波浪能海水淡化的关键技术研究

The key technology of sea water desalination utilizing ocean wave energy is studied by using the combined method of theoretical analysis,numerical simulation and experimental study. Based on wave theory,fluid-structure-pump dynamic inter -action and pipe flow theory, a mathematical model for the system of desalination utilizing ocean wave energy is established. Relationship between hydraulic pressure energy and wave parameters is analyzed for various marine hydrodynamic conditions. Dynamic characteristics of wave energy havestor-pressure pump coupling is investigated. Variation of salitated water quantity with wave parameters, wave energy harvestor's parameters and pressure pump's parameters is explored. Optimization theory for the system of sea water desalination utilizing ocean wave energy is presented. Operational characteristics of small scale system under real marine conditions is studied to reveal a way how to increase the efficiency of sea water desalination.Key problems for sea water desalination utilizing wave power are solved by using the combined methods of theoretical analysis, numerical simulation and small scale model tests in order to decrease the cost of desalinating sea water, this study has significan scientific importance and application.

采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法，对海洋波浪能淡化海水的关键技术进行研究。基于波浪理论、流体-结构-泵的动力相互作用、管流理论，建立波浪能淡化海水装置系统的数学模型；分析在各种海洋动力条件下液压能随波浪要素变化而变化的规律；研究波能采集器和波浪能压力泵耦合的动力特性，探索波浪要素、波能采集器和波浪压力泵物理和几何特性对反渗透膜法生产淡水的影响规律；揭示在复杂海洋动力条件下波浪能淡化海水装置的运行特性；提出波浪能淡化海水装置系统的优化理论，优化波浪能海水淡化装置；研究小比例实海况下波浪能淡化海水装置的工作性能，进一步揭示提高系统淡化海水效率的途径和方法。通过理论分析、数值仿真和小比例实海况试验等手段解决波浪能淡化海水装置的关键技术问题，降低海水淡化成本，具有重要的科学意义和巨大的应用价值。

进入21世纪以来，我国正着力发展海洋经济、维护海洋权益，这些都迫切需要我们解决岛屿和海上平台的淡水短缺问题。为了科学经济地解决好该问题，就必须因地制宜，充分利用取之不尽、用之不竭的海洋能。由于波浪能是海洋能中品位最高的可再生能源，如能高效利用波浪能进行海水淡化，就能有效地解决淡水短缺问题，同时还能起到节能减排、发展国民经济、推动海上丝绸之路建设提供淡水保障，因而研究波动力淡化海水具有特别重要的意义。.本项研究考虑了流体、俘能浮体、活塞泵、蓄能稳压器和反渗透膜的动力相互作用，建立了由筏式波能转换器、蓄能稳压器和反渗透膜所组成的波动力淡化海水装置的数学模型；分别采用边界元法和有限差分法来求解该模型中水动力问题和反渗透膜组件盐浓度极化层中的盐浓度动态变化问题；基于该模型，发展了波动力淡化海水装置的优化理论，开展了装置工作性能的试验研究；探索波要素和各构件的物理和几何特性对生产淡水的影响。.结果表明跨膜水体平均通量和淡水平均盐浓度分别随着活塞截面积的增大而先增后减和逐渐减小并趋于稳定；发现蓄能稳压器初始气体体积对跨膜水体平均通量和平均产出淡水的盐度的影响较小，而对反渗透膜作用压强的最大和最小值的影响十分显著，随初始气体体积的增大，反渗透膜作用压强最大和最小值分别单调递减和递增，而反渗透膜组件的作用压强趋于平稳；揭示了跨膜水体总宽平均通量随反渗透膜宽度的增大先增后减，而平均产出淡水的盐度则先减后增，存在最优反渗透膜宽度使跨膜水体总宽平均通量和平均产出淡水的盐度分别达到最大和最小值；表明当波周期介于4.5~5.5s时，平均产出淡水的盐度较小，跨膜水体平均通量及反渗透膜作用压强最大和最小值均相对较大。由于波浪泵是波动力海水淡化装置中最重要的部分，对单浮子式、垂向双浮子式和水平向环绕双浮子式波浪泵装置进行了深入理论和试验研究，并进行了系统对比分析，进一步揭示提高系统淡化海水效率的途径和方法。