СИСТЕМЫ ОПРЕСНЕНИЯ ВОДЫ
WATER DESALINATION SYSTEMS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Притязание на приоритет
[0001]
Данная заявка испрашивает приоритет над предварительными патентными заявками США №№ 62/746856 и 62/781125, озаглавленными «Water Desalinization System and Method» и поданными 17 октября 2018 и 18 декабря 2018 года.
2. Область техники, к которой относится изобретение
[0002]
Данная заявка относится к удалению соли и других примесей из морской воды и, в частности, к поставляемой «под ключ» системе, работающей от концентрированной солнечной энергии, которая производит опресненную воду. Изобретение также относится к сведению к минимуму заболеваний, вызванных потреблением загрязненной воды, которая может включать биологические агенты, такие как бактерии, вирус полиомиелита, вирусы, амебы и т. д., с помощью способа, в котором вырабатывается возобновляемая энергия. В способе нагревается морская/океаническая вода и ее часть превращается во влажный пар, который сводит к минимуму биологические загрязнители.
3. Уровень техники
[0003]
Несмотря на то, что вода покрывает большую часть физической поверхности нашей планеты, многие государства сталкиваются с крайним дефицитом питьевой воды. Согласно прогнозам многие страны будут испытывать крайний недостаток воды в течение этого столетия. Поскольку большая часть земной поверхности занята морской водой и другими минерализованными водами, проблема заключается не в наличии воды, а в доступности опресненной воды. Некоторые способы производят питьевую воду за счет пропускания морской/океанической воды исключительно через полупроницаемую мембрану, через которую не может проходить соль. Эти способы (обратный осмос) часто делают ставку на чрезмерно большие количества нефти, угля и других ископаемых видов топлива для получения питьевой воды.
[0004]
Использование ископаемых видов топлива оставляет большой углеродный след, загрязняет окружающую среду и способствует возникновению сердечных заболеваний, инсультов, заболеваний легких и рака. Загрязнение на основе углерода также вносит вклад в преждевременную смертность, глобальное потепление, неустойчивые погодные условия, таяние ледников и повышение уровня моря.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0005]
Патент или материалы заявки содержат по меньшей мере один чертеж, выполненный в цвете. Копии публикации данного патента или патентной заявки с цветным чертежом (чертежами) будут предоставлены Ведомством после получении запроса и требуемой оплаты.
[0006]
Элементы на чертежах не обязательно выполнены в масштабе, вместо этого акцент сделан на иллюстрации принципов изобретения. Кроме того, на чертежах одинаковые ссылочные номера обозначают соответствующие части на различных изображениях.
[0007]
На фиг.1 представлена система опреснения/очистки воды.
[0008]
На фиг.2 представлен способ опреснения/очистки воды.
[0009]
На фиг.3 представлен вид в поперечном разрезе теплонакопительных элементов.
[0010]
На фиг.4 представлен вид в поперечном разрезе альтернативных теплонакопительных элементов.
[0011]
На фиг.5 показана часть системы опреснения/очистки воды.
[0012]
На фиг.6 показана система опреснения/очистки воды фиг.5, включающая парогенератор.
[0013]
На фиг.7 представлена система очистки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0014]
Поставляемая «под ключ» система и способ опреснения/очистки (называемая также «система» или «системы») используют солнечное излучение, возобновляемый, неисчерпаемый и незагрязняющий источник энергии для превращения морской воды и/или сточных вод (например, бытовых сточных вод) в питьевую воду. Посредством дистилляции и регулируемого давления некоторые системы преобразуют тепловую энергию в электроэнергию и, в некоторых случаях практического применения, также запасают тепловую энергию, которая используется для превращения морской воды в питьевую и/или выработки электроэнергии, когда солнце не светит, что позволяет системам работать непрерывно без расходования невозобновляемой энергии или потребляя минимальное количество ископаемого топлива и другой невозобновляемой энергии. Модульность систем обеспечивает гибкость, которая позволяет системам служить в различных географических областях, удовлетворять потребность в потреблении и восполнять запасы энергии и питьевой воды с минимальным воздействием на окружающую среду.
[0015]
Как показано на фиг.1 или фиг.2, системы принимают теплопередающую текучую среду, такую как вода, закачиваемую или получаемую из моря или океана (называется взаимозаменяемо морской водой или океанической водой). Морская/океаническая вода предварительно кондиционируется в 202, где происходит удаление крупной взвеси, загрязнителей и частиц, с помощью пропускания морской/океанической воды через пористый материал для отделения текучей среды от взвешенного твердого вещества, но не солей или растворенных химических веществ (т.е. растворенных компонентов). Она называется чистой и/или предварительно кондиционированной морской/океанической водой в 202. В среднем соленость морской воды может составлять приблизительно 3,5% или тридцать пять частей соли на тысячу галлонов воды.
[0016]
Поставляемые «под ключ» возобновляемые системы отражают и концентрируют солнечный свет на теплонакопительных элементах 104, которые собирают солнечную энергию и преобразуют солнечный свет в тепловую энергию. Один или более солнечных концентраторов 106, выполненных из одного или более отражающих материалов или отражателей, отражают солнечный свет (например, солнечное излучение) на теплонакопительные элементы 104. Солнечные концентраторы 106 распределяют тепло по теплопередающей текучей среде (предварительно кондиционированной морской/океанической воде), протекающей через теплонакопительные элементы 104. На фиг.1 солнечное поле состоит из сферических зеркал в форме двух или более параболических желобов или, в качестве альтернативы, множества линейных коллекторов Френеля, аппроксимирующих множество параболических желобов. В других системах используются и другие источники.
[0017]
Солнечные концентраторы 106 фокусируют солнечный свет путем преломления световых лучей на теплонакопительные элементы 104, которые поглощают и высвобождают тепло в теплопередающую текучую среду (предварительно кондиционированную морскую/океаническую воду), протекающую через теплонакопительные элементы 104. В некоторых случаях практического применения теплопередающая текучая среда поддерживается на уровне ниже атмосферного давления (примерно 14,6959 фунтов на квадратный дюйм) теплонакопительными элементами 104, что снижает температуру кипения и замерзания теплопередающей текучей среды.
[0018]
Полупрозрачные и/или непрозрачные уплотнители (например, из стекла и/или металла) поддерживают желаемые уровни давления и компенсируют тепловые расширения и сжатия. Во время первой фазы цикла с возобновляемой водой теплопередающая текучая среда (предварительно кондиционированная морская/океаническая вода), протекающая через теплонакопительные элементы 104, нагревается солнечным излучением после отражения от солнечных концентраторов 106 на теплонакопительные элементы 104. При повышении температуры теплопередающей текучей среды (предварительно кондиционированной морской/океанической воды) часть предварительно кондиционированной морской/океанической воды начинает превращаться в водяной пар. Будучи более легким, пар поднимается вверх в верхнюю камеру (камеры) 306/402 (показанные на фиг.4) через отверстия в септах/перегородках 310/404, разделяющих теплопередающие элементы 302. Пар отводится отдельно 206 в перегретое состояние при давлении, минимизирующем индукцию воды на паровых турбинах и/или электрогенераторах 108, которые производят электричество и/или электрическую мощность. После этого перегретый пар конденсируется в очищенную питьевую воду на второй фазе цикла с возобновляемой водой с помощью конденсирующей текучей среды. Предварительно кондиционированная морская/океаническая вода 212, которая не превращается в пар, возвращается в теплообменник 102.
[0019]
Гибкость системы облегчает опреснение воды и выработку электроэнергии, когда солнце не светит, за счет использования других теплопередающих текучих сред, таких как расплавленная соль или масла, которые служат в качестве охлаждающих агентов вместо предварительно кондиционированной морской/океанической воды, и хранения других теплопередающих текучих сред, нагретых в процессе охлаждения водяного пара, в резервуарах-накопителях для хранения горячей соли/масла (описано ниже). В некоторых системах тепловая энергия, хранящаяся в резервуарах для горячей соли/масла, используется для нагревания предварительно кондиционированной морской/океанической воды, когда солнце не светит, тем самым позволяя производить опресненную/очищенную питьевую воду и электроэнергию, когда солнечная энергия недоступна.
[0020]
На фиг.1, перегретый водяной пар и конденсирующая текучая среда происходят из одного и того же источника. В приводимом в качестве примера варианте применения перегретый водяной пар и конденсирующая текучая среда содержат соленую воду или предварительно кондиционированную морскую/океаническую воду, превращенную в различные физические состояния. Система реализует последовательность операций и характеристики, описанные в данном документе и показанные на фигурах, для производства механической энергии, электроэнергии и/или опресненной воды и/или очистки загрязненной воды.
[0021]
Предварительно кондиционированная морская/океаническая вода нагревается посредством теплообменника 102, который передает тепло остаточной воды, возвращаемой из выходов теплонакопительных элементов 104, предварительно кондиционированной морской/океанической воде. При первом прохождении отфильтрованная океаническая вода не нагревается через теплообменник 102, поскольку температура теплопередающей текучей среды (например, воды, проходящей через солнечные концентраторы 106), по существу, равна температуре входящей предварительно кондиционированной морской/океанической воды. После прохождения через теплонакопительные элементы 104/солнечные концентраторы 106, теплопередающая текучая среда (предварительно кондиционированная морская/океаническая вода) нагревается и, затем, когда нагретая вода возвращается из теплонакопительных элементов 104, нагретая вода используется для нагревания входящей предварительно кондиционированной морской/океанической воды 102. Как объяснено ниже, предварительно кондиционированная морская/океаническая вода, возвращающаяся из теплонакопительных элементов 104 (например, теплопередающая текучая среда), имеющая более высокую концентрацию соли, смешивается с некондиционированной морской водой в смесителе 112 для воды. Она смешивается в пропорции три к одному или в других подходящих соотношениях перед возвращением в океан для того, чтобы содержание солей в воде, возвращаемой в океан, не было очень сильно концентрированным и вредным для морских организмов.
[0022]
В 204 солнечные концентраторы 106 (показаны в виде параболических желобов) преобразуют лучистую энергию солнца в тепловую энергию. Теплопередача происходит путем отражения принятого солнечного излучения, испускаемого солнцем, на теплонакопительные элементы 104, которые проходят по длине солнечных концентраторов 106. На фиг.1 и фиг.2 теплонакопительные элементы 104 находятся в канале, расположенном на фокусном расстоянии параболических желобов/солнечных концентраторов 106. Солнечные концентраторы 106 ориентированы в направлении север-юг относительно солнца и отслеживают движение солнца с помощью системы слежения, согласованной с весенним и осенним равноденствиями (21 марта и 21 сентября), для поддержания положения солнечного концентратора 106 перпендикулярно к солнцу. Такое согласование гарантирует, что непрерывное солнечное излучение будет оставаться сфокусированным на теплонакопительных элементах 104 в течение дневного времени. В некоторых системах солнечные концентраторы 106 фокусируют солнечное излучение примерно в 30-100 раз от нормальной тепловой интенсивности солнца. Сезонная/отслеживающая компенсация не применяется в некоторых системах, включая те системы, в которых солнечный свет принимается по меньшей мере на части отражающей поверхности солнечных концентраторов 106. В других системах сезонная/отслеживающая компенсация применяется для обеспечения получения солнечного света по меньшей мере на части отражающих поверхностей солнечных концентраторов 106.
[0023]
Тепло, собираемое солнечными концентраторами 106, вызывает изменение физического состояния теплопередающей текучей среды (предварительно кондиционированной морской/океанической воды), находящейся в теплонакопительных элементах 104, что превращает часть теплопередающей текучей среды (предварительно кондиционированной морской/океанической воды) в водяной пар. В некоторых системах изменение физического состояния происходит при постоянном давлении. На необязательном этапе 206 водяной пар, отделенный от остаточной воды, нагревается в части теплонакопительных элементов 104 или вспомогательного оборудования, с образованием перегретого сухого пара. Перегретый сухой пар может терять некоторое количество внутренней энергии (например, охлаждаться) во время его течения в турбину 108 и/или генератор без конденсации в насыщенный пар и/или жидкость и индукции воды.
[0024]
На фиг.1 и фиг.2, перегретый сухой пар создает кинетическую реакцию посредством механического расширения к турбинным лопаткам (например, турбины) 108 и/или возвратно-поступательным поршням (например, генератора), что заставляет вращаться роторы и/или поршни, которые отдают мощность в 208. Когда приложено давление, перегретый пар остается в виде сжимаемого газа, когда он проходит через турбину 108 или двигатель/генератор, предотвращая повреждение водой, которое может произойти вместе с индукцией воды. Необязательный перегрев в 206 повышает тепловую эффективность. В турбинах 108 и генераторах повреждение, обусловленное индукцией воды, вызывает повреждение упорных подшипников, повреждение лопастей, термическое растрескивание, повреждение при трении, постоянную деформацию, повреждение колец и повреждение контроллера, которые рассматриваемая технология предотвращает, а в других случаях применения - в значительной степени минимизирует.
[0025]
В 210 водяной пар и/или перегретый водяной пар охлажден до температуры насыщения конденсатором 110, который создает опресненную воду. Когда перегретый водяной пар охлаждается, он дает тепло перед своей конденсацией и высвобождает скрытую теплоту (энтальпия испарения). Тепло, выделяемое перегретым водяным паром при его охлаждении до уровней насыщения, поглощается теплопередающей текучей средой. В некоторых системах конденсирующая текучая среда или охлаждающий агент, используемый конденсатором 110, содержит ненагретую морскую/океаническую воду, предварительно кондиционированную в 202. В некоторых системах используется другая теплообменная среда, такая как расплавленная соль или масла, и поглощенная тепловая энергия сохраняется в каскадной системе хранения скрытой энергии, описанной ниже. Используемая охлаждающая среда не вступает в прямой контакт с водяным паром, охлаждаемым для получения опресненной воды.
[0026]
Для минимизации присутствия летучих органических соединений, имеющих температуру кипения ниже температуры кипения очищенной воды, некоторые теплонакопительные элементы 104 отводят или собирают отдельно органические соединения с помощью отведения газов, которыми они становятся, когда теплопередающая текучая среда нагревается ниже температуры кипения очищенной воды. Отведение или улавливание этих газов в удаленной системе или расширительном резервуаре перед сохранением очищенного водяного пара удаляет или уменьшает количество примесей, обнаруживаемых в известных процессах дистилляции воды. Такое управление процессом позволяет описанным системам удалять пестициды, гербициды, канцерогены и/или другие летучие химические вещества, температура кипения которых ниже температуры кипения очищенной воды. Полученная очищенная вода имеет значительно более высокую чистоту, чем известная дистиллированная очищенная вода. Очищенная вода представляет собой воду, в которой содержание примесей растворенных твердых веществ или загрязнителей не превышает приблизительно 10 частей на миллион.
[0027]
Аналогичным образом, температура регулируется в теплонакопительных элементах 104 для обеспечения того, чтобы другие загрязнители и/или примеси с температурой кипения выше температуры кипения очищенной воды не переходили в газообразное состояние. В некоторых системах регулирование температуры осуществляется с помощью регулирования тепловой энергии (например, блокировки солнечного света, перенаправления солнечного света посредством изменения расположения солнечных концентраторов 106, и т.д.), направляемой на теплонакопительные элементы 104, отведения тепла и/или среды из теплонакопительных элементов 104 при достижении или превышении температурного порога, и/или добавления заранее определенных объемов более холодной теплопередающей текучей среды в теплонакопительные элементы 104 до тех пор, пока не будет достигнута заранее определенная температура, или не будет поддерживаться определенный температурный диапазон.
[0028]
В 212 нагретая остаточная вода, возвращаемая из выхода теплонакопительных элементов 104, подается через теплообменник 102, который передает тепло от остаточной текучей среды, возвращаемой из выхода теплонакопительных элементов 104, теплопередающей текучей среде (предварительно кондиционированной морской/океанической воде), которая подается на вход теплонакопительных элементов 104. Теплообмен происходит без непосредственного контакта необработанных и обработанных текучих сред друг с другом. Как показано на фиг.1, нагретая конденсирующая текучая среда (предварительно кондиционированная морская/океаническая вода), вытекающая из конденсатора 110, смешивается с теплопередающей текучей средой (предварительно кондиционированной морской/океанической водой), которая подается на вход теплонакопительных элементов 104.
[0029]
Для регулирования выхода нагретой остаточной воды (например, температуры, состава, солености, загрязнителей и т.д.) перед сбросом ее обратно в море/океан, ее разбавляют в смесительной камере 112 /214. Когда теплопередающая текучая среда представляет собой предварительно кондиционированную морскую/океаническую воду, остаточная морская вода, как правило, является более плотной и более тяжелой перед разбавлением и будет опускаться ниже менее соленой морской воды, если она будет возвращена в океан в неразбавленном виде. Ее сброс без обработки повлияет на океанические течения и морские организмы. На фиг.1 и фиг.2 остаточная вода разбавляется через смесительную камеру 112 до тех пор, пока соленость на выходе системы в среднем не составит по существу 3,5% (~ +/- 4%). После этого она может быть разбавлена для достижения других желательных показателей, например, таких как диапазон температур и уровень солености. В некоторых приводимых в качестве примера случаях смесительная камера 112 разбавляет остаточную воду приблизительно в соотношении 2,5-3 раза к объему остаточной воды, возвращаемой из теплонакопительных элементов 104, для достижения желаемого уровня температуры и солености. На фиг.1, разбавитель обеспечивается источником теплопередающей текучей среды (предварительно кондиционированной морской/океанической водой), которая поступает в теплонакопительные элементы 104.
[0030]
Теплонакопительные элементы 104 содержат трубу 302 пароперегревателя и трубу 304 теплонакопителя, которая соосна с трубой 302 пароперегревателя и окружает ее. На фиг.3 и фиг.4 труба 304 теплонакопителя изготовлена из противоотражающего стекла с поверхностью селективного поглощения, которая обеспечивает заданные оптические и излучающие свойства. Поверхность и толщину выбирают таким образом, чтобы поглощать излучение на длинах волн ниже трех миллионных долей метра, эффективно улавливая около 9-8% энергии, передаваемой солнечным излучением. В некоторых системах труба 304 теплонакопителя заключает в себе и поддерживает вакуум, который уменьшает тепловые потери и защищает от окисления трубу 302 пароперегревателя. Некоторые теплонакопительные элементы 104, описанные в данном документе, используют стеклянные и металлические уплотнители и металлические сильфоны для регулирования теплового расширения между трубами 302 и 304. Металлические сильфоны представляют собой эластичные емкости, которые сжимаются или расширяются в некоторых условиях при создании и приложении давления.
[0031]
В некоторых системах труба 302 пароперегревателя и труба 304 теплонакопителя, которые входят в состав теплонакопительных элементов 104, имеют различные излучающие свойства. В некоторых системах поверхности труб 302 и 304 имеют селективные диапазоны поглощения. Некоторые трубы 302 пароперегревателя имеют заданные излучающие свойства, которые усиливают превращение теплопередающей текучей среды (предварительно кондиционированной морской/океанической воды) в пар и перегретый водяной пар, и труба 304 теплонакопителя снижает тепловые потери при высоких рабочих температурах по сравнению с трубой 302 пароперегревателя. Поверхности могут комбинировать высокую интенсивность поглощения солнечного излучения и низкую интенсивность теплопотерь, регулируя диапазон температур, в котором поверхности принимают и сохраняют заданные уровни теплового излучения. В некоторых системах некоторые или все свойства поверхности теплонакопительных элементов 104 подбирают таким образом, чтобы поглощать излучение на длинах волн ниже трех миллионных долей метра (например, ~3 пм), эффективно улавливая примерно 9-8% энергии, передаваемой солнечным излучением. В некоторых системах некоторые или все свойства поверхности теплонакопительных элементов 104 подготавливают таким образом, чтобы поглощать длины волн видимого света и инфракрасного света, которые обеспечивают нагревательные свойства, которые находятся за пределами описанного спектра.
[0032]
На фиг.3 и фиг.4 труба 302 пароперегревателя, которая непосредственно принимает предварительно кондиционированную теплопередающую текучую среду (например, предварительно кондиционированную морскую воду), включает первую и вторую параболическую камеру, разделенную общим перфорированным вогнутым барьером 310, который обеспечивает прямое ситовое соединение между U-образными камерами 306 и 308. Как показано, кривизна перфорированного вогнутого барьера 310 (например, кривизна мениска) может вызвать поперечный вертекс в перевернутой параболической камере или Quonset-подобной камере (например, вторая камера 306), что вызывает конвергенцию капель воды и падение по направлению к части вогнутой параболической камеры или серповидной камеры (например, первой камеры 308).
[0033]
В процессе работы солнечная энергия, отражаемая солнечными концентраторами 106, поглощается трубой 304 теплонакопителя и передается в трубу 302 пароперегревателя. Поскольку энергия превышает температуру кипения теплопередающей текучей среды, предварительно кондиционированной морской/океанической воды в данном приводимом в качестве примера случае, влажный пар и суспендированные капли воды образуются из морской/океанической воды. Поскольку капли воды имеют большую массу и большую инерцию, чем водяной пар, большие площади поперечного сечения неперфорированных участков перфорированного вогнутого барьера 310 по сравнению с проходящими через него отверстиями заставляют капли воды собираться на неперфорированных участках перфорированного вогнутого барьера 310 и оставаться внутри первой камеры 308. Капли воды и пар, которые проходят через перфорированное отверстие в вогнутом барьере 310, подвержены турбулентности потока, вызванной кривизной перфорированного вогнутого барьера 310. Турбулентность вызывает большую массу и инерцию капель воды, прошедших через перфорированные отверстия в вогнутом барьере 310, собирающихся на участках общего перфорированного вогнутого барьера 310, лежащего над более холодной частью теплопередающей текучей среды. Это помогает в отделении жидкого состояния теплопередающей текучей среды (предварительно кондиционированной морской/океанической воды) от парообразного состояния теплопередающей текучей среды (предварительно кондиционированной морской/океанической воды). Различия в температуре показаны серыми полутоновыми или цветными частями теплопередающей текучей среды, которая ограничена первой камерой, показанной в поперечном сечении (например, красный цвет или часть 310 означает самую высокую температуру, синий цвет или часть 314 - самую холодную температуру, и фиолетовый цвет или часть 312 представляет собой промежуточную температуру теплопередающей текучей среды между самой горячей и самой холодной температурами теплопередающей текучей среды).
[0034]
Как показано, площадь поперечного сечения второй камеры 306 больше площади поперечного сечения первой камеры 308. Большая площадь поперечного сечения потока второй камеры 306 и меньший размер первой камеры 308 также приводят к большему уменьшению скорости суспендированных сред во второй камере 308. Это уменьшает кинетическую энергию суспендированных капель воды во второй камере 308, вызывая выпадение большего количества капель воды из суспензии, чем в камерах другого размера, создавая большой объем перегретого пара.
[0035]
В другой альтернативной системе, труба 302 пароперегревателя может включать в себя дополнительные ограничители потока (не показаны), которые уменьшают турбулентный поток теплопередающей текучей среды (например, предварительно кондиционированной морской/океанической воды) и накапливают тепло в первой камере 308 по мере передачи тепла в трубу 302 пароперегревателя. Ограничители потока могут быть интегрированы или представляют отдельную часть трубы 302 пароперегревателя и поддерживают более контролируемый диапазон равновесных температур в частях первой камеры 308 за счет увеличения площадей поверхностей нагрева и охлаждения в первой камере 308.
[0036]
На фиг.4 показана другая альтернативная система, которая выполняет функции систем и технологические операции, описанные в данном документе и проиллюстрированные на фигурах. Фиг.4 дополнительно включает камеру 402 (показанную в диаметральном поперечном сечении), отделяющую первую камеру 308 от второй камеры 306 перфорированными вогнутыми барьерами 310 и 404, соответственно. Как показано, кривизна перфорированного вогнутого барьера 310 (например, кривизна мениска) и вогнутого барьера 404 создает поперечный вертекс в потоке пара в камере 402 (например, в третьей камере 306) относительно соответствующих вертексов вогнутых барьеров 310 и 404. В некоторых системах вертексы по существу выровнены вдоль воображаемой продольной оси для создания направленного потока.
[0037]
В процессе работы солнечная энергия, отражаемая солнечными концентраторами 106, поглощается трубой 304 теплонакопителя и передается в трубу 302 пароперегревателя посредством теплового излучения. По мере того, как энергия нагревает теплопередающую текучую среду (например, загрязненную воду) выше температуры кипения летучих органических соединений, но ниже температуры кипения очищенной воды, образуются загрязненный пар и суспендированные загрязненные капли. При поддержании температуры органические соединения удаляются из теплопередающей текучей среды и отводятся путем вентилирования загрязняющих веществ и пара во вспомогательную удаленную систему или резервуар (не показано). Вентилирование и улавливание этих газов во вспомогательной системе или резервуаре до образования очищенного водяного пара снижает количество примесей, которые иначе остались бы в теплопередающей текучей среде.
[0038]
Когда энергия нагревает теплопередающую текучую среду выше температуры кипения очищенной воды (например, очищенной воды в морской воде в данном приводимом в качестве примера случае использования), образуется влажный пар и суспендированные капли воды. Поскольку капли воды имеют большую массу и большую инерцию, чем пар, большие площади поперечного сечения перфорированных вогнутых барьеров 310 по сравнению с проходящими через них отверстиями заставляют капли воды собираться на неперфорированных участках перфорированного вогнутого барьера 310 и проходить через отверстия в первую камеру 308. Капли воды и водяной пар, которые проходят через перфорированные отверстия вогнутого барьера 310 в третью камеру 402, подвержены турбулентности потока, вызванной кривизной вогнутой и выпуклой поверхностей барьеров 310 и 404, соответственно. Турбулентность вызывает для капель воды с большей массой и инерцией, прошедших через перфорированный вогнутый барьер 310 в третью камеру 402, падение обратно в первую камеру 308 через отверстия. Когда перегретый водяной пар внутри камеры 402 конденсируется (в последующих процессах, описанных в данном документе), дистиллированная вода по существу не содержит пестицидов, гербицидов, канцерогенов и/или других летучих химических веществ, температура кипения которых ниже температуры кипения очищенной воды. Полученная очищенная вода имеет значительно более высокую чистоту, чем известная дистиллированная вода.
[0039]
На фиг.5 и фиг.6 показана альтернативная система опреснения воды, которая выполняет функции систем и последовательность операций, описанные в данном документе и проиллюстрированные на фигурах. На фиг.5 и фиг.6 каскадная система хранения скрытой энергии обеспечивает дополнительную энергию при необходимости и/или отдает энергию в ответ на запрос контроллера. Запасная энергия может обеспечить тепловую энергию, необходимую для непосредственного генерирования водяного пара с помощью парогенератора 602, может быть использована для повышения производительности поставляемой «под ключ» опреснительной системы за счет обеспечения большего количества водяного пара и/или энергии, и/или непрерывной работы системы (например, круглосуточно, 7 дней в неделю). Каскадная система хранения скрытой энергии содержит множество резервуаров 604 и 606, в которых теплообменная среда, например, расплавленная соль или масло в холодном резервуаре-накопителе 604, используется в качестве хладагента в конденсаторе 110. Когда конденсатор 110 охлаждает водяной пар или перегретый пар, теплообменная среда (например, расплавленная соль или масло) поглощает тепло, выделяемое водяным паром или перегретым паром, которое затем хранится в горячем резервуаре-накопителе 606. При необходимости теплообменная среда протекает через парогенератор 602, где тепло передается теплопередающей текучей среде (например, предварительно кондиционированной морской/океанической воде), протекающей через парогенератор 602 с непосредственным образованием перегретого водяного пара. Теплообменная среда, проходящая через парогенератор 602, затем поступает обратно в холодный резервуар-накопитель 604. Затем она повторно нагревается водяным паром и/или перегретым паром, образующимся в течение дня, когда светит солнце, и солнечное излучение используется для нагревания теплопередающей текучей среды (предварительно кондиционированной морской/океанической воды), проходящей через теплонакопительные элементы 104, когда она проходит через конденсатор 110 до своего возвращения (с помощью насоса в некоторых системах) в горячий резервуар-накопитель 606. В этой альтернативной системе теплопередающая текучая среда (расплавленная соль или масло) используется для создания перегретого пара, очищенной воды, электричества и/или резервной мощности, совместно или в отдельных системах. При недостаточном количестве солнечной энергии для приведения системы в действие, например, ночью или в пасмурные дни, каскадная система хранения скрытой энергии служит основным источником энергии.
[0040]
В некоторых системах теплонакопительные элементы 104 используются для очистки бытовых сточных вод. Бытовые сточные воды представляют собой хозяйственно-бытовые стоки, которые содержат меньше органических веществ, чем канализационные воды (например, фекальные стоки). После удаления суспендированных примесей бытовые сточные воды пропускаются через теплонакопительные элементы 104 и, с помощью нагревания бытовых сточных вод до желаемой температуры кипения, бытовые сточные воды очищаются в соответствии с высокими стандартами, перед их возвращением в качестве очищенной воды. Возвращенная очищенная вода снижает потребность в других источниках очищенной воды и может значительно снизить нагрузку на коммунальное водоснабжение. Далее отвод воды через систему очистки, показанный на фиг.7, снижает количество сточных вод, поступающих в канализацию, что дополнительно снижает энергозатраты на их подачу и возврат в виде сточных вод, а также ресурсы, необходимые для очистки сточных вод. Кроме того, система очистки может использоваться локально, по месту нахождения источника бытовых сточных вод, сокращая ресурсы, необходимые для производства и доставки очищенной воды.
[0041]
В процессе работы солнечная энергия, отражаемая солнечными концентраторами 106, поглощается трубой 304 теплонакопителя и передается в трубу 302 пароперегревателя посредством теплового излучения. По мере того как энергия нагревает бытовые сточные воды выше температуры кипения воды в теплонакопительных элементах 104, тепловая энергия в кипящей воде и влажном паре убивает или инактивирует биологически активные организмы, такие как вирусы, бактерии, простейшие, яйца глистов - гельминтоз, грибы и другие патогены в бытовых сточных водах. В некоторых системах органические соединения также удаляются из бытовых сточных вод и отводятся во вспомогательную систему и/или резервуар, как описано в данном документе. Вентилирование и улавливание этих газов до образования очищенного водяного пара дополнительно снижает количество примесей, которые в противном случае бы сохранялись. После очистки очищенную воду можно утилизировать в переносимом виде или без переноса, фильтровать и т.д.
[0042]
Каждая из описанных систем регулируется и управляется системой управления концентрированной солнечной энергией (например, контроллером), которая обеспечивает в реальном времени управление и мониторинг потоков текучей среды, а также обработку, описанные в данном документе. Некоторые системы управления работают с контроллерами-приводами, которые обеспечивают полный диапазон управления потоком, с использованием термостатов и датчиков давления.
[0043]
В то время как каждая из систем и способов, показанных и описанных в данном документе, работает автоматически и независимо, они также могут быть включены в другие системы и способы, и могут выполнять любое число (N) итераций некоторых или всех используемых процессов выработки и/или хранения энергии, и/или очищенной воды, и/или опресненной воды посредством поставляемой «под ключ» системы. Альтернативные системы могут включать любую комбинацию структур и функций, описанных или показанных на одной или более из фигур, включая системы, которые производят исключительно очищенную воду, и системы, которые вырабатывают исключительно энергию посредством множества труб. Кроме того, описанные здесь в качестве иллюстрации системы могут быть осуществлены на практике в отсутствие любого элемента, который раскрывается (например, турбины 108, конденсатора 110 и/или одного или более теплообменников 102, фильтров и т.д.), и могут быть осуществлены на практике в отсутствие (например, при исключении) любого элемента, который не описан специально в настоящем документе, включая те элементы, которые описаны в известном уровне техники, но не описаны специально в данной заявке. Функции, действия или задачи, проиллюстрированные на фигурах и/или описанные в данном документе, могут выполняться в ответ на оду или более логических конструкций или команд, хранящихся на машиночитаемых носителях информации и выполняемых контроллером. Функции, действия или задачи не зависят от команд программного обеспечения, наборов команд, накопителей, процессора или стратегии обработки, и могут выполняться с помощью программного обеспечения, аппаратных средств, интегральных схем, встроенных программ, микрокода и тому подобного, работающих отдельно или в комбинации.
[0044]
Термин «соединенный», используемый в данном описании, предполагает охват как непосредственного, так и опосредованного соединения. Таким образом, первый и второй элементы, как говорят, соединены, когда они непосредственно соединены друг с другом, а также когда первый элемент соединен через промежуточный компонент, который соединен непосредственно или через один или более дополнительных промежуточных компонентов со вторым элементом. Термин «по существу» или «примерно» охватывает диапазон, который в значительной степени, но не обязательно полностью определяет то, что указано. Он охватывает все, кроме незначительной величины, например, описанные значения и/или дисперсию в пределах 5-10% от заданного значения или диапазона. Термин «сухой пар» и «перегретый пар» означает водяной пар, который находится при своей температуре насыщения, но не содержит частиц воды во взвешенном состоянии. Сухой пар и перегретый пар имеют очень высокую степень сухости и практически не содержат влаги. В настоящем изобретении сухой пар и перегретый пар содержат не более 0,5% влаги. Когда устройства или потоки отвечают на командные события и/или запросы, действия и/или ступени устройств или другие потоки, например, операции, которые выполняют устройства, обязательно происходят в качестве непосредственного или косвенного результата предыдущих команд, событий, действий и/или потоков. Иными словами, операции и/или потоки происходят в результате предыдущих операций и/или потоков. Устройство, которое реагирует на другое, требует большего, чем действие (т.е. ответ устройства), просто следующее за другим действием.
[0045]
Описанная поставляемая «под ключ» система опреснения/очистки использует возобновляемый, неисчерпаемый и незагрязняющий источник энергии для превращения морской воды и/или сточных вод в очищенную питьевую воду. Благодаря уникальному способу системы вырабатывают и, в некоторых случаях практического применения, накапливают энергию, которая позволяет системам работать непрерывно, не получая энергию извне. Данные системы служат в разнообразных и труднодоступных географических областях, соответствуют энергетическим стандартам и стандартам качества питьевой воды и потребностям потребления, а также восполняют запасы энергии и питьевой воды с минимальным воздействием на окружающую среду.
[0046]
Объект изобретения может также относиться, среди прочего, к следующим аспектам (обозначенным номерами):
1. Система очистки воды, содержащая:
множество солнечных концентраторов, которые принимают солнечный свет и направляют солнечный свет во множество местоположений путем преломления множества лучей солнечного света и фокусирования множества лучей солнечного света во множестве местоположений;
множество теплонакопительных элементов, расположенных во множестве местоположений, имеющих внешнюю поверхность, подготовленную для поглощения и преобразования солнечного излучения при множестве длин волн ниже трех миллионных долей метра в тепловую энергию;
теплонакопительные элементы расположены таким образом, чтобы вызвать изменение состояния теплопередающей текучей среды, имеющей соленость примерно 3,5%; и
конденсатор, который конденсирует часть теплопередающей текучей среды из газообразного состояния в жидкое состояние, используя часть теплопередающей текучей среды в качестве хладагента; и
где множество теплонакопительных элементов частично заключено во множество солнечных концентраторов; и
где по меньшей мере один из теплонакопительных элементов включает камеру, имеющую множество перфораций, облегчающих передачу сухого пара в конденсатор.
2. Система по аспекту 1, в которой множество солнечных концентраторов содержит множество параболических желобов.
3. Система по любому из аспектов 1-2, в которой множество солнечных концентраторов содержит множество коллекторов Френеля.
4. Система по любому из аспектов 1-3, в которой теплонакопительные элементы содержат множество камер, находящихся в ситовом сообщении друг с другом.
5. Система по аспекту 4, в которой множество камер заключает в себе множество различных объемов.
6. Система по аспекту 5, в которой теплонакопительные элементы содержат первую трубу, которая имеет излучающие свойства, которые усиливают превращение теплопередающей текучей среды в пар, и вторую трубу, имеющую излучающие свойства, которые усиливают превращение пара в перегретый пар.
7. Система по аспекту 6, в которой вторая труба выполнена с возможностью непосредственно вмещать теплопередающую текучую среду.
8. Система по любому из аспектов 1-7, в которой по меньшей мере один из теплонакопительных элементов непосредственно включает в себя вакуум со вторым теплонакопительным элементом.
9. Система по любому из аспектов 1-8, дополнительно содержащая кондиционирующее устройство, которое передает тепло от теплопередающей текучей среды, протекающей через по меньшей мере один из множества теплонакопительных элементов, к теплопередающей текучей среде, которая не протекает через по меньшей мере один из множества накопительных элементов.
10. Система очистки воды, содержащая:
множество солнечных концентраторов, которые принимают солнечный свет и направляют солнечный свет во множество местоположений путем преломления множества лучей солнечного света и фокусирования множества лучей солнечного света во множестве местоположений; и
множество теплонакопительных элементов, расположенных во множестве местоположений, имеющих внешнюю поверхность, подготовленную для поглощения и преобразования солнечного излучения при множестве длин волн;
где множество теплонакопительных элементов частично заключено во множество солнечных концентраторов; и
где по меньшей мере один из теплонакопительных элементов включает камеру, имеющую множество перфораций, облегчающих передачу водяного пара в конденсатор.
11. Система очистки воды по аспекту 10, в которой по меньшей мере один из теплонакопительных элементов содержит множество камер.
12. Способ, включающий:
прием солнечного света от множества солнечных концентраторов и направление солнечного света во множество местоположений путем преломления множества лучей солнечного света и фокусирования множества лучей солнечного света во множестве местоположений;
прием множества лучей солнечного света во множестве теплонакопительных элементов, расположенных во множестве местоположений, имеющих физическую поверхность, подготовленную для поглощения и преобразования солнечного излучения при множестве длин волн ниже трех миллионных долей метра в тепловую энергию;
индуцирование изменения состояния в теплопередающей текучей среде, имеющей соленость примерно 3,5%, посредством теплонакопительных элементов; и
конденсацию части теплопередающей текучей среды из газообразного состояния в жидкое состояние, используя часть теплопередающей текучей среды в качестве хладагента;
где множество теплонакопительных элементов частично заключено во множество солнечных концентраторов; и
где по меньшей мере один из теплонакопительных элементов включает камеру, имеющую множество перфораций, облегчающих передачу сухого пара в конденсатор.
13. Способ по аспекту 12, в котором множество солнечных концентраторов содержит множество параболических желобов.
14. Способ по любому из аспектов 12-13, в котором множество солнечных концентраторов содержит множество коллекторов Френеля.
15. Способ по любому из аспектов 12-14, в котором теплонакопительные элементы содержат множество камер, находящихся в ситовом сообщении друг с другом.
16. Способ по аспекту 15, в котором множество камер состоит из трех камер.
17. Способ по аспекту 15, в котором теплонакопительные элементы содержат первую трубу, имеющую излучающие свойства, которые усиливают превращение теплопередающей текучей среды в пар, и вторую трубу, имеющую излучающие свойства, которые усиливают превращение пара в перегретый пар.
18. Способ по аспекту 17, в котором первая труба непосредственно включает в себя камеру, и вторая труба включает в себя три камеры.
19. Способ по любому из аспектов 12-18, дополнительно содержащий кондиционирующее устройство, которое передает тепло от теплопередающей текучей среды, протекающей через по меньшей мере один из множества теплонакопительных элементов, к теплопередающей текучей среде, которая не протекает через по меньшей мере один из множества накопительных элементов.
20. Способ по любому из аспектов 12-19, дополнительно включающий переход кинетической энергии газообразного состояния в электрическую энергию.
[0047]
Другие системы, способы, признаки и преимущества станут понятны специалистам в данной области при изучении чертежей и подробного описания. Предполагается, что все такие дополнительные системы, способы, признаки и преимущества охватываются этим описанием, находятся в рамках объема данного изобретения и защищаются прилагаемой формулой изобретения.