本發明公開了一種集成海水淡化濃水零排放和不穩定可再生能源穩定發電的方法及裝置，具體涉及風能/太陽能發電過程、電滲析海水淡化過程和反電滲析鹽差能發電過程。
背景技術：
在全球性能源危機、環境危機與水資源危機的大背景下，可再生能源與海水淡化耦合技術將極大地解決目前海水淡化技術與可再生能源利用技術發展過程中各自存在的弊端：能量密集型的海水淡化技術如若使用常規能源(石油、煤炭、天然氣等不可再生能源)盡管在一定程度上可有效緩解淡水資源短缺的問題，但不可避免地產生大量溫室氣體和有害氣體(如NOx，SOx等腐蝕性氣體)，從而引發額外的環境負擔；可再生能源盡管普遍具有低污染、大儲量(如全球可利用的太陽輻射能為17萬億千瓦、2014年全球風電累計裝機容量3.7億千瓦)等特點，但易受地域、氣候和季節等環境因素影響，難以實現不間斷、全天候的供電。目前，太陽能/風能與海水淡化的耦合可分為直接法與間接法(直接法與間接法的區別在于可再生能源利用部分與脫鹽部分是否一體，一體為直接法，分置為間接法)。由于直接法占地面積大、能源利用率低，在早期的耦合工藝中多被采用，目前開發的可再生能源與海水淡化耦合技術多以間接法為主。
電滲析(ED)工藝原理簡單、技術發展成熟，供電模式為直流電，從原理上完全適應波動性強、穩定性差的風能/太陽能等可再生能源。目前，ED與可再生能源的耦合普遍忽視了濃縮海水的循環利用。在我國當前高鹽廢水零排放的政策背景下，濃縮海水的高效利用將有效降低耦合工藝的運行成本以及緩解環境負擔。反電滲析(RED)技術利用離子交換膜對陰陽離子的選擇透過性，在濃淡室通入具有不同鹽度的溶液(濃室為ED過程產生的濃縮海水，淡室為雨水/河水/生活污水等)，在膜兩側鹽度差的驅使下使陰陽離子自發地發生定向遷移從而產生電勢差，之后極室溶液在陰陽兩極發生氧化還原反應，并通過回路將電勢能最終轉化成電能。RED技術的引入，不僅將緩解ED過程濃水直接排放造成的環境壓力，而且將完成風電/太陽能與鹽差能的切換，確保在任意時刻均能提供必要的電力供應，最終可實現全天候可再生能源供電及海水淡化零濃水排放。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種集成海水淡化濃水零排放和不穩定可再生能源穩定發電的裝置及其方法，是針對太陽能、風能等無法全天候穩定供電的可再生能源以及海水淡化濃水直接外排造成的環境危害的兩大弊端，設計開發的基于海水淡化和反電滲析技術的可再生能源全天候供電與海水淡水濃水高效利用技術。在該技術中利用海水淡化技術與太陽能/風能無縫銜接，產生淡水同時濃縮海水，之后利用反電滲析技術將濃縮海水與低鹽溶液之間的鹽度梯度轉化成電能，產生電能的同時稀釋濃縮海水。
為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
一種集成海水淡化濃水零排放和不穩定可再生能源穩定發電的方法，具體包括以下步驟：
(1)測定不穩定可再生能源發電模塊發電量，若測定發電量等于設定發電量則繼續發電；
(2)若測定發電量小于設定發電量，通過反電滲析發電模塊補充不足發電量，將存儲在淡水儲池中低鹽度水和存儲在濃縮海水儲池中的海水淡化過程產生的濃水分別輸送到反電滲析發電模塊的淡水室和濃水室，將離子交換膜兩側的鹽差能轉化成電能，待反電滲析發電模塊濃水室和淡水室出水鹽度均小于等于海水含鹽量時，將濃水排入海水中；
(3)若測定發電量大于設定發電量，將多余電量存儲備用或應用于海水淡化模塊，通過海水淡化模塊海水轉化成淡水和濃縮水，其中淡水繼續處理或直接使用，濃縮水輸送到濃縮海水儲池中；步驟(1)-(3)通過智能控制系統實現自動控制。
一種集成海水淡化濃水零排放和不穩定可再生能源穩定發電的裝置，包括不穩定可再生能源發電模塊、電網配電系統，海水淡化模塊、濃縮海水儲池、淡水儲池、反電滲析發電模塊和智能控制系統；所述不穩定可再生能源發電模塊采用現有的不穩定可再生能源對應的發電技術產生電能；所述電網配電系統將產生的電能轉換、輸出和/或分配，最終供給用電用戶使用；所述海水淡化模塊實現海水的濃縮淡化，海水淡化模塊濃縮水出口與濃縮海水儲池連接；所述反電滲析發電模塊濃水室進口與濃縮海水儲池出水口連接，反電滲析發電模塊淡水室進口與淡水儲池連接，反電滲析發電模塊將離子交換膜兩側淡水室中低鹽度水和濃水室中濃水形成的鹽度差轉化成電能并將電能通過電網配電系統轉換、輸出和分配；所述智能控制系統通過對不穩定可再生模塊發電量的測定判斷發電量不足或發電量過多，進而控制反電滲析發電模塊發電補充不足發電量或/和控制海水淡化模塊運行將多余發電量消耗，淡化海水的同時將多余電能以鹽差能的形式存儲，海水淡化模塊與不穩定可再生能源模塊電連接，電網配電系統分別將不穩定可再生能源發電模塊和反電滲析發電模塊與用電用戶電連接，智能控制系統與電網配電系統、反電滲析發電模塊和海水淡化模塊電信息連接。
進一步地，所述不穩定可再生能源為受外界條件(如光照、風力)變化供應不穩定的可再生能源，優選為風能、太陽能、潮汐能中的一種或多種，由于不穩定可再生能源供應不穩定直接影響其發電量不穩定。
進一步地，所述海水淡化模塊為反滲透海水淡化裝置、電滲析海水淡化裝置中的一種，以便于發電裝置與現有的海水淡化模塊耦合處理海水淡化模塊產生的濃水。
進一步地，所述低鹽度水為雨水、河水和經過生化處理后的生活污水中的一種或多種。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：采用模塊化設計，由于電滲析模塊與反電滲析模塊均采用模塊化設計，在理論設計和實際操作過程中，可根據不穩定可再生能源發電模塊的發電功率變化，合理配置膜堆數量，在設計和操作中具有極好的靈活性；濃縮海水作為高鹽料液，反電滲析發電模塊采用來自于海水淡化過程中濃縮室的產水，其鹽含量是海水的幾倍甚至幾十倍，即儲存的鹽差能遠遠高于海水，大大提高了發電效率；以雨水、河水或生活污水為反電滲析發電模塊淡水室進水，水資源來源廣泛，發電成本低；反電滲析發電模塊不但彌補不穩定可再生能源發電模塊發電量的不足問題，而且實現了海水淡化濃水的零排放；可以與現有海水淡化裝置耦合，也可新建結構簡單的電滲析海水淡化裝置，通過海水淡化裝置將多余的發電量以鹽差能的形式消耗并存儲在濃水中，之后將鹽差能以電力的形式重新釋放，具有極好的技術推廣價值和社會效益；整個裝置通過反電滲析系統補充不足發電量和海水淡化模塊消耗多余發電量實現全天候24小時穩定發電。
附圖說明
圖1為本發明實施例1涉及的集成海水淡化濃水零排放和不穩定可再生能源穩定發電的裝置結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。
實施例1：
如圖1所示，本實施例涉及的集成海水淡化濃水零排放和不穩定可再生能源穩定發電的裝置，包括包括風能發電模塊、電網配電系統，電滲析海水淡化模塊、濃縮海水儲池、淡水儲池、反電滲析發電模塊和智能控制系統；所述風能發電模塊采用現有的風能發電技術產生電能；所述電網配電系統將產生的電能轉換、輸出和/或分配，最終供給用電用戶使用，電網配電系統具體指直流電輸送到用電用戶需要的線路設備；所述電滲析海水淡化模塊實現海水的濃縮淡化，電滲析海水淡化模塊濃縮水出口與濃縮海水儲池連接；所述反電滲析發電模塊濃水室進口與濃縮海水儲池出水口連接，反電滲析發電模塊淡水室進口與淡水儲池管道連接，反電滲析發電模塊將離子交換膜兩側淡水室中低鹽度水和濃水室中濃水形成的鹽度差轉化成電能并將電能通過電網配電系統轉換、輸出和分配；所述智能控制系統通過對不穩定可再生模塊發電量的測定判斷發電量不足或發電量過多，進而控制反電滲析發電模塊發電補充發電量或控制海水淡化模塊運行將多余電量消耗，淡化海水的同時將多余電能以鹽差能的形式存儲，電滲析海水淡化模塊與風能發電模塊電連接，電網配電系統分別將不穩定可再生能源發電模塊和反電滲析發電模塊與用電用戶電連接，將兩者產生的直流電通過逆變器轉換成交流電，然后再分配、輸送到用電用戶，智能控制系統與配電線路、反電滲析發電模塊和海水淡化模塊電信息連接。
進一步地，反電滲析發電模塊包括若干個并聯的專利CN102610835A公開的利用鹽差能反電滲析的發電裝置，發電裝置中蓄電池與電網配電系統連接，電網配電系統通過逆變器將反電滲析模塊產生的直流電轉化成交流電，然后再分配、輸送到用電用戶。
進一步地，電滲析海水淡化模塊包括若干個并聯或串聯的電滲析裝置和逆變器，電滲析裝置串聯能夠增大海水的濃縮倍數，電滲析裝置并聯能夠調整電滲析海水淡化模塊的處理量，使用時智能控制系統根據多余發電量靈活配置和組合電滲析裝置，不穩定可再生能源發電模塊將直流電輸送到電滲析裝置電極供其使用，不穩定可再生能源發電模塊通過逆變器將直流電轉變成交流電輸送給電滲析裝置輸送泵等其他動力裝置使用。
本實施例涉及的集成海水淡化濃水零排放和不穩定可再生能源穩定發電的方法，采用本實施例涉及的集成海水淡化濃水零排放和不穩定可再生能源穩定發電的裝置具體實施，包括以下步驟：
(1)通過智能化控制系統測定風能發電模塊輸送到電網配電系統中的發電量，若測定發電量等于設定發電量則繼續發電；
(2)若測定發電量小于設定發電量，則根據智能控制系統計算的電量差值控制反電滲析發電模塊補充相應的電量差值，智能控制系統根據需要補充的電量差值以及隨反電滲析離子交換膜兩側鹽濃度差變化反電滲析發電裝置單位時間內產生的電量變化，隨時自動靈活調整反電滲析發電模塊的組合形式(例如是一臺發電裝置還是多臺發電裝置并聯)，通過濃水室和淡水室的料液流量控制相應反電滲析發電模塊的運行，將存儲在淡水儲池中低鹽度水和濃縮海水儲池中的電滲析海水淡化模塊濃水均輸送到反電滲析發電模塊中，待反電滲析發電模塊濃水室和淡水室出水鹽度均小于等于海水含鹽量時，將濃水排入海水中；
(3)若測定發電量大于設定發電量，智能控制系統通過連接電滲析海水淡化模塊與風能發電模塊之間的電網配電系統，將多余發電量輸送到電滲析海水淡化模塊，智能控制系統根據多余電量調整電滲析裝置的使用數量，以及每臺電滲析裝置運行時的進水流量，電流密度等相關參數，通過電滲析海水淡化模塊將海水轉化成淡水和濃縮水，其中淡化繼續處理或直接使用，濃縮水輸送到濃縮海水儲池中。
本實施例中存儲于淡水儲池的低鹽料液來源于雨水、河水等天然體表水時，進入反電滲析發電模塊時僅需簡單過濾；若使用生活污水作為低鹽料液時，污染物含量過高，直接進入反電滲析發電模塊將影響其發電效率，同時直接排放將對排放海域水體環境造成嚴重危害，故需對生活污水做一定的預處理(如生化處理)。
實施例2
本實施例與實施例1區別在于，反滲透海水淡化模塊代替電滲析海水淡化模塊，太陽能發電模塊代替風能發電模塊，其他均相同。
本發明的一種全天候太陽能/風能發電和零濃水海水淡化集成工藝，對于克服可再生能源的技術弊端，減少海水淡化濃水排放引發的環境危害具有極好的技術推廣價值和社會效益。