專利名稱：：由可再生能源供電的脫鹽系統及其相關方法
技術領域：
：本發明的各實施例涉及脫鹽(desalination)系統的操作和控制。具體地，各實施例涉及由可再生能源供電的脫鹽系統的增強操作和控制。
背景技術：
：全世界的水需求正在迅速地增加，而如人口增長、增加的工業使用以及現有供應的污染等的因素，可能限制許多國家在未來滿足淡水需求的能力。關鍵技術。現有脫鹽技術的特征在于通過大量能源消耗來生成可飲用水。相關聯的能量成本是水脫鹽經濟中的主要因素之一。一種凈化技術，反滲透，由于它的低能耗和其設計靈活性，作為可行的脫鹽技術正贏得增加的認可。但是在水缺乏地區和電網連接性受限制的偏遠的內陸地區，與基于脫鹽的反滲透相關聯的能源成本可能致使脫鹽解決方案在經濟上不可行。
發明內容本發明的各實施例涉及控制一種脫鹽系統的方法，其包括評估足以識別物理約束的各物理模型以及評估各經濟模型。物理和經濟模型的評估提供用于該脫鹽系統的初步配置以減少水的成本并提供運行策略。此外，各實施例涉及一種包括電源和一個或多個水過濾單元的脫鹽系統。該脫鹽系統通過降低水的成本的物理和經濟模型的評估被配置和操作。通過參照以下描述以及圖示這樣的實施例的附圖，本發明的各實施例可以^皮理解。在附圖中圖1根據本發明的一些實施例、圖示描述用于控制由可再生能源供電的脫鹽系統的方法的流程圖。圖2根據本發明的一些實施例、圖示描述用于控制由可再生能源供電的脫鹽系統的另外的方法的流程圖。圖3根據本發明的一些實施例、圖示相對于風力渦輪發電機的功率曲線驗證的并網(grid-connected)雙饋感應發電機(DFIG)模型的圖形視圖。圖4根據本發明的一些實施例、圖示變速馬達驅動器和感應馬達的圖。圖示變速驅動器和馬達^^莫型的圖。圖示反滲透膜模塊的透視圖。圖示包含在高壓圓柱導管中的反滲透膜圖5根據本發明的一些實施例、圖6根據本發明的一些實施例、圖7根據本發明的一些實施例、模塊的截面圖。圖8根據本發明的一些實施例、圖9根據本發明的一些實施例、圖IO根據本發明的一些實施例升壓泵的2級R0脫鹽系統的圖。圖11根據本發明的一些實施例圖12根據本發明的一些實施例鹽系統的圖。圖13根據本發明的一些實施例統的圖。圖14根據本發明的一些實施例的圖形視圖。圖15根據本發明的一些實施例數的圖形視圖。圖16根據本發明的一些實施例的脫鹽工廠配置的^圖示工作交換器能量回收設備的圖。圖示流量(flow)網絡的圖。圖示利用管排間的升壓泵和饋給(feed)圖示1級RO脫鹽系統的圖。圖示利用管排間的升壓泵的2級RO脫圖示利用饋給升壓泵的2級RO脫鹽系圖示最大滲透流量作為可用功率的函數圖示各最佳操作參數作為可用功率的函圖示用于操作為隔離網(grid-isolated)圖形視圖。具體實施方式本發明的各實施例涉及控制和優化由可再生能源供電的脫鹽系統的方法。本說明書中對"一個(one)實施例"、"一(an)實施例，，、"一(an)示例實施例"的提及，表示描述的該實施例可能包括特定的特征、結構或特性，但每個實施例可以不必包括該特征、結構或特性。而且，這種說法不必指相同的實施例。此外，當描述與實施例有關的特征、結構或特性時，認為其在本領域的普通技術人員的知識范圍內，以影響與其它各實施例有關的這種特征、結構或特性，不管是否明確描述。如在此使用的貫穿本說明書和權利要求書的近似語言，可以應用來修飾任何定量表示，該定量表示能夠被允許地變化而不導致其涉及的基本功能的改變。因此，由如"大約"的術語修飾的值不限于指定的精確值。在一些實例中，近似語言可能對應于用于測量該值的儀器的精度。在各附圖中，相同的標號描述貫穿若干視圖的基本類似的組件。這些實施例被足夠詳細地描述以使得本領域的普通技術人員能夠實踐本發明。本發明的各實施例涉及用于混合脫鹽技術的脫鹽系統和控制方法，該混合脫鹽技術使用可再生能源作為對公認的使用礦物燃料發電廠或電網能量的脫鹽技術的替代品。可再生能源的示例是風或太陽能。由可再生能源混合脫鹽處理的主要挑戰是用于最小化水的成本的工廠設計、大功率包絡(envelope)上的可操作性、對給水變化的堅固性(robusness)、以及多個經常沖突的要求的管理。盡管能夠開發具有先進操作的可再生能源脫鹽系統，但必須在其能耗和最終水的成本方面來測量它的效率。本發明的各實施例有效地處理對脫鹽系統操作的可變功率輸入的約束，以達到能夠適應大范圍的風力渦輪機功率變化、同時仍保持經濟上的可行的處理(process)。本發明的各實施例開發了用于可再生能源脫鹽系統的主要組件的組件(物理)模型、以及它們到系統級構思的集成。該組件模型包括風力渦輪機系統、反滲透系統、能量回收設備以及能量存儲。該組件模型為一個或多個效應器(effector)提供信息，以修改脫鹽系統中的操作點。例如，效應器可以被定義為用于響應輸入、在目標中產生期望的改變的設備。使用的一些類型的效應器可以例如是閥門或可變頻率驅動器。例如，效應器也可以響應外部擾動，如給水溫度或濃度以及提供給脫鹽系統的功率的變化。此外，本發明的各實施例開發了集成的能量和水成本模型，其能夠被用來評估各種系統配置。另外，各種模型的應用和分析提供了用于在滿足具有最低水成本的水質要求時、處理功率波動的程序。本發明的各實施例還涉及當電網(grid)與能量存儲連接或電網與能量存儲隔離時，用于測定(size)和評估可再生能源脫鹽系統的方法。本發明的各實施例通常以使用風作為可再生能源以及反滲透作為脫鹽機制來說明，但是各實施例不限于此，并且能夠被應用于各種應用。參照圖1，示出了根據本發明的各實施例、描述用于控制由可再生能源供電的脫鹽系統的方法100的流程圖。物理模型102被評估104足以提供物理約束106,包括源的變化。物理模型102和它們的物理約束106與經濟模型110被評估，以提供初步配置和運行策略112。參照圖2,示出了根據本發明的各實施例、描述用于控制由可再生能源供電的脫鹽系統的方法200的流程圖。如風力渦輪機、泵、閥門、膜導管、能量回收設備、能量存儲設備的各組件的物理模型202被評估204足以提供物理約束206。物理;漠型202和它們的物理約束206與經濟^t型210^^皮評估208，以提供初步配置和運行策略212。物理模型風模型風速是高度、地理和臨時可變的，并且在多個時間和空間時標上變化。對于使用風力渦輪機的發電而言，該變化由于風中的可用能量隨風速的立方變化的事實而被放大。為了確保優良的經濟效益，風農場或其它依賴于用于發電的風資源的開發的工廠的位置/地點的仔細考慮是必須的。風由地球表面的溫度的差異驅動。風速的地理變化因此源自不同地理區域之間太陽輻射的差異。白天期間、接近赤道以及大陸塊上的被太陽加熱的表面更強。暖空氣上升并在它下沉回到較冷區域之前在大氣中循環。這導致各種風特性，如由地球的旋轉導致的每日峰值風速；由兩極和赤道間的氣流導致的地球各種位置上的特性風向；以及由地球表面的不均勻性導致的局部風效應(例如，接近海岸或山中的特性晝夜風速)。特定位置的表面粗糙度以及地形的特性也影響風速的變化。從時間的觀點來看，風速在若干時標上變化，如緩慢的長期變化(年到年)、年度時標，短期(擾動的)變化、天氣和晝夜變化和擾動。年度變化具有特別的重要性，因為它們被用于建模通過風力渦輪機的平均年度發電、以及評估用由風供電的水脫鹽工廠產生的水的平均成本(COW)。盡管年度平均風速的年到年變化難以預測，但是在一年期間的風速變化(年度和季節變化)能夠被很好地統計特征化。Weibull分布可以被用于給出一年中平均風速的分布的表示。例如，平均風速可以被定義為在短的時間段(如10分鐘)上的平均風速。Weibull概率函數<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>等式l能夠被用于確定特定位置(地點)的平均年度風速，0并且在一地點的平均風速的概率在某個風速范圍等式2<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>等式標度參數A和形狀參數k從風速測量中實驗地確定，并且是地點特定的。如果k精確地為2，則該分布已知為Rayleigh分布，并且對許多位置是典型的。相對于1.5MW風力渦輪發電機的功率曲線驗證了并網雙饋感應發電機(DFIG)模型。比較結果在圖3中顯示。變速驅動器和馬達模型變速驅動器是電系統中的主要組件，并且是脫鹽水泵的原動力。它們能夠被脫鹽系統操作要求、以及風力渦輪發電機功率和穩定性要求控制和約束。400。典型的AC馬達驅動器可以包括整流器402、DC鏈路電容器412和變頻逆變器(inverter)404,其調整感應馬達410的速度(頻率)和扭矩(電、、云/油)408。過濾器406可以;故置在整流器402和逆變器404之間因為功率電控制可能具有非常大的帶寬、并且考慮到脫鹽系統相對大的時間常數，所以可以簡化快速瞬態(transient)以僅捕獲機器的速度(頻率)和扭矩(電流)控制行為。根據本發明的一些實施例，變速驅動器502和馬達504的簡化模型500在圖5中圖示。當與速度基準506對比時，PI控制塊510被用來通過測量來自馬達504的速度反饋508來調整速度。快速動作電流調整器514可以被具有可變扭矩限制器516的增益512替換，限制器的值由風力渦輪發電機提供。這確保馬達總是運行在由風力渦輪發電機供應的可用功率內。然后可以從負載扭矩518減去扭矩調整器的輸出，并且結果被饋給到表示實際機器和掌(palm)及慣性(inertia)的積分器520。這個模型具有考慮來自風力渦輪發電機的可變功率(電流)和調整電流、并且反過來控制馬達504的扭矩和速度的能力。反滲透(RO)膜模塊參照圖6-7,根據本發明的一些實施例、反滲透膜模塊600被顯示并且可以包含在高壓圓柱導管700中。該模塊600可以包括各層，如滲透收集材料608、膜610、饋給通道隔片(feedchannelspacer)612、以及纏繞在穿孔的中心管616周圍的外部包套(wrap)614。饋給流進入該模塊并且作為滲透602和濃縮604退出。反伸縮(anti-telescoping)設備606位于一端。高壓圓柱導管700包括導管結構704和螺旋纏繞元件706。給水在702進入并且作為濃縮流量708和滲透流量710退出。在這個安排中，具有高鹽度含量的水被加壓以克服相對于膜表面610的滲透壓力。利用RO原理，低鹽度水滲透穿過膜610，并且在中心穿孔的管616中被收集。對于給定的給水狀態(壓力、濃度和溫度)，膜物理特性支配滲透流量和濃度。各RO元件被設計用于連續運行，接收給水的恒定流并且生成滲透和鹽水(或濃度)的恒定流。標準RO工廠使用恒定的運行壓力和流量，可以考慮長期調整以適應給水性質的改變和由于膜劣化的過濾處理的改變。為RO元件開發的模型預測滲透和濃縮流的濃縮壓力流量速率、以及給定饋給狀態(流量速率、濃度、壓力和溫度)和滲透壓力的它們對應的濃度。函數關系由等式4給出[Pc，Qp,Qc，CpCc]-RO一element(Qf，Cf,Pf,Pp，T)等式4其中Pc是濃縮壓力(Pa)，Qp是滲透流量速率(mVs)，Qc是濃縮流量速率(mVs),Cp是滲透壓力(Pa),Cc是濃縮濃度(kg/m3),Qf是饋給流量流速(mVs)，Cf是饋給濃度(kg/m3),Pf是饋給壓力(Pa),Pp是滲透壓力(Pa),以及T是饋給溫度(。C)。用來預測膜過濾行為的模型是所謂"溶解-擴散"模型。該模型考慮膜極化效應，該效應是由于被滲透流量釋放的鹽，在鹽水通道中的膜界面附近濃度增加。本發明的模型求解了以下溶解-擴散等式以計算膜行為。等式5<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>其中厶是通過膜的水容積通量(cm3/cm2/s),:是通過膜的鹽的質量通量(g/cm2/s),^是水滲透率(cm/s/atm),S是鹽滲透率(cm/s)，/t是質量傳輸系數(cm/s),c是濃度(g/1),;;是壓力(atm),;是|(。+0/2|，|珠)|是對應于濃度c的滲透壓力(atm),以及戸g是c"、鹽通道(passage)。下標/代表饋給，下標p是滲透，下標m是膜界面，以及下標c是濃縮。該溶解擴散模型嚴重依賴于膜參數t^和B。質量傳輸系數&依賴于水性質和螺旋纏繞設計的幾何維數。滲透率能夠通過溫度和壓力校正。根據本發明各實施例的模型并入通過溫度效應的滲透率的校正。用于鹽水通道中的壓降的模型D尸可以由等式6描述"尸=a:等式(6)其中尺是常數。螺旋纏繞元件必須滿足一組操作約束，以實現關于產品質量、能量效率、維護成本和膜壽命的希望的性能。表1概述了用于海水應用的該組RO元件約束。參數限制含義<1.2極化Pf<1200psi饋給壓力Qc〉15gpm濃縮流量<20.6gfd通過膜的滲透通量Dp<10psi鹽水通道中的壓降表1表2概述了與含鹽水相關聯的該組RO元件約束。參數限制含義<1.2極化Pf<600psi饋給壓力Qc>15gpm濃縮流量人<28.3gfd通過月莫的〉參透通量Dp<10psi鹽水通道中的壓降表2以下簡化假設可以用于RO模型1)利用具有沿著一個螺旋纏繞元件的平均水狀態的溶解-擴散方程，該元件的輸入/輸出行為能夠在它的整個運行范圍中被預測。2)由于膜壓力的改變，RO元件中的流量瞬時擴展。3)濃度c對模型輸入的改變的時間響應能夠建模為等式7，其中c是由溶解-擴散方程給出的濃度的穩定態值，s是用于拉普拉斯變換的頻率變量，以及r是以秒為單位的時間常數。4)假設滲透率^和5與膜壓力無關。5)膜劣化效應不考慮。因為基于典型地從膜制造商可獲得的幾何數據和標稱滲透率值計算轉送參數，所以RO元件模型能夠被用于表示不同膜元件的行為。RO導管和組脫鹽工廠包括一個或多個水過濾單元，該單元例如可以是反滲透導管。在典型的運行條件下，單個RO元件產生滲透流量，該滲透流量是饋給流量的小部分(例如，如7%)。該比率描述元件的回收。為了實現更高的回收并減少預處理成本和導管資產成本的影響，通常的實踐是使用在相同導管中的串聯連接的若干RO元件的安排。用于具有多個RO元件的導管的物理模型通過若干RO元件的模型的級聯(concatenation)得到，將給定元件的濃縮通道連接到后面一個的饋給通道。n元件導管的模型通過等式4中的元件模型的重復使用獲得如下[Pck,Qpk,Qck,Cpk,Cck]=Ro—element[Qfk,Cfk,Pfk，Ppk,T]有Qfk=Qck-l，Cfk=Cck-l,Pfk=Pck-l等式8其中輸入是Q&、Cf,、Pf\、Pp,和T。輸出是PCn、Qpn、Qcn、Cpn和CCn。導管能夠處理的最大流量速率由相關聯的膜元件的最大直徑限制。為了獲得更高的流量，可以并連若干導管以實現期望的流量速率。除了表1和2之外，RO系統遵守以下約束。參數限制約束的基本原理_RO組中的第一個元件處饋給壓力改變的速率橫跨RO導管的壓降<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>能量回收反滲透脫鹽處理特征在于橫跨導管鹽水通道的相對小的壓降。濃縮流量保存給水流量中可獲得的大部分能量。為了減小在給水加壓中消耗的能量(從而改進RO脫鹽的能量效率)，已經設計了眾多設備以回收濃縮流中的能量，并且將其傳輸回給水流中。這些設備被稱為能量回收設備(ERD)。最有效的ERD使用正排量(displacement)技術并且能夠實現92-96%范圍中的效率。參照圖8，根據本發明的一些實施例、示出了工作交換器能量回收設備800。工作交換器800通過一組圓柱形導管、和通過壓力差沿導管移動的低摩擦活塞802和804,將能量從濃縮流量810和812傳輸到給水流量806和808。典型地，當一個導管在加壓給水806的工作沖程812中時，另一個804則在沖洗(flush)沖程中，排出處于低壓的濃縮物812。利用一組閥門和控制系統，工作交換器800實現接近連續的運行以在每個沖程的末端反轉活塞運動。ERD模型計算作為輸入濃度Cfin、CCin和壓力PCin、Pfin和Pc。ut的函數的給水輸入和輸出流量Qfin和Qf。ut、以及給水輸出濃度Cf。ut和壓力Pf。ut。該模型的函數關系由等式9給出[Qfin，Qf叫t,Cf。ut，Pf。ut]=WEER[Ccin,Cfin,Pcin,Pfin,Pc。ut]等式9ERD模型考慮了如產品說明書所給出的各岡門中的泄漏流量、導管中濃縮物和給水之間的混合、以及整體壓力/流量特性。通常假設當使用該模型時，ERD中的流量隨著輸入和輸出壓力的改變瞬時地擴展。水泵對于任何給定的旋轉速度和流量，用于水泵的模型必須表示在設計和非設計條件下，通過高壓獲得的壓力頭(head)、增壓器和級間泵。泵模型具有函數表達式[H,ri，P，T]=PMP—HP(Q,N)等式10其中H是橫跨泵的壓力頭(psi),ri是泵效率，P是消耗的功率(W)，以及T是扭矩(lb/ft)。泵模型使用泵特性的參數實現，該模型容易地適用于不同的商業產品，并且對處于非設計條件的速度和流量使用標準校正。能量存儲電池模型描述對電網連接和電隔網離的風力渦輪配置的運行策略中的能量存儲的影響。電池模型具有一個狀態電池電荷Xe,并且由等式li給出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>其中Bp是從電池提取的功率(W),Bpmax是電池的最大充電和放電速率(W)，Xbn^是最小電荷(焦耳)而Xb^x是最大值(焦耳)。該電池模型不考慮能夠影響電池性能的溫度、容量和效率劣化的影響。閥門根據等式12,閥門模型計算作為閥門開口(opening)y、進口和出口壓力^和尸2的函數的流量^<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>等式12其中C;是閥門流量系數，戶是密度(kg/m3)，以及Q是容積流量(mVs)。流量接頭(junction)流量接頭模型被用于預測兩個或多個水流的濃度和流量，該兩個或多個水流通過水和鹽的質量平衡會聚為單個流。函數形式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>等式13其中C1...Cn是輸入流1到n的濃度(kg/m3)，Ql...Qn是輸入流1到n的流量(m3/s),Cout是輸出流的濃度(kg/m3)，以及Qout是輸出流的流量(m3/s)。假設所有的會聚流處于相同的壓力和溫度。流量網絡流量網絡模型用于計算在標稱的以及非設計的條件下，貫穿RO工廠的壓力、流量和濃度。RO工廠由一組RO組、泵、閥門以及通過各管互連的流量接頭組成。系統的運行點由環境變量(系統接口處的壓力、溫度和濃度)、以及通過可用的控制旋鈕的設置點來支配。參照圖9，根據本發明的一些實施例、示出流量網絡900的圖。外部壓力是饋給壓力902、滲透壓力904和鹽水排放壓力906。控制變量是泵速度908、閥門開口910和活動導管的數目912。還指出了好的滲透線916和壞的滲透線914。網絡模型利用修正的Newton-Raphson方法，求解一組代數方程(壓力/流量特性和每個組件的能量和質量平衡)。假設水溫貫穿RO系統保持恒定并且摩擦損失足夠小，以忽略水的溫度改變。RO網絡運行的限制由電動馬達的最大和最小速度、ERD918中的最大和最小流量、水質要求、膜限制和導管的最大數目給出。表4進一步顯示了圖9中的變量。<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>表4水的成本(COW)計算穩定態成本模型用于風動力脫鹽系統的成本模型由兩個主要部分組成，與購買裝置和安裝要求的設備相關聯的資產成本，以及生產新鮮水滲透招致的運行成本。每個特定成本模型基于組合的風-RO系統配置的模型分析。風功率用于驅動具有36%容量因子的1.5兆瓦(MW)電渦輪，這意味著對于標準風概況(profile)在一年過程中平均生成540kW的功率。這種模型包括與購買裝置和安裝設備相關if關的資本成本、以及生成新鮮水滲透招致的運行成本。資本成本包括購買裝置成本、直接資本成本和間接資本成本。運行成本模型包括與利率、稅、保險、折舊、勞動力以及維護相關的全部固定成本。此外，運行成本包括可變運行成本，如原料、公共事業(utility)和廢物處理成本。經濟模型中的任何可變性來自可變成本而非固定成本。水的成本和風統計表現由于隨機的自然條件和風資源可變性(因而由風力渦輪機生成的功率的于隔離網工廠，滲透量(通過脫鹽獲得的新鮮水)將隨風速以及隨供應到脫鹽系統的功率而變化。特別地，在更高的風速，當更多功率可用時，更高流速能夠被處理并且更多滲透能夠獲得，并且反之亦然。由RO脫鹽工廠生產的水的成本被預期隨時間變化，并且計算在一年的運行中的平均/分級的(levelized)成本，對于實際地評估風動力RO脫鹽的經濟效益是必須的。產生最低成本的水的RO脫鹽工廠配置由兩個步驟確定首先，計算最佳的RO脫鹽工廠的運行參數，使得對于給定功率級別獲得最大滲透流量。第二，根據之前提到的成本模型和統計的風速數據考慮上面計算的物理參數,以確定RO工廠的大小，使得水的年平均成本被最小化。在第一個步驟中，可用于控制工廠運行的輸入參數是工廠中泵的速度W(rpm)、在RO組中使用的RO導管數S、以及滲透循環流的閥門開口V。當確定在每個功率設置的上面的各參數的最佳設置點時，對工廠的運行施加影響的所有經濟和物理約束應該被滿足。將》滲透流量速率服從功率=可用功率運行約束等式14考慮范圍在70到1500kW之間的可用功率可以解決最優化問題，并且得到作為運行RO工廠可用的功率的函數的最佳(從最大滲透流量速率的觀點)輸入參數的表。<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>表5在表5中，下標j指裝置或流號碼。例如，如果存在若干安裝在工廠中的泵，則每個將具有它的最佳設置處于可用功率P!的泵2將具有最佳rpm在步驟二中，采用了風資源的統計描述，以便獲得其中安裝了&個110導管的工廠的水的平均/分級的特定成本ISC(9^二Z;SCCW(&,i0尸。wr,^A).wJ等式15在等式15中，ISCCW(&,i(9尸oH^,F^e)l表示當運行在功率消耗i(9戶oww、同時風力渦輪機生產對應于平均風速5的功率量、并且電網能量價格由$J合出時，具有&個導管的RO脫鹽工廠的水的特定成本($/m3)。函數ISCO『(&,i^PoM^,F;A)l是之前提出的水的特定成本計算算法的函數表達式。用代表性的Weibull概率I=/(F;)'D^(R)=1I,考慮了/7種風速^。因此，作為平均風速^的加權平均和概率,，獲得了平均成本。為了確定SCOW,對于給定的(Weibull分布的)平均風速巧，從渦輪機功率曲線計算由風力渦輪機生成的功率巧.。Weibull概率密度函數描述在標準高度的平均風速的分布，并且風速因此被衡量以便獲得在渦輪機轉軸處的對應的平均速度有a=0.143是垂直切變指數。只有考慮沒有能量存儲的隔離網情況，由RO工廠消耗的功率7(9尸ow^與由風力渦輪機生成的功率巧才相等。對于并網配置，工廠的能量消耗可能有時超過生成的功率量或被其超過。當在功率生產和消耗之間存在失配時，該差別能夠通過從電網購買能量或銷售能量給電網來滿足。同樣，能量能夠從電池系統提取或花費能量給電池系統充電(如果這樣的系統存在)。取決于能量購買和銷售價格Se，能量的購買和銷售對水的特定成本有影響，并且在SCO『函數中考慮。在能量不能銷售給電網的情況下，沒有成本與由渦輪機生成的多余的能量的處理相關聯。導管數&增加而增加。在成本計算中，假設工廠的運行相對于使用的RO導管數是靈活的。即，當&個導管物理地存在于工廠中時，對于可用的功率可以使用任何數目1<5^。/<&的導管以便實現最大的滲透流速。當沒有電網連接可用時，當風力渦輪機不生成功率時工廠將空閑，滲透流速被減小為零。當用于功率生成的風速太低時，時間間隔也在計算平均水的特定成本中被考慮。在這種情況下，SCO『減小為工廠的特定的固定成本。參照圖10-13,根據本發明的一些實施例、示出了一些可能的RO脫鹽系統配置。圖10根據本發明的一些實施例、圖示利用組間增壓泵1048和饋給增壓泵1032的2級RO脫鹽系統1000的圖。海水饋給1002可以通過過濾泵1004、通過過濾饋給1010被饋給進入過濾器1008。過濾固體1006被移除。酸槽(acidtank)1012通過酸泵1014和酸饋給線1016提供酸。低壓饋給線1020進入RO饋給泵1018和RO饋給泵1022的2級泵系統，該低壓饋給線1020然后退出作為高壓主RO饋給線1024。低壓饋給旁路1030線引導到能量回收設備等式161052并且退出到饋給增壓泵1032,作為高壓RO組成饋給線1028。高壓組合的RO饋給線1026進入RO導管1034并且退出作為滲透線1036和濃縮線1044，該濃縮線1044進入組間增壓泵1048并且退出作為RO饋給線1054。線1054進入RO導管并且退出作為滲透線1040,該滲透線1040與滲透線1036接合以排出產品水1038。來自導管1042的濃縮線1050進入能量回收設備1052,并且退出作為低壓鹽水線1056。圖11根據本發明的一些實施例、圖示1級RO脫鹽系統1100的圖。海水饋給1102可以通過過濾泵1104、通過過濾饋給1110被饋給進入過濾器1108。過濾固體1106被移除。酸槽1112通過酸泵1114和酸饋給線1116提供酸。低壓饋給線1120進入RO饋給泵1118的1級泵系統，該低壓饋給線1120然后退出作為高壓主RO饋給線1124。低壓饋給旁路1130線引導到能量回收設備1152并且退出到饋給增壓泵1132,作為高壓RO組成饋給線1128。高壓RO^t給線1126進入RO導管1134,并且退出作為滲透線1136和濃縮線1144,該濃縮線1144進入能量回收設備1152,并且退出作為低壓鹽水線1156。圖12根據本發明的一些實施例、圖示利用組間增壓泵的2級RO脫鹽系統1200的圖。海水饋給1202可以通過過濾泵1204、通過過濾饋給1210被饋給進入過濾器1208。過濾固體1206被移除。酸槽1212通過酸泵1214和酸饋給線1216提供酸。低壓饋給線1220進入RO饋給泵1218和RO饋給泵1222的2級泵系統，該低壓饋給線1220然后退出作為高壓主RO饋給線1224。低壓饋給旁路1230線引導到能量回收設備1252并且退出作為高壓RO,組成饋給線1228。高壓組合的RO饋給線1226進入RO導管1234，并且退出作為滲透線1236和饋給線1244,該饋給線1244進入組間增壓泵1248并且退出作為RO饋給線1254。線1254進入RO導管1242并且作為滲透線1240退出，該滲透線1240與滲透線1236接合以排出產品水1238。濃縮線1250從導管1242進入能量回收設備1252，并且退出作為低壓鹽水線1256。圖13根據本發明的一些實施例、圖示利用饋給增壓泵1332的2級RO脫鹽系統1300的圖。海水饋給1302可以通過過濾泵1304、通過過濾饋給1310被饋給進入過濾器1308。過濾固體1306被移除。酸槽1312通過酸泵1314和酸饋給線1316提供酸。低壓饋給線1320進入RO饋給泵1318和RO饋給泵1322的2級泵系統，該低壓饋給線1320然后退出作為高壓主RO饋給線1324。低壓饋給旁路1330線引導到能量回收設備1352,并且退出到增壓泵1332作為高壓RO,組成饋給線1328。高壓組合的RO饋給線1326進入RO導管1334,并且退出作為滲透線1336和饋給線1354。線1354進入RO導管1342并且退出作為滲透線1340，該滲透線1340與滲透線1336接合以排出產品水1338。濃縮線1350從導管1342進入能量回收設備1352,并且退出作為低壓鹽水線1356。風脫鹽設計最優化典型地，RO脫鹽技術已經被開發用于在基本恒定的條件下運行，除了微調工廠設置點以解決膜劣化中的長期變化、以及水溫度和鹽度的改變。在電網功率不可用或昂貴的情況下，混合RO系統需要在可用功率的大的變化圍的大部分中生產水的能力。可能的工廠配置旨在提供極大程度的靈活性，以在由可用功率和給水狀態指示的寬范圍的條件下運行風脫鹽系統。結合最優化技術使用物理和經濟模型，可以限定脫鹽工廣大小以及運行空間中的位置，以最小化得到的水的成本。隔離網設計選擇為了限定隔離網配置的水的成本，RO子系統的大小、運行策略以及能量存儲大小可以利用以下步驟限定1.對于來自L5MW風力渦輪機的可能功率級別的所有范圍，可以求解最優化問題以獲得服從所有運行約束的最大水產量。結果，可以獲得RO導管的上限數目、以及對于相關聯的運行策略的最佳設置點。2.通過對每個RO工廠大小計算水的成本并且選擇具有最低相關聯成本的一個，可以獲得導管的最佳數目。3.基于風統計信息，確定能量存儲的大小。隔離網結果限定工廠運行在于在所有可能功率級別，計算將導致最小的水的成本的可用控制旋鈕的設置點。關于RO配置，這包括在70kW到1500kW的消耗功率范圍內，計算RO組中的RO導管的最佳數目S、高壓(HP)泵的最佳速度N1、以及增壓泵(BS)的最佳速度N2、用于滲透回收的最佳閥門開口VI。為了實現最小COW,水產量的最大化能夠被用做最優化標準。因此，RO運行設置點通過最大化服從之前定義的運行約束的滲透流速來定義，并且由泵消耗的功率是固定的。參照圖14,根據本發明的一些實施例、示出作為可用功率的函數的最大滲透流量的圖形視圖。參照圖15,根據本發明的一些實施例、示出作為可用功率的函數的最佳運行參數的圖形視圖。虛線表示可用參數變化范圍。表6顯示用于示例配置的最佳運行參數。<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>表6作為確定最佳RO工廠大小的第二步驟，使用之前描述的OCW模型能夠為所有工廠大小計算水的預期的成本。作為示例，可以選擇具有7m/s的年平均風速的地點。表現處于標準高度的平均風速的Weibull概率密度的各參數，在該情況中為A10m=7.9和k=2。在中心高度hhub=70m,年平均風速是9.24m/s，并且Weibull概率密度函數的各參數是Ahub=10.43和k=2。當為每個風速計算可用功率后，每個風速的最佳運行點被確定。如之前所介紹的，考慮安裝有不同數目的RO導管，能夠計算平均年度的特定的水成本。參照圖16，根據本發明的一些實施例、示出運行為隔離網脫鹽工廠配置的作為安裝的RO導管數目的函數的年平均水成本。并網設計選擇假定并網拓樸結構的更大靈活性，存在用于最佳設計和最佳運行計算的許多機會。對于并網情況，集中在分析風動力RO技術的可行性、并且理解什么條件將是優選的而不是只有電網能量的RO工廠動力。已經選擇了筒單的運行策略以計算用于該拓樸結構的詳細水成本。此外，最佳運行策略被建議用于處理風功率、電網功率和能量存儲子系統之間的能量管理。工廠運行根據本發明的一些實施例的風力RO工廠的恒定運行是許多可能的運行策略之一。對于相同的資本花費，當電網功率昂貴時工廠經營者可能寧可生產較少水(減少運行成本)，而當風力可用時增加水產量。因而，RO工廠的最佳大小緊密地依賴于所選擇的策略。對于并網運行，工廠設置點不但包括隔離網拓樸結構設置點(水泵速度、活動導管數目、再流通流量)，而且還包括對應于動力管理的設置點由RO工廠使用的功率、從電網買或出售給電網的功率、以及從電池(如果可用)提取或存儲在電池中的功率。風力RO工廠的運行可能考慮對于風速的預測以及能量價格，以做出消息靈通的決定以管理能量存儲。實現這個的一種可能性是使用滾動時域(receding-horizon)技術，其連續校正運行設置點以最大化性能標準。在并網風力RO工廣的環境中，該策略能夠通過求解以下種類的最優化問題來定義最小化f;co^服從RO運行約束能量存儲約束S<Smax(RO工廠大小)^，>^，要求C,，<C'，max其中在跨度N步的時間段期間，對于風力RO工廠設置點執行最優化，Smax是RO工廣中導管的最大數目，^和^分別是以下N步期間的平均滲透流量和滲透濃度，并且限制^min和^max取決于局部水調節(regulation)。如由本發明的各實施例描述的該模型也可以適于計算最優策略，以解決各導管和能量回收設備的切換行為。這可以要求解決導管和ERD運行中的約束的最佳策略，并且還可以提供用于確定能量回收組和膜的最佳大小的方法。這里描述的各實施例是具有對應于在權利要求書中列舉的本發明的各元件的方法和系統的示例。該書面描述可以使得本領域的普通技術人員之一能夠制造和使用具有替換元件的各實施例，該替換元件同樣地對應于在權利要求中列舉的本發明的各元件。因而該范圍包括與權利要求的字面語言沒有不同的方法和系統，并且還包括與權利要求的字面語言有非實質性不同的方法和系統。盡管只在此已經圖示和描述了某些特征和實施例，但是對于相關領域的普通技術人員可以出現許多修改和改變。權利要求旨在覆蓋所有這樣的小務改和改變。本發明的優先權該非臨時申請要求在35U.S.CSll9(e)下的、于2005年8月3日提交的美國臨時專利申請序列號60/706229的優先權，在此通過引用并入其全部內容。政府基金本主題部分地由美國能源部、國家可再生能源實驗室支持，在代理合同號YAM-4-3320-09下。美國政府可以擁有本發明的某些權利。權利要求1.一種用于控制脫鹽系統的方法，包括評估物理模型，該物理模型足以識別包括源的各變化的各物理約束；以及評估經濟模型；其中所述評估物理和經濟模型提供用于減少水的成本、和用于提供運行策略的脫鹽系統的初步設計配置。2.根據權利要求1所述的方法，其中所述脫鹽系統是反滲透脫鹽系統，其包括至少一個用于修改脫鹽系統的運行點的效應器。3.根據權利要求2所述的方法，其中所述至少一個效應器包括多個閥門，其被配置和放置以在運行期間使得一個或多個導管有效或無效。4.根據權利要求2所述的方法，其中所述至少一個效應器包括多個閥門，其被配置和放置以在運行期間調整水流量、壓力和回收率的一個或多個。5.根據權利要求2所述的方法，其中所述至少一個效應器包括至少一個用于修改水流量和壓力頭的可變頻驅動器。6.根據權利要求2所述的方法，其中所述評估物理模型包括響應于效應器的動作及響應外部擾動，評估貫穿該脫鹽系統的壓力、流量和濃度的分布。7.根據權利要求6所述的方法，其中所述外部擾動包括給水溫度或濃度的變化。8.根據權利要求1所述的方法，其中所述評估經濟模型包括根據每個系統組件的詳列成本、可再生能源的統計描述、以及水產量，預測水的成本。9.根據權利要求1所述的方法，其中所述脫鹽系統至少部分地由可再生能源供電。10.根據權利要求9所述的方法，其中所述可再生能源是風。11.根據權利要求1所述的方法，其中所述物理模型包括風力渦輪機、泵、閥門、膜導管、能量回收設備、能量存儲設備或它們的組合的模型的至少一個。12.—種用于控制反滲透脫鹽系統的方法，包括評估風力渦輪機、泵、閥門、膜導管、能量回收設備、以及能量存儲設備的物理模型，該物理模型足以識別各物理約束；以及評估經濟模型；其中所述評估物理和經濟模型提供用于減少水的成本、和用于提供運行策略的脫鹽系統的初步設計配置。13.根據權利要求12所述的方法，其中所述評估物理模型包括響應于外部擾動，評估貫穿該脫鹽系統的壓力、流量和濃度的分布。14.根據權利要求13所述的方法，其中所述外部擾動包括給水溫度或濃度的變化。15.根據權利要求13所述的方法，其中所述外部擾動包括提供給脫鹽系統的動力的變化。16.根據權利要求12所述的方法，其中所述評估經濟模型包括根據每個系統組件的詳列成本、可再生能源的統計描述、以及水產量，預測水的成本。17.—種脫鹽系統，包括能源；以及一個或多個水過濾單元；其中所述能源和所述水過濾單元的配置、大小、和/或布置，至少部分地通過降低水的成本的物理和經濟模型的評估來確定。18.根據權利要求17所述的脫鹽系統，其中所述脫鹽系統是反滲透脫鹽系統，其包括至少一個用于修改脫鹽系統的運行點的效應器。19.根據權利要求18所述的脫鹽系統，其中所述至少一個效應器包括多個閥門，其被配置和放置以在運行期間使得一個或多個導管有效或無效。20.根據權利要求18所述的脫鹽系統，其中所述至少一個效應器包括多個閥門，其被配置和放置以在運行期間調整水流量、壓力和回收率的一個或多個。21.根據權利要求18所述的脫鹽系統，其中所述至少一個效應器包括至少一個用于修改水流量和壓力頭的可變頻驅動器。22.根據權利要求18所述的脫鹽系統，其中所述物理模型響應各效應器的動作和響應外部擾動，建模貫穿該脫鹽系統的壓力、流量和濃度的分布。23.根據權利要求22所述的脫鹽系統，其中所述外部擾動包括給水溫度或濃度的變化。24.根據權利要求22所述的脫鹽系統，其中所述外部擾動包括供應給脫鹽系統的動力的變化。25.根據權利要求18所述的脫鹽系統，其中所述經濟模型根據每個系統組件的詳列成本、可再生能源的統計描述、以及水產量，預測水的成本。26.根據權利要求17所述的脫鹽系統，其中所述能源是可再生能源。27.根據權利要求26所述的脫鹽系統，其中所述可再生能源是可變能源。28.根據權利要求27所述的脫鹽系統，其中所述可變能源包括風能。29.根據權利要求17所述的脫鹽系統，其中所述一個或多個水過濾單元包括一個或多個反滲透導管。30.根據權利要求17所述的脫鹽系統，還包括能源存儲設備。31.根據權利要求17所述的脫鹽系統，還包括能源回收設備。全文摘要本發明的各實施例涉及用于控制一種脫鹽系統的方法，包括評估物理模型，該物理模型足以識別各物理約束；評估經濟模型，并且其中評估物理和經濟模型提供用于減少水的成本、和用于提供運行策略的脫鹽系統的初步設計配置。文檔編號C02F103/08GK101238072SQ200680028513公開日2008年8月6日申請日期2006年6月2日優先權日2005年8月3日發明者費爾南多·J·達馬托,邁克爾·鮑爾迪亞,邁因施·A·沙申請人:通用電氣公司