JP2012036850A - 濃度差発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】濃度差のある二つの溶液間により大きな浸透圧を得られるようにして発電効率の向上を達成できるオープンサイクルの濃度差発電装置を提供する。
【解決手段】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濃度差発電装置において、浸透装置１０の浸透圧発生部を保温及び／または加熱する保温壁面部１７を設けた。
【選択図】図１

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装置に係り、特に、オープンサイクルの濃度差発電装置に関する。

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。

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濃度の異なる二つの溶液を供給し、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。

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。

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。

特表２００４−５０５７６４号公報 特表２０１０−５０９５４０号公報 特表２００７−５３３８８４号公報

ところで、オープンサイクルの濃度差発電装置は、一般的な作動流体として河川水等の淡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。このような背景から、オープンサイクルの濃度差発電装置においては、濃度差のある二つの溶液間により大きな浸透圧を得られるようにして、発電効率を向上させることが望まれている。
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、濃度差のある二つの溶液間により大きな浸透圧を得られるようにして発電効率の向上を達成できるオープンサイクルの濃度差発電装置を提供することにある。

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装置は、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濃度差発電装置において、前記浸透装置の浸透圧発生部を保温及び／または加熱したことを特徴とするものである。

このような濃度差発電装置によれば、浸透装置の浸透圧発生部を保温及び／または加熱したので、浸透圧が溶液の温度によって変動するという特性を利用し、浸透圧発生部を流れる溶液の温度を上昇させて高い浸透圧を得ることができる。

上記の発明において、前記浸透装置の浸透圧発生部は、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、浸透圧発生部を縦置きする場合、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。

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。

上述した本発明によれば、オープンサイクルの濃度差発電装置において、濃度差のある二つの溶液間により大きな浸透圧を得ることができるようになり、従って、浸透圧を変換して得られる機械的エネルギーが増大してより大きな電力を発電することができる。
すなわち、淡水（河川水等）と海水との間で得られる浸透圧を増すことができるので、淡水及び海水を使用して発電するオープンサイクルの濃度差発電装置は、発電効率の向上という顕著な効果が得られる。

本発明に係る濃度差発電装置の一実施形態として浸透装置の半透膜モジュール構成例を示す図で、（ａ）は浸透圧発生部を備えた半透膜モジュールの要部断面正面図、（ｂ）は（ａ）の保温壁面部を示す断面の拡大図である。 図１に示した浸透装置について、浸透圧発生部を備えた半透膜モジュールを縦置きにした設置例を示す要部断面正面図である。 本発明に係るオープンサイクルの濃度差発電装置の構成例として、直結型の濃度差発電装置を示す装置構成の系統図である。 本発明に係るオープンサイクルの濃度差発電装置の構成例として、タンク切替型の濃度差発電装置を示す装置構成の系統図である。

以下、本発明に係る濃度差発電装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。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。
図３に示す濃度差発電装置１は直結型と呼ばれるものであり、浸透装置１０と、浸透装置１０に低濃度溶液として淡水の河川水を供給する低濃度溶液系統２０と、浸透装置１０に高濃度溶液として海水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。

低濃度溶液系統２０は、浸透装置１０に河川水を供給するとともに、浸透装置１０を通過した河川水を排水するものである。この低濃度溶液系統２０は、河川水供給源２１と、たとえば電動機２２により駆動される淡水ポンプ２３と、河川水を流す淡水流路２４とを備えている。
なお、河川水供給源２１には、河川から直接河川水を供給するものや、いったん河川水貯蔵タンクに貯蔵した河川水を供給するものがあり、いずれを採用してもよい。

高濃度溶液系統３０は、浸透装置１０に海水を供給するとともに、浸透装置１０を通過した海水を排水するものである。この高濃度溶液系統３０は、海水供給源３１と、海水ポンプ３２と、海水を流す海水流路３３とを備えている。図示の構成例では、海水ポンプ３２の駆動源として、上述した発電機２を駆動するタービン３の軸出力を用いているが、これに限定されることはない。
なお、海水供給源３１には、海から直接海水を供給するものや、いったん海水貯蔵タンクに貯蔵した海水を供給するものがあり、いずれを採用してもよい。

図４に示すタンク切替型と呼ばれる濃度差発電装置１Ａは、浸透装置１０と、浸透装置１０に河川水を供給する低濃度溶液系統２０と、浸透装置１０に海水を供給する高濃度溶液系統４０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。すなわち、タンク切替型の濃度差発電装置１Ａは、海水を供給する高濃度溶液系統４０の構成が異なっているものの、他の構成については実質的に直結型の濃度差発電装置１と同じである。従って、他の構成については、上述した直結型と同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

高濃度溶液系統４０は、浸透装置１０に海水を供給するとともに、浸透装置１０を通過した海水を排水するものである。
この高濃度溶液系統４０には、海水を充填する二つの海水タンク４１ａ，４１ｂが設けられている。この方式では、たとえば電動機４２で駆動される充填ポンプ４３を駆動し、海水供給源４４から二つの海水タンク４１ａ，４１ｂに予め海水を充填しておく。

濃度差発電装置１Ａを運転する際には、たとえば電動機４５で駆動される海水ポンプ４６により海水タンク４１ａ，４１ｂのいずれか一方から海水を導入し、この海水が海水流路４７を通って浸透装置１０に供給される。このような切替型では、海水タンク４１ａ，４１ｂのいずれか一方が空になると他方に切り替えて海水の供給を継続するとともに、空のタンクには海水が再充填される。

さて、上述した直結型及びタンク切替型の濃度差発電装置１，１Ａには、いずれも同じ構成の浸透装置１０が設けられている。この浸透装置１０は、浸透圧発生部である半透膜１１に分離されて低濃度溶液の河川水及び高濃度溶液の海水を流す流路がベッセル１２の内部に形成されている。この場合、低濃度溶液側の河川水（溶媒）が半透膜１１を浸透して高濃度溶液側の海水へ流入する。
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。

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、海水入口１３ａ及び河川水出口１４ｂが設けられ、紙面右側端部には海水出口１３ｂ及び河川水入口１４ａが設けられている。この場合、河川水は中空繊維状の半透膜１１内を流れ、海水は半透膜１１の外側を流れる。
なお、図中の符号１７は、ベッセル１２内の浸透圧発生部を保温及び／または加熱するように構成された保温壁面部である。

従って、一方の海水は、紙面左側の海水入口１３ａから浸透装置１０内に流入し、河川水から浸透した浸透水とともに紙面右側の海水出口１３ｂから流出する。また、他方の河川水は、紙面右側の河川水入口１４ａから浸透装置１０内に流入し、海水側へ浸透した河川水分の流量が減少して紙面左側の河川水出口１４ｂから流出する。
すなわち、海水及び河川水が浸透装置１０を通過することにより、海水側では、浸透した河川水が加わることによって濃度は低下し、河川水側では、浸透水分の流量が減少して流出する。

この結果、浸透装置１０に供給された海水は、河川水側から浸透してきた河川水との合流により、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海水は、河川水の合流により濃度が低下した状態で海洋等に排水される。なお、浸透装置１０の河川水出口１４ｂから流出した河川水は、河川等に排水される。

本実施形態では、上述した濃度差発電装置１，１Ａの浸透装置１０を通過して流れる海水及び河川水の温度を高めて高い浸透圧を得るため、浸透圧発生部の半透膜１１が収納設置されているベッセル１２の加熱や保温を行っている。
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１（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保温壁面部１７を形成している。

すなわち、浸透装置１０を流れる河川水及び海水の温度を高くするため、浸透装置１０が保温手段の保温材１５及び加熱手段のヒータ１６を備えている。なお、このような保温材１５及びヒータ１６は、いずれか一方のみを設けた構造としてもよい。
このようにして高い浸透圧が得られると、タービン３及び発電機２を駆動して得られる発電量は増大するので、濃度差発電装置１，１Ａの発電効率が向上する。
また、浸透圧を高くするためには上述した浸透装置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の適所にヒータや排熱利用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。

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２に示すように、河川水及び海水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。

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に高濃度側の溶液である海水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１，１Ａの発電効率が向上する。

このように、上述した本実施形態によれば、たとえば淡水／海水のように濃度差のある二つの溶液間により大きな浸透圧を得ることができるので、浸透圧を変換して得られる機械的エネルギーも増大してより大きな電力を発電することができる。すなわち、浸透装置において得られる浸透圧が大きくなるので、淡水及び海水を使用して発電するオープンサイクルの濃度差発電装置においては、発電効率が向上する。
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。

１，１Ａ 濃度差発電装置
２ 発電機
３ タービン
１０，１０Ａ 浸透装置
１１ 半透膜
１２ ベッセル
１２ａ 壁面部材
１５ 保温材
１６ ヒータ
１７ 保温壁面部
２０ 低濃度溶液系統
３０，４０ 高濃度溶液系統

Claims (3)

1. 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濃度差発電装置において、
   前記浸透装置の浸透圧発生部を保温及び／または加熱したことを特徴とする濃度差発電装置。
2. 前記浸透装置の前記浸透圧発生部は、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を特徴とする請求項１に記載の濃度差発電装置。
3. 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を特徴とする請求項１または２に記載の濃度差発電装置。
   

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