[发明专利]一种基于膜蒸馏技术的溶液蓄能装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于蓄能技术和膜蒸馏技术应用领域，涉及溶液的能量转换和储存过程，特别涉及一种基于膜蒸馏技术的溶液蓄能装置及其方法。 

背景技术

建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列成为我国能源消耗的三大“耗能大户”。而以采暖和空调为代表的耗能已占建筑总消耗的50％左右，制冷空调消耗的电力占城市总消耗电力的20-30％；同时，由于用户用能时段非常集中，造成能量峰谷波动巨大，能量供应不足与能量浪费交替进行。因此，充分利用电力供应低谷低价时段进行电力系统削峰填谷的调整技术成为一项研究热点。同时，出于环保、节能的目的，余热、废热利用以及太阳能、地热能等可再生能源的利用越来越引起人们的重视。 

蓄能技术是解决能量供需矛盾的公认方法。蓄能技术对于平衡能量配置，缓解能源供应，合理配置电力负荷具有重要的作用。当前主要的蓄能技术包括显热蓄能技术，冰蓄冷技术，共晶盐蓄能技术，相变材料蓄能技术和热化学蓄能技术等。这些蓄能技术都是将能源直接存储为冷能或热能，然后进行储存，由于蓄热温度高于环境温度，蓄冷温度低于环境温度，在蓄能过程中，蓄能装置必须进行严格的绝热处理以防止能量的损失，而且所储存能量的温度有一定限制，不能任意变化。专利“一种蓄能制冷/热泵机组的蓄能制冷/制热方法”(专利号：200410021385.6)和专利“制冷/制热潜能储存技术”(专利号：02132742.4)对溴化锂吸收式系统和氨水吸收式系统进行改造，利用电力驱动的压缩机对溴化锂-水溶液和氨水溶液的蒸气进行抽取压缩，将压缩后的高温 气体作为热源加热溴化锂溶液或氨水溶液，将浓缩后的溴化锂溶液或稀释后的氨水溶液作为工作溶液进行储存，以备后续流程的使用，实现电能与工作溶液潜能的转换，以实现蓄能的目的。但在实际应用中，由于水蒸气的比容很大，氨气易燃易爆而且有毒性，因此对水蒸气压缩机和氨气压缩机的结构设计要求很高。 

在以浓度差为蓄能能量的技术中，溴化锂吸收式系统是一种理想的可操作平台；它利用热能驱动，将溴化锂稀溶液进行减压蒸馏，浓缩后的溴化锂溶液具有吸收水蒸气的潜在能力，因此作为工作溶液的浓度势能进行储存，减压蒸馏后的水蒸气经过冷凝后储存，具有释放潜热吸收冷媒水热量的潜在能力，可以作为制冷剂潜能进行储存。因此，溴化锂吸收式系统具有将热能转换为工作溶液潜能和制冷剂潜能的蓄能能力。 

然而，在溴化锂溶液的减压蒸馏中，受冷却水温度和溶液浓度的限制，溴化锂溶液的减压蒸馏温度较高，一般均高于85℃以上，因此对驱动热能的温度品质要求较高。在现实中，存在着大量的低品位热能，这些热能是高品位能源被利用过后的余热或废热，在所属领域中无法再次被利用，其温度大多数在75-85℃之间。另外，对于以太阳能为代表的可再生能源利用中，太阳能热水的利用最为普遍，限于太阳能集热器的技术和价格限制，太阳能热水利用中，热水的温度一般不超过85℃。因此，如何应用这些低品位热能作为溴化锂水溶液蓄能的驱动热源，是热能利用的热点和难点。 

膜蒸馏技术是传统蒸馏工艺与膜分离技术相结合的一种高效分离技术，膜蒸馏利用高分子膜的疏水性和某些结构上的功能达到溶液蒸馏的目的。不同于传统的蒸馏工艺，膜蒸馏过程不需要将溶液加热至沸腾状态，只要膜两侧维持适当的温差就可实现蒸馏，因此操作温度比传统的蒸馏操作低得多，可有效利用地热能、太阳能以及工业废水余热等廉价能源，可望成为一种廉价、高效的分离手段。膜蒸馏是以疏水性微孔膜两侧的蒸汽压差为传质推动力的膜分离过程，膜蒸馏过程几乎是在常压下进行，设备简单、操作方便。在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，只有水蒸气能透过膜孔，故蒸馏液十分纯净。膜蒸馏技术除了设备简单、操作方便、蒸馏液纯净以及易于组合扩大等特点外，它可以处理高浓度的水溶液，可以将溶液浓缩至饱和状态。另外，在膜组件的各种结构形式中，由于膜材料的多孔结构，膜组件单位体积所能提供的膜接触面积非常大，同时膜材料采用高分子聚合材料，在体积和重量上大大减小。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于膜蒸馏技术的溶液蓄能装置及其方法，基于膜蒸馏技术的基本原理和溴化锂溶液的减压蒸馏特性，将膜蒸馏技术应用于溴化锂溶液的以浓度差为蓄能能量的系统中，利用膜蒸馏技术将低品位热能如余热、废热或太阳能、地热能等可再生能源转换为溴化锂溶液的浓度势能和制冷剂水的潜能并进行储存，不但可以大大减小装置的体积和重量，而且所利用的热源温度可以降低，大大拓展了低品位热能的利用范围，增加了热能的可利用温差。 

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来解决的：