CN112709678A - 通过增压渗透和协同效应产生大型可再生能源的方法和装置 - Google Patents

通过增压渗透和协同效应产生大型可再生能源的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种通过增压渗透(Pressure‑Enhanced Osmosis，简称PEO)和协同效应(Synergistic Effects)的技术用以最大程度地产生大规模可再生能源的方法和装置。本法通过稀释系数(Dilution Factor)β值的增大来增加最大发电量用以设计PEO模块，从而将功率输出提高到传统阻尼渗透(Pressure‑Retarded Osmosis，简称PRO)方法的十倍以上，并且通过结合协同效应以形成两种类型的PEO系统，以进一步产生更多的功率：(1)PEO地表系统，其中协同效应通过正渗透(FO)和纳滤(NF)或超滤(UF)的综合效果，以及应用能量交换和流体回收装置以重新浓缩驱动液(draw solution)的方法来实现上述效果，(2)PEO地下系统，其中协同效应通过施加重力，以及施加来自发电的废热及施加流体升力来实现上述效果。

Description

通过增压渗透和协同效应产生大型可再生能源的方法和装置
技术领域
本发明涉及可再生能源技术，特别是涉及通过正渗透(FO)与增压渗透(Pressure-Enhanced Osmosis,简称PEO)，以及相关的协同效应以产生大型可再生能源的方法和装置。
背景技术
根据IEA及维基百科的报道，2016年可再生能源占全球发电量的24.3％，其中16.3％来自水力发电，其余8％来自其他可再生能源，例如风能，太阳能，地热，生物质能和潮汐能(IEA：2019年可再生信息概述；维基百科：https：//en.wikipedia.org/wiki/Renewable_energy)。可再生能源的应用具有许多优势，包括可大规模供应，可经由自然过程源源不断的补充供应，可预防或减少潜在的环境污染(例如空气污染)，并可不需要如石化燃料或核能能源等不可再生能源需花高昂的能源成本。因此之故，可再生能源的应用迅速在普及，它们在总能耗中所占的份额不断在增加。全球变暖以及其他生态和经济问题的考虑更进一步推动了可再生能源的使用。截至2019年，据报道，全球新增发电装机容量的三分之二以上来自可再生能源，占全球发电量的25.8％。预计在未来十年及以后的时间里，可再生能源市场将增长更快。许多国家已经设定了一个目标，即将来达到100％的可再生能源发电。
利用渗透压发电是相对新型的可再生能源，若能推广甚至有可能超越水力发电而成为大规模的可再生能源。但是，到目前为止，它尚未受到实际应用的关注。尽管人类对渗透现象的研究历史可以追溯到1748年，诺莱特(Jean-Antoine Nollet)发现了这种现象。但直到大约150年后，Van't Hoff才于1901年开发并引入了半渗透膜在渗透和定量渗透压中的应用。1954年，R.E.Pattle建议，当河流与海水混合时，可以产生大量的可用能量(Achilli，A和A.E.Childress：Desalination 261，205-211；Wikipedia：https://en.wikipedia.org/wiki/Osmotic_power)。根据Van't Hoff渗透公式的计算结果，当淡水和海水通过半透膜接触时，渗透产生的水力压头将大大超过世界上任何现有的水力发电厂所应用的水力压头。除了上述可利用的大规模能源供应外，与其他可再生能源(例如风能，太阳能和潮汐能)不同，渗透能源还具有稳定可控的优势。
尽管渗透能源可以成为主要的可再生能源之一，但是如何从渗透模块(osmoticmodule)中经济有效地取出渗透能予以利用成为主要问题之一。直到1975年，Sidney Loeb才在美国专利号3,906,250中首次公开了一种有效而实用的方法和设备，用于从渗透模块中获取能量。S.Loeb开发的方法称为“阻尼渗透(Pressure-Retarded Osmosis,简称PRO)”。该方法基于以下设计：在渗透模块中被半渗透膜分离的两个隔室分别置入不同浓度的溶液时，会产生渗透压差，使浓度较低的液体的溶剂渗透到浓度较高的一侧，增加浓度较高溶液的隔室中的压力。换言之，PRO是利用正渗透(Forward Osmosis,简称FO)模块的高浓度溶液(又称驱动液，Draw Solution)隔室汲取较低浓度溶液(又称进料液，Feed Solution)隔室的溶剂以增加液压压力及混合溶液体积，用于发电的方法。主要标准是保持驱动液侧的液压压力小于渗透膜产生的渗透压差，以便产生渗透压力及混合溶液体积。S.Loeb以1立方米的海水，0.6立方米的渗透液和10个大气压的渗透压力为例，得出的理论能量输出为0.168千瓦时，或产生0.28千瓦时/立方米的渗透量。该专利表明，驱动液隔室中的理论平均最大平衡渗透压为15.63atm(即25atm x 1/(1+0.6)＝15.63atm)，此压力大于上述所选用的10个大气压压力(此即PRO压力)，故渗透液仍可继续发生而可导出应用其能量。但本专利并未提出最佳PRO条件，也没有披露如何提高PRO压力以增加能量输出。
1976年，S.Loeb进一步发表了两篇论文，解释了PRO技术和经济上的相关性，并评估了PRO的实验结果和能源成本(Loeb，S，J.Membrane Science 1，49-63和249-269)。他的工作目标是确定PRO是否可以经济地生产能源。评估基于净功率输出和各种进料和出料条件的机械效率以及所涉及系统组件的效率和成本单位的假设。这两篇论文得出的结论是，PRO成本在很大程度上取决于估算的机械效率。机械效率主要受泵入驱动液隔室的流量与渗透到驱动液隔室的渗透液通量之比的影响。S.Loeb提出，该比率的值不能大于2。另一项有趣的结果来自他的测试，发现并验证了不论所使用的驱动液和进料液的浓度如何，其所呈现的渗透通量与PRO压差线的斜率基本相同(均在0.0011至0.0013m3/m2·day·atm的数量间)。尽管这两篇论文开发的PRO方法和公式对利用渗透能源的发展做出了重大贡献，但其假设的数据可能与事实相去甚远，故可能会极大地影响结论。例如，假设发电机和水轮机的效率分别为98％和92％，这对于大多数报告的实际水力发电厂数据通常通常分别仅约为70％和80％，因此，关于发电量的结论仅根据这两个假设，就高估了约60％(即(98％x92％)/(70％x 80％)＝1.61)。其他大多数假设数据也都高估了，此会进一步影响结论。另一个问题是该两篇论文未评估在不同渗透压差条件下PRO的最佳压力。由于透过半透膜的渗透液流动缓慢的事实，再加上渗透模块的驱动液隔室很窄而无法保持均匀的混合液浓度的事实，这可能会导致测试模块处于非平衡和不稳定状态。如果在渗透操作过程中没有提供控制驱动液和进料液之间平衡和稳定的方法，则基于布朗效应和伯努利原理，可能会产生非平衡和不稳定状态的混合液，这将在本文档的后面部分再进行讨论。
在1980年授予S.Loeb的美国专利号4,193,267中公开了PRO设计的改进。与美国专利号3,906,250中的PRO设计不同，本专利除了施加在驱动液隔室的PRO压力之外，还向由进料液隔室流出的冲洗液(flushing solution)施加了额外的PRO等值压力以与驱动液隔室流出的混合液合併，再经由热浓缩方法回收驱动液再利用，而剩余且经加压的进料液与混合液分离后进行发电。该改进的专利方法称发电量可以提高。在该发明中，由于需要重新浓缩和泵送冲洗液需要额外的压力，因此与先前的PRO设计相比，需要额外的能量。但是，在该发明中没有给出净能量输出的定量评估。因此，使用改进的PRO方法的优势是未知的。同样，在该发明中也没有讨论PRO所需的最佳液压。也没有讨论如何提高液压压力以提高发电量。
1990年，S.Loeb，等人在J.of Membrane Science 51，323-335上发表一篇论文评估了以下三种PRO发电厂的机械效率结果：(1)连续流动性的地上PRO发电厂，(2)连续流动性的地下PRO发电厂，以及(3)交替流动性的地上PRO发电厂。评估渗透压发电时采用淡水为进料液和3.5％NaCl盐水为驱动液。上述三种PRO发电厂的总发电机械效率(包括渗透和涡轮/发电机组合)的计算结果分别为PRO发电厂(1)，(2)和(3)为28％，59％和74％。该文章建议，只有类型(2)和(3)的PRO发电厂才能有效运营，但建造PRO发电厂需要大量资金的投入。経由对该论文假设及结论的评估，我们再次发现，大多数假设数据都是相当乐观的，可能导致效率的过高估计。该论文也未使用PRO所需的最佳液压进行计算。以上情况均可能影响计算结果。
2002年S.Loeb发表在Desalination 143，115-122上的一篇论文评估将中等规模的河水流量(300万立方米/天)与海水接触，通过渗透压发电的经济可行性。该论文采用的海水驱动液流量与渗透通量(permeate flux)的比率选择为5比2。选择进行评估的PRO液压为12个大气压。该论文并引进压力交换方法(pressure exchange method)进行压力交换，以简化设计并消除大量的功率消耗。通过对机械效率和K项(K-term，定义为膜过滤中对溶质扩散的抵抗力)的乐观假设，他的计算结果表明，即使K值为10d/m，发电成本也不经济。但是，当河流流量增加时，以密西西比河(15亿立方米/天的流量)为例，它变得经济了。因此，该论文认为大规模的可再生渗透能源的生产是值得进一步研究的。
基于PRO方法，挪威的Statkraft公司于2009年在挪威胡鲁姆(Hurum,Norway)开发了世界上第一座渗透发电厂(参見Skramesto，O.S.，S.E.Skihagen，W.K.Nielsen：https：//www.statkraft.com/waterpower xvi；以及，维基百科：https：//en.wikipedia.org/wiki/Statkraft_osmotic_power_prototype_in_Hurum)。该发电厂选择用海水驱动液流量为20l/sec，淡水进料液流量为10l/sec，以及11至14bars的PRO压力。预计该PRO发电厂的设计功率输出为10kw，但试验结果其实际功率为2-4kw，膜的功率密度约为3w/m2。尽管该技术已被Statkraft证明是“可行”的，但不幸的是，由于经济效益的考虑，该发电厂已于2013年关闭(Patel，S.：Power Magazine，2014年2月28日)。据其报道，要使PRO发电厂有利可图，膜的功率密度至少应在4-6w/m2的范围内。
A.Achilli，等人(参見Achilli，A.，T.Y.Cath，A.E.Childress：J of MembraneScience 343，42-52)在2009年开发了PRO模型来预测特定实验条件下的渗透水通量和功率密度。该实验采用PRO系统的小试模型进行测试。测试参数包含选择改良的三乙酸纤维素(CTA)FO膜，以及选择多种NaCl溶液浓度进行测试，包含进料液浓度分别为0、2.5和5g/l，驱动液浓度为35和60g/l，液压差为0、310、650和970kPa。实验结果以及推导的PRO数学模型均证实，当液压差等于渗透压差的一半时，功率密度达到最大值。在970kPa(或9.57atm)的压力实验下，对于35g/l NaCl驱动液的浓度其所达到的渗透通量在1.8x10-6至2.8x10-6 m/s之间，功率密度高达2.8w/m2。而对于60g/l NaCl驱动液的浓度其所达到的渗透通量在3.6x10-6至5.2x10-6 m/s之间，功率密度高达5.1w/m2。实验结果还表明，随着进料液浓度的增加，内部浓差极化(ICP)的数量则增加，而随着驱动液浓度的增加，外部浓差极化(ECP)的数量则增加。据报道，由于使用了不对称的膜，功率密度因ICP增加而大大降低，并且降低了反向盐稀释的程度。同时发现ECP在降低渗透驱动力方面显示出相对较小的作用。
在各种专利中还公开了除PRO方法以外利用渗透压从淡水/海水系统中萃取能量的方法。美国专利号3,978,344公开了一种使用喷嘴从渗透容器中喷出驱动液与渗透液的混合溶液以推动水轮或涡轮进行发电的方法。但在该方法中，没有考虑将海水泵入渗透容器所需的能量。由于将海水泵入渗透容器所需的能量比设计的容器可产生的能量还多，因此应用该方法的可行性成为不可能，这将在本发明的后面进一步讨论。
三项美国专利号6,313,545；6,559,554；以及7,329,962依次公开了一种不需用半透膜的渗透发电方法和装置，称为“hydrocratic generator”。该方法声称，可以在一个垂直管状壳体的底部中混合相对较低盐度的水(如淡水)和相对较高盐度的水(如海水)可释放出渗透压力，从而可以产生渗透能。该法同时声称在此垂直管状壳体中所产生较低盐度水因密度较海水低而可引起该混合液的“上升流”动能。该方法进一步声称，盐水与淡水之比大于8∶1，或更优选比为30∶1，最优选比为43∶1或更高时上述效果更显著。但这种论述可能有違渗透理论，即渗透力的产生需要半透膜的存在才能经由布朗运动现象以产生渗透压差。仅在管的底部混合两种不同盐度的水不会为渗透压的产生创造条件。这些专利所建议的“hydrocratic generator”所获得的能量可能主要来自管中低盐水的液压头。何况如上述所要求的盐水与淡水的比率极高，由水密度差异引起的管状壳体中的“上升流”的影响影响将非常小。
美国专利号8,099,958也涉及一种通过在半透膜装置中使两种流体(一种较低渗透势的液体和另一种较高渗透势的溶液)的接触来产生渗透能的方法。该装置利用产生较高渗透势的溶液来驱动涡轮发电机用于发电。然后，通过将稀释的溶液加压浓缩至原溶液浓度水平，以回收并重新注入半透膜设备中。所声称的再浓缩方法是热分离或膜分离工艺，包括蒸发，蒸馏，风能结晶，太阳能，地热能或燃料燃烧产生的能量和/或发电厂和其他工业过程产生的多余热量。研读该专利中讨论的系统，发现其并未考虑将回收溶液注入半透膜装置所需的能量(或压力)。如果注入回收溶液所需的能量高于重新浓缩所需的能量，则本发明可能导致负发电。
美国专利号8,545,701公开了一种称为“诱导共生渗透(Induced SymbioticOsmosis,简称ISO)”的方法，經由一系列渗透池来最大化发电量。每个渗透池形成一个封闭的液压回路，该回路具有抽水装置，发电涡轮装置和共用的半渗透膜。其驱动液选自钠，镁和钙的氯化物。在ISO方法中，一系列渗透池装置串联以逐步降低驱动液的浓度以产生能量。在渗透池装置的每个步骤中，所使用的驱动液的稀释比在2至5范围内。但该专利未公开具体的再浓缩方法和再浓缩所需的能量。在该发明中，也没有考虑及提出如何优化用于将较高浓度的液体注入驱动液隔室中所需的压力。该ISO方法，选择了串联的多个渗透池，每个池都需要一个单独的涡轮发电机系统。但是，如果所有串联的渗透池可以组合成一个系统或并联系统，且仅应用一组涡轮发电机单元，应该可以产生更多的能量。
美国专利号8,568,588公开了用于发电和脱盐的设备，该设备通过基于三种盐水在不同盐浓度下的布置采用一系列正渗透和逆渗透方法。基本上，该发明也选用PRO发电方案，但是，没有评估净发电量和PRO的优化方法。
美国专利号9,023,210提供了用于回收渗透流的水力能量以使该过程的效率最大化的系统。该法共用涡轮轴产生的旋转能量以直接泵送进料液、驱动液、再循环流体、并旋转发电机。但是该发明没有公开节能或效率提高的评价。通过评价应可发现，由Loeb进行的PRO设计将会更加节能。而且由于上述的每台泵的设计功能皆异，故使用上都需要进行机械改造，因此所建议的通用轴设计可能效率不高，这将比PRO所使用的传统压力交换器损失更多能量。
根据以上讨论，很显然，到目前为止PRO系统仍然是从渗透模块中萃取能量可用的唯一最佳方法。诸如上述的“hydrocratic generator”、ISO、或任何未考虑注入浓缩驱动液所需能量之类的方法可能不是可行的，也不是具有成本效益的方法来从渗透装置中产生大规模可再生能源。
在上述许多公开文献和现有相关专利中，已充分证明了利用渗透压可产生大规模可再生能源(Large-Scale Renewable Energy,简称LSRE)。有相关专利已经提出了一些方法和装置以从渗透模块中获得渗透能用于发电。但是，在过去的半个世纪中，提出的大多数方法和装置要么不具有成本效益，要么不可行。尤其是利用淡水/海水组合发电时，若无合理的设计，泵入渗透模块所需的能量可能会消耗比产生的电能更多的能量。因此如上述使用喷嘴从渗透模块喷射盐水和淡水的混合溶液以推动水车或涡轮进行发电的方法可能不可行。又如，现有专利中公开的“hydrocratic generator”，由于违反布朗运动原理，因此若不利用半透膜的方式显然不可行。现有专利中讨论的几种渗透能产生方法有些忽略了将驱动液注入到渗透模块中所需的能量。有些专利建议使用高盐液体而不是海水作为驱动液。如果将此种高盐驱动液注入渗透模块所需的能量或重新浓缩所需的能量高于渗透发电系统产生的能量，则会产生负能量输出。对于某些正渗透方法，通过以高稀释比串联FO模块(例如上述ISO方法)或通过某些类型的高浓度回流溶液进行再循环，也可能会出现负能量输出情况。
到目前为止，在所有讨论的背景技术中，S.Loeb发明的阻尼渗透(PRO)系统迄今仍然是可用的最佳方法。该方法可以从渗透模块中萃取能量而予以应用。然而，整个PRO设备的低机械效率和膜的低功率密度都影响PRO方法的应用。S.Loeb得出结论，PRO机械效率主要受泵入驱动液隔室的流量与渗透液通量之比的影响。S.Loeb建议该比率的值不能大于2，以提高机械效率。还建议使PRO有经济效益的膜功率密度至少应在4-6w/m2的范围内。到目前为止，第一座PRO渗透发电厂仅获得约3w/m2的膜功率密度。除了影响渗透力输出的低机械效率和低膜功率密度外，PRO系统还可能涉及其他问题，例如：(1)仅将等于加压渗透通量的流量用于发电，从而大大降低了净功率输出。即使在使用最佳PRO液压的条件下，产生的净功率也是大大地被降低；(2)输入驱动液与所选渗透通量的低流量比(即≤2)导致无法使用最佳或最高渗透压差，因此，大大减少了所产生的发电量。(3)长期操作时PRO系统中可能会出现不平衡和不稳定状态的压力或流量的情况，尤其是在驱动液隔室中浓度不均匀的情况下更易出现此种状况而导致系统失效。目前PRO渗透模块没有提供防止这种情况的方法和装置。
发明内容和具体实施方式
本发明的目的是提供改进PRO的方法和设备，通过FO工艺技术并借助PEO模块的创新方法，以使常规PRO模块的渗透发电最大化。尤其当使用海水-河水或任何其他驱动液-进料液组合用以渗透发电时，进一步利用协同效应使发电更加最大化。基本原理，方法和设备，存在的问题和解决方案以及具体实施方式的示范案例说明如下。
1.渗透发电的基本原理和维持稳态平衡操作的方法
传统上，通过渗透压产生能量主要方法是基于FO操作。当FO模块通过半透膜分成两个隔室时，一个渗透压为πD的驱动液隔室，另一个渗透压为πF的进料液隔室，形成了一个渗透压差Δπ，如图2所示。理论上的最大渗透压静态平衡条件下FO模块中的压差Δπo可计算为：
Δπo＝πD-πF……………………………………………………………(1)
其中πD和πF可以通过Van’t Hoff的渗透压公式来估算：
π＝RT ∑Mi……………………………………………………………………(2)
其中π是渗透压，R是理想气体常数，T是绝对温度，∑Mi是渗透系统中所有i型溶质的摩尔浓度的总和。表1给出了淡水和典型海水之间的理论最大渗透压差Δπo的示例。还提供了温度对最大渗透压差Δπo的影响。表中以海水温度从10℃升高到35℃时为例，其中Δπo液压差为22.58m的液压，其差异非常明显。
表1.淡水和海水之间的渗透压差示例
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在物理现象中，渗透压的发生是当温度高于绝对温度时所有溶液中颗粒产生不停的且无规律的布朗运动，而当有二种使用相同的溶剂但溶质浓度不同的溶液由半透膜分隔成两个渗透模块隔室时，会形成渗透压差。例如在渗透模块中由河水(进料液)与海水(驱动液)进行发电的情况一样，驱动液隔室中形成了更高的渗透压，此乃进料液中更多的水分子颗粒的布朗运动受到较少溶质的干擾而有更高机会可以通过半渗透膜而进入有较高溶质干擾的驱动液隔室而使驱动液隔室水压增高。在以上的布朗运动例子所使用的半渗透膜的孔径，理论上必须能阻止上述溶质颗粒的透过，但不影响水分子颗粒的透过才有效果。如表1所示，在驱动液隔室中的渗透压积累在25℃的水压头压力下，渗透压为269.15m，此高渗透压足以回收用于发电。例如，迄今为止已建成的世界最大的水力发电厂是长江三峡发电厂，其最高水头仅为113m，还不到上示的海水渗透压269.15m的一半。关于半渗透膜的选择，必須可以筛选出大多数溶质盐种类但对水分子具有渗透性，如此才可使更多的水分子能够通过膜从进料液侧扩散到驱动液侧隔室。该现象导致驱动液隔室逐渐变成压力容器，直到达到静态平衡条件下的理论最大压力差Δπo。驱动液隔室中的压力是如此之大，如果可以有效地回收以进行发电，它将比三峡发电厂的液压压力大得多。如上所述，PRO方法可能是迄今为止实际实践中获取渗透压进行发电的唯一可行方法。上述渗透压的形成如果没有半透膜，则不会发生渗透压差。这也可以用来解释为什么提出诸如前述的“hydrocraticgenerator”之类的方法由于没有半透膜而无法通过布朗运动现象产生压力差而无法用以发电的原因。
如图2所示,为了从渗透模块中连续获取渗透压以进行应用，应以具有液压p2及流量Q2的驱动液连续输入驱动液隔室中。同时，进料液流量Q也需要以压力p1补充到进料液室隔室中。如果进料液隔室中的溶液是干净的淡水，则πF接近零，因此如图2所示的p1液压接近零。但是，如果需要保持冲洗液流量Q'以避免进料液隔室中的盐从驱动液隔室中积聚，则需要一定的p1液压，此所需的液压头主要由产生Q'流量决定。当在渗透模块中产生渗透压差时，形成单位渗透通量J(每单位膜面积的流量)，此时可以通过以下公式计算出如图2所示的渗透通量Q1：
Q1＝JA………………………………………………………………………(3)
其中A是渗透模块中半透膜的总面积。在FO操作中，J值主要受膜特性，渗透压差和渗透模块中有效最大渗透压的影响。如图2所示,Q1也是Q和Q’之间的差，即Q1＝Q-Q’。
从理论上讲，如果选择的p2的数量低于有效Δπo，并且当驱动液隔室的输入和输出流量不在稳态平衡条件下时，则驱动液隔室中的压力可能会逐渐变高于或变小于p2。如果驱动液隔室中的压力逐渐增加到高于选定的p2，则Q2输入将被迫停止。如果驱动液隔室中的压力逐渐降低，则随后的发电所需的设计液压头也将失效。因此，驱动液隔室中的压力以及Q1+Q2的混合液流量能稳态平衡对于成功实现渗透发电至关重要。迄今为止，在现有技术的文献中尚未讨论如何在驱动液隔室中控制稳态平衡。
在动态条件下，当驱动液及进料液成分及浓度确定，Δπo理论值可由Q1及Q2估算。由于许多影响驱动液隔室压力损失的因素存在，例如与膜特性相关的浓度极化和扩散摩擦损失、p2及Q1的变化、以及Q2与Q1之比的变化，会使Δπo值也难以控制。以下将更进一步讨论此种现象。为了简化工程设计，本文件选择膜效率系数α来表示跨膜的总压力损失后效率百分比。根据膜效率系数α，最大有效渗透压差Δπe可以计算如下：
Δπe＝αΔπo……………………………………………………………(4)
如果使用FO，根据目前生产的一般膜特性，上述α值一般可以在85至97％的范围内，并且大部分在90至95％的范围内。当Q2与Q1被选定以后，基于以上方程，可以计算Δπe。在实际FO操作时，一般根据实际可行的范围选择Q1或Q2。因有效渗透压差受Q1及Q2间大小比例的影响，本文件选用稀释系数β用以简化计算有效渗透压差，如下所示：
β＝Q2/(Q1+Q2)…………………………………………………………(5)
上式β值的范围可以在0到1之间变化。若β＝0.9意味着注入驱动液隔室的流量被稀释成为原有的90％，即该驱动液可形成的有效渗透压差被稀释(或减少)了10％。当β等于1时，理论上意味著泵入驱动液隔室的流量未被稀释，故驱动液隔室内的有效渗透压差等于最大有效渗透压差Δπe。当β等于0时，意味着没有驱动液流量Q2被泵入渗透模块，也意味着p2为0，或者意味着p2小于驱动液隔室中的渗透压差，因此驱动液流量Q2无法泵入渗透模块。故稀释系数β的应用可以简单地指示出渗透模块中在动态条件下任何有效渗透压差，如下方程式(6)所示：
Δπβ＝βΔπe＝αβΔπo……………………………………………………(6)
有效渗透压差是α和β的函数的示例如图7所示。因此工程设计时选择不同的β值可决定Q2的变化，而依上述方程式(5)，Q1也隨之变化。为了最大程度地设计渗透功率输出，PEO模块选择的β值在0.85至0.95的范围内，这比典型的PRO模块的β值高得多，这将在后面进行讨论。
对于用于发电的渗透系统的设计，只要p2小于相应的Δπβ且Q1大于零，就可以选择任意值的Q2和p2。然而，为了获得从渗透模块输出的最大功率，如上文所讨论的背景技术中所示，最佳p2值应被选择为每个对应的Δπβ的1/2。在最佳p2条件下，可以通过以下方程式估算Q1(参考图4A及4B)：
Q1)最优条件＝1/2JβA＝1/2(Δπβ·tanθ)A＝1/2Δπβ(Je/Δπe)A………(7)
可以根据膜特性和所需的Q1资料通过工程设计选择膜面积“A”值。合併方程式(6)和(7)，还可以发现Q1)最优条件＝1/2βJeA。
正如将在下节中进一步讨论的情况，Δπβ越高或β越高，可以产生从渗透模块输出的功率越高。当为渗透模块选定Δπβ时，在稳态平衡条件下，可以通过以下公式估算由渗透模块产生的潜在功率W：
W＝p2(Q1+Q2)……………………………………………………………(8)
当将最佳p2值选择为相应Δπβ的1/2时，渗透模块可以产生的最大功率Wmax如下所示：
Wmax＝1/2Δπβ(Q1+Q2)……………………………………………………(9)
上式中相对于水力发电时，1/2Δπβ相当于水头高度，(Q1+Q2)相当于总水流量，若水头高度以m为单位、流量以l/sec为单位、重力加速度g为9.81m/sec2，则产生的理论最大功率Wmax以watt计算时＝水头高度mx流量l/sec x 9.81m/sec2。
2.增压渗透(PEO)和阻尼渗透(PRO)之间的渗透模块的发电比较
如上述，渗透模块的驱动液隔室可产生的能量受p2及β选择的影响。如上所述，传统的PRO发电系统一般选择Q2/Q1之比≤2(即相当于β≤0.667)，且p2不一定如上所述选在1/2Δπβ。为了能增大渗透发电量，传统的PRO发电系统可进一步改良。典型的传统PRO发电系统如图3A所示。在FO模块3101中，具有流量Q的进料液(例如淡水)3105通过泵3106被泵送到进料液隔室3103中，并且具有流量Q2的驱动液(例如海水)3112被输入驱动液隔室3102中。通过压力交换器3111和具有液压p2的泵3110将其泵入驱动液隔室3102。通过FO半透膜3104形成具有通量Q1的渗透通量3107。从驱动液凈化系统(未在图中显示)中抽取驱动液3109，并将冲洗液输出3108排放到排水管中或循环到储罐(未显示)中作为进料液3105使用。在此PRO设计中，可以获取渗透通量Q1+驱动液流量Q2的加压混合液3113，以产生能量。为了提供用于泵送驱动液3112的压力，将加压溶液3114由加压混合液3113分离出以进行压力交换。可能需要泵3116来补偿压力交换操作中的任何能量损失。剩余的加压溶液3115用于发电。在PRO设计中，用于发电的加压溶液3115的流量通常选择等于Q1的通量。加压溶液3115用于使涡轮3118旋转，并且随后使用发电机3119进行发电。压力释放后的释放流3117与用于发电的排出液混合成3120混合液用以排放。在此PRO设计中，p2和β的选择对于最大功率输出最为关键。如前所述，S.Loeb为PRO设计选择的β是基于Q2/Q1≤2，即β≤0.667。在实验确定了α数据并选择了β值之后，可以根据公式(6)计算Δπβ。为了获得相应的Δπβ的Wmax，液压压力p2的选择应基于Δπβ的1/2。但是，现有的PRO相关文件显示，在开发Statkraft渗透设备之前，对液压p2的选择大部分高于Δπβ值的1/2。
大量测试表明，单位渗透通量J与Δπβ成正比，如图4B中Jβ＝Δπβtanθ所示。当β等于1时，Δπβ等于最大有效渗透压差Δπe，如方程式(6)及图4A及4B所示。当绘制成曲线401(即驱动液输入液压p2与单位渗透通量J的关系曲线)时，以往测试结果显示为接近直线关系，其斜率tanθ，其中tanθ＝Je/Δπe，Je是相应于Δπe的最大单位渗透通量。当β小于1时，例如β＝0.667时的曲线402(即，Δπ0.667处的驱动液输入液压p2与0.667Je处的单位渗透通量J之间的关系曲线)，该曲线也趋近于具有相同斜率tanθ的直线，如图4A所示。实验表明，只要将相同的渗透模块(或更具体地说，具有相同表面积的相同半透膜)用于不同的β值，J vsp2的曲线将具有相似的斜率tanθ＝Je/Δπe。图4A中所示的J vs p2的所有曲线都是平行的直线，例如在β＝0.334处的曲线403或在β＝0.9处的曲线406。这些曲线还表明，选择较高的p2将产生较高的渗透通量Q1，其中，Q1＝JA，如方程式(3)所示。从方程式(6)还表明，选择的β越高，将获得越高的Δπβ压力。基于方程式(5)，较高的β值也意味着较高的Q2/Q1比，基于图4A则意味着较高的p2。比较图4A中的404与405、407与408的对应数据，也可以看到这些关系。亦即，当液压p2值的增加将最终导致所有Q1，Q2和Δπβ值的增加。基于方程式(9)，当同时增大所有Q1，Q2和Δπβ值时，经由综合效应其最大功率Wmax输出将大大提高。因此，与使用相同类型的半透膜且相同面积的PRO模块相比，如上所述的PEO模块可以大大提高发电量。
可以在以下示例中进一步评估PEO概念在渗透发电中的重要性。以淡水与海水最大渗透压差Δπo＝26atm为例，渗透模块中相同类型和相同半渗透膜面积(即，相同的Je/Δπe斜率)，并假设膜效率α＝95％相同，比较PEO和PRO之间可产生的电功率如下：(1)PRO模块中可产生的最大电功率：
如图4A所示，假设选择了β＝0.667(S.Loeb允许PRO使用的最高β值)进行评估。在上述条件下，有效渗透压差，即Δπ0.667＝αβΔπo＝0.95×0.667×26atm＝16.47atm。为了获得Wmax，选择p2＝16.47atm/2＝8.24atm。在本评估中，选择渗透通量为Q1＝10l/sec(此为上述Statkraft渗透发电厂设计数据)。β＝0.667时的对应Q可以根据方程式(5)算出，即Q2＝20l/sec。依以上这些数据可应用方程式(9)计算PRO渗透模块产生的理论Wmax，即Wmax＝8.24atm x 10.33m x(10l/sec+20l/sec)x 9.81m/sec2＝25kw。
(2)PEO模块中可产生的最大电功率：
使用与上述相同的假设，但在PEO模块中Δπβ有所增强，例如可选择β＝0.95进行比较。在此条件下，Δπ0.95＝αβΔπo＝0.95x0.95x26 atm＝23.47atm。为了获得Wmax，选PEO的p2＝23.47atm/2＝11.74atm。可以从图4A根据上PRO的J值(即0.334Je)与相同tanθ的关系估算出本PEO有效渗透压差下的J值(即(0.95/2)Je)，故此PEO的Q1＝(0.95/2)Je/0.334Je x10l/sec＝14.22l/sec。基于方程式(5)，Q2＝(0.95×14.22)/(1-0.95)＝270.18l/sec。理论Wmax＝11.74atm x 10.33x(14.22l/sec+270.18l/sec)x 9.81m/sec2＝338.35kw。
(3)PRO和PEO模块之间生成的Wmax的比较：
上述评估证明，当提高液压压力p2时，或通过PEO方法选择更高的β值时，可以极大地增加渗透模块的理论最大发电量。根据Statkraft渗透发电厂使用的PRO设计参数，如上述其渗透模块中产生的理论Wmax仅25kw，但若应用PEO的操作参数其相同的渗透模块中产生的理论Wmax大大提高到338.35kw，可以产生大约13.5倍的功率！如果将PEO概念用于Statkraft渗透发电厂，便可能将原先无盈利的发电厂转而产生可观的利润。
(4)PEO模块的设计：
在PEO模块中，驱动和进料液中的溶剂可选用稳定的可溶物质(例如无机溶解盐)或悬浮颗粒(例如通常小于1μm的纳米或微米颗粒)。若使用河水和/或经处理的废水与海水进行发电，则它们的来源相对稳定且可免费提供。当确定驱动和进料液的类型和可用量(Q2和Q)并选择半透膜组件时，可以经由试验确定Je与Δπe的关系，如图4A与4B所示。Δπo由上述方程式(1)和(2)计算，膜效率α则可以通过实验估算或从膜供应商处获得。基于这些数据，便可以选择β进行Δπβ计算。PEO方法要求选择尽可能高的β以增强发电。β值的合适范围为0.85至0.95，更优选范围为0.9至0.95。方程式(1)至(4)用于Δπe计算。基于选择的β和Δπe，可以通过方程式(6)来求取有效渗透压差Δπβ。基于选择的Q2的稳态和连续流量，以及选择的β，并通过膜供应商或实验获得的膜单元渗透通量数据，便可以计算出膜面积和渗透通量Q1。之后便可以估计PEO模块的理论最大功率Wmax。以下进一步详细叙述PEO模块设计的步骤包括：
(a)应用PEO模块作为正渗透(Forward Osmosis,简称FO)模块，并将该模块控制在稳态和连续流动状态，以输入驱动液(draw solution)和进料液(feed solution)以产生渗透通量(permeate flux)，
(b)选择PEO模块的稀释系数β在0.85至0.95的范围内，更优选在0.9至0.95的范围内，其中β＝Q2/(Q1+Q2)，Q1是渗透通量，Q2是输入驱动液流量，
(c)根据实际可行的范围选择Q1或Q2，当选择Q1时，可以根据上述步骤(2)中列出的公式估算另一个Q2，反之亦然，
(d)在液压p2下将驱动液引入PEO模块的驱动液隔室内，其中p2＝1/2αβΔπo，α是PEO模块的膜效率系数，代表跨PEO模块的半透膜的压力损失后的百分比，Δπo是PEO模块的理论最大渗透压差，
(e)设计所需的总膜面积A，其中A＝Q1/(1/2βJe)，Je是在Δπe处的膜单位渗透通量，Je可通过膜供应商提供的数据或由实验获得的数据，而Δπe代表最大有效渗透压差Δπe＝αΔπo，
(f)由PEO模块产生能量，其理论最大功率输出为Wmax，其中Wmax＝p2(Q1+Q2)。
3.PEO发电系统和PRO发电系统的比较
PRO发电系统如图3A中所示，因必需提供稳定且连续性的驱动液的流量Q2及压力p2要求，传统典型的设计使用压力交换器(如图3A中3111所示)将渗透模块流出的加压混合溶液(如图3A中3113所示)的一部分应用于驱动液的加压。因此，用于发电的可用流量一般选等于或小于渗透通量Q1(如图3A中3115所示)。以上述Statkraft渗透模块的Wmax为例时，PRO发电系统可用于发电的份额会大大降低于Wmax。若用于发电的流量选用Q1，PRO发电系统理论发电量会由p2(Q1+Q2)减为p2Q1。PRO发电系统另一个潜在问题是控制驱动液隔室中的稳态连续流。当驱动液隔室中的压力超过选定的p2值时，Q2流量会被迫停止，而压力低于选定的p2值时Q1也相对降低，从而使整个发电系统发生不稳定或故障。
为了解决通过PRO压力交换操作造成的上述巨大能量损失，在PEO发电系统中提出了一种无需消耗渗透模块产生的功率的独立压力流。在PEO发电系统中，通过协同效应提出了两种类型的自然压力流作为p2的压力源，如下述进行讨论。
本发明提供了两种类型的PEO发电系统，或称PEO能量生成系统(PEO energygeneration system)：PEO地表系统(如图3C所示)和PEO地下系统。PEO地下系统又分为PEO水底系统(如图3B所示)和PEO地底系统(如图3D所示)。本发明的PEO地表系统和PEO地下系统都可以利用在PEO驱动液隔室中产生的所有加压混合溶液流量(即Q1+Q2)来发电。而PRO发电系统一般仅能利用Q1来发电。
如图3C所示，本发明的PEO地表系统可以将PEO模块3301位于地面上，以通过驱动液隔室3302产生加压混合溶液输出流3311(流量为Q1+Q2)，全部用以发电。驱动液隔室的输入流3326的来源(具有流量Q2和压力p2)可以来自海水或高浓度盐水(例如来自供应充足高盐湖水)的天然来源3323。这些天然来源的驱动液3323可以由泵3324抽取，并由压力交换器3325调节至设计的压力p2。该压力交换器3325中的加压流3354是由额外能量产生单元提供。此额外能量产生单元包括协同FO模块3330，纳滤单元(NF)或超滤单元(UF)3329，以及能量交换和流体回收装置3349组成。能量交换和流体回收装置3349将在本文件后面的图6B中进行讨论。进入驱动液隔室3302的输入流3326由控制阀3327将输入流3326的流量调节为设计流量Q2。驱动液隔室3302设置有止回阀3328以防止从驱动液隔室3302回流。通过泵3307将进料液输入流3306泵入进料液隔室3303，并提供控制阀3308以将输入流量调节为设计流量Q。并提供一个止回阀3309以防止回流。进料液输入流3322的来源可以来自河水或经处理的废水，通过泵3320和控制阀3321引入。提供水净化单元3319，用于去除不溶性固体。在PEO模块3301中提供了FO膜3305，以产生具有通量Q1的渗透流3304。冲洗液输出流3310可进行排除。为了将PEO模块3301控制成稳态连续流单元，设置了减压阀3313和止回阀3312。可以设置卸压流3314，或者可以将卸压流3315注入到加压混合溶液输出流3311中以进行发电。PEO模块3301之后提供涡轮机3316和发电机3317进行发电。发电后排出混合溶液3318。
在本发明上述的PEO地表系统中，将NF单元或UF单元3329与协同FO模块3330结合使用以产生加压混合溶液输出流3346，用于两个目的：一个是提供加压流3354(流量以Q4代表)，用于压力交换操作，促成驱动液隔室输入流3326产生p2，另一个是提供加压流3353(流量选为Q3)通过在渗透单元NF或UF 3329，经由膜3334的逆渗透以浓缩再循环高浓度驱动液3335(流量选为Q3)。其中渗透单元3329的NF或UF的选择基于所使用的再循环高浓度驱动液3335溶质的粒度。高浓度驱动液3335的类型选择根据溶质稳定性，溶解度/悬浮性以及避免排放时可能产生二次污染为标准。在本发明中，依上述标准的高浓度驱动液3335可选择金属氯化盐、金属氧化物、金属硫酸盐或硝酸盐等可溶性无机盐。较合适的无机盐为镁和钙的氯化物及硫酸盐。如果选择可溶性无机盐溶液，则可以选NF单元为渗透单元3329。高浓度驱动液3335的溶质也可选择纳米颗粒、以及与上述的任何无机盐组合。其中所述纳米颗粒包括二氧化硅，二氧化钛，纳米硅晶体，纳米钛颗粒，纳米粘土矿物，无毒金属氧化物,或其组合，并且所述纳米颗粒处于粒径范围为1nm至1000nm，并且其中当选择粒径小于5nm时，应用NF模块为逆渗透操作单元，当粒径大于5nm时，应用UF模块为逆渗透操作单元,以浓缩高浓度驱动液和回收过滤液。合适的纳米颗粒范围是5至500nm，最合适的范围是10至50nm。纳米颗粒的选择比可溶性盐更易于操作并可节省渗透单元3329进行再浓缩所需的能量。在重新浓缩操作之后，在过滤液隔室3331中产生的渗透流3333(选在通量Q4处可使浓缩后的驱动液3335流量回归Q3)。过滤后的输出流3351可回收或排除。通过压力交换操作，加压流3354被减压了，但可经由能量交换和流体回收装置3349与加压流3353会合以便回收溶质。协同FO模块3330的结构类似于PEO模块3301，包含驱动液隔室3338，进料液隔室3339和FO膜3340，以产生渗透流3341通量Q4。与PEO模块3301相似，协同FO模块3330提供了泵3336和3343，止回阀3337、3345和3348以及控制阀3344和3347。进料液输入流3342由相同的水净化单元3319提供，并且冲洗液输出流3350可以作为进料液重复使用，或者可以与过滤的输出流3351混合以形成混合溶液3352以用于排放或再循环。在协同FO模块3330中，更高浓度的驱动液液3335用于产生足够的能量以提供驱动液隔室输入流3326的能量p2 x Q2和渗透单元3329中重新浓缩驱动所需的能量，这将在本文的后面进一步讨论。
若PEO地表系统无海水或盐湖水供应为驱动液，亦无充足的淡水供应为进料液时，則上述图3C的工艺流程亦可简化为PEO模块3301与NF或UF模块3329的二组模块的串联组合以产生能源，其方法包括：
(1)应用PEO模块，使用下述步骤(3)回收的高浓度驱动液，以及选定的β值以提供流量为Q2和液压为p2的驱动液，以及应用下述步骤(5)回收的进料液以产生渗透通量Q1，与Q2产生混合液流量Q1+Q2，以形成p2(Q1+Q2)的功率量，
(2)应用一个或多个串联的NF或UF模块，将上述步骤(1)产生的Q1+Q2混合液流量进行逆渗透操作，以产生相当于p2及Q2的高浓度驱动液，以及p5及Q1的过滤液，其中p5＝γp2，γ为NF或UF模块的膜效率系数，代表跨NF或UF模块的半透膜的压力损失后的百分比，
(3)应用上述步骤(2)产生的p2Q2高浓度驱动液作为上述步骤(1)所需的高浓度驱动液，
(4)应用上述步骤(2)产生的p5Q1过滤液以及位于NF或UF模块之后的发电系统，包括水力涡轮机和发电机，以将能量p5Q1转换为电能，以及
(5)将上述步骤(4)经发电后的过滤液回收应用为上述步骤(1)所需的进料液。
在本发明的PEO水底系统中(图3B)，PEO模块3202位于PEO水底系统3201中。具有通量Q的进料液输入流3205(例如河水或经处理的废水)通过泵3206，控制阀3229和止回阀3228被泵入进料液隔室3204。具有通量Q2液压为p2的驱动液输入流3212(例如海水或盐湖水)通过泵3231，控制阀3211进入驱动液隔室3203中。其中液压p2是通过海水或盐湖水表面3224产生的液压头3225的协同作用。为控制驱动液室内的稳态连续流量，使用了止回阀3210、3216，压力计3226，减压阀3230。通过FO半透膜3227形成具有通量Q1的渗透流3207。利用过滤器3209从海水或盐湖水进口中抽取驱动液输入流3212，并将冲洗液输出流3208排放至提升器3219进行排放或排放至储罐进行回收(图中未显示)。在此PEO水底系统设计中，可以通过涡轮机3217和发电机3218的组合来获取通量为Q1+Q2的加压混合溶液输出流3213以进行发电。压力释放流3215通过泵3214排放到提升器3219。提升器3219(细节在图6A讨论)提供协同作用，该作用是利用高压海水输入流3220，通过气泵3223的喷射空气流3222，以及通过热交换(图未示出)以产生较低密度混合溶液输出流3221的释放。
在本发明的PEO地底系统中(图3D)，PEO模块3401位于PEO地底系统3400中，其深度不小于p2的液压头。具有PEO地底系统流量Q的进料液输入流3406通过泵3407，控制阀3408和止回阀3409被泵送到进料液隔间3403中。具有通量Q2的驱动液输入流3424(例如海水或盐湖水)通过泵(未示出)和保持在p2的液压下的控制阀3425的控制，输入驱动液隔室3402中。液压p2是通过海水或盐水湖水面3432下方的液压头3433的协同作用自然产生的。为控制驱动液隔室3402中的稳态连续流量，使用止回阀3412、3426，及减压阀3413。通过FO半透膜3405形成具有通量Q1的渗透流3404。利用过滤器3423从海水或盐湖水入口中抽取驱动液输入流3424，并且将冲洗液输出流3410排放至提升器3439(细节在图6A中讨论)进行排放或排放至储罐(未示出)中进行回收。在本发明的PEO地底系统中，可以利用涡轮机3416和发电机3417的组合来获取通量为Q1+Q2的加压混合溶液输出流3411，以进行发电。混合溶液的压力释放流3418被排放至提升器3439。必要时，用泵3434协助排放。提升器3439具有协同作用，该协同作用是利用加压海水或盐湖水输入流3438，由气泵3436产生的喷射空气流3437，以达到稀释(较低密度)和热交换(图未示出)的效果以便释放。加压后的压力释放流3435经由提升器3439以排出混合溶液输出流3440。进料液输入流3422的来源(例如河水或经处理的废水)通过泵3420和控制阀3421被引入到水净化单元2419中。为了将PEO模块3401控制为稳态连续流，设置有减压阀3413和止回阀3412。可以设置泄压流3414，或者可以将泄压流3415注入到加压混合溶液输出流3411中以进行发电。水底和地底的PEO系统通常都需要地下构造得足够深，因此才可以自然提供p2的压力而无需额外的能量。水底和地底的PEO系统所需的深度足以构成本发明中的另一座淡水水力发电厂(图3B或3D中未示出，但在图1A和1B中示出)。两种系统中淡水水力发电厂的水头都可能大于长江三峡发电厂的水头！
图3D中所示的压力管3427，可以提供安装来自地面3431的水净化单元2419的水源，利用额外的涡轮机3428和发电机3429用于发电。其泄压流可排放到缓冲罐3430中，以满足PEO模块3401的进料液需求。
在本发明中，PRO发电系统和PEO发电系统之间的主要区别之一是如何利用渗透模块产生的能量用于发电。在PRO发电系统中，只有p2 x Q1的能量用于发电，而在PEO发电系统中，渗透模块产生的所有能量(即p2 x(Q1+Q2))都可以用于发电。从PRO发电系统生成的理论最大功率Wmax如下：
Wmax)PRO＝(1/2Δπβ)x(1/2JβA)
＝(1/2βΔπe)x(1/2JβA).............................(10)
但是，可以从PEO发电系统生成的理论最大功率Wmax如下：
Wmax)PEO＝(1/2βΔπe)x(1/2JβA+Q2)
＝(1/2βΔπe)x{1/2JβA+[β/(1-β)x Q1]}
＝(1/2βΔπe)x{1/2JβA+[β/(1-β)x1/2JβA]}
＝(1/2βΔπe)x{1/2JβA x[1/(1-β)]}……………………(11)
上述的PRO发电系统的β值小于0.667，而PEO系统的β值通常选择大于0.85。如果选择与上述渗透模块示例相同的数据(即α＝95％，β为0.667vs 0.95，Statkraft发电厂的Q1和Q2)进行比较，则可比较PRO和PEO发电系统获得的理论Wmax为：
Wmax)PRO＝(1/2x 0.95x 0.667x 26atm)x(1/2JβA)
＝8.24atm x 10.33m x 10l/sec x 9.81m/sec2＝8.35kw。
Wmax)PEO＝11.74atm x 10.33m x(14.22l/sec+270.18l/sec)x 9.81m/sec2＝338.35kw。
以上数据表明，在上述条件的假设下，Wmax)PEO比Wmax)PRO高338.35/8.35＝40.5倍。这种情况意味着，与使用PRO方法相比，使用PEO方法可以产生大约40个等效的Statkraft渗透发电厂。因此，通过PEO系统与PRO系统相比，最大发电量的提高是巨大的。以下选择了一些以往文献所示的PRO系统与PEO系统发电的情况进行比较，如下表2所示：
表2.PEO发电系统与PRO发电系统的发电比较*
Figure BDA0002831279060000161
Figure BDA0002831279060000171
*表2的比较是基于以下假设：案例1的α＝93％，其他所有案例α＝95％；案例1、4和5的Δπo＝26atm，案例2为28atm，案例3为25atm；55％的发电效率(涡轮机+发电机)；未扣除所有PRO情况下进行压力交换所需的能量；Q1，Q2和β来自文献中讨论的相关PRO系统；对于所有PEO系统，选择β＝0.9。
4.PEO系统及其协同效应
针对PRO发电系统的缺陷，本发明中的PEO发电系统通过β的选择及协同作用予以改进。本发明中的主要协同作用包括：(1)稳定和连续地为p2和Q2供给自然可用的额外能量，避免消耗本发明的PEO系统产生的能量，(2)利用涡轮机及发电机产生的热量，以增加渗透压及协助废盐水的排放；(3)利用提升器及能量交换和流体回收装置以避免能源浪费且协助低压水流的回收或排放；(4)利用额外的水力发电厂与渗透发电厂之间的协同作用以增大能源生产；以及(5)保持稳态连续流和控制止回流、泄压流等设备的协同作用。以上所述的协同效应进一步解释如下。
(1)p2和Q2的自然可用能量：
在本发明中，提出了两种利用自然可用能量的系统，一种是如图3C所示的使用协同FO模块和NF单元或FO和UF单元的组合的PEO地表系统。另一种是使用如图3B和3D或图1A和1B所示的地球引力产生的液压头的PEO地下系统。比较两种自然可用的额外能量，PEO地表系统的优点是可以将其放置在地面上任何有驱动液和进料液可用的地方，并且还可以降低在地上构建PEO渗透单元的成本。PEO地表系统中用于生成Q3的驱动液也可以自动重新浓缩并重复使用。然而，本发明的PEO地下系统的优点是不需要构建和操作额外的地上系统来产生p3和引入驱动液Q3。在这种情况下，如果将海水或湖盐水用作PEO地下系统的驱动液Q2，与淡水(即河水或经处理的废水)用作进料液相结合，因发电系统构建在地下，故驱动液本身可维持Q2的p2压力。PEO地下系统除了在地下环境中使用渗透发电外，还可以利用淡水导入地下的压差建造一个额外的水力发电厂来产生更多的额外能量。
对于本发明的PEO地表系统，使用协同FO模块3330中驱动液Q3的浓度比用于PEO模块3301的驱动液Q2浓度高得多，因此额外的能量可用于PEO模块3301。如图3C所示，由协同FO模块3330产生的能量p3Q3可用于为PEO模块3301提供额外的能量p2Q2。选用的Q3浓度越高，可提供的最大压差(使用符号Δπo'表示)也越高，产生的液压p3，可如下计算：
p3＝1/2Δπβ3'＝1/2α3β3Δπo'…………………………………………………(12)
其中α3代表协同FO模块3330的膜效率，稀释系数β3可由β3＝Q3/(Q3+Q4)计算。如果η表示压力交换器3325、能量交换和流体回收装置3349、以及其他相关联的泵和管道的摩擦压力损失的组合效率，p表示用于抽取流量Q2的驱动液3323的压力，α2表示渗透单元3329的膜效率，以及应用前面讨论的相关方程，可以得出以下方程式来表示所需的最小Q3和Q4：
Q3≥{[1/2αβ(1+η)Δπo-p]β3Q2}/{α3β3(1-β3)[1/2-1/2(1-α2+η)]Δπo’}…………………………………………………………………………(13)
Q4＝[(1-β3)/β3]Q3……………………………………………………(14)
例如，当选择Δπo'＝2Δπo时，为了给PEO模块3301提供p2Q2能量，基于上述方程式(12)，(13)和(14)，在α＝95％，β＝0.9，α2＝97％，α3＝95％，β3＝0.95，p＝1atm，Δπo＝26atm，以及η＝5％的假设下，需要最小p3，Q3和Q4可以计算出以下数据：Q3≥9.39Q2，p3＝23.47atm，Q4≥0.49Q2。如果选择以上数据，则PEO地表系统的模块单元3329和3330可以在稳态条件下连续运行。另一个示例，如果选择更高的Δπo'(例如，Δπo'＝4Δπo)，并且在上述相同假设下，可以计算出以下数据：Q3≥4.70Q2，p3＝46.93atm，Q4≥0.25Q2。以上数据表明，当选择较高的Δπo′时，Q3和Q4的流量要求将降低，渗透模块3329和3330的尺寸也将降低。这种情况可以降低PEO地表系统的建造成本。
对于本发明的PEO地下系统，天然可用的额外能量来源可以来自海水(或盐湖水)的液压头，例如图3B中的液压头3225，以及图3D中的3433。像上面讨论，PEO地下系统不需要建造额外的渗透单元来供应p3和Q3。在这种情况下，地下发电厂的最小深度应至少等于p2液压头的深度。如表2所示，如果要建造一个较浅的PEO地下系统，则可以选择一个较小的β值。
(2)余热再利用的协同效应：
由于发电系统中的涡轮机和发电机的功率转换效率相对较低(通常仅为50％到60％的组合功率)，本发明的水力电厂或渗透电厂将会产生废热。涡轮机和发电机通过热交换，可以将废热回收用于多种目的，例如增加渗透模块中产生的渗透压(即，增加以上公式(2)中的T)，降低排放废液的密度，以便通过本发明的PEO地下系统中的提升器(即图3B中的3219和图3D中的3439)易于在高压环境排出废液。这些对渗透发电厂的协同作用不仅可以用来增加渗透单元产生的能量，更重要的是，它们还可以促进提升器的功能，从而可以排放PEO地下系统中的废液。
(3)实现低压流注入高压流以及能量交换和流体回收的协同效应：
在本发明的PEO系统中，可能需要将某些低压流重新注入高压流中以进行再循环或排放。本发明提供了一种特殊设计的提升器(图6A)以及能量交换和流体回收装置的组合(图6B)，以辅助上述条件。将于本文后面再详述。
(4)水力发电厂和渗透力发电厂之间的协同效应：
传统的水力发电厂需要完成几个关键条件，例如要求高水头，相对高的水流量以及在发电后相对低水压的排水设施。本发明的PEO地下系统可以提供所有上述条件，因此可以将额外的水力发电厂与渗透力发电厂一起安装。这个额外的水力发电厂的水力压头可能非常高(接近或超过世界上最大的长江三峡水力发电厂的压头)。如图1A，1B和3D所示，本发明的PEO地下系统还可以提供地下缓冲罐15和3430，以便储存泄压后的水以准备后续的渗透发电厂作为进料液使用。
如图1A和1B所示，在地下结构E中，可以建造位于河口附近的水力发电厂A和多个渗透发电厂(图中仅示出了两个发电厂B和C)。从取水口结构10抽出河水51进行发电。可以安装淡水净化设备11以去除悬浮的固体。然后，使用涡轮机13和发电机14将净化水流过压力水管12，以产生水力。如图1A和1B中的发电厂B和C所示，设置了一个缓冲罐15以便将储存的水用作下几个PEO渗透单元的进料液，以产生更多的功率。由于在PEO系统中选择了高β值，因此可以建立多个渗透发电厂。例如，当β＝0.9时，基于方程式(5)，Q2(驱动液流量，在本情况下是海水流量)将是Q1(淡水进料液渗透通量)的九(9)倍。这种情况意味着，如果淡水来源在水力发电所用的流量，若选择β＝0.9，则该流量足以用作多达9个渗透发电厂的进料液。这种现象暗示了令人难以置信的显着的协同效应，这也意味着，如果使用PEO方法，则应用淡水-海水进行渗透发电可以产生巨大的可再生能源。以三峡水电站发电量相当的淡水流向河口，则可产生的渗透发电功率是原上游水电站的功率的九倍。与传统的水力发电厂相比，安装水力发电厂在本发明的地下PEO系统中将是非常容易的，因传统的水力发电厂需要在深山区建造高成本的大坝及水库，故PEO的地下系统中的水力发电厂的兴建成本应有可比擬或更高的经济效益。
如图1A和1B所示，所有地下发电厂都可以将通过电力线16、26和36输送电力到变电站17、27、37和57，并通过输电塔18、28、38和58传输电力。在渗透单元之后可以为涡轮机23和33以及发电机24和34设置多个淡水(进料液)输入流20和30，多个渗透单元21和31以及多个缓冲罐25和35。具有过滤器50的管道位于海水表面52下方，以通过重力势能自然产生的液压头的协同作用将海水引入。海水用作驱动液，吸入的海水通过分配室45进行分配。渗透发电稀释后的卸压盐水40在空气泵43，相对高温及相对低密度协助，和自动吸进海水42，以及提升器41的协同作用下被排放到相对高压的海水环境中。
(5)维持稳态连续流动和防止回流防止超压的协同效应：
保持稳态连续流对于驱动液隔室的功能很重要。在本发明中，为此目的提供了止回阀和减压阀。如果由于流量和液压的不平衡而导致驱动液隔室的压力发生变化，止回阀可以防止回流而减压阀可以防止压力超过p2。
5.本发明的渗透模块、提升器以及能量交换和流体回收装置
许多基本类型的FO渗透膜组件可在市场上买到，例如平板切向流渗透膜组件，中空纤维渗透膜组件，螺旋渗透膜组件和管状渗透膜组件。尽管上述所有膜组件都可以应用于本发明的PEO系统中，但是为了易于控制浓度极化和稳态流动，本发明的PEO系统开发了PEO模块511的具体设计，如图5B所示。PEO模块511由图5A所示的多个基本管状膜模块501形成。基本的管状膜模块501是从市售组件中修改而来的，它由位于多孔管外壳502内的许多毛细管型FO膜管503组成。进料液504从基本的管状膜模块501的一端进入管内，如图5A和5C所示。在管状膜模块501中，进料液流出(此处又称冲洗液)505从基本的管状膜模块501的另一侧离开。渗透液及驱动液506通过多孔管外壳502进出。
如图5B所示，在PEO模块511中安装了多个基本的管状膜模块501。PEO模块511是带有不锈钢外壳的压力容器，压力容器内的压力p2是由驱动液选择的β值产生的。可以基于由多个基本管状膜模块501产生的Q1通量来计算每个PEO模块511中所需的总膜面积，如以上讨论的方程式所示该Q1通量又受选择的β，Δπβ和Q2数据的影响。必要时，驱动液512的流量由控制阀513借助泵514进行控制。通过止回阀515以避免加压混合溶液519的回流。提供螺旋桨混合器516和涡轮混合器517以均化混合溶液并减少外部浓度极化(ECP)的影响。如图5B和5D所示，螺旋桨混合器516能够产生垂直对流，而涡轮混合器517能够产生径向混合流，因此均质的驱动液和渗透通量产生的过滤液可以通过多孔管外壳502进入和渗透出。通过加压混合溶液输出管518加压混合溶液519可以排出并与来自其他并联的PEO渗透模块的流出物结合以进行发电。PEO模块511提供泄压阀523以避免任何超过选定的p2压力，以帮助维持PEO模块的稳态状态。加压流524(如果有的话)可以加入流出519以进行发电。压力计520，控制阀521和控制泵522用于容器压力的必要调节。在图5C和5D中提供了图5B更详细的示意性截面图。
在图6A中示出了本发明中的提升器601的示意图。提升器601的主要目的是将发电后释放的压力流602消散到相对高压的海水或盐湖水环境中。提升器601具有圆柱形的不锈钢或鈦钢外壳并且在中心具有狭窄的流体通道，其设置有空气喷射流603，以产生较低密度的流体以协助发电后释放的压力流602的快速提升流动。相对较高压力和较高密度的海水(或盐湖水)流604自动输入到提升器601的底部区域，以帮助释放压力流602。空气喷射以及前述的热交换效应可协助混合溶液605的消散。本提升器601的应用可以使得PEO地下电厂的释放流成为可能，从而避免了排放废液时的高压高能量的需求。
在图6B中示出了能量交换和流体回收装置。本能量交换和流体回收装置的设计是由能量交换器611和改良式的文丘里喷射器装置621的组合装置。此种组合装置能够提供引入低压驱动液(例如，海水或其他盐湖水)612流入而产生高压的驱动液613流出，并且还能够在能量交换之后为PEO地表系统回收加压流622。如图6B所示，高压的驱动液613可提供PEO模块3301(图3C所示)所需的p2和Q2的驱动液。为了回收能量交换后的低压高浓度流623中的溶质和/或纳米颗粒，提供了改良式的文丘里喷射器621的流体回收装置。如图3C所示，加压的高浓度输出流3346被分解成两种加压流体3353和3354，它们在图6B中分别是加压的高浓度输入流624和622。形成的混合高压流625，注入NF或UF单元3329中以进行重新浓缩。组合的能量交换和流体回收装置可以提供可用的额外自然能量，如前述能使PEO地表系统，与PRO系统比较，能够利用加压混合输出流3311中的所有能量来发电。
以上所述的原理、方法、具体实施方式和主要设备，对本发明的目的、技术方案和效果进行了详细说明。所应理解的是，以上所述的具体实施例，并不用于限制本发明。提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明,并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
附图说明
图1A展示了本发明中通过增压渗透作用和协同效应在河口附近的一系列PEO地底发电厂。
图1B展示了本发明中通过增压渗透作用和协同效应的一系列PEO水底发电厂。
图2展示了本发明在连续稳态流条件下的渗透压及通量说明图。
图3A展示了传统具有压力交换器的常规PRO系统说明图。图3B展示了本发明中具有协同作用的PEO水底系统说明图。图3C展示了本发明中具有协同作用的PEO地表系统说明图。
图3D展示了本发明中具有协同作用的PEO地底系统说明图。
图4A是表示本发明不同β数值下的有效渗透压差与单位渗透通量的对应关系的图例说明。
图4B示出了本发明中β＝0.25、0.5、1时的有效渗透压差与相应的单位渗透通量之间的关系的图例说明。
图5A示出了管状正渗透(FO)模块。图5B表示本发明的PEO模块的一个具体实施例的示意图。图5C示出了图5B的PEO模块的A-A’截面图；图5D示出了图5B的PEO模块的B-B’截面图。
图6A展示了本发明中的提升器(uplifting chamber)的示意图。图6B展示了本发明中的能量交换和流体回收装置的示意图。
图7示出了在本发明中受α和β值影响的有效渗透压差的示例，其中，图左侧的垂直轴是渗透压差(m)，而图右侧的垂直轴是渗透压差(atm)，水平轴是渗透压差的稀释系数(β)。

Claims (9)

1.一种通过增压渗透(Pressure-Enhanced Osmosis，简称PEO)和协同效应(Synergistic Effects)的方法用以最大程度地产生大规模可再生能源，其中增压渗透的能量产生方法包括以下步骤：
(1)应用PEO模块作为正渗透(Forward Osmosis,简称FO)模块，并将该模块控制在稳态和连续流动状态，以输入驱动液(draw solution)和进料液(feed solution)以产生渗透通量(permeate flux)，
(2)选择PEO模块的稀释系数β在0.85至0.95的范围内，更优选在0.9至0.95的范围内，其中β＝Q2/(Q1+Q2)，Q1是渗透通量，Q2是输入驱动液流量，
(3)根据实际可行的范围选择Q1或Q2，当选择Q1时，可以根据上述步骤(2)中列出的公式估算另一个Q2，反之亦然，
(4)在液压p2下将驱动液引入PEO模块的驱动液隔室内，其中p2＝1/2αβΔπo，α是PEO模块的膜效率系数，代表跨PEO模块的半透膜的压力损失后的百分比，Δπo是PEO模块的理论最大渗透压差，
(5)设计所需的总膜面积A，其中A＝Q1/(1/2βJe)，Je是在Δπe处的膜单位渗透通量，Je可通过膜供应商提供的数据或由实验获得的数据，而Δπe代表最大有效渗透压差Δπe＝αΔπo，
(6)由PEO模块产生能量，其理论最大功率输出为Wmax，其中Wmax＝p2(Q1+Q2)。
2.根据权利要求1所述的PEO模块为一种压力容器，所述的压力容器包括：
(1)多个管状膜正渗透模块，其包括多个多孔外壳，以容纳多个正渗透管状膜管，以使进料液在渗透膜管内部流动并产生渗透通量，
(2)多个搅拌器，其包含多个组合的螺旋桨和涡轮叶片，用于使压力容器内的驱动液均匀化，并减小管状膜组件的外部浓差极化(external concentration polarization)的影响，
(3)不锈钢外壳，用于保持由驱动液选定的β和Q2值产生的压力p2，并容纳多个管状正渗透模块和搅拌器，
(4)驱动液流入控制阀和用于控制驱动液流入流量的泵，
(5)驱动液流入和流出止回阀以防止回流，
(6)进料液流入和流出止回阀以防止回流，
(7)压力计和控制阀及其控制泵，用于调节压力容器的压力，以及
(8)减压阀，用于防止压力容器的压力超过p2的水平，以帮助维持PEO模块的稳态连续流动状态。
3.一种应用协同效应以进一步最大化产生渗透能源，并同时与权利要求1的PEO模块配合形成PEO能量生成系统(PEO energy generation system)，其中，所述PEO能量生成系统可安装在地面上以形成PEO地表系统(PEO surficial system)，此PEO地表系统的协同效应包含协同正渗透模块和纳滤(NF)或超滤(UF)模块，以及组合的能量交换和流体回收装置(energy exchange and fluid recovery device)，其中，所述PEO能量生成系统亦可安装在地下邻近海湾或大型盐湖地区以形成PEO地下系统(PEO subsurface system)，此PEO地下系统的协同效应包含应用海水或盐湖水的重力提供驱动液液压，并应用发电设备产生的热量，以及应用提升器通过加热、喷射、和稀释以消散发电后释放的压力流，同时应用地表淡水导入PEO地下系统时的进料液进行水力发电。
4.根据权利要求3所述的PEO地表系统，若所处位置临近海湾或大型盐水湖，并有充足的淡水水源，其能源生产方法包括：
(1)应用PEO模块，以海水或盐湖水为驱动液，通过下述步骤(2)产生的能量及步骤(3)的能量交换，并使用选定的β值以提供通量为Q2和液压为p2的驱动液，以及提供河水或经处理的废水为淡水进料液以产生渗透通量Q1，用以产生p2(Q1+Q2)量的功率，
(2)应用协同FO模块和NF或UF模块单元的组合，其中，协同FO模块使用配制的高浓度驱动液以产生液压p3和驱动液流量Q3,并利用淡水水源为进料液以产生渗透通量Q4，用以在协同FO模块产生p3(Q3+Q4)功率，以及通过以下步骤(3)进行能量交换后，将所述剩余能量用于NF或UF以重新浓缩并回收高浓度驱动液，
(3)应用能量交换和流体回收装置，用以将上述步骤(2)中的p3(Q3+Q4)能量交换为上述步骤(1)中驱动液所需的p2Q2的能量以及上述步骤(2)中回收高浓度驱动液所需的能量，以及
(4)应用位于PEO模块之后的发电系统，包括水力涡轮机和发电机，以将能量p2(Q1+Q2)转换为电能。
5.根据权利要求3所述的PEO地表系统，若无海水或盐湖水供应为驱动液，亦无充足的淡水供应为进料液，其能源生产方法包括：
(1)应用PEO模块，使用下述步骤(3)回收的高浓度驱动液，以及选定的β值以提供流量为Q2和液压为p2的驱动液，以及应用下述步骤(5)回收的进料液以产生渗透通量Q1，与Q2产生混合液流量Q1+Q2，以形成p2(Q1+Q2)的功率量，
(2)应用一个或多个串联的NF或UF模块，将上述步骤(1)产生的Q1+Q2混合液流量进行逆渗透操作，以产生相当于p2及Q2的高浓度驱动液，以及p5及Q1的过滤液，其中p5＝γp2，γ为NF或UF模块的膜效率系数，代表跨NF或UF模块的半透膜的压力损失后的百分比，
(3)应用上述步骤(2)产生的p2Q2高浓度驱动液作为上述步骤(1)所需的高浓度驱动液，
(4)应用上述步骤(2)产生的p5Q1过滤液以及位于NF或UF模块之后的发电系统，包括水力涡轮机和发电机，以将能量p5Q1转换为电能，以及
(5)将上述步骤(4)经发电后的过滤液回收应用为上述步骤(1)所需的进料液。
6.根据权利要求4及权利要求5所述的高浓度驱动液，其浓度及流量依据所需发电量而配制，其中高浓度驱动液所需的溶质为金属氯化盐、金属氧化物、金属硫酸盐或硝酸盐等可溶性无机盐，或纳米颗粒，以及上述的组合，其中较合适的无机盐为镁和钙的氯化物及硫酸盐，其中所述纳米颗粒包括二氧化硅，二氧化钛，纳米硅晶体，纳米钛颗粒，纳米粘土矿物，或其组合，并且如果选择可溶性无机盐溶液而配制高浓度驱动液时，则可以选NF模块为逆渗透单元，如果选择纳米颗粒而配制高浓度驱动液时，其中所述纳米颗粒选择处于粒径范围为1nm至1000nm，并且其中当选择粒径小于5nm时，应用NF模块为逆渗透操作单元，当粒径大于5nm时，应用UF模块为逆渗透操作单元,以浓缩高浓度驱动液和回收过滤液。
7.根据权利要求3所述的PEO地表系统，其中，所述能量交换和流体回收装置包括:
压力交换器,
压力交换器的低压驱动液输入流口，用于输入低压驱动液，
压力交换器的高压驱动液输出流口，用于形成具有所需液压p2和流量Q2的驱动液，
压力交换器的高压高浓度流体输入流口，用于为压力交换器引入能量含量更高的流体，
文丘里喷射器单元，包括通向压力交换器的连接管，用于带回低压高浓度流体，
文丘里喷射器的低压流体输入端口，用于从压力交换器输入低压高浓度流体，
文丘里喷射器的高压高浓度流体输入端口，用于喷射高压高浓度流体，以及
文丘里喷射器的混合高压流出端口，用于形成混合的高压流出物，以便由NF或UF单元重新浓缩。
8.根据权利要求3所述的PEO地下系统，其中，所述系统包括：
(1)地底或水底系统，其深度应不少于p2的液压头，以容纳相关PEO地下系统的所有设施，
(2)地上河水或处理后的废水的进水和净水装置，用于去除悬浮固体以提供进料液，
(3)一座额外的地下水力发电厂，利用上述步骤(2)净水装置和相关的地下涡轮/发电机之间的p2水头差以及引进的进料液来产生额外的能量，
(4)一个或多个PEO模块，使用由选定深度p2创建的液压头抽取通量为Q2的海水或盐湖水作为驱动液，并将上第(2)项中所述的河水或处理后的废水作为进料液以产生渗透通量Q1，以通过后续的涡轮机和发电机发电，
(5)发电系统，包括水力涡轮机和发电机，用于将上述步骤(4)的p2(Q1+Q2)能量转换为电能，以及
(6)提升器，用以释放发电后产生的低压流体到海洋或湖泊的高压流体中。
9.根据权利要求8所述的提升器装置，包括：
(1)垂直的圆柱形不锈钢或鈦钢外壳，其中心包括一个狭窄的垂直管状流体通道类似文丘里结构，用于产生快速流动的相对低压水流，
(2)低压流体注入口，位于上述狭窄的垂直管状流体通道中间，无需泵即可使低压流体垂直注入与上述快速流动的流体混合，
(3)高压流体流入端口，位于上述垂直的圆柱形结构下端，处于上述狭窄的垂直管状流体通道开口之下的流体进料室，用以允许高压流体自动输入到提升器的底部，
(4)喷射空气的注入口，位于上述狭窄的垂直管状流体通道之下开口处，用以产生快速流动的提升气体以协助提升器内流体的上升，以及
(5)混合溶液流出口，位于上述垂直的圆柱形结构上端，用于以消散所形成的相对较低密度且快速向上流动的混合溶液。
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