阅读说明：本技术 一种利用波浪能的海水淡化装置 (Sea water desalting plant utilizing wave energy ) 是由 唐榆森 翁佳玉 陆圣杰 于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用波浪能的海水淡化装置,包括设置于海水中的摆板,摆板的中上部铰接固定,摆板的上部与水平设置的连杆铰接,连杆远离摆板的一端加工有齿条,这一端与齿轮一啮合连接,油缸的下方设置有直角形的圆管,竖直段圆管内设置有圆管上端活塞,水平段圆管的一端为淡水出口,淡水出口处的圆管内设置有半透膜。本发明利用波浪能进行海水淡化,提出摆板式波浪能利用结构,实现就地利用能源进行海水淡化。本发明利用波浪能转化为平板的往复摆动带动传动结构,通过同轴转动齿轮和液压装置实现力的放大和转化,驱使海水淡化装置运行。本发明提出的自动化排水方法,实现高盐度海水有效排出。(The invention discloses a seawater desalination device utilizing wave energy, which comprises a swing plate arranged in seawater, wherein the middle upper part of the swing plate is hinged and fixed, the upper part of the swing plate is hinged with a horizontally arranged connecting rod, a rack is processed at one end of the connecting rod, which is far away from the swing plate, the rack is meshed and connected with a gear, a right-angle round pipe is arranged below an oil cylinder, a piston at the upper end of the round pipe is arranged in a vertical section of the round pipe, one end of a horizontal section of the round pipe is a fresh water outlet, and a semipermeable membrane is arranged in the round pipe at the fresh water. The invention utilizes wave energy to desalt the sea water, provides a swing plate type wave energy utilization structure, and realizes the sea water desalination by utilizing energy in situ. The invention utilizes the wave energy to convert into the reciprocating swing of a flat plate to drive a transmission structure, realizes the amplification and the conversion of force through a coaxial rotating gear and a hydraulic device, and drives a seawater desalination device to operate. The automatic water discharging method provided by the invention realizes effective discharge of high-salinity seawater.)

一种利用波浪能的海水淡化装置

技术领域

本发明涉及海水淡化装置技术领域，具体地说是涉及一种利用波浪能的海水 淡化装置。

背景技术

波浪能是海洋能的一种具体形态，也是海洋能中最主要的能源之一，它的开 发和利用对缓解能源危机和减少环境污染是非常重要的。同时，随着世界人口激 增，淡水资源匮乏的问题日益严重，尤其是沿海地区，处于河流入海口处，水质 较差，淡水资源相对匮乏。目前海水淡化技术多是抽取海水，对其增压，通过反 渗透膜来实现淡化，需持续耗费电能。若是能在沿海地区，利用储量巨大的波浪 能来淡化海水，便能够在节省能源的同时，提供大量高质量的淡水。

发明内容

本发明适用于淡水资源稀缺的沿海地区，在海浪平均高度大于等于0.037m 的情况下，通过机械结构设计，放大力作用效果，使海水增压，利用反渗透法， 实现海水淡化的功能。这一情况适用于绝大部分沿海地区的波浪条件，具有普适 性和可行性。

本发明通过以下技术方案实现：

一种利用波浪能的海水淡化装置，包括设置于海水中的摆板，摆板的中上部 铰接固定，摆板的上部与水平设置的连杆铰接，连杆远离摆板的一端加工有齿条， 这一端与齿轮一啮合连接，齿轮一与齿轮二同轴转动连接；齿轮一的下方设置有 油缸，油缸的上端设有上端活塞，油缸的下端设有下端活塞，上端活塞的活塞杆 伸出油缸外，且伸出端加工有齿条，该端齿条与齿轮二啮合连接；油缸的下方设 置有直角形的圆管，竖直段圆管内设置有圆管上端活塞，油缸下端活塞的活塞杆 伸出油缸外，并伸入竖直段圆管内，与圆管上端活塞接触；水平段圆管的一端为 淡水出口，淡水出口处的圆管内设置有半透膜。

优选地，圆管内设置有单向进水阀。

进一步优选地，圆管内近淡水出口处设置有传感器和排水开关，传感器控制 排水开关的开闭。

优选地，摆板的背水面设置有椭圆形坡板。

作为其中一个实施例，所述传感器的型号为JF-PH-485。

本发明的原理如下：

①利用波浪能进行海水淡化，提出摆板式波浪能利用结构

查阅资料发现，海水淡化装置需要耗费大量电能进行增压，当前有研究人员 利用位置势能来改善耗能问题，例如在地下500m处布置装置进行海水淡化试验， 但实现困难，成本过高。我组利用波浪能进行海水的淡化，这是一创新点，可实 现就地利用能源进行海水淡化。这对于开发沿海地区与岛屿海浪能源、充分利用 海水、解决当前部分沿海地区淡水匮乏问题具有重要的现实意义。此外，目前利 用波浪能的结构主要分为：气动式，液动式和水库式，本小组创新地提出了摆板 式波浪能利用结构，结构简单，制造方便。

②借助机械传动装置实现力的放大和转化，对海浪条件要求降低

反渗透法淡化海水需要对海水施加极高的压强，利用海浪提供推力就必然涉 及到力的放大。本发明利用波浪能转化为平板的往复摆动带动传动结构，通过同 轴转动齿轮和液压装置实现力的放大和转化，驱使海水淡化装置运行。为了能使 本发明适用于绝大部分沿海地带，我们经过计算设计，将装置对于海浪的平均波 高要求降低到0.037m，使得本发明具有极高的可行性和普适性。

③提出自动化排水方法，实现高盐度海水有效排出

随着海水淡化的进行，出水口处的海水盐度会不断提高，需要更大的压强才 可实现反渗透法淡化，如果不降低该区域的海水盐度，将使淡化过程受阻。因此， 如何排出高盐度海水，实现内外海水循环，是个重要问题。本发明在近出水口处 设置了一个传感器和开关。传感器能感知受压海水的盐度和压强，并通过判定条 件来控制开关的启闭，有效实现了高盐度海水的自动化排出。

本发明的有益效果在于：

本发明利用波浪能进行海水淡化，提出摆板式波浪能利用结构，实现就地利 用能源进行海水淡化。本发明利用波浪能转化为平板的往复摆动带动传动结构， 通过同轴转动齿轮和液压装置实现力的放大和转化，驱使海水淡化装置运行。本 发明提出的自动化排水方法，实现高盐度海水有效排出。

附图说明

图1是发明的整体结构图。

图2是海水淡化部分原理结构图。

图3是油缸结构图。

图4是机械传动部分结构图。

图5是波浪能利用部分结构图。

图6是工作流程图。

图7是椭圆形坡板的结构。

具体实施方式

本发明利用海水波浪的推动力，经机械传动装置将力进行转化和放大，实现 海水增压，使海水经过半透膜而脱盐(反渗透法)。

如图1所示，本发明包括设置于海水中的摆板1，摆板的中上部铰接固定， 摆板的上部与水平设置的连杆2铰接，连杆远离摆板的一端加工有齿条，这一端 与齿轮一3啮合连接，齿轮一与齿轮二同轴转动连接；齿轮一的下方设置有油缸 5，油缸的上端设有上端活塞6，油缸的下端设有下端活塞7，上端活塞的活塞杆 伸出油缸外，且伸出端加工有齿条，该端齿条与齿轮二啮合连接；油缸的下方设 置有直角形的圆管8，竖直段圆管内设置有圆管上端活塞9，油缸下端活塞的活 塞杆伸出油缸外，并伸入竖直段圆管内，与圆管上端活塞接触；水平段圆管的一 端为淡水出口10，淡水出口处的圆管内设置有半透膜11,圆管内设置有单向进 水阀14。

根据反渗透法的相关资料可知，若要使水分子顺利穿过半透膜，则半透膜两 侧压差σ在4-6Mpa范围内，本实施例取5MPa进行分析。如图2所示，在本装置 的半透膜、淡水出口处，假定圆管的内径d＝0.06m,净面积A_出＝0.0028m²,根据水 的不可压缩性质，可知圆管内的海水压强处处相等，故作用在圆管上端活塞上的 压强需达到5MPa才可实现海水淡化。此时，圆管上端活塞上的作用力F₁大小为：

F₁＝σA_出＝14130N

如图3所示，作用力F₁是通过连杆传至油缸下端活塞上的。由于油缸内的 油也属于不可压缩液体，故其内压强处处相等，由油缸的相关性质可得到下列关 系式：

F₁/A₁＝F₂/A₂

式中：A₁为油缸下端活塞面积，本实施例取0.0707m²(直径0.06m)；A₂为油 缸上端活塞面积，本实施例取0.0028m²(直径0.3m)。

所以油缸上端活塞上的作用力F₂大小为：

F₂＝F₁A₂/A₁＝565N

如图4所示，传动部分的同轴转动齿轮，包括固结在一起的齿轮一、齿轮二， 齿轮一、齿轮二半径分别为r₁＝0.15m,r₂＝0.05m。同轴转动齿轮固结在一起，实 现力的方向与大小的转化，根据力矩平衡原理：

F₂r₂＝F₃r₁

则齿轮一处所要提供的切向力F₃＝F₂r₂/r₁＝188N。

摆式构件如图5所示，连杆为长1m的直杆，摆板为3.5m×2m的平板，摆板 上距水面高2m处铰接固定。摆板后方设置长半径5m，短半径3.6m的椭圆形坡 板15。

如图7所示，椭圆形坡板在纵向剖面上为四分之一椭圆边界，在水平向平行 延伸。表面为水泥砌面，较为光滑。一般设置在海边基岩上，其作用一方面使平 板能平顺摆动，另一方面引导海水回流。

波峰期，当摆板前到来的波浪的平均波高达到0.037m及以上时，摆板前后 形成的水位压差合力可使摆式构件上部端点处形成与传动装置中齿轮一所需最 低切向力数值相等的转动力(本实施例计算时仅仅考虑波浪静水位差能产生的推 力，波浪动能也有推力作用且一般情况下大于水位差压力)。圆管上端活塞下降， 此时圆管内海水处于正压状态，单向进水阀14自动关闭，海水受压经半透膜脱 盐，淡水从出水口涌出。

随着摆板向椭圆形坡板方的持续转动，摆板后水位逐渐上升；波浪趋于波谷 期时，摆板前水位下降，摆板前后再次形成水位压差，且摆板由于自重也有恢复 竖直状态的倾向。其合力经摆式构件和传动装置的配合，圆管上端活塞上升，圆 管内海水快速形成负压，单向进水阀开启，淡水出水口关闭，外界海水补充进圆 管。

随着海浪不断地拍击平板，装置的压水淡化以及真空吸水有序进行，从而实 现利用波浪能量全自动淡化海水的功能。

值得注意的是：随着海水持续淡化，圆管出水口处海水盐度不断增大，导致 淡化过程受阻，本实施例在近出水口处设置传感器12和排水开关13。传感器能 感知海水压力P和盐度S大小。当海水盐度达到盐度阈值S_c，且海水压力为正， 即海水受压，则传感器控制排水开关开启，高盐度海水被排出。当海水压力为零， 即将转变为负压时，传感器控制排水开关关闭。通过这种设置，可保证圆管内海 水盐度S≤S_c。传感器为现有能测海水盐度的现有产品，例如JF-PH-485。

如图6，压水过程：

①波浪冲击平板，使平板绕定轴顺时针转动，同时给上端连杆一个大致向右的力，带动其向右运动。

②上端连杆带动齿轮一顺时针转动，齿轮二以相同角速度顺时针转动，使与齿 轮二接触的活塞杆向下运动。

③油缸上端活塞在连杆的推动下向下运动，经油缸作用，将压力放大，作用在 油缸下端活塞上。

④油缸下端活塞向下运动，带动下面连杆向下运动，从而使圆管上端活塞向下 运动，压缩圆管内海水，海水内压强达到设计值，经半透膜析出淡化。

吸水过程：

①空腔内海水和平板自重推动平板复位，此时，各传动机构均朝相反方向运动。

②圆管内的海水产生负压，单向阀打开，向圆管内补给新的海水。

排水过程：

①随着压水和吸水过程的重复，圆管出水口处的海水盐度增高，当海水盐度到 达一定阈值，并且圆管内海水为正压，传感器发出命令控制排水开关开启， 压出高盐度海水。待海水压力降为零，传感器控制排水开关关闭。

②排水过程结束后，继续进入吸水过程。

整个过程可概括为：压水，吸水过程无限交替，当海水盐度到达一定阈值， 将其中一次压水过程全部或部分替代为排水过程。流程图如图6所示。