CN103603764B - 盐差能分级发电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盐差能分级发电系统，包括：多个渗透装置串联形成的多级渗透装置，其中，每个渗透装置包括由多个渗透膜元件并联而成用以将不同浓度的溶液分成高浓度侧和低浓度侧的渗透级；多个水轮机，其中每个渗透装置的高浓度侧对应一个水轮机，且各水轮机同轴连接，用以驱动发电机工作；在渗透级的高浓度侧和低浓度侧分别通入高浓度溶液和低浓度溶液后，渗透级可将渗透压差转变成高浓度侧流体静压，并利用在各渗透级施加的相应大小的背压，即可驱动各水轮机转动进而驱动发电机工作。本发明还公开了一种盐差能分级发电方法。本发明通过对不同的级施加不同的背压，使得系统输出功更接近最大值，提高了膜的功率密度。同时，渗透膜得到了比较充分的利用。

Description

盐差能分级发电系统及方法

技术领域

本发明属于盐差能技术领域，具体涉及一种盐差能发电系统和方法。

背景技术

随着人类认识的加深，能源危机和环境污染日益凸显，新能源的开发利用是解决这些问题的必由之路，刻不容缓。盐差能是海水和淡水之间或两种不同浓度的溶液之间的化学电位差能，是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源。据估算，我国沿海盐差能资源蕴藏量约为3.9×10¹⁵J，理论功率约为1.25×10⁸kW。目前海水盐差能发电技术主要有渗透压法、蒸汽压法和反电渗析电池法三种。

其中，蒸汽压法设备庞大、昂贵，虽然其避免使用了昂贵的半透膜，但是随着膜技术的发展其优势逐渐弱化。渗透压能法和反电渗析法的核心是渗透膜。目前采用这两种方法发电的成本都很高，设备投资大；能量转化效率低，能量密度小。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷，本发明的目的在于提供一种用于盐差能分级发电系统和方法，通过分级并且在不同的级采用不同的背压，使得半透膜得到更充分的利用，从而减少了因为渗透压沿程衰减而造成的膜的浪费，提高了单位膜面积的发电功率。

为了实现以上目的，按照本发明的另一方面，提供一种盐差能分级发电系统，包括：

多个渗透装置串联形成的多级渗透装置，其中，每个渗透装置包括由多个渗透膜元件并联而成用以将不同浓度的溶液分成高浓度侧和低浓度侧的渗透级；

多个水轮机，其中每个渗透装置的高浓度侧对应一个水轮机，且各水轮机同轴连接，用以驱动发电机工作；

在所述渗透级的高浓度侧和低浓度侧分别通入高浓度溶液和低浓度溶液后，所述渗透级可将渗透压差转变成高浓度侧流体静压，并利用在各渗透级施加的相应大小的背压，即可驱动各水轮机转动进而驱动发电机工作。

作为本发明的改进，所述在各渗透级施加的背压大小根据该级两侧流体平均渗透压的变化同步变化。

作为本发明的改进，所述在各渗透级施加的背压大小为该级两侧流体平均渗透压的1/2。

作为本发明的改进，该系统还包括与各渗透级一一对应的多个压力交换器，每个压力交换器与对应的渗透级的高浓度侧相通，用于回收该级渗透后高浓度侧溶液的压力能，以给进入渗透级高浓度测的新溶液加压。

作为本发明的改进，该系统还包括与每一个渗透级对应的循环泵，用于将每一级渗透装置高浓度侧排出的溶液泵入所述压力交换器。

作为本发明的改进，该系统还包括一个浓盐水泵和一个淡盐水泵，分别用于将高浓度溶液和低浓度溶液泵入第一个渗透级的高压侧和低压侧。

作为本发明的改进，所述系统还包括浓缩装置，其设置在最后一级渗透级的高浓度侧，用于回收经过渗透被稀释的高浓度侧溶液，以用于循环利用。

作为本发明的改进，所述系统中的渗透装置为两个或两个以上。

本发明中，每一级渗透装置都包括由一定数量的渗透膜元件并联而成的渗透级，将不同浓度的溶液分成高浓度侧和低浓度侧，并将渗透压差转变成高浓度侧流体静压。

本发明中，水轮机用于将流体的压力能转化为轴的旋转机械能，还包括一个发电机，其输入轴与水轮机的输出轴相连，将水轮机的机械能转化为电能。水轮机和发电机通过驱动轴相连，其向发电机传递水轮机的驱动力。

本发明中，两个压力交换器，用于回收每一级渗透后高浓度侧溶液的压力能，给进入渗透级高浓度侧的新溶液加压。两个循环泵用于将每一级渗透装置高浓度侧排出的溶液泵入压力交换器；一个浓盐水泵用于将高浓度溶液从浓缩装置泵入第一级压力交换器中，一个淡盐水泵，用于将低浓度溶液泵入第一级渗透装置的低浓度侧；一个浓缩装置用于回收经过渗透被稀释的高浓度侧溶液。

按照本发明的另一方面，提供一种盐差能分级发电方法，包括：

设置由多个渗透装置串联形成的多级渗透装置，其中，每个渗透装置包括由多个渗透膜元件并联而成用以将不同浓度的溶液分成高浓度侧和低浓度侧的渗透级；

在所述渗透级的高浓度侧和低浓度侧分别通入高浓度溶液和低浓度溶液后，并通过所述渗透级将渗透压差转变成高浓度侧流体静压，

在各渗透级施加相应大小的背压，根据上述背压即可驱动与每个渗透装置的高浓度侧对应的水轮机转动，从而驱动发电机工作。

作为本发明的改进，所述在各渗透级施加的背压大小根据该级两侧流体平均渗透压的变化同步变化。

作为本发明的改进，所述在各渗透级施加的背压大小为该级两侧流体平均渗透压的1/2。

本发明中，浓度的高低是相对而言的，并不做具体规定，可根据实际情况选用。一般情况下，多以海水和淡水作为提取盐差能的工作介质，但是并不是唯一的方案；高、低浓度溶液浓度的浓度差的高低直接影响着膜的功率密度，理论上浓度差越大，膜的功率密度越大，但是根据具体膜的性质，会限制可以长期使用的最大浓度差，而且浓度差的确定过程中也要考虑工作介质的制备以及处理成本。实际过程中，可以采用控制变量法分别对高、低溶液浓度进行研究，确定其最经济值；高、低浓度溶液流量配比的确定，可同时考虑两侧溶液的成本，以及流量配比跟提取自由能的关系决定。在海水和淡水进行渗透的时候，推荐海水的流量是淡水的2倍左右，可适当提高倍率。另外，高、低浓度溶液流量的确定，可以根据发电厂的设计容量、特定浓度差溶液可提取的能量密度来决定。

本发明中，渗透膜元件数量的确定，可以综合考虑发电厂容量、特定浓度差下平均功率密度确定所需半透膜的面积，再根据具体元件型号确定膜元件的数量。

本发明中，在渗透过程中，当背压ΔP为当地渗透压差ΔΠ的1/2时，膜功率密度达到最大。但是，随着溶液的流动，高、低浓度溶液的浓度差逐渐减小，相应的膜的功率密度逐渐降低，根据此原理，对于确定的高、低浓度溶液和确定的背压，以膜的长度为自变量，以膜的当地功率密度为目标函数，确定分级点。

背压的确定中，无论是第一级发电系统，还是第二级发电系统，其背压都是该级膜两侧流体平均渗透压的1/2。但是由于沿程压力变化，仍需要进行微分，确定出最佳背压。

本发明中，关于分级数量即串联的渗透装置的数量，优选以两级作为介绍对象，但是可以分为多级。

总体而言，本发明的盐差能分级发电装置和方法，与传统的盐差能发电技术相比，有以下优点：

盐差能分级发电考虑到随着渗透过程的进行，渗透压差的变化，通过对不同的级施加不同的背压，使得系统输出功更接近最大值，提高了膜的功率密度。同时，因为渗透膜得到了比较充分的利用，从而提高了膜的经济效益。其次，功率密度的提高缩短了投资回收期，有助于盐差能渗透发电技术的商业化。

附图说明

图1是按照本发明的盐差能分级发电系统的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记代表相同的技术特征，其中：

1-高浓度侧泵，

2-第一级压力交换器，

3-低浓度侧泵，

4、5、6-第一级渗透装置，其中，4-高浓度侧5-半透膜6-低浓度侧，

7-第一级水轮机，

8、9、10-第二级渗透装置，其中，8-高浓度侧9-半透膜10-低浓度侧，

11-第二级水轮机，

12-发电机，

13-联轴器，

14-第一级循环泵，

15-第二级循环泵，

16-第二级压力交换器，

17-浓缩装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。此处说明若涉及到具体实例时仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示是按照本发明实施例的盐差能分级发电流程图，其中图中的箭头表示工质流向，其中两级渗透装置为示意图，不能理解为简单的一张半透膜将容器分为两个腔室，实际是由多个渗透膜元件并联而成。

本实施例的盐差能分级发电系统，包括两级渗透装置、两个压力交换器2和16、两个水轮机7和11、一个发电机12、两个循环泵14和15、一个高浓度侧泵1、一个低浓度侧泵3、一个浓缩装置17。

其中，每一级渗透装置都包括由一定数量的渗透膜元件并联而成的渗透级，将不同浓度的溶液分成高浓度侧和低浓度侧，并将渗透压差转变成高浓度侧流体静压。具体地，本实施例中，第一级渗透装置包括高浓度侧4，半透膜5和低浓度侧6，第二级渗透装置包括高浓度侧8，半透膜9和低浓度侧10，

两个水轮机7和11通过联轴器13同轴联动，其用于将流体的压力能转化为轴的旋转机械能。

发电机12的输入轴与水轮机的输出轴相连，其向发电机12传递水轮机的驱动力，将水轮机7和11的机械能转化为电能。

两个压力交换器2和16，其两侧分别流过渗透级进、出口的高浓度溶液，用于回收各级渗透后高浓度侧4和8的溶液的压力能，给进入渗透级高浓度侧的新溶液加压。

两个循环泵14和15，将渗透装置的出口与压力交换器相连，分别用于将对应级的渗透装置高浓度侧4和8排出的溶液泵入对应的压力交换器，目的在于回收部分能量；

高浓度侧泵1用于将高浓度溶液从浓缩装置17泵入第一级压力交换器2中；低浓度侧泵3将低浓度溶液与第一级渗透装置的低浓度侧6连通，用于供给整个系统所需的低浓度溶液。

浓缩装置17用于回收经过渗透被稀释的高浓度侧溶液。

本发明中，浓度的高低是相对而言的，并没有具体规定，可根据实际情况选用。

本实施例中，高、低浓度溶液溶质的确定，一般情况下，多以海水和淡水作为提取盐差能的工作介质，但是并不是本发明唯一的方案；

本实施例中，高低浓度溶液浓度的确定，其浓度差的高低直接影响着膜的功率密度，理论上浓度差越大，膜的功率密度越大，但是根据具体膜的性质，会限制可以长期使用的最大浓度差，而且浓度差的确定过程中也要考虑工作介质的制备以及处理成本。

本实施例中，高低浓度溶液流量配比的确定，可同时考虑两侧溶液的成本，以及流量配比跟提取自由能的关系决定。在高浓度溶液和低浓度溶液进行渗透的时候，本实施例中可以优选高浓度溶液的流量是低浓度溶液的2倍左右，但并不限定于该倍率，例如也可适当提高倍率。高低浓度溶液流量可以根据发电厂的设计容量、特定浓度差溶液可提取的能量密度具体确定。

本实施例中，渗透膜元件数量可以综合考虑发电厂容量、特定浓度差下平均功率密度确定所需半透膜的面积，再根据具体元件型号确定膜元件的数量。

根据渗透原理，延迟压力渗透的功率密度为：

W=L_pA(Δπ-ΔP)ΔP

其中，L_p是水渗透系数，A是渗透面积，△π是渗透压差，△P是外加压力，即背压。该功率密度函数中，水渗透系数为常数，A是渗透面积与设备相关，在设备确定后其即可认为常数，实际上函数是一个关于外加压力△P的抛物线。在渗透过程中，当背压△P为当地渗透压差△π的1/2时，膜功率密度达到最大。但是，随着溶液的流动，高、低浓度溶液的浓度差逐渐减小，相应的膜的功率密度逐渐降低。这直接影响整个系统的发电量，但是往往被忽视，本实施例通过对其进行分级，不同级施加以不同的背压，就像一个追踪装置，使背压接近当地渗透压差△π的1/2，大大提高其功率。

本实施例，根据上述原理，对于确定的高、低浓度溶液和确定的背压，以膜的长度为自变量，以膜的当地功率密度为目标函数，确定分级点。

本案例中，背压是外加的压力，背压的形成与渗透压、溶液浓度没有关系。但是最优背压的选取却和溶液的浓度以及流量配比是有关的。背压的作用是为渗透提供一个势垒，也就是由于浓度差而渗透通过半透膜的那一部分流体，在进入高浓度侧以后，其原本的渗透压转变成为了高浓度侧的背压。背压会延滞渗透过程，即减小渗透的体积流量，但是背压的存在使得渗透的流体克服压差做功，正是这个做功的过程实现的能量转化。也正是由于背压的存在，因此这种技术叫做压力延滞渗透。

本案例中，无论是第一级发电系统，还是第二级发电系统，其背压都是该级膜两侧流体平均渗透压的1/2。但是由于沿程压力变化，仍需要进行微分，计算出最佳背压。

本发明中对于渗透级数并不限定于上述实施例中的两级渗透，渗透分级的数量可以为多级，本实施例中仅是为了描述方便优选采用两级渗透装置。

本实施例中，压力交换器并非为必需的设备，其他节能的设施亦可对系统做出改进。

本实施例中，对于加背压的方式不做限制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种盐差能分级发电系统，包括：

多个渗透装置串联形成的多级渗透装置，其中，每个渗透装置包括由多个渗透膜元件并联而成用以将不同浓度的溶液分成高浓度侧和低浓度侧的渗透级；

多个水轮机，其中每个渗透装置的高浓度侧对应一个水轮机，且各水轮机同轴连接，用以驱动发电机工作；

在所述渗透级的高浓度侧和低浓度侧分别通入高浓度溶液和低浓度溶液后，所述渗透级可将渗透压差转变成高浓度侧流体静压，并利用在各渗透级施加的相应大小的背压，即可驱动各水轮机转动进而驱动发电机工作，

其中，所述在各渗透级施加的背压大小根据该级两侧流体平均渗透压的变化同步变化，为该级两侧流体平均渗透压的1/2。

2.根据权利要求1所述的一种盐差能分级发电系统，其特征在于，该系统还包括与各渗透级一一对应的多个压力交换器，每个压力交换器与对应的渗透级的高浓度侧相通，用于回收该级渗透后高浓度侧溶液的压力能，以给进入渗透级高浓度侧的新溶液加压。

3.根据权利要求2所述的一种盐差能分级发电系统，其特征在于，该系统还包括与每一个渗透级对应的循环泵，用于将每一级渗透装置高浓度侧排出的溶液泵入所述压力交换器。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种盐差能分级发电系统，其特征在于，该系统还包括一个浓盐水泵和一个淡盐水泵，分别用于将高浓度 溶液和低浓度溶液泵入第一个渗透级的高压侧和低压侧。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种盐差能分级发电系统，其特征在于，所述系统还包括浓缩装置，其设置在最后一级渗透级的高浓度侧，用于回收经过渗透被稀释的高浓度侧溶液，以用于循环利用。

6.一种盐差能分级发电方法，包括：

设置由多个渗透装置串联形成的多级渗透装置，其中，每个渗透装置包括由多个渗透膜元件并联而成用以将不同浓度的溶液分成高浓度侧和低浓度侧的渗透级；

在所述渗透级的高浓度侧和低浓度侧分别通入高浓度溶液和低浓度溶液后，并通过所述渗透级将渗透压差转变成高浓度侧流体静压，

在各渗透级施加相应大小的背压，根据上述静压和背压即可驱动与每个渗透装置的高浓度侧对应的水轮机转动，从而驱动发电机工作；

其中，所述在各渗透级施加的背压大小根据该级两侧流体平均渗透压的变化同步变化，为该级两侧流体平均渗透压的1/2。