CN103547798B - 浓度差发电装置及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种浓度差发电装置，其中，使浓度不同的高浓度水与低浓度水通过包括半透膜的半透膜单元互相接触，以及，由正渗透压导致水自低浓度侧渗透至高浓度侧，导致高浓度水量增加，利用该高浓度水量增加来驱动发电机发电，其中，半透膜单元被分成多个子单元(8，12)，以及，浓度差发电装置包括压力改变机构(11)，该压力改变机构(11)布置于自前级子单元(8)延伸至下级子单元(12)的高浓度侧通道(L4)上、或低浓度侧通道(L3)上。

Description

浓度差发电装置及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种装置，其中，使具有低渗透压的低浓度水与具有高渗透压的高浓度水通过置于其间的半透膜互相接触，并且，利用由于正渗透现象导致的渗透流动为能量，进行水力发电。本发明进一步涉及操作此装置的方法。
背景技术
近年来，作为世界经济增长的结果，各种全球环境问题例如矿物燃料消耗、资源枯竭、以及二氧化碳排放增加，已经成为现实问题。在这种情况下，已经开发了包括光伏发电、风力发电、以及温差发电等的新颖无碳能源技术，作为能量产生措施，并且将其投入实际使用。
这些技术之中，特别地，浓度差发电是以例如海水与河水之间的盐浓度差作为能源的技术，并且，因为这种发电利用了大体上取用不尽的自然能源而获得了高度期待。将盐浓度差转换成能量的代表性技术包括浓度差电池。
此外，作为利用浓度差发电的技术，Sidney Loeb提出了减压渗透法(pressure-retarded osmosis method)，其中利用了通过半透膜所产生的渗透压(S.Loeb，Journal of Membrane Science，卷1，49页，1976)。当由半透膜使盐浓度不同的两种溶液(即：低浓度水和高浓度水)彼此隔开时，因正渗透现象，水从淡水侧向盐水侧移动。在减压渗透法中，利用这种移动来运转水力发电机。
在提出这种技术的时代，从性价比的观点看，包括半透膜的性能以及水力发电机的效率，人们认为这种技术实际使用的可能性低。为此，很少研究有关这种技术的实际应用。然而，作为近年来能源成本、以及半透膜和发电机性能的新近改进的结果，开始重新考虑采用减压渗透法的浓度差发电的实际可能性。在日本Fukuoka县，正在进行一种尝试，在利用来自海水淡化厂的浓缩废水时，同时进行废水处理以及发电(非专利文献1和专利文献1)。
在减压渗透法中，从淡水向盐水移动的水量越大，性价比越能够得到改善。然而，由于在这种利用海水和淡水的方法中渗透压差极大，将淡水中所含有的有机物质猛地推贴于半透膜的表面。结果，存在的问题是易于发生所谓的积垢，其中半透膜积垢而降低性能。考虑到这样的问题，开发了一种技术，其中对强加于半透膜的压力差进行控制，同时，通过应用能量回收单元，减少能量损失(专利文献2)。对于这种技术，加速了关于其实际使用的研究，并且，在挪威构建了设计用于实际使用的性能示范厂，而且，该厂已经投入运转。
背景技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利No.4166464
专利文献2：国际公开WO02／13955，单行本(pamphlet)
非专利文献
非专利文献1：TANIOKA Akihiko，New Membrane TechnologySymposium2010(S5-4-1)，2010年12月
发明内容
本发明所要解决的问题
然而，常规技术具有下列问题。
大量水从低浓度水侧向高浓度水侧移动，导致高浓度水的浓度显著减小。因此，即使在一个半透膜单元(其中使高浓度水与低浓度水通过半透膜接触)中，高浓度水在上游侧与下游侧之间具有较大浓度差。高浓度水的浓度差导致渗透压差。也就是，在半透膜单元中高浓度水(例如，海水)的进口附近，在位于半透膜表面的淡水与海水二者之间的浓度差较大，因此，每单位膜面积发生的正渗透流动(forward-osmosis permeation flow)较大。另一方面，在高浓度水的出口处，由于已经流进的淡水使高浓度水与低浓度水之间的浓度差减小，导致较小的正渗透流动。
虽然能量回收单元能用来控制半透膜单元中高浓度水与低浓度水之间的压差，但这种构造不能调节在高浓度水的进口与出口之间发生的渗透压波动。结果，半透膜中发生较大渗透流动的那些部分易于积垢，以及，存在的问题是，努力抑制积垢导致总体渗透量减少，而这又导致发电量减少。存在这样的情况，其中，为了利用较大浓度差以高效发电的目的，使用高浓度盐水，例如通过海水脱盐得到的高浓度废水或死海盐水。然而，浓度越高，这种问题越严重。因此，难以得到稳定的高效发电。
本发明的目的是提供一种装置，其中，使具有低渗透压的低浓度水与具有高渗透压的高浓度水通过置于其间的半透膜互相接触，并且，利用由正渗透现象所导致的渗透流动为能量，来高效并稳定地进行水力发电，以及，提供一种操作这种装置的方法。
解决问题的措施
为了解决上述问题，本发明的浓度差发电装置是这样一种浓度差发电装置，其中，使浓度不同的高浓度水与低浓度水通过包括半透膜的半透膜单元互相接触，以及，由正渗透压导致水自低浓度侧渗透至高浓度侧，得到高浓度水量增加，利用该高浓度水量增加来驱动发电机发电，其中，半透膜单元被分成多个子单元，并且包括连接子单元的高浓度侧中间通道和低浓度侧中间通道，以及，浓度差发电装置包括压力改变机构，该压力改变机构布置于高浓度侧中间通道和低浓度侧中间通道中的至少一个上。
本发明的优点
根据本发明，使具有低渗透压的低浓度水与具有高渗透压的高浓度水通过置于其间的半透膜而互相接触，并且利用由正渗透现象所导致的渗透流动为能量，借助于上述技术，能有效并稳定地进行水力发电。
附图说明
[图1]图1是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，其包括多个子单元，并且进一步包括位于使子单元连接的高浓度水用通道上的调压阀；
[图2]图2是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，其包括多个子单元，并且进一步包括位于使子单元连接的高浓度水用中间通道上的中间能量回收单元；
[图3]图3是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，其包括多个子单元，并且进一步包括位于使子单元连接的高浓度水用中间通道上的中间增压泵；
[图4]图4是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，其包括多个子单元，并且进一步包括位于使子单元连接的低浓度水用中间通道上的中间增压泵；
[图5]图5是图解流程，图示浓度差发电装置的另一实施例，其包括多个子单元，并且进一步包括位于使子单元连接的低浓度水用中间通道上的中间增压泵；
[图6]图6是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，其包括多个子单元，并且进一步包括位于使子单元连接的低浓度水用中间通道上的中间增压泵、以及位于高浓度水用中间通道上的中间能量回收单元；
[图7]图7是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，其包括多个子单元，并且进一步包括使要供至上游子单元的一部分低浓度水旁路、并供给至下游子单元的低浓度侧的通道；
[图8]图8是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，除了图7中所示的旁路通道之外，其还包括使要供至上游子单元的一部分高浓度水旁路、并供给至下游子单元的高浓度侧的通道；
[图9]图9是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，除了图8中所示的两个旁路通道之外，其还包括使要供至下游子单元的一部分高浓度水旁路、并供给至下游子单元的高浓度水用排出通道的通道；
[图10]图10是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，其包括多个子单元，并且进一步包括将一部分从第一子单元高浓度侧排出的水供给至发电机的通道、以及将其余高浓度排出水供给至第二子单元的通道；
[图11]图11是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，其包括多个子单元、以及使第一子单元增压的能量回收单元；
[图12]图12是图解流程，图示浓度差发电装置的另一种实施例，其包括多个子单元、以及使第一子单元增压的能量回收单元；
[图13]图13是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，其包括多个子单元、以及使第一子单元增压的压力能量回收单元；
[图14]图14是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，其包括多个子单元、以及使第二子单元增压的压力能量回收单元；
[图15]图15是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，其包括多个子单元、以及使上游子单元增压的压力能量回收单元；
[图16]图16是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，其包括多个子单元、以及布置在彼此逆流方式供给高浓度水和低浓度水的子单元之间的中间能量回收单元；
[图17]图17是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，其包括彼此逆流方式供给高浓度水和低浓度水的多个子单元，以及，其进一步包括这样的通道，其使要供给至上游子单元的一部分低浓度水旁路、并且供给至下游子单元；
[图18]图18是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，其包括彼此逆流方式供给高浓度水和低浓度水的多个子单元，以及，其进一步包括这样的通道，其使要供给到上游子单元的一部分高浓度水旁路、并且供给到下游子单元；
[图19]图19是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，其包括彼此逆流方式供给高浓度水和低浓度水的多个子单元，以及，其包括这样的通道，其使已经自上游子单元流出的高浓度水旁路、并且供给到排出高浓度水用通道；
[图20]图20是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，其包括彼此逆流方式供给高浓度水和低浓度水的多个子单元，以及，其进一步包括布置在低浓度水用中间通道上的增压泵；
[图21]图21是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，本装置包括多个子单元以及增压泵和布置于高浓度水用中间通道上的等压式能量回收单元，以及，本装置进一步包括分别布置在高浓度水用分支排出通道上的发电机；
[图22]图22是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，本装置包括多个子单元，并且进一步包括在高浓度水用通道上的两个等压式能量回收单元；
[图23]图23是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，本装置包括布置成三级的子单元，以及，进一步包括在高浓度水用通道上的三个等压式能量回收单元；
[图24]图24是图解流程，图示常规浓度差发电装置；
[图25]图25是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，本装置包括多个子单元和布置在使子单元连接的高浓度水用中间通道上的脱盐单元；
[图26]图26是图解流程，图示浓度差发电装置的一种实施例，除了图25中所示的结构之外，本装置还包括从脱盐水水箱延伸至子单元之间低浓度水用中间通道的旁路通道；以及
[图27]图27图示浓度差发电装置的一种实施例，本装置包括多个子单元以及布置在使子单元连接的高浓度水用中间通道上的脱盐单元，其中高浓度水和低浓度水以彼此逆流方式供给。
具体实施方式
下面，参照附图，说明实现本发明的实施方式。然而，本发明的范围不应当解释为局限于下列实施方式。
在各实施例中，其它实施例中的结构可以应用于没有特别提及的结构中。有这样的情况，相对于各图，与其它图中具有类似功能的构成部分用相同的附图标记标注，并省略其说明。
在图1至图15和图25至图27所示的结构中，低浓度水和高浓度水彼此平行方式供给至子单元。在本说明书中，表述“平行供给”指供给低浓度水和高浓度水，使得两种水在子单元之间平行流动。具体而言，在平行供给中，当低浓度水按第一子单元8和第二子单元12这种次序流过时，高浓度水也按第一子单元8和第二子单元12的次序流动。然而，应当注意到，术语“平行供给”并不限制单独子单元内部低浓度水和高浓度水的流动方向。因此，当低浓度水和高浓度水平行供给时，分别在半透膜的两侧，各子单元中的低浓度水和高浓度水可以于相同方向流动(即：可以彼此平行方式流动)，或者，可以于相反方向流动(即：可以彼此逆流方式流动)。
另一方面，在图16至图23所示的结构中，低浓度水和高浓度水彼此逆流方式供给至子单元。逆流供给是这样一种供给方法，其中，促使低浓度水和高浓度水于相反方向流动。跟平行供给情况中一样，逆流供给没有限制，只要低浓度水和高浓度水于相反方向在子单元之间流动即可，也就是，当在子单元之间流动时，低浓度水和高浓度水相对彼此形成逆流。换而言之，分别在半透膜的两侧，各子单元中低浓度水和高浓度水可以于相同方向流动，或者，可以于相反方向流动。
在图1至图23和图25至图27中，附图标记101～123以及125～127各自表示半透膜单元。这些半透膜单元各被分成两个或更多子单元。表述“被分开”是指如下的布置：各自作用为半透膜单元的多个子单元，使子单元高浓度侧彼此连接的通道，以及使其低浓度侧彼此连接的通道。
在下文说明中，术语“上游”与“前级”可以互相取代，以及，术语“下游”与术语“后级”或“次级”可以互相取代。
此外，术语“浓度差发电装置”与“渗透压发电装置”可以互相取代。
1.第一至第三实施例
图1中所示的浓度差发电装置包括半透膜单元和压力改变机构。在这种实施例的装置中，在高浓度水用中间通道L4上布置阀11，作为压力改变机构的一种示例。
图1中所示的浓度差发电装置包括低浓度水槽1、低浓度水进水泵2、低浓度预处理单元3、高浓度水槽4、高浓度水进水泵5、高浓度预处理单元6、增压泵7、半透膜单元101、水力发电机13、低浓度供给通道L1、高浓度供给通道L2、低浓度排出通道L5、以及高浓度排出通道L6。
根据需要，图中所示的一些装置及部件可以省略，以及，可以另外布置图中没有示出的装置及部件，举例来说，例如增压泵、中间水槽、以及保护过滤器等。
如图1中所示，低浓度水进水泵2泵送来自低浓度水槽1的低浓度水，并且将水供给至低浓度预处理单元3。低浓度预处理单元3过滤或者处理低浓度水，从而得到可应用于渗透压发电的低浓度水。低浓度供给通道L1将来自低浓度水槽1的低浓度水供给至第一子单元8。
此外，如图1中所示，高浓度水进水泵5泵送来自高浓度水槽4的高浓度水，并且将水供给至高浓度预处理单元6。高浓度预处理单元6过滤或者处理高浓度水，从而得到可应用于渗透压发电的高浓度水。增压泵7使已由高浓度预处理单元6进行了预处理的高浓度水增压。高浓度供给通道L2将来自高浓度水槽4的高浓度水供给至第一子单元8。
借助于高浓度水与低浓度水之间的渗透压差，半透膜单元101促使水从低浓度水向高浓度水的移动。半透膜单元101分成多个子单元。具体而言，半透膜单元101包括第一子单元8、第二子单元12、低浓度水用中间通道L3、以及高浓度水用中间通道L4，中间通道L3和中间通道L4使第一子单元8与第二子单元12互相连接。顺便提及，一个半透膜单元所配置的子单元数量并不局限于2个，而是可以有3个或更多。
第一子单元8和第二子单元12分别包括半透膜、低浓度水流动通过的通道、以及高浓度水流动通过的通道。
低浓度水用中间通道L3使第一子单元8的低浓度侧通道与第二子单元12的低浓度侧通道互相连接，而高浓度水用中间通道L4使第一子单元8的高浓度侧通道与第二子单元12的高浓度侧通道互相连接。
经过预处理的低浓度水首先流进第一子单元8的低浓度侧通道。自增压泵7泵出的高浓度水流进第一子单元8的高浓度侧通道。这样，低浓度水和高浓度水通过半透膜互相接触。由于这种接触，基于渗透压，水通过半透膜从低浓度侧通道向高浓度侧通道移动。结果，自第一子单元8下游测得的低浓度水的流量变得低于在上游测得的流量，而自第一子单元8下游测得的高浓度水的流量变得高于在上游测得的流量。
以上述方式减量了的低浓度水自第一子单元8流出，然后通过低浓度水用中间通道L3供给至第二子单元12的低浓度侧通道。另一方面，以上述方式增量了的高浓度水自第一子单元8流出，然后，通过高浓度水用中间通道L4供给至第二子单元12的高浓度侧通道。与第一子单元8中一样，在第二子单元12中，水自低浓度侧通道向高浓度侧通道移动。
在此阶段，第二子单元12中低浓度水与高浓度水之间的浓度差，小于第一子单元8中低浓度水与高浓度水之间的浓度差。也就是，第二子单元12中的渗透通量(即：单位膜面积的渗透量)低于第一子单元8中的渗透通量。
然而，如果使供给至第一子单元8的低浓度水与高浓度水之间的浓度差增大，以便在第二子单元12中得到较高渗透通量，在此情况下，第一子单元8具有过高渗透通量。结果，低浓度水中所含的杂质更易于积攒在半透膜表面，因此，导致的积垢易于降低半透膜的性能。另一方面，在出于抑制第一子单元中积垢的目的将第一子单元8中的渗透通量调节至较低值的情况下，第二子单元12具有更低的渗透通量，会使得难以得到较高的发电效率。
本申请的发明人发现，通过在子单元之间的通道中布置压力改变机构能解决这样的问题。压力改变机构是导致在压力改变机构上游的压力与在其下游的压力之间差异的机构。
作为压力改变机构的示例，在图1所示的装置中，阀11布置于高浓度水用中间通道L4。阀11导致高浓度水用中间通道L4中的压力损失，从而，对第一子单元8的渗透侧施加比第二子单元的渗透侧更高的背压。阀11因此导致子单元之间的背压差，从而，减少第一子单元8半透膜的有效压力差与第二子单元12半透膜的有效压力差之间的差值。术语“有效压力差”这里指由(供给侧压力)-(渗透侧压力)+(渗透压力差)所表示的值。
高浓度水自第二子单元12通过高浓度排出通道L6供给至水力发电机13，然后自系统排出。水力发电机13将高浓度水所拥有的压力能转换成电力。
另一方面，低浓度水自第二子单元12通过低浓度排出通道L5排出。
如上所述，在图1所示结构中，压力改变机构布置于自前级子单元延伸至下级子单元的高浓度侧通道上，并且，能用此压力改变机构使前级子单元(即：图1中第一子单元8)的渗透通量、以及后级子单元(即：图1中第二子单元12)的渗透通量保持最佳。
水力发电机13的结构没有特别限制，以及，水力发电机13的示例包括混流式水轮机(Francis turbine)、轴流定桨式水轮机(propeller turbine)、冲击式水轮机(Pelton turbine)、双击式水轮机(cross-flow turbine)、以及反转泵。水力发电机13的结构根据流量、所产生的压力等进行选择。
如图2所示，可以布置中间能量回收单元16，作为促使第一子单元8出口与第二子单元12进口之间压力不同的机构。中间能量回收单元16可以与图1中所示的阀11组合使用，或者，可以单独使用。
由于中间能量回收单元16，使位于中间能量回收单元16下游的高浓度水的压力低于位于其上游的高浓度水的压力。顺便提及，即使布置了中间能量回收单元16，供给至第二子单元12的高浓度水仍具有适合于水的压力。适宜作为中间能量回收单元16的是例如在线式水力发电机，能维持如在中间能量回收单元16的下游侧测得的压力(即：渗透侧压力)。这种水力发电机的示例包括混流式水轮机、及轴流定桨式水轮机。
如图3中所示，中间增压泵17可以布置于中间能量回收单元16的下游、并位于第二子单元12的上游。
在本说明书中所说明的任一种实施例中，中间能量回收单元16可以布置在第二子单元12之上。在这种结构中，能使用冲击式水轮机等来回收位于第一子单元8出口的高浓度水的压力能。此外，在中间能量回收单元16之后可以布置中间水槽。
2.第四至第六实施例
在造成子单元之间有效压力差的另一结构中，可以在低浓度水用中间通道上布置增压泵。
在图4所示的实施例中，中间增压泵21布置于连接第一子单元8与第二子单元12的低浓度水用中间通道L3上。如上所述，低浓度水通过第一子单元8，从而减小流量。然而，在这种实施例中，使第二子单元12进口处的低浓度侧压力高于第一子单元8出口处的低浓度侧压力。因此，在本实施例中，得到与前文第一至第三实施例中所述的通过降低高浓度侧压力相同的效果。
在高浓度侧或低浓度侧，同样能使用例如等压式能量回收单元如压力交换器，取代中间增压泵，以利用由排出水所产生的压力能。
如图4中所示，阀11a可以布置于低浓度水用排出通道L5上。阀11a能维持第二子单元12的低浓度侧压力。
此外，如图5中所示，取代图4中所示的阀11a，在低浓度水用排出通道L5上可以布置水力发电机13a。
此外，如图6中所示，可以在高浓度侧和低浓度侧都布置降压机构，例如中间能量回收单元16，或者，可以布置增压机构，例如中间增压泵21。
3.第七至第十实施例
在以上作为示例示出的图1至图6中，自第一子单元8向第二子单元12平行方式供给低浓度水和高浓度水。这种流动称为平行流动。如上所述，在第一子单元8中，低浓度水向高浓度侧移动，因此，低浓度水量减少，以及，高浓度水量增多。结果，在平行流动的情况下，第一子单元8中“(低浓度水流量)／(高浓度水流量)”之比不同于第二子单元12中“(低浓度水流量)／(高浓度水流量)”之比。
所以，适宜的是，第二子单元12中高浓度水用通道与低浓度水用通道的横截面积比，应当大于第一子单元8中高浓度水用通道的横截面积比。这种结构能使差异较小。
因此，适宜的是，第二子单元12中高浓度水用通道与低浓度水用通道的横截面积比，应当大于第一子单元8中的通道横截面积比。由于这种结构，能使第二子单元12中“(高浓度水流量)／(低浓度水流量)之比与第一子单元8中“(高浓度水流量)／(低浓度水流量)之比之间的差异较小。
举例说，采用的半透膜是中空纤维膜，使中空纤维膜填充在第一子单元中、以及，填充在第二子单元中的那些中空纤维具有与前者相同直径，可以通过调节第二子单元12中用中空纤维膜填充的程度以使其不同于第一子单元8的填充程度，从而提供这种结构。也就是，在高浓度水通过中空纤维膜内侧的情况下，可以通过使第二子单元12中用膜填充的程度高于第一子单元8中用膜填充的程度，使第二子单元12中高浓度水用通道的截面面积比为较大。在高浓度水通过中空纤维膜外侧的情况下，可以通过使第二子单元12中用膜填充的程度低于第一子单元8中用膜填充的程度，使第二子单元12中高浓度水用通道的截面积比为较大。
在半透膜是螺旋式或层叠式的情况下，通道材料可以构造为，使其厚度在第一子单元8与第二子单元12之间不同。
除了第一子单元8和第二子单元12结构中的这些变化，可以使用下列结构来得到相同效果。
也就是，如图7中所示，低浓度旁路通道L11可以与第一子单元8平行布置。低浓度水用旁路通道L11用来旁路低浓度水，并且，将低浓度水自位于第一子单元8上游的位置(即：自低浓度水用供给通道L1)供向第二子单元12(其为下游子单元)。借助于低浓度旁路通道L11，可以增加供给至第二子单元12的低浓度水量。
增压泵18和阀19布置于低浓度水用旁路通道L11上。虽然根据需要可以使用增压泵18，以对供至第二子单元12的低浓度水施加压力，但取决于在第一子单元8的低浓度水出口处测得的压力，也可省略增压泵18。通过打开／关闭阀19，能控制供给至第二子单元12的低浓度水的流量。
此外，如图8中所示，可以布置与第一子单元8平行的高浓度旁路通道L12。通过高浓度旁路通道L12，将没有通过第一子单元8的高浓度水自位于第一子单元8上游侧的位置(即：自高浓度水用供给通道L2)供给至第二子单元12。因此，能增高位于旁路通道L12中和第二子单元12中的高浓度水的盐浓度。在高浓度旁路通道L12中也布置增压泵18和阀19。
此外，如图9中所示，可以布置与第二子单元12平行的高浓度旁路通道L13。在位于中间能量回收单元16下游、且位于第二子单元12上游的位置处，高浓度旁路通道L13的一端与中间通道L4连接。在水力发电机13上游的位置处，旁路通道L13的另一端与高浓度水用排出通道L6连接。通过高浓度旁路通道L13，自第一子单元8流出的高浓度水流进高浓度排出通道L6，而不经由第二子单元12。因此，减小了供至第二子单元12的高浓度水的流量。
此外，如图10所示，可以布置高浓度侧旁路通道L14。在中间能量回收单元16上游的位置处，旁路通道L14自高浓度水用中间通道L4分支，并且在水力发电机13下游的位置处，旁路通道L14与高浓度水用排出通道L6连接。水力发电机13a布置于旁路通道L14。也就是，通过旁路通道L14，将自第一子单元8排出的一部分高浓度水供给至水力发电机13a。借助于这种结构，减小了供给至第二子单元12的高浓度水的流量。
4.第十一至第十五实施例
浓度差发电装置在各子单元的下游侧可以包括能量回收单元，布置该能量回收单元，以使供给至子单元的水增压，或者使供给至布置于该子单元上游的子单元的水增压，同时利用自该子单元流出的水的压力能。可用作这种能量回收单元的是等压(压力交换)式装置以及涡轮增压器，其能消除对泵的需求，并因此得到高能量效率。下面说明这种结构的示例。
在图11和图12所示的结构中，取代图6所示结构中所包括的中间能量回收单元16，布置能量回收单元20。在图11和图12中，能量回收单元20布置在高浓度水用中间通道L4中。利用自第一子单元8排出的高浓度水的压力能，能量回收单元20使供给至第一子单元8的高浓度水增压。具体而言，在图11中，能量回收单元20使供给至高浓度预处理单元6的高浓度水增压，从而，使供给至第一子单元8的高浓度水增压。在图12中，能量回收单元20使自高浓度预处理单元6排出的高浓度水增压，从而，使供给至第一子单元8的高浓度水增压。能量回收单元20的结构没有特别限制。可应用为能量回收单元20的是例如利用水力发电机将水流转换为电力的装置，例如以上所述，以使泵工作。
在图11和图12所示的结构中，自第一子单元8排出的高浓度水全部供给至能量回收单元20。与此不同，在图13中，取代能量回收单元20，布置能量回收单元22。此外，如图13中所示，可以布置旁路通道L14，其自高浓度水用中间通道L4分支，并且在水力发电机13下游的位置处与高浓度排出通道L6连接。通过旁路通道L14，将自第一子单元8排出的一部分高浓度水供给至能量回收单元22。在使用等压式能量回收装置作为能量回收单元22的情况下，调节供给至能量回收单元22的高浓度水的流量，以使其等于供给至第一子单元8的高浓度水的流量。可以借助于将阀打开／关闭、使泵工作、调节通道直径等，调节供给至能量回收单元22的水的流量。
此外，如图14和图15中所示，在其它多处位置都可以回收浓度差发电装置中的压力能，并且，所回收的压力能可以用于各部分中的增压。
在图14所示的实施例中，能量回收单元23回收自第二子单元12排出的一部分高浓度水(即：通过高浓度排出通道L6的高浓度水)的压力能，并且，利用所回收的压力能使供给至第二子单元12的高浓度水增压。具体而言，旁路通道(分支通道)L17自高浓度水用排出通道L6分支。已通过通道L17的高浓度水向能量回收单元22供给压力能，然后，再次加入高浓度水用排出通道L6。与高浓度排出通道L6的情况一样，在旁路通道L17上也可以布置阀11和水力发电机13a。
在图15所示的实施例中，在能量回收单元23下游的位置处，旁路通道L18进一步自旁路通道L17分支。能量回收单元23布置于旁路通道L18。能量回收单元23进一步回收自通过能量回收单元22的一部分高浓度排出水的压力能，并且使供给至第一子单元8的高浓度水增压。
5.第十六至第二十实施例
在图1至图15、图25、以及图26中，说明了平行供给(平行方式流动)的情况。在图16至图23所示的结构中，使高浓度水和低浓度水彼此逆流方式供给。
在图16中，高浓度水通过高浓度水进水泵5、高浓度预处理单元6、以及增压泵7，并且首先供给至第二子单元12。在第二子单元12中，发生水自低浓度侧至高浓度侧的正渗透，并且，这导致高浓度水流量的增大。之后，借助于阀或中间水力发电机(图16中的中间能量回收单元16)，使高浓度水压力减小，然后，供给至第一子单元8。在第一子单元8中，水自低浓度侧向高浓度侧移动，并且，进一步增加高浓度水的量。通过了第一子单元8的高浓度水通过水力发电机13，然后自系统排出。
另一方面，通过了低浓度水进水泵2和低浓度预处理单元3的低浓度水供给至第一子单元8。在第一子单元8中，由正渗透使水自低浓度侧向高浓度侧移动，然后，将低浓度水供给至第二子单元12。同样地，在第二子单元12中，如上所述，水自低浓度侧向高浓度侧移动。使通过了第二子单元的低浓度水自系统排出。
同样地，在图16中，将调节设计流量的子单元应用为第一子单元8和第二子单元12。
同样，在低浓度水和高浓度水作为逆流供给的情况下，可以布置与图7中相同的旁路通道L11，如图17中所示。借助于旁路通道L11，对流过第一子单元8的低浓度水量以及流过第二子单元12的低浓度水量进行调节。
此外，如图18中所示，可以布置与第二子单元12平行的旁路通道L12。旁路通道L12将高浓度水自高浓度水用供给通道L2(即：自第二子单元12上游的位置)供向高浓度水用中间通道L4。因此，能提高供给至第一子单元8的高浓度水的浓度。
此外，如图19中所示，高浓度水用旁路通道L14可以布置成与第一子单元8平行。这种结构使得能调节供给至第一子单元8的高浓度水量。
当然，这些旁路通道各自可以布置在一个位置处或多个位置处。同样地，在逆流供给的情况下，与平行供给的情况一样，除了在第二子单元12之前降低高浓度侧压力之外，可以在第二子单元12之前使低浓度侧增压。图20中示出二者都应用的情况。此外，与图26中所示的装置类似，本装置可以进一步包括半透膜脱盐单元27，如图27中所示。
在本说明书中，应当注意以下所列情况。在逆流供给中，虽然如上所述低浓度水和高浓度水在子单元之间彼此逆流方式流动，但在各子单元中低浓度水和高浓度水是否彼此逆流方式流动并不重要。然而，当低浓度水和高浓度水在各子单元中也逆流方式流动时，得到更好的渗透压平衡。这种结构因此是有效的。
在逆流供给模式中应用能量回收单元的适当示例包括，例如图21中所示的结构。在图21中，将一部分高浓度排出水供给至能量回收单元23，并且利用所回收的能量使供给至第一子单元8的高浓度水增压，同时将其余高浓度排出水供给至水力发电机13。具体而言，布置有自高浓度水用排出通道L6分支的通道L17，并且该通道L17将高浓度水供给至能量回收单元23。
这种能量回收装置23适宜是等压式装置或涡轮增压器。采用这些装置，可以直接回收能量(也就是，能直接使高浓度水增压)而无需使用泵。
在这种情况下，自能量回收单元23排出的高浓度侧中间水25具有的压力，常常接近于自第二子单元12排出的高浓度水所拥有的压力，并且将压力施加至所有高压侧通道和低压侧通道。为此，使用具有适当耐压性能的装置作为能量回收单元。
此外，发电机13a可以布置在设置有能量回收单元23的通道上。在图21中，将阀11布置在能量回收单元23与发电机13a之间。
顺便提及，在图21中，中间增压泵24布置于高浓度水用中间通道L4上。借助于中间增压泵24，补偿能量回收的不足，并且，在开始操作装置时，将高浓度水平稳地供给至第一子单元8。特别地，出于灵活性的观点，优选布置反用换流器(inverter)。
如图22中所示，例如，对于使高浓度水增压，可以利用来自能量回收单元23的高浓度侧中间水25。也就是，通道L17可以分支成：向发电机13a供给高浓度中间水用通道，以及，向能量回收单元22供给水用通道。能量回收单元22利用中间水25的压力使供给至上游子单元12的高浓度水增压。也就是，图22中所示的结构是这样一种实施例的示例，其中，通过布置在下游也就是下游子单元8的出口处的能量回收单元，使上游子单元12增压。
5.第二十三实施例
以上说明了半透膜单元由两个子单元构成的情况。然而，半透膜单元也可以由三个或更多个子单元构成。当低浓度水与初始高浓度水之间有较大浓度差时，大量水在上游子单元中进行渗透，因此，通过增加子单元的数量，能提供更大的渗透通量。图23示出其示例，其中，将由两个子单元构成的图22中所示浓度差发电装置改造成由三个子单元构成的浓度差发电装置。
6.第二十五至地二十七实施例
如图25中所示，可以布置脱盐单元27作为压力改变机构。脱盐单元27是包括半透膜的过滤脱盐装置。
通过高浓度水用中间通道L4将自第一子单元8排出的高浓度水供给至脱盐单元27。在脱盐单元27中，利用压力能得到脱盐水和浓缩液。将浓缩液作为高浓度水供给至第二子单元12。在这种实施例中，进一步布置脱盐水槽29、以及自脱盐单元27延伸至脱盐水槽29的通道L7。通过通道L7供给并贮存在脱盐水槽29中之后，在系统外可以使用脱盐水。
在图26所示的结构中，布置通道L8，其连接脱盐水槽29与低浓度水用中间通道L3。通过通道L8，自脱盐水槽29向第二子单元12供给脱盐水作为低浓度水。也就是，供给从第一子单元8排出的一部分高浓度水，作为用于第二子单元12的低浓度水。因此，能减轻第二子单元12中的低浓度水量波动。
这里所应用的脱盐单元27可以是具有适当脱盐性能的任何脱盐单元。适当的脱盐性能可以是这样的性能，在所得到的脱盐水用作低浓度水的情况下，此脱盐水具有的盐浓度低于流进待供给此脱盐水的子单元的高浓度水。具体而言，可以使用这样的方法，其中，半透膜的结构以及脱盐单元的操作条件设定为，导致脱盐率为90％或更高，更宜为95％或更高。
如上所述，半透膜脱盐单元27可以布置于如图27中所示的高浓度水用中间通道L4上，与图26中所示的结构中一样。
6.子单元的结构
各子单元的结构、尺寸等并不限定于具体的那些结构、尺寸等。例如，分离装置可以应用作为子单元，该分离装置包括压力容器以及布置在压力容器中的流体分离元件(分离元件)。流体分离元件包括壳体以及填充在壳体中的半透膜，该膜为中空纤维膜或平板膜的形式。当半透膜是平板膜时，流体分离元件包括例如多层结构，该多层结构通过层叠半透膜和通道材料形成，并且具有在其壁中形成有大量孔的筒状中心管。在这样一种流体分离元件中，半透膜和通道材料附接于中心管的外周，并且可以处于平坦状态或者处于缠绕于中心管周围的状态。
作为半透膜的材料，可以使用聚合物材料，例如乙酸纤维素基聚合物、聚酰胺、聚酯、聚酰亚胺、乙烯基聚合物等。
半透膜可以是：非对称膜，该非对称膜包括构成其至少一个表面的致密层，并且具有细孔，细孔的直径自致密层朝膜的内部或朝另一表面逐渐增大；或复合膜，该复合膜包括致密层(其为非对称膜)以及形成于其上的由另外材料制成的极薄功能层。
7.关于其它构成因素等
在上述实施例中，低浓度水和高浓度水可以是任意水溶液，当通过半透膜彼此接触时，由于渗透压差异导致渗透流动。也就是，术语“低浓度水”通常指具有相对低的盐浓度的水，而术语“高浓度水”指盐浓度高于低浓度水的水。低浓度水和高浓度水的盐浓度并不局限于特定值。然而，低浓度水与高浓度水之间浓度差较大是适宜的，因为在这种水组合中内在地具有大量能量。具体而言，高浓度水适宜是，例如海水、浓缩海水、氯化钠水溶液、糖水溶液、或者含具有高溶解度溶质例如溴化锂的水溶液，并且用其得到高渗透压。特别地，海水及其浓缩液容易从自然界得到。另一方面，低浓度水可以是渗透压低于高浓度水的任意液体，例如纯水、河水、地下水、或者由污水处理得到的水。河水以及由污水处理得到的水是合适的，因为这类水能以低成本获得，并且具有适合用作低浓度水的浓度。
预处理单元3和预处理单元6也没有特别限制，以及，根据供给至各单元等的供水质量，可以应用悬浮物去除、灭菌等。
在必须从供水中去除悬浮物的情况下，砂滤或者应用精滤膜或超滤膜是有效的。在这种水含有大量微生物例如细菌和藻类的情况下，添加杀菌剂也是适宜的。优选的是使用氯作为杀菌剂。例如，优选方法是，依据游离氯的浓度，按1～5毫克／升范围内的量，向供水中添加氯气或次氯酸钠。顺便提及，有些半透膜对于特定杀菌剂没有耐化学性。在这种情况下，适宜的是，在尽可能上游的位置处向供水添加杀菌剂，以及，在半透膜单元的供水进口附近使杀菌剂无效。例如，在采用游离氯的优选方法中，测量游离氯的浓度，并且，基于测量值，控制氯气或次氯酸钠的添加量，或者添加还原剂，例如，亚硫酸氢钠。在除悬浮物之外供水还含有细菌、蛋白质、天然有机物等的情况下，有效的是添加凝结剂，例如聚(氯化铝)、硫酸铝、氯化铁等。用斜板等处理经过凝结的供水，以沉积凝结物，然后，使供水经过砂滤，或者，用由束在一起的多个中空纤维膜构成的精滤膜或超滤膜进行过滤。这样，能使供水适合于通过后级半透膜单元。特别优选的是，在添加凝结剂之前，应当调节pH值，以有利于凝结。
在这里使用砂滤作为预处理的情况下，可应用水自然向下流动的重力过滤，或者，可应用采用填充有砂子的压力箱的加压过滤。虽然要填充进其中的砂子可以是单一成分构成的砂子，但可以使用例如无烟煤、硅石、石榴石、浮石等的组合，以提高滤过效率。精滤膜和超滤膜也没有特别限制，并且，使用时可以适当由平板膜、中空纤维膜、管状膜、折叠式膜、以及任意其它形状的膜构成。膜的材料也没有特别限制，并且可以使用聚丙烯腈、聚(苯基砜)(poly(phenylsulfone))、聚苯硫醚砜、聚偏(二)氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚乙烯醇、乙酸纤维素、或者无机材料例如陶瓷。关于过滤方式，可以采用：加压的同时对供水进行过滤的加压过滤方式，或者，自渗透侧吸水的同时对供水进行过滤的吸滤方式。特别地，在吸滤方式的情况下，还优选应用所谓的凝结／膜过滤或膜生物反应器(MBR)，其中将精滤膜或超滤膜浸在混凝沉淀槽或生物处理槽中，以用其进行过滤。
另一方面，在供水含有大量溶解有机物的情况下，通过添加氯气或次氯酸钠，能使这些有机物分解。通过进行加压过滤或活性炭过滤，也能去除溶解有机物。在含有大量溶解无机物的情况下，适宜的方法是添加有机聚合物电解质或螯合剂例如六偏磷酸钠，或者，使用离子交换树脂等来将溶解无机物交换成可溶性离子。在铁或锰以溶解状态存在的情况下，适宜的是使用曝气氧化过滤法、接触氧化过滤法等。
出于以高效率运行根据本发明的发电装置的目的，还可以预先去除特定离子及聚合物等，以及，还可以在预处理中使用纳滤膜。
8.实施例的组合
各实施例中所说明的各构成部件(例如通道、能量回收单元、阀、以及泵)的数量和位置可以变化。分开的图中所示的结构可以互相组合。也就是，本发明的实施例还包括，通过省略、添加或组合从不同实施例说明的结构中所得到的实施例。
此外，使用本文所描述的浓度差发电装置的任何发电方法在本发明的技术范围内。
<操作方法>
相对于这里所描述的发电装置的所有实施例，适宜的是，为了防止各子单元中的渗透通量变得过高，应当调节各子单元中的渗透通量，使其最大值保持为设定值或更低。为了这样控制渗透通量，可以使用一种方法，其中在各子单元中渗透通量已经变得很可能超过设定上限时，相对于低浓度侧压力使此子单元中高浓度侧增压。也就是，通过使存在于该子单元中的高浓度水增压，或者，通过使低浓度水降压，或者通过使低浓度水降压的同时使高浓度水增压，都能完成此控制。
作为举例，使用图1的结构给出说明。在第一子单元8中渗透通量变得很可能超过上限的情况下，通过(a)增加增压泵7的输出和／或(b)减小阀11的开度，能相对使高浓度侧增压。因此，避免第一子单元8中渗透通量增大。
在第二子单元12中渗透通量变得很可能超过设定上限的情况下，通过增大阀11的开度，能使第二子单元12中的高浓度侧增压。
此外，在第一子单元和第二子单元的各单元中，通过使低浓度侧降压，能得到与通过使高浓度侧增压所产生的相同效果。
具体而言，根据依照ASTM D4189-95所测得的低浓度水的SDI(淤积密度指数)，可以控制各子单元的渗透通量。例如，各子单元中的渗透通量，在SDI<1时可以调节至小于或等于42.5lmh，以及，在1≤SDI≤5时调节至小于或等于(50-7.5×SDI)lmh。符号“lmh”是表示每平方米每小时的升数(L／m2／h)。这种控制更有效地避免子单元的积垢，提供更稳定操作的可能。
顺便提及，在SDI>5的情况下，可以使操作停止。然而，应当注意到，即使SDI>5，子单元也能操作，以及，基于所要使用的低浓度水的状态等，也能设定操作停止的条件。
<比较例>
在图24所示的实施例中，浓度差发电装置包括未被分开的半透膜单元200。在半透膜单元200中，在通过通道L102供给的高浓度水用进口附近，在高浓度水与低浓度水之间有较大浓度差，因此，渗透通量较高。与之相反，在高浓度水用出口附近，浓度差较小，因此，渗透通量较低。因此，上述问题易于出现。顺便提及，符号L101表示低浓度水用供给通道，L105表示低浓度水用排出通道，以及，L106表示高浓度水用排出通道。
工业实用性
本发明涉及一种装置以及操作该装置的方法，其中，使具有低渗透压的低浓度水与具有高渗透压的高浓度水通过置于其间的半透膜互相接触，并且，利用由于正渗透现象所得到的渗透流动为能源，进行水力发电。具体而言，本装置包括多个子单元，并且优化各子单元中的有效压力差，从而，使得能有效并且稳定地进行水力发电。
附图标记及符号说明
1：低浓度水槽
2：低浓度水进水泵
3：低浓度预处理单元
4：高浓度水槽
5：高浓度水进水泵
6：高浓度预处理单元
7：增压泵
8：第一子单元
11：阀(高浓度侧；中间)
11a：阀(低浓度侧；排出)
12：第二子单元
13.水力发电机(高浓度侧；排出)
13a：水力发电机(高浓度侧；中间)
13b：水力发电机(高浓度侧；中间；第二)
16：中间能量回收单元
17：中间增压泵
18：增压泵(第一)旁路
18a：增压泵(第二)旁路
19：阀(第一)旁路
19a：阀(第二)旁路
20：能量回收单元(使高浓度水增压、或使高浓度侧经预处理的水增压)
21：中间增压泵
22：能量回收单元(使经预处理的水增压)
23：能量回收单元(中间；增压)
23a：能量回收单元(中间；增压；第二)
24：中间增压泵
24a：中间增压泵(第二)
25：高浓度侧中间水
26：第三子单元
27：半透膜脱盐单元
29：脱盐水槽
30：脱盐水供给泵
101-127，200：半透膜单元
L1，L101：低浓度水用供给通道
L2，L102：高浓度水用供给通道
L5，L105：低浓度水用排出通道
L6，L106：高浓度水用排出通道
L7：脱盐水用通道
L8：脱盐水用供给通道
L11：低浓度水用旁路通道
L12-L14：高浓度水用旁路通道
L17，L18：自高浓度水用排出通道的分支通道
L41-L42：高浓度水用中间通道
L31-L32：低浓度水用中间通道

Claims (14)

1.一种浓度差发电装置，其中，使浓度不同的高浓度水与低浓度水通过半透膜单元互相接触，该半透膜单元包括半透膜，以及，由正渗透压导致水从低浓度侧渗透至高浓度侧，致使高浓度水量增加，利用该高浓度水量增加驱动发电机发电，
其中，所述半透膜单元分成为多个子单元，并且包括连接所述子单元的高浓度侧中间通道和低浓度侧中间通道，以及
所述浓度差发电装置包括压力改变机构，所述压力改变机构布置于所述高浓度侧中间通道和所述低浓度侧中间通道的至少之一上，并且，从而提供以下控制：依照ASTM D4189-95测得的所述低浓度水的SDI(淤积密度指数)，在SDI＜1时，将所述子单元的单位膜面积渗透量最大值调节至小于或等于42.5 1mh，以及，在1≤SDI≤5时，将所述子单元的单位膜面积渗透量最大值调节至小于或等于(50-7.5×SDI)1mh。
2.根据权利要求1所述的浓度差发电装置，其中，所述压力改变机构包括能量回收单元和脱盐单元的至少之一。
3.根据权利要求2所述的浓度差发电装置，其中，所述压力改变机构包括等压式能量回收单元。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项权利要求所述的浓度差发电装置，其包括旁路通道，用于使要供给到位于低浓度水流动方向上游的子单元的一部分低浓度水，供给到位于下游的至少一个子单元。
5.根据权利要求1至权利要求3中任一项权利要求所述的浓度差发电装置，其进一步包括这样一种通道，该通道用于使位于高浓度水流动方向上游的子单元排出的一部分高浓度水供给到所述发电机，
以及，包括这样一种通道，该通道用于使排出的其余高浓度水供给到位于下游的至少一个子单元。
6.根据权利要求1至权利要求3中任一项权利要求所述的浓度差发电装置，该浓度差发电装置包括能量回收单元，该能量回收单元布置在所述高浓度水用中间通道上，位于至少一个子单元的出口处，以及
所述能量回收单元使所述子单元或位于其上游的子单元增压。
7.根据权利要求1至权利要求3中任一项权利要求所述的浓度差发电装置，其构造成使得所述高浓度水和所述低浓度水以彼此大致平行的方式供给到所述子单元。
8.根据权利要求1至权利要求3中任一项权利要求所述的浓度差发电装置，其构造成使得所述高浓度水和所述低浓度水以彼此大致逆流的方式供给到所述子单元。
9.根据权利要求1至权利要求3中任一项权利要求所述的浓度差发电装置，在布置于所述子单元之间的所述低浓度水用中间通道的至少之一上，所述浓度差发电装置包括增压泵作为所述压力改变机构。
10.根据权利要求1至权利要求3中任一项权利要求所述的浓度差发电装置，在布置于所述子单元之间的所述高浓度水用中间通道的至少之一上，所述浓度差发电装置包括增压泵作为所述压力改变机构。
11.根据权利要求9所述的浓度差发电装置，其中，所述装置包括等压式能量回收单元作为所述压力改变机构，
所述等压式能量回收单元与承压侧排出通道连接，以及
所述承压侧排出通道与发电单元连接。
12.根据权利要求10所述的浓度差发电装置，其中，所述装置包括等压式能量回收单元作为所述压力改变机构，
所述等压式能量回收单元与承压侧排出通道连接，以及
所述承压侧排出通道与发电单元连接。
13.一种操作浓度差发电装置的方法，
其中，在所述浓度差发电装置中，使浓度不同的高浓度水和低浓度水通过半透膜单元互相接触，该半透膜单元包括半透膜，以及，由正渗透压导致水从低浓度侧渗透至高浓度侧，致使高浓度水量增加，利用该高浓度水量增加驱动发电机发电，
所述半透膜单元分成为多个子单元，并且包括连接所述子单元的高浓度水用通道和低浓度水用通道，以及，所述装置包括压力改变机构，于所述高浓度水用通道和所述低浓度水用通道的至少之一上布置该压力改变机构，以及
所述方法包括控制所述装置，使得至少一个子单元的单位膜面积渗透量的最大值保持小于或等于设定值。
14.根据权利要求13所述的操作浓度差发电装置的方法，其包括这样一种操作，在该操作中，依照ASTM D4189-95测得的所述低浓度水的SDI(淤积密度指数)，在SDI＜1时，将所述子单元的单位膜面积渗透量最大值调节至小于或等于42.5 1mh，以及，在1≤SDI≤5时，将所述子单元的单位膜面积渗透量最大值调节至小于或等于(50-75×SDI)1mh。
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