大缸换向阀50和第二水轮发电机51之间的连接关系)，并且要求同一时间，某些发电组的压流转换器处于复位状态，另一些发电组的压流转换器处于工作状态，由于复位过程远远比工作过程快，所以建议处于工作状态的压流转换器数量多于处于复位状态的数量。

第一水轮发电机47和第二水轮发电机51优选采用超低水头的水轮发电机，其更有利于配合压流转换器提高该压力延迟渗透能发电系统的功率密度。

本发明提供了一种无需外加背压且高流量效率的压力延迟渗透能发电系统，对于深入开发和高效利用全球巨大的渗透能资源具有重要意义。