JP2012041849A - Concentration difference power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、濃度の異なる二つの溶液を用いて発電を行う濃度差発電システムに係り、特に、クローズドサイクルの濃度差発電システムに関する。 The present invention relates to a concentration difference power generation system that generates power using two solutions having different concentrations, and more particularly to a concentration difference power generation system in a closed cycle.
近年、たとえば海水及び河川水のように濃度の異なる二つの溶液を用い、半透膜で分離された両液間の浸透圧を利用して発電を行う濃度差発電装置が提案されている。
浸透圧は、溶媒または低濃度の溶液から高濃度の溶液に向かって作用する圧力である。すなわち、半透膜を通過しない溶質の溶液は、異なる濃度で半透膜によって隔てられている場合、半透膜を介して、相対的に低濃度の溶液から相対的に高濃度の溶液へ向う溶媒の流れを生じるので、半透膜を介して起る溶媒の流れを浸透と呼び、その圧力を浸透圧という。なお、上述した半透膜は、溶媒だけを透す膜である。
In recent years, a concentration difference power generation apparatus has been proposed that uses two solutions having different concentrations, such as seawater and river water, and generates power using the osmotic pressure between the two liquids separated by a semipermeable membrane.
The osmotic pressure is a pressure acting from a solvent or a low concentration solution toward a high concentration solution. That is, a solution of a solute that does not pass through the semipermeable membrane is directed from a relatively low concentration solution to a relatively high concentration solution through the semipermeable membrane when separated by the semipermeable membrane at different concentrations. Since a solvent flow occurs, the solvent flow that occurs through the semipermeable membrane is called osmosis, and the pressure is called osmotic pressure. In addition, the semipermeable membrane mentioned above is a membrane which permeate | transmits only a solvent.
このような濃度差発電装置としては、オープンサイクル及びクローズドサイクルの2種類が知られている。
一方のオープンサイクルでは、半透膜で分離された浸透装置に二つの溶液を供給することにより、半透膜を通過する溶媒の浸透及び浸透圧を利用して発電する。そして、浸透装置を通過した後の溶液及び発電後の溶媒は、いずれも排水として処理される。すなわち、海水及び河川水を使用するオープンサイクルの場合、たとえば海や河川等から導入した海水及び淡水は、濃度差発電に使用した後、排水として海や河川に戻される。
As such a concentration difference power generation device, two types of an open cycle and a closed cycle are known.
On the other hand, in the open cycle, two solutions are supplied to the permeation apparatus separated by the semipermeable membrane, thereby generating power using the permeation and osmotic pressure of the solvent passing through the semipermeable membrane. The solution after passing through the permeation device and the solvent after power generation are both treated as waste water. That is, in the case of an open cycle using seawater and river water, for example, seawater and fresh water introduced from the sea or river are returned to the sea or river as drainage after being used for concentration difference power generation.
しかし、クローズドサイクルでは、たとえば海水の淡水化に使用されている多重効用法(MED)のような濃縮サイクルを組み合わせることにより、浸透装置を通過した溶液を濃縮して溶媒及び濃溶液を生成する。こうして生成された溶媒及び濃縮液は、再び浸透装置に戻されて濃度差発電に使用されるため、閉ループの同一系内を循環して濃度差発電が継続されるシステムとなる。 However, in the closed cycle, for example, by combining a concentration cycle such as a multiple effect method (MED) used for seawater desalination, the solution that has passed through the permeation device is concentrated to produce a solvent and a concentrated solution. Since the solvent and the concentrated liquid thus generated are returned to the permeation device and used for the concentration difference power generation, the concentration difference power generation is continued by circulating in the same closed loop system.
上述した濃度差発電装置に関連する技術としては、非孔質材料の薄膜一層(拡散層)と多孔質材料の一以上の層(多孔質層)からなる半透膜(特許文献1参照)、半透膜を用いて浸透圧を電力に変換する浸透圧熱エンジン(特許文献2参照)、及びクローズドサイクルの濃度差発電に関する浸透エネルギーを用いた原動機の駆動方法(特許文献3参照)などが知られている。 As a technology related to the above-described concentration difference power generation device, a semipermeable membrane (see Patent Document 1) composed of a thin film layer (diffusion layer) of a non-porous material and one or more layers (porous layer) of a porous material, Known is an osmotic heat engine that converts osmotic pressure into electric power using a semipermeable membrane (see Patent Document 2), and a driving method of a prime mover using osmotic energy related to concentration difference power generation in a closed cycle (see Patent Document 3). It has been.
ところで、従来の濃度差発電装置は、一般的な作動流体として河川水及び海水が使用される。
しかし、海水の濃度は3.5wt%程度であり、従って、河川水/海水間で高い浸透圧を得ることは困難である。また、作動流体に海水を使用する場合には、濃度差発電装置に適した設置場所が河川に隣接する海岸に限定されるという問題もある。さらに、河川水や海水には汚れがあるので、浸透装置に使用する半透膜の清浄度を維持管理することも困難である。
By the way, the conventional concentration difference power generation apparatus uses river water and seawater as a general working fluid.
However, the concentration of seawater is about 3.5 wt%, and therefore it is difficult to obtain high osmotic pressure between river water / seawater. In addition, when seawater is used as the working fluid, there is a problem that the installation location suitable for the concentration difference power generation device is limited to the coast adjacent to the river. Furthermore, since river water and seawater are contaminated, it is difficult to maintain and manage the cleanliness of the semipermeable membrane used in the permeation device.
上述した問題の解決策として、クローズドサイクルの濃度差発電システムを採用することが考えられる。しかし、クローズドサイクルの濃度差発電システムは、作動流体に海水を使用する場合、再循環に必要となる水の蒸発熱量が大きいという問題を有している。すなわち、多重効用法(MED)のような濃縮サイクルにおいては、海水(溶液)から塩化ナトリウム等の塩分(溶質)を析出させて淡水(溶媒)を生成するための加熱源として、大きな熱量の熱源が必要となる。このため、クローズドサイクルの濃度差発電システムにおいては、発電効率を向上させるため、より少ない熱量の熱源で溶媒を生成することが望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、溶媒の生成に必要な熱源の熱量を低減して発電効率の向上を達成できるクローズドサイクルの濃度差発電システムを提供することにある。
As a solution to the above-described problem, it is conceivable to employ a closed-cycle concentration difference power generation system. However, the closed cycle concentration difference power generation system has a problem that when seawater is used as a working fluid, the amount of heat of evaporation of water required for recirculation is large. That is, in a concentration cycle such as the multi-effect method (MED), a heat source with a large amount of heat is used as a heating source for precipitating salt (solute) such as sodium chloride from seawater (solution) to produce fresh water (solvent). Is required. For this reason, in a closed cycle concentration difference power generation system, in order to improve power generation efficiency, it is desired to generate a solvent with a heat source having a smaller amount of heat.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object of the present invention is to provide a closed-cycle concentration difference power generation that can achieve an improvement in power generation efficiency by reducing the amount of heat of a heat source necessary for the generation of a solvent. To provide a system.
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る濃度差発電システムは、濃度の異なる二つの溶液を用い、浸透装置内の半透膜を浸透して流れる溶媒の浸透圧を機械的エネルギーに変換して発電するとともに、前記浸透装置を通過した高濃度側の溶液を濃縮部に導いて得られる溶媒及び濃縮液を循環させて再利用するクローズドサイクルの濃度差発電システムにおいて、前記溶液が、水または水より蒸発に要する熱量の小さい溶媒と、該溶媒に溶解する溶質との組合せにより構成される液体状の混合物であることを特徴とするものである。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
The concentration difference power generation system according to the present invention uses two solutions having different concentrations, converts the osmotic pressure of a solvent flowing through the semipermeable membrane in the permeation device into mechanical energy, and generates power, and the permeation device. In a closed cycle concentration difference power generation system that circulates and reuses the solvent and concentrate obtained by guiding the high-concentration solution that has passed through the concentration section, the solution requires less heat to evaporate than water or water It is a liquid mixture composed of a combination of a solvent and a solute dissolved in the solvent.
このような濃度差発電システムによれば、濃度の異なる二つの溶液は、水または水より蒸発に要する熱量の小さい溶媒と、該溶媒に溶解する溶質との組合せにより構成される液体状の混合物であるから、溶液の再循環時に溶媒を蒸発させるために必要となる熱源の熱量を低減した運転が可能になる。なお、本発明において、濃度の異なる二つの溶液は、低濃度側の溶液が溶質を全く含まない純粋な溶媒も包含する。 According to such a concentration difference power generation system, the two solutions having different concentrations are a liquid mixture composed of a combination of water or a solvent having a smaller amount of heat required for evaporation than water and a solute dissolved in the solvent. Therefore, it is possible to operate with a reduced amount of heat from the heat source required to evaporate the solvent during solution recycling. In the present invention, the two solutions having different concentrations include a pure solvent in which the solution on the low concentration side does not contain any solute.
また、この場合に好適な溶媒としては、エチレンオキサイド、エタノール、ヘプタン、ハイドロフルオロエーテル(HFE)等のように、水より低沸点で蒸発潜熱の小さい物質がある。しかし、たとえばイソブチルアルコールやフェノールのように、沸点または蒸発潜熱のいずれか一方のみが水より低い物質でも、蒸発に要する熱量が水より小さいものもあり、このような溶媒及びこの溶媒に溶解する溶質との組合せも可能である。
そして、上記の発明に好適な溶媒及び溶質の組合せとしては、前記溶媒を水とし、前記溶質を炭酸アンモニウム(NH4CO3)としたものや、前記溶媒を水とし、前記溶質をアンモニア(NH3)としたものがある。
In this case, suitable solvents include substances having a boiling point lower than that of water and a small latent heat of vaporization, such as ethylene oxide, ethanol, heptane, hydrofluoroether (HFE). However, there are some substances, such as isobutyl alcohol and phenol, whose boiling point or latent heat of vaporization is lower than water, but the amount of heat required for evaporation is smaller than that of water. Such solvents and solutes dissolved in these solvents Can be combined with.
As a combination of a solvent and a solute suitable for the above invention, the solvent is water, the solute is ammonium carbonate (NH 4 CO 3 ), the solvent is water, and the solute is ammonia (NH 3 ).
上記の発明において、前記浸透装置は、前記溶液の温度を高める加熱手段及び/または保温手段を備えていることが好ましく、これにより、浸透装置内を流れる溶液の温度が上昇することによって浸透圧は高くなる。 In the above invention, the osmotic device preferably includes a heating means and / or a heat retaining means for increasing the temperature of the solution, whereby the temperature of the solution flowing through the osmotic device is increased, whereby the osmotic pressure is increased. Get higher.
上記の発明において、前記浸透装置の半透膜モジュールは、前記溶液の流れ方向が上下方向となるように縦置きされていることが好ましく、これにより、半透膜の周辺に形成される濃度分極を防止または抑制することができる。
なお、半透膜モジュールを縦置きする場合、溶液を加熱して温度を上昇させると、自然対流により濃度分極を防止または抑制することができる。
In the above invention, the semipermeable membrane module of the osmosis device is preferably placed vertically so that the flow direction of the solution is in the vertical direction, whereby the concentration polarization formed around the semipermeable membrane Can be prevented or suppressed.
When the semipermeable membrane module is installed vertically, concentration polarization can be prevented or suppressed by natural convection by heating the solution and raising the temperature.
上記の発明において、前記浸透装置は、高濃度側の溶液を微小振動させる超音波発生手段を備えていることが好ましく、これにより、濃度分極を防止または抑制することができる。 In the above invention, the permeation apparatus preferably includes an ultrasonic wave generating means for minutely vibrating the solution on the high concentration side, whereby concentration polarization can be prevented or suppressed.
上記の発明において、前記濃縮部は、前記溶液が有する溶解度の温度依存性を利用して濃度調整することが好ましく、これにより、溶液を冷却することによって溶質を析出させるとともに、加熱することにより溶質を溶媒に溶解させて濃度の高い溶液とすることができる。
この場合、加熱には工場や発電所等の排熱等を利用でき、冷却には貯蔵した雪や液化天然ガス等の冷熱を用いた放熱や、砂漠の夜間冷え込み等による自然放熱を利用できる。
In the above invention, the concentration part preferably adjusts the concentration by utilizing the temperature dependence of the solubility of the solution, thereby precipitating the solute by cooling the solution and heating the solute by heating. Can be dissolved in a solvent to obtain a high-concentration solution.
In this case, exhaust heat from a factory, power plant, etc. can be used for heating, and heat radiation using cold heat such as stored snow or liquefied natural gas, or natural heat radiation due to cold nighttime in the desert can be used for cooling.
上記の発明において、前記濃縮部は、冷却側の溶液と加熱側の溶液との間で熱交換する再生熱交換器を備えていることが好ましく、これにより、熱効率を向上させることができる。 In the above invention, the concentrating unit preferably includes a regenerative heat exchanger that exchanges heat between the solution on the cooling side and the solution on the heating side, thereby improving the thermal efficiency.
上記の発明において、前記濃縮部は、前記溶液から前記溶質を析出させる超音波霧化手段を備えていることが好ましく、これにより、溶液から溶質を析出させる分離に要するエネルギーを低減できる。 In the above invention, the concentrating unit preferably includes an ultrasonic atomizing means for precipitating the solute from the solution, thereby reducing energy required for separation for precipitating the solute from the solution.
上述した本発明によれば、クローズドサイクルの濃度差発電システムに使用する濃度の異なる二つの溶液として、水または水より蒸発に要する熱流の小さい溶媒と、この溶媒に溶解する溶質との組合せにより構成される液体状の混合物を採用したので、溶液の再循環時に溶媒を蒸発させるために必要となる熱源の熱量を低減した運転が可能になる。この結果、クローズドサイクルの濃度差発電システムにおいては、運転時に熱源で消費される熱量の低減により、発電効率の向上という顕著な効果が得られる。
また、溶液が有する溶解度の温度依存性を利用して濃度調整する濃縮部を採用すれば、多重効用法のような蒸発法と比較して必要熱量を低減できるので、これによっても発電効率の向上が可能になる。
According to the present invention described above, the two solutions having different concentrations used in the closed-cycle concentration difference power generation system are constituted by a combination of water or a solvent having a smaller heat flow required for evaporation than water and a solute dissolved in the solvent. Since the liquid mixture to be used is employed, it is possible to reduce the amount of heat of the heat source required for evaporating the solvent when the solution is recycled. As a result, in the concentration difference power generation system of the closed cycle, a remarkable effect of improving the power generation efficiency is obtained by reducing the amount of heat consumed by the heat source during operation.
In addition, if a concentration unit that adjusts the concentration using the temperature dependence of the solubility of the solution is adopted, the amount of heat required can be reduced compared to the evaporation method such as the multiple effect method, which also improves the power generation efficiency. Is possible.
以下、本発明に係る濃度差発電システムの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1に示す実施形態において、図示の濃度差発電システムは、タンク切替型の濃度差発電装置1に、濃縮部として多重効用法(MED)の濃縮サイクル50を組み合わせたクローズドサイクルのシステムである。なお、以下に説明する実施形態において、濃度の異なる二つの溶液は、低濃度溶液が溶質を全く含まない濃度0%の純粋な溶媒も包含する。
Hereinafter, an embodiment of a concentration difference power generation system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
In the embodiment shown in FIG. 1, the illustrated concentration difference power generation system is a closed cycle system in which a tank switching type concentration difference power generation device 1 is combined with a
濃度差発電装置1は、浸透装置10と、浸透装置10に低濃度溶液を供給する低濃度溶液系統20と、浸透装置10に高濃度溶液を供給する高濃度溶液系統30と、発電機2を駆動するタービン3とを具備して構成される。
浸透装置10は、半透膜11に分離されて低濃度溶液及び高濃度溶液を流す流路がベッセル内部に形成されており、低濃度溶液側の溶媒が半透膜11を浸透して高濃度溶液側へ流入する。通常の浸透装置10は、たとえば図2に示すように、ベッセル12が横置きとされ、軸方向の左右両端部に低濃度溶液及び高濃度溶液の出入口が設けられている。
The concentration difference power generation device 1 includes a
In the
図2の浸透装置10は、略円筒状としたベッセル12の内部に水平配設された中空繊維状の半透膜11を多数備えた半透膜モジュールとなっている。
ベッセル12の紙面左側端部には、高濃度溶液入口13a及び低濃度溶液出口14bが設けられ、紙面右側端部には高濃度溶液出口13b及び低濃度溶液入口14aが設けられている。この場合、低濃度溶液は中空繊維状の半透膜11内を流れ、高濃度溶液は半透膜11の外側を流れる。
なお、図中の符号12aは、ベッセル12を構成する壁面部材である。
2 is a semipermeable membrane module provided with a number of hollow fiber-like
A high-
In addition, the code |
従って、一方の高濃度溶液は、紙面左側の高濃度溶液入口13aから浸透装置10内に流入し、低濃度溶液から浸透した溶媒とともに紙面右側の高濃度溶液出口13bから流出する。また、他方の低濃度溶液は、紙面右側の低濃度溶液入口14aから浸透装置10内に流入し、高濃度溶液側へ浸透した溶媒が減少して紙面左側の低濃度溶液出口14bから流出する。
すなわち、浸透装置10を通過することにより、高濃度溶液側では、浸透した溶媒が加わることによって濃度は低下し、低濃度溶液側では、浸透した溶媒が減少することによって濃度は上昇する。なお、低濃度溶液に純粋な溶媒を使用した場合には、当然ながら濃度の上昇はないものの、浸透分の流量が減少して流出する。
Accordingly, one high-concentration solution flows into the
That is, by passing through the
低濃度溶液系統20は、浸透装置10に低濃度溶液を供給するとともに、浸透装置10を通過して濃度が上昇した低濃度溶液を回収するもので、低濃度溶液を貯蔵する低濃度溶液タンク21と、たとえば電動機22により駆動される低濃度溶液ポンプ23と、低濃度溶液を流す低濃度溶液流路24とを備えている。
この場合、低濃度溶液流路24は、低濃度溶液タンク21内の低濃度溶液が、低濃度溶液ポンプ23及び浸透装置10を経て、再び低濃度溶液タンク21に戻る閉回路の流路を形成している。
The low-
In this case, the low-
従って、低濃度溶液タンク21内に貯蔵された低濃度溶液は、低濃度溶液ポンプ23の運転により浸透装置10へ供給され、濃度が上昇した状態で低濃度溶液タンク21に戻される。
しかし、低濃度溶液タンク21には、後述する濃縮サイクル50で生成された溶媒が供給されるので、濃縮サイクル50からの供給量を調整することにより、浸透装置10で上昇した濃度を所望の値に維持することができる。
Therefore, the low-concentration solution stored in the low-
However, since the solvent generated in the
高濃度溶液系統30は、浸透装置10に高濃度溶液を供給するもので、二つの高濃度溶液タンク31a,31bを備えたタンク切替型を採用している。この方式では、たとえば電動機32で駆動される充填ポンプ33を駆動し、高濃度溶液供給源34から二つの高濃度溶液タンクに高濃度溶液を充填しておく。
濃度差発電装置を運転する際には、たとえば電動機35で駆動される高濃度溶液ポンプ36により高濃度溶液タンク31a,31bのいずれか一方から高濃度溶液を導入し、この高濃度溶液が高濃度溶液流路37を通って浸透装置10に供給される。
The high-
When operating the concentration difference power generation device, for example, a high concentration solution is introduced from one of the high
浸透装置10に供給された高濃度溶液は、低濃度溶液側から浸透してきた溶媒との合流により、浸透圧を得るとともに流量を増してタービン3に供給される。すなわち、タービン3に供給される流体の主なエネルギーは浸透圧に起因するものであり、このエネルギーがタービン3を駆動して軸出力の機械的エネルギーに変換され、さらに、タービン3の軸出力で駆動される発電機2により電力に変換される。
こうしてタービンを駆動した中濃度溶液は、溶媒の合流により濃度が低下した状態の中濃度排液として、後述する濃縮サイクル50に導かれる。
The high concentration solution supplied to the
The medium-concentration solution that has driven the turbine in this way is guided to a
上述した高濃度溶液タンク31a,31bは、供給側タンクの他方が空の状態にある場合、高濃度溶液供給源34から高濃度溶液を充填することや、後述する濃縮サイクル50からタンク34に供給された濃縮液(高濃度溶液)を充填することにより、所望の濃度に調整した状態で次の供給に備えておくことができる。
高濃度溶液タンク31a,31bの選択切替は、図示しない3方弁等の操作により実施可能であり、二つの高濃度溶液タンク31a,31bを交互に切り替えて使用することにより、継続した運転が可能になる。
The high-
The high-
濃縮サイクル50は、多重効用法(MED)を採用した濃縮装置51を主な構成要素とする濃縮部であり、熱源52から供給される加熱蒸気等の熱エネルギーを利用して、濃度差発電装置1から供給される中濃度溶液を、すなわち中濃度排液を加熱する。この加熱により、中濃度排液中の溶媒が蒸発するので、中濃度排液を溶媒と濃縮液とに分離することができる。
こうして生成された溶媒及び濃縮液は、溶媒が低濃度溶液系統20の低濃度溶液タンク21に供給され、濃縮液が高濃度溶液系統30の高濃度溶液タンク34に供給される。
The concentrating
In the solvent and the concentrated solution thus generated, the solvent is supplied to the low
この結果、中濃度排液を再利用して循環させる閉ループが形成されるので、主に熱源52から濃縮サイクル50に対して熱エネルギーを供給することにより、濃度差発電装置1の運転継続を可能にしたクローズドサイクルの濃度差発電システムとなる。
このため、濃度の異なる二つの溶液として河川水及び海水を用いた場合には、最初に河川水及び海水を導入すれば、熱源52により海水を加熱して溶媒の水を蒸発させることにより、濃度差発電を継続するクローズドサイクルのシステムが形成される。
As a result, a closed loop is formed in which the intermediate concentration drainage is reused and circulated, so that the operation of the concentration difference power generator 1 can be continued by supplying heat energy mainly from the
For this reason, when river water and seawater are used as two solutions having different concentrations, if the river water and seawater are first introduced, the seawater is heated by the
さて、上述したように、濃度の異なる二つの溶液を用い、浸透装置10内の半透膜11を浸透して流れる溶媒の浸透圧を機械的エネルギーに変換して発電するとともに、浸透装置10を通過した中濃度排液を濃縮サイクル50に導いて得られる溶媒及び濃縮液を循環させて再利用するクローズドサイクルの濃度差発電システムにおいて、本実施形態では、水または水より蒸発に要する熱量が小さい溶媒と、この溶媒に溶解する溶質との組合せにより構成される液体状の混合物を溶液として使用する。
なお、水より蒸発に要する熱量が小さい溶媒は、具体的には水より低沸点で蒸発潜熱の小さい物質である。
As described above, two solutions having different concentrations are used to generate electricity by converting the osmotic pressure of the solvent flowing through the
In addition, the solvent whose calorie | heat amount required for evaporation is smaller than water is specifically a substance with a boiling point lower than water and a small latent heat of vaporization.
この場合に好適な溶媒としては、エチレンオキサイド、メタノール、エタノール、ヘプタン、ハイドロフルオロエーテル(HFE)等のような低沸点溶媒がある。
エチレンオキサイドは、沸点/10.66℃、蒸発潜熱/581.38479KJ/kgの物質であり、いずれも水の沸点/100℃、蒸発潜熱/2256.381798KJ/kgよりかなり低い。また、エタノール、ヘプタン、ハイドロフルオロエーテル(HFE)等の物質についても、水より低沸点であることに加えて、蒸発潜熱も低い。
Suitable solvents in this case include low boiling point solvents such as ethylene oxide, methanol, ethanol, heptane, hydrofluoroether (HFE) and the like.
Ethylene oxide is a substance having a boiling point / 10.66 ° C. and a latent heat of vaporization / 581.38479 KJ / kg, both of which are significantly lower than the boiling point of water / 100 ° C. and the latent heat of vaporization / 22256.381798 KJ / kg. In addition, substances such as ethanol, heptane, and hydrofluoroether (HFE) have a lower boiling point than water and also have a low latent heat of vaporization.
低沸点溶媒であるエタノールとの組合せに好適な溶質(吸収剤)の一例をあげると、たとえばリチウム・ブロマイド(LiBr)がある。
この他、ハイドロフルオロエーテル(HFE)やフロン系冷媒(R22、R21,R30,R31)等に好適な溶質(吸収剤)としては、たとえばテトラエチレングリコールジメチルエーテル、シクロヘキサノン、りん酸トリブチル、アセトフェノン、イソホロン等がある。
An example of a solute (absorbent) suitable for combination with ethanol, which is a low-boiling solvent, is lithium bromide (LiBr), for example.
Other suitable solutes (absorbents) such as hydrofluoroether (HFE) and chlorofluorocarbon refrigerants (R22, R21, R30, R31), for example, tetraethylene glycol dimethyl ether, cyclohexanone, tributyl phosphate, acetophenone, isophorone, etc. There is.
上述したように、濃度差発電システムに低沸点溶媒を用いた低濃度溶液及び高濃度溶液を使用すると、溶液の再循環時に溶媒を蒸発させるために必要となる熱源52の熱量を低減した運転が可能になる。すなわち、タービン3で発電した後の高濃度排液を濃縮システム50で溶媒と濃縮液とに分離する際、溶媒の沸点が低く蒸発潜熱も小さいため、必要となる熱源52の熱量は、溶媒を水とする場合よりも大幅に低減できる。
この結果、本実施形態の濃度差発電システムは、特に河川水及び海水を使用する場合と比較して、運転時に熱源52で消費される熱量の大幅な低減により、システム全体としての発電効率が向上する。
また、水より蒸発に要する熱量が小さい溶媒には、たとえばイソブチルアルコールやフェノール等のように、沸点または蒸発潜熱のいずれか一方のみが水より低い物質もある。従って、水より低沸点及び/または水より蒸発潜熱の小さい溶媒と、この溶媒に溶解する溶質とを組み合せた溶液の使用も可能である。
As described above, when a low-concentration solution and a high-concentration solution using a low-boiling solvent are used in the concentration difference power generation system, an operation in which the amount of heat of the
As a result, the concentration difference power generation system of the present embodiment improves the power generation efficiency of the entire system by significantly reducing the amount of heat consumed by the
In addition, some solvents that require less heat for evaporation than water include substances such as isobutyl alcohol and phenol that have either a boiling point or a latent heat of evaporation lower than that of water. Therefore, it is also possible to use a solution in which a solvent having a boiling point lower than that of water and / or a latent heat of evaporation lower than that of water and a solute dissolved in this solvent are combined.
さて、上述した濃度差発電装置1においては、浸透装置10を通過して流れる溶液の温度を高めて高い浸透圧を得るため、加熱や保温を行うことが望ましい。
これは、浸透装置10に供給される溶液の温度が高いほど大きな浸透圧を得られるという特性を利用するものであり、たとえば図2(b)に示すように、ベッセル12を構成する壁面部材12aの外周を保温材15で覆って保温するとともに、保温材15の内部にヒータ16を設置して加熱する。
In the concentration difference power generation device 1 described above, it is desirable to perform heating and heat retention in order to increase the temperature of the solution flowing through the
This utilizes the characteristic that a larger osmotic pressure can be obtained as the temperature of the solution supplied to the
すなわち、浸透装置10を流れる低濃度溶液及び高濃度溶液の温度を高くするため、浸透装置10が加熱手段のヒータ16及び/または保温手段の保温材15を備えることが望ましい。このようにして浸透圧が高くなると、タービン3及び発電機2を駆動して得られる発電量が増すので、濃度差発電装置1及び濃度差発電システム全体としての発電効率が向上する。
また、上述した浸透装置10を流れる溶液の温度が高ければよいので、浸透装置10を直接加熱及び保温する構成だけでなく、たとえば低濃度溶液系統20及び高濃度溶液系統30の適所にヒータ等の加熱手段を設けて溶液温度を上昇させ、浸透装置10は単に保温するだけでもよい。
That is, in order to increase the temperature of the low-concentration solution and the high-concentration solution flowing through the
Further, since the temperature of the solution flowing through the
また、上述した浸透装置10の半透膜モジュールでは、水平方向となる半透膜11の周辺に浸透圧の妨げとなる濃度分極を生じる。この濃度分極は、半透膜11の高濃度溶液側近傍に生じる濃度差のことであるから、たとえば図3に示すように、低濃度溶液及び高濃度溶液の流れ方向が上下方向となるように、浸透装置10の半透膜モジュールを縦置きにして使用すれば、重力の作用によって濃度分極を防止または抑制することができる。
このような濃度分極の防止または抑制は、半透膜モジュールを縦置きするとともに、上述した溶液の加熱を行って温度上昇させてもよく、この場合、半透膜モジュール内の溶液に生じる自然対流が濃度分極を防止または抑制する。
In the semipermeable membrane module of the
In order to prevent or suppress such concentration polarization, the semipermeable membrane module may be placed vertically, and the temperature of the semipermeable membrane module may be increased by heating the solution described above. Prevents or suppresses concentration polarization.
さらに、上述した濃度分極の防止または抑制には、浸透装置10に高濃度側の溶液を微小振動させる超音波発生手段(不図示)の併設も有効である。この超音波発生手段は、浸透装置10に高濃度溶液を供給する高濃度溶液系統30の適所に超音波発生装置を設置したものであり、高濃度溶液を超音波で振動させて濃度分極を防止または抑制することができる。
このようにして濃度分極を防止または抑制すると、浸透装置10において高い浸透圧を得ることができるので、タービン3及び発電機2を駆動して得られる発電量が増し、濃度差発電装置1及び濃度差発電システム全体としての発電効率が向上する。
Further, in order to prevent or suppress the above-described concentration polarization, it is also effective to provide an ultrasonic wave generating means (not shown) that causes the high concentration side solution to vibrate in the
When concentration polarization is prevented or suppressed in this way, a high osmotic pressure can be obtained in the
続いて、上述した濃縮サイクル50に代えて、溶液が有する溶解度の温度依存性を利用して濃度調整する濃縮部を採用してもよい。すなわち、溶質の溶解度は温度により変化するので、この変化が大きい物質を溶質に使用すれば、溶液の温度変化に応じて容易に溶質を溶解及び析出させることができる。換言すれば、溶液を冷却することによって溶質を析出させるとともに、加熱することにより溶質を溶媒に溶解させて濃度の高い溶液とすることができ、この場合の温度差は比較的小さくてすむ。
Subsequently, instead of the
図4に示す濃縮サイクル50Aは、図1に示した濃縮サイクル50の第1変形例を示す系統図である。なお、この場合の溶質は固体である。
この濃縮サイクル50Aは、溶液が有する溶解度の温度依存性を利用して濃度調整する濃縮部であり、上述した熱源52に代えて再生熱交換器53を用いている。この再生熱交換器53は、相対的に高温の中濃度排液と、相対的に低温の析出液との間で熱交換を行う装置である。なお、この場合の析出液は、溶媒中に固体の溶質が析出した状態にある。
A
The
高温の中濃度排液は、必要に応じて設けた中間タンク54及び排液ポンプ55を介して再生熱交換器53に供給される。
低温の析出液は、必要に応じて設けた析出タンク57及び析出ポンプ58を介して再生熱交換器53に供給される。
再生熱交換器53では、高温の中濃度排液が低温の析出液に冷却されて温度低下する。すなわち、図中に矢印Hで示すように、中濃度排液が保有する熱は低温の析出液側へ移動する。このため、中濃度排液中に溶解した溶質は、析出装置56内において固体となって析出する。この結果、析出装置56には、溶質の析出物(固体)を含む溶媒が蓄積され、これをろ過することにより、純粋な溶媒と溶質の析出物を含む溶媒の析出液とに分離される。
The high-temperature medium-concentration drainage liquid is supplied to the
The low temperature precipitation liquid is supplied to the
In the
一方の溶媒は、図示しないポンプ等により、上述した濃度差発電装置1の低濃度溶液タンク21に供給される。なお、低濃度溶液タンク21に供給する前の溶媒を貯蔵しておくため、必要に応じて溶媒の中間貯蔵タンク(不図示)を設置してもよい。
他方の析出液は、析出装置56から直接、あるいは析出タンク58を介して、再生熱交換器53に供給される。この析出液は、中濃度排液との熱交換により加熱されて温度上昇するので、溶媒に析出している溶質は溶解して高濃度溶液(濃縮液)となる。この高濃度溶液は、図示しないポンプ等により、上述した高濃度溶液タンク34供給される。なお、高濃度溶液タンク34に供給する前の高濃度溶液を貯蔵しておくため、必要に応じて溶媒の中間貯蔵タンク(不図示)を設置してもよい。
One solvent is supplied to the low-
The other precipitation liquid is supplied to the
このようにすれば、再生熱交換器53を利用して中濃度排液を溶媒と高濃度溶液とに分離できるので、熱源52が不要になることで熱効率が改善する。すなわち、濃縮装置50Aの熱効率を改善したことにより、濃度差発電システム全体の発電効率が向上する。
また、このような再生熱交換器53は、濃度差発電システムの構成や使用する溶液等の諸条件に応じて、上述した濃縮装置51及び熱源52と適宜組み合わせた構成とすることも可能である。この場合も熱源52の熱エネルギーを低減できるため、濃縮装置50Aの熱効率改善により濃度差発電システム全体の発電効率が向上する。
In this way, since the medium concentration drainage liquid can be separated into the solvent and the high concentration solution using the
In addition, such a
図5に示す濃縮サイクル50Bは、図1に示した濃縮サイクル50の第2変形例を示す系統図である。なお、上述した第1変形例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この濃縮サイクル50Bでは、溶液から溶質を析出させる超音波霧化手段として、超音波霧化装置59を備えている。この超音波霧化装置59は、超音波により溶媒を霧化して溶質の析出を促進するものである。図示の構成例では、析出装置56の析出液貯蔵部に超音波霧化装置59が設置されているので、溶液から溶質を析出させる分離に要する熱エネルギーの低減が可能になる。
The
In the
図6に示す濃縮サイクル50Cは、図1に示した濃縮サイクル50の第3変形例を示す系統図である。なお、上述した各変形例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この濃縮サイクル50Cは、析出装置56を自然放熱により冷却して溶質の析出を行うとともに、排熱により析出タンク57を加熱して熔解を行う濃縮部である。この場合、再生熱交換器56は必ずしも必要ではなく、諸条件に応じて適宜設ければよい。
A
The
この場合の自然放熱としては、たとえば砂漠の夜間における自然現象の冷え込み等があり、加熱用の排熱としては、たとえば発電所や工場で使用されるボイラ等の排熱がある。なお、自然放熱として砂漠の冷え込みを利用する場合には、自然放熱による析出を夜間に行い、昼間は工場排熱を利用した熔解を行えばよい。 The natural heat dissipation in this case includes, for example, cooling of a natural phenomenon at night in a desert, and the exhaust heat for heating includes, for example, exhaust heat from a boiler used in a power plant or factory. In addition, when using the coldness of the desert as natural heat dissipation, precipitation by natural heat dissipation may be performed at night, and melting using factory waste heat may be performed during the daytime.
図7に示す濃縮サイクル50Dは、図1に示した濃縮サイクル50の第4変形例を示す系統図である。なお、上述した各変形例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この濃縮サイクル50Dは、冷熱を用いた放熱により析出装置56を冷却して溶質の析出を行うとともに、排熱により析出タンク57を加熱して熔解を行う濃縮部である。この場合、再生熱交換器56は必ずしも必要ではなく、諸条件に応じて適宜設ければよい。
The
The
この場合の放熱は、たとえば降雪期に貯蔵しておいた雪や液化天然ガス等が保有する冷熱を利用するものである。なお、加熱用の排熱については、上述した第3変形例と同様である。従って、析出装置56を雪や天然ガス等の冷熱により冷却することにより高濃度排液が放熱を行い、工場排熱等の排熱を利用して析出タンクを加熱して熔解を行えばよい。
The heat release in this case uses, for example, the cold heat stored in snow, liquefied natural gas, etc. stored during the snowfall season. In addition, about the waste heat for a heating, it is the same as that of the 3rd modification mentioned above. Therefore, the high concentration waste liquid radiates heat by cooling the
図8に示す濃縮サイクル50Eは、図1に示した濃縮サイクル50の第5変形例を示す系統図であり、溶質としてNH3CO2等の気体を使用するものである。なお、上述した各変形例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この濃縮サイクル50Eは、再生熱交換器53Aを用いて中濃度排液(中濃度溶液)を溶質ガスと溶媒または希溶液に分離する濃縮部である。すなわち、再生熱交換器53Aでは、中濃度排液と溶質ガス及び希溶液(または溶媒)との間で熱交換が行われ、中濃度排液側が加熱されて溶質ガスを析出するので、溶媒または希溶液が残る。
The
The
さらに、再生熱交換器53Aでは、中濃度排液との熱交換により希溶液(または溶媒)が冷却されるので、溶質ガスが希溶液に吸収されて高濃度溶液(濃縮液)となる。すなわち、この変形例で使用する再生熱交換器53Aにおいては、図中に矢印Hで示すように、溶質ガス及び希溶液(または溶媒)の熱が低温の中濃度排液側へ移動する。
こうして得られた溶媒または希溶液は、図示を省略した低濃度溶液タンク21を介して浸透装置10へ供給され、高濃度溶液は、図示を省略した高濃度溶液タンク31a,31bを介して浸透装置10へ供給される。
Furthermore, in the
The solvent or dilute solution thus obtained is supplied to the
また、図8の第5変形例では溶液を炭酸アンモニウム(NH4CO3)としたが、たとえば図9に示す第6変形例のように、炭酸アンモニウムに代えてアンモニア水を用いた濃縮サイクル50Fも可能である。
図9に示す濃縮サイクル50Fでは、中濃度アンモニア水が中濃度排液となり、中濃度アンモニア水タンク54Aを介して上述した再生熱交換器53Aに供給される。
再生熱交換器53Aでは、中濃度アンモニア水とアンモニアガス(溶質ガス)及び希濃度アンモニア水(または溶媒の水)との間で熱交換が行われ、中濃度アンモニア水側が加熱されてアンモニアガスを析出するので、溶媒または希濃度アンモニア水が残る。
Further, in the fifth modified example of FIG. 8, the solution is ammonium carbonate (NH 4 CO 3 ). However, as in the sixth modified example shown in FIG. 9, for example, a
In the
In the
さらに、この場合の再生熱交換器53Aでは、中濃度アンモニア水との熱交換により希濃度アンモニア水(または溶媒)側が冷却されるので、アンモニアガスが希濃度アンモニア水に吸収されて高濃度アンモニア水(濃縮液)となる。すなわち、この変形例で使用する再生熱交換器53Aにおいても、図中に矢印Hで示すように、アンモニアガス及び希アンモニア水(または溶媒)の熱が低温の中濃度アンモニア水側へ移動する。
こうして得られた溶媒または希濃度アンモニア水は、図示を省略した低濃度溶液タンク21を介して浸透装置10へ供給され、高濃度アンモニア水は、図示を省略した高濃度溶液タンク31a,31bを介して浸透装置10へ供給される。
Further, in the
The solvent or dilute aqueous ammonia thus obtained is supplied to the
図10に示す濃縮サイクル50Gは、図1に示した濃縮サイクル50の第7変形例を示す系統図であり、溶質としてNH3CO2等の気体を使用するものである。なお、上述した各変形例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この変形例では、再生熱交換器を使用せず、中間タンク54内の中濃度溶液を工場排熱等の排熱により加熱し、溶質ガスを析出させる。この結果、中濃度溶液は、溶質ガスと溶媒または希溶液に分離される。こうして得られた溶媒または希溶液は、図示を省略した低濃度溶液タンク21を介して浸透装置10へ供給される。
The
In this modified example, the regenerative heat exchanger is not used, and the medium concentration solution in the
一方、溶質ガス及び希溶液(または溶媒)は濃縮タンク59に導入され、ここで自然放熱または放熱により冷却される。この結果、溶質ガスが希溶液(または溶媒)に吸収されて高濃度溶液(濃縮液)となり、図示を省略した高濃度溶液タンク31a,31bを介して浸透装置10へ供給される。
この場合の自然放熱には、たとえば砂漠の夜間における冷え込み等があり、放熱には、貯蔵した雪や液化天然ガス等の冷熱がある。なお、図示の構成例では、再生熱交換器を使用していないが、諸条件に応じて適宜組み合わせてもよい。
On the other hand, the solute gas and the dilute solution (or solvent) are introduced into the
In this case, the natural heat radiation includes cooling in the desert at night, and the heat radiation includes cold heat such as stored snow and liquefied natural gas. In the illustrated configuration example, the regenerative heat exchanger is not used, but may be appropriately combined depending on various conditions.
また、図10の第7変形例では溶液を炭酸アンモニウムとしたが、たとえば図11に示す第8変形例のように、炭酸アンモニウムに代えてアンモニア水を用いた濃縮サイクル50Hも可能である。
この場合も再生熱交換器を使用せず、中間タンク54A内の中濃度アンモニア水を工場排熱等の排熱により加熱し、アンモニアガスを析出させる。この結果、中濃度アンモニア水は、アンモニアガスと溶媒または希濃度アンモニア水に分離される。こうして得られた溶媒または希濃度アンモニア水は、図示を省略した低濃度溶液タンク21を介して浸透装置10へ供給される。
Further, in the seventh modified example of FIG. 10, the solution is ammonium carbonate, but, for example, as in the eighth modified example shown in FIG. 11, a
Also in this case, the regenerative heat exchanger is not used, and the medium concentration ammonia water in the
一方、アンモニアガス及び希濃度アンモニア水(または溶媒)は濃縮タンク59に導入され、ここで自然放熱または放熱により冷却される。この結果、アンモニアガスが希濃度アンモニア水(または溶媒)に吸収されて高濃度アンモニア水(濃縮液)となり、図示を省略した高濃度溶液タンク31a,31bを介して浸透装置10へ供給される。
この場合の自然放熱には、たとえば砂漠の夜間における冷え込み等があり、放熱には、貯蔵した雪や液化天然ガス等の冷熱がある。
なお、図示の構成例では、再生熱交換器を使用していないが、上述した第6変形例と同様に、諸条件に応じて適宜組み合わせてもよい。
On the other hand, ammonia gas and dilute aqueous ammonia (or solvent) are introduced into the
In this case, the natural heat radiation includes cooling in the desert at night, and the heat radiation includes cold heat such as stored snow and liquefied natural gas.
In the illustrated configuration example, the regenerative heat exchanger is not used, but may be appropriately combined according to various conditions as in the above-described sixth modification.
このように、上述した本実施形態及びその変形例によれば、濃度の異なる二つの溶液として、水または水より蒸発に要する熱量の小さい溶媒と、この溶媒に溶解する溶質との組合せにより構成される液体状の混合物を採用し、溶液の再循環時に濃縮部で溶媒を蒸発させるために必要となる熱源の熱量を低減した運転が可能になる。従って、上述したクローズドサイクルの濃度差発電システムは、運転時に熱源で消費される熱量の低減により発電効率が向上したものとなる。 As described above, according to the present embodiment and the modification thereof described above, the two solutions having different concentrations are constituted by a combination of water or a solvent having a smaller amount of heat required for evaporation than water and a solute dissolved in the solvent. Therefore, an operation can be performed in which the amount of heat of the heat source required for evaporating the solvent in the concentrating unit when the solution is recycled is reduced. Therefore, the above-described closed cycle concentration difference power generation system has improved power generation efficiency by reducing the amount of heat consumed by the heat source during operation.
さらに、溶液が有する溶解度の温度依存性を利用して濃度調整を行う各変形例の濃縮部を採用すれば、多重効用法のような蒸発法を採用した濃縮部と比較して必要熱量を低減できるので、これによっても発電効率の向上が可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
Furthermore, if the concentration unit of each modified example that adjusts the concentration by utilizing the temperature dependence of the solubility of the solution is adopted, the required amount of heat is reduced compared to a concentration unit that employs an evaporation method such as a multi-effect method. This can also improve the power generation efficiency.
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, In the range which does not deviate from the summary, it can change suitably.
1 濃度差発電装置
2 発電機
3 タービン
10 浸透装置
11 半透膜
12 ベッセル
15 保温材
16 ヒータ
20 低濃度溶液系統
30 高濃度溶液系統
50,50A〜50H 濃縮サイクル(濃縮部)
51 濃縮装置(MED)
52 熱源
53 再生熱交換器
56 析出装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Concentration
51 Concentrator (MED)
52
Claims (9)
前記溶液は、水または水より蒸発に要する熱量の小さい溶媒と、該溶媒に溶解する溶質との組合せにより構成される液体状の混合物であることを特徴とする濃度差発電システム。 Two solutions with different concentrations are used to generate electricity by converting the osmotic pressure of the solvent that permeates the semipermeable membrane in the permeation device into mechanical energy and concentrates the solution on the high concentration side that has passed through the permeation device. In the closed cycle concentration difference power generation system that circulates and reuses the solvent and concentrate obtained by guiding to the section,
The concentration difference power generation system according to claim 1, wherein the solution is a liquid mixture composed of water or a solvent having a smaller amount of heat required for evaporation than water and a solute dissolved in the solvent.
The concentration difference power generation system according to claim 6 or 7, wherein the concentration unit includes an ultrasonic atomizing unit that precipitates the solute from the solution.
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