JP2014222030A - 濃度差発電装置及び複合発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】濃度差再生に要する仕事量を低減して、濃度差発電装置の効率を向上させる。
【解決手段】濃度差発電装置１Ａは、濃度差発電ユニットＰＵと、半透膜３に供給する媒体を加熱する媒体加熱部となる排熱回収熱交換器２２を備えた膜蒸留法の濃度差再生装置Ｒｓと、を具備して構成されている。
【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及びこの濃度差発電装置を備えた複合発電装置に関する。

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。

これに対し、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。

図４に示す濃度差発電装置１は、濃度差再生装置Ｒを備え、高濃度溶液ポンプによって加圧供給するクローズドサイクルの装置である。
この場合、高濃度溶液及び低濃度溶液（または水）が浸透装置２に供給され、半透膜３を通過した水（溶媒）の流れが高濃度溶液の流れと合流する。ここで、半透膜３を通過して流れる水量が透過流量となり、この透過流量は、半透膜３の透過流係数に、浸透圧と膜差圧との差（浸透圧−膜差圧）を掛け合わせて算出される値である。従って、浸透圧と膜差圧とが等しい場合には、半透膜３の透過流量が０となる。なお、膜圧差は、半透膜３の上流側及び下流側に生じる圧力差（差圧）であり、半透膜３に作用する力でもある。

高濃度溶液と水とが合流して生成された中濃度溶液の流れは、浸透装置２からタービン（水車）４に導かれて仕事をする。この結果、中濃度溶液の流れによりタービン４が回転し、このタービン４から軸出力を得た発電機５が駆動されて発電する。なお、図中の符号６は、高濃度溶液を加圧して浸透装置２に供給するための循環ポンプである。

タービン４を通過した中濃度溶液は、濃度差再生装置Ｒに導かれて濃度差再生処理が施される。この濃度差再生装置Ｒは、たとえば析出法、蒸発法及び蒸留法等の方式により、中濃度溶液から高濃度溶液及び低濃度溶液を生成する。この濃度差再生装置Ｒで生成された高濃度溶液及び低濃度溶液は、浸透装置２に再度供給されることにより、以下クローズドサイクル内において同様の循環を繰り返すので、発電機５による発電が継続される。

図５は、析出法を採用した濃度差再生装置Ｒｓを示す概念図であり、図示の温度は溶液温度変化の一例である。
この場合、濃度差発電部から排出される中濃度溶液（３１℃）は、熱交換器Ｈ１を通過して海水等の冷熱源（２５℃）により２６℃まで冷却された後、固液分離装置ＳＴに供給される。固液分離装置ＳＴの内部では、中濃度溶液が下方のスラリーと上方の上澄みとに分離される。従って、スラリーから高濃度溶液を抽出するとともに、上澄みから低濃度溶液を抽出して濃度差発電部に供給し、濃度差発電を行うことが可能になる。

このとき、高濃度溶液及び低濃度溶液は、濃度差発電部の上流で排熱回収熱交換器Ｈ２を通過することにより、２６℃から３１℃に昇温される。この排熱回収熱交換器Ｈ２は、たとえばボイラや蒸気タービン等のように、外部の装置から排出される熱源を利用して高濃度溶液及び低濃度溶液を加熱する熱交換器である。

図６は、蒸発法を採用した濃度差再生装置Ｒｆを示す概念図である。この方式では、濃度差発電部から排出される中濃度溶液を排熱回収熱交換器Ｈ３で加熱した後、加熱した中濃度溶液を減圧した蒸発缶ＦＴ内でフラッシュさせて高濃度溶液及び蒸気を得る。高濃度溶液は蒸発缶ＦＴの下方に溜まり、蒸気は海水等の冷熱源を導入して冷却する凝縮器Ｈ４を通過することにより凝縮水となる。従って、濃度差発電部では、蒸発缶ＦＴから導入した高濃度溶液と、凝縮器Ｈ４から導入した凝縮水(低濃度溶液)とにより、濃度差発電を行うことが可能になる。

また、従来の濃度差発電装置には、下記の非特許文献１に開示されているように、高濃度溶液をポンプによって加圧供給する直結型濃度差発電装置や、密閉回路への浸透による圧力上昇を利用した自己加圧方式のタンク切替型濃度差発電装置等がある。すなわち、浸透装置２に高濃度溶液を供給する系の加圧方式には、ポンプを使用して機械的に加圧するポンプ加圧方式や、浸透圧により加圧する自己加圧方式がある。
また、近年の海水淡水化装置においては、蒸留、逆浸透や電機透析等の従来技術を改善した膜蒸留法と呼ばれる技術を適用した装置が知られている。この膜蒸留法は、蒸気は通すが液は透過しないという性質の多孔質疎水性膜を用いたものであり、シンプルで低コストの装置により、温めた海水から発生する水蒸気を淡水として回収することができる。

電子技術総合研究彙報 第５２巻 第１２号 「各種抗圧浸透法濃度差発電システムの比較」（１９８８，１１，２ 受付） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄａｔａ， Ｖｏｌ． ４３， Ｎｏ．２， １９９８ Ｏｓｍｏｔｉｃ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｔｈａｎｏｌ ＋ ＬｉＣｌ， ＋ ＬｉＢｒ， ａｎｄ ＋ ＬｉＣＨ３ＣＯＯ ａｔ ２５℃（Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｏｎ Ｗｅｂ ０１／３０／１９９８）

ところで、濃度差発電装置の出力（Ｗ）は、半透膜の膜差圧（ΔＰ）と浸透する溶媒の流量（浸透流量：Ｑ）との積（Ｗ＝ΔＰ×Ｑ）により求められる。
また、クローズドサイクルにおける濃度差発電装置の効率（η）は、濃度差発電装置の出力（Ｗ）を濃度差再生装置への投入エネルギーである熱量（Ｃ）により除した値（η＝Ｗ／Ｃ）となる。

上述したように、従来の濃度差発電装置（クローズドサイクル）においては、濃度差発電部から排出される中濃度溶液を導入し、浸透装置に供給するための高濃度溶液及び低濃度溶液（または水）に再生する濃度差再生装置として、析出法、蒸発法及び蒸留法等の方式が採用されている。

一方、濃度差発電装置（クローズドサイクル）の発電効率を向上させるためには、濃度差再生装置の効率向上を図ることが必要になる。
具体的に説明すると、濃度差再生を行うには、中濃度溶液を加熱または冷却する熱源が必要となり、さらに、各濃度の溶液を循環させるためにポンプ等の駆動力が必要となる。このため、濃度差発電装置全体の発電効率を向上させるためには、熱源や駆動力といったエネルギー消費（濃度差再生装置への投入エネルギー）を低減し、濃度差再生効率を向上させることが求められる。

換言すれば、クローズドサイクルの濃度差発電装置は、濃度差発電に使用した中濃度溶液の濃度再生に要する仕事、すなわち濃度再生に消費するエネルギーが大きいと、濃度差発電装置の効率（η）が低下するという問題を有している。具体的には、上述した濃度差再生装置Ｒｓ，Ｒｆにおいて濃度再生に消費する熱量（Ｃ）が大きいと、効率のよい濃度差発電を継続して行うことができなくなる。

このように、濃度差再生を行うクローズドサイクルの濃度差発電装置においては、装置の効率（η）を向上させるためには、効率（η）の分子となる出力（Ｗ）を増すことや、濃度差再生装置の仕事量を低減して効率（η）の分母となる熱量（Ｃ）を小さくすることが必要となる。
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、濃度差再生に要する仕事量を低減して、濃度差発電装置の効率を向上させることにある。

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。
本発明の請求項１に係る濃度差発電装置は、濃度差発電ユニットと、半透膜に供給する媒体を加熱する媒体加熱部を備えた膜蒸留法の濃度差再生装置と、を具備して構成したことを特徴とするものである。

このような本発明の濃度差発電装置によれば、膜蒸留法の濃度差再生装置が、半透膜に供給する媒体を加熱する媒体加熱部を備えているので、クローズドサイクルの系内を循環する媒体（溶液）の濃度差は、蒸発法と比較して高いエネルギー効率で、かつ、シンプルで低コストの再生が可能になる。

本発明の請求項２に係る濃度差発電装置は、半透膜で分離された二つの空間に濃度の異なる二つの媒体の供給を受ける浸透装置と、前記半透膜を通過した浸透流量及び前記半透膜の膜差圧との積により出力を得るタービンと、前記タービンの出力で駆動される発電機とを備えている濃度差発電ユニットと、前記タービンで仕事をした媒体を媒体加熱部で加熱し、濃度の異なる二つの媒体に再生して前記濃度差発電ユニットへ供給する膜蒸留法の濃度差再生装置と、を具備して構成したことを特徴とするものである。

このような本発明の濃度差発電装置によれば、膜蒸留法の濃度差再生装置が、タービンで仕事をした媒体（中濃度溶液）から濃度の異なる二つの媒体（高濃度溶液及び低濃度溶液）を再生して濃度差発電ユニットに供給する。このため、クローズドサイクルの系内を循環する媒体（溶液）の濃度差は、蒸発法と比較してエネルギー効率が高く、しかも、シンプルで低コストの膜蒸留法を用いた濃度差再生装置により、の再生が可能となる。

この場合、特に好適な媒体は、溶媒のメタノールに溶質の塩化リチウム（ＬｉＣｌ）を溶融させた溶液を例示できる。このような溶媒及び溶質の組み合わせは、溶解度が高いものとなるので、浸透圧についても高い値を得ることができ、従って、濃度差発電装置の出力向上に有効である。
なお、溶媒をメタノールとした場合においては、上述した塩化リチウム以外の好適な溶質として、Ｃａ（ＮＯ_３）_２，Ｎａｌ，ＣｕＣｌ_２，ＣｏＣｌ_２，ＣａＢｒ_２，ＣａＣｌ_２等を例示することができる。

本発明に係る複合発電装置は、請求項１または２に記載の濃度差発電装置と、ガスタービン装置でガスタービン発電機を駆動して発電するガスタービン発電部と、前記ガスタービン装置から排出される燃焼排ガスを排熱回収ボイラに導入して生成された蒸気により運転される蒸気タービンで蒸気タービン発電機を駆動して発電する蒸気タービン発電部と、を具備し、前記濃度差再生装置の前記媒体加熱部が、前記蒸気タービンで仕事をした蒸気の保有熱を利用して前記媒体を加熱することを特徴とするものである。

このような本発明の複合発電装置によれば、膜蒸留法を採用した濃度差再生装置の媒体加熱部は、蒸気タービンで仕事をした蒸気の保有熱を利用して媒体を加熱するので、濃度差再生に蒸気タービンより排出される蒸気が保有する排熱を利用して効率の良い濃度差発電を実施できる。すなわち、濃度差発電装置をガスタービン複合発電設備（ＧＴＣＣ）と組み合わせた複合発電装置とすることにより、蒸気タービンによる発電後の蒸気が保有する熱を有効に利用して濃度差再生を実施できるので、ガスタービン発電部、蒸気タービン発電部及び濃度差発電装置により構成される複合発電装置全体として高い発電効率を得ることができる。

上記の発明において、前記媒体加熱部は、閉回路を循環する加熱媒体と、前記蒸気の保有熱で前記加熱媒体を加熱する吸熱側熱交換器と、前記加熱媒体との熱交換により前記媒体を加熱する加熱側熱交換器と、を備えていることが好ましい。
上記の吸熱側熱交換器としては、蒸気タービンで仕事をした蒸気を復水させて凝縮水とする復水器を例示でき、この場合、例えば閉回路を循環する加熱媒体に水を用い、この水で蒸気を冷却して復水させればよい。

また、上記の発明において、前記媒体加熱部は、前記蒸気の保有熱で前記媒体を加熱する吸熱側熱交換器を備えているものでもよい。
上記の吸熱側熱交換器としては、蒸気タービンで仕事をした蒸気を復水させて凝縮水とする復水器を例示でき、この場合、濃度差発電に使用する媒体で蒸気を冷却（吸熱）して復水させればよい。

上述した本発明によれば、エネルギー効率の高い膜蒸留法を用いた濃度差再生装置により溶液の濃度差再生を行うので、濃度差再生に要する仕事量（エネルギー消費量）を低減して効率の良い濃度差発電が可能になる。すなわち、クローズドサイクルの濃度差発電装置は、濃度差再生装置への投入エネルギーである熱量（Ｃ）の低減に伴って、効率（η）が向上するという顕著な効果を奏する。
また、ガスタービン複合発電設備（ＧＴＣＣ）に濃度差発電装置を組み合わせた３種類の複合発電装置は、濃度差再生の熱源として蒸気タービンから排出される蒸気の保有熱を有効利用するので、複合発電装置全体として高い発電効率を得ることができる。

本発明に係る濃度差発電装置及び複合発電装置の一実施形態を示す系統図である。 図１に示した濃度差発電装置及び複合発電装置の第１変形例を示す系統図である。 図１に示した濃度差発電装置及び複合発電装置の第２変形例を示す系統図である。 濃度差再生装置を備えた濃度差発電装置の概要を示す系統図である。 析出法を採用した濃度差再生装置の概要を示す系統図である。 蒸発法を採用した濃度差再生装置の概要を示す系統図である。

以下、本発明に係る濃度差発電装置及び複合発電装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態の複合発電装置５０は、濃度差発電装置１Ａと、ガスタービン複合発電設備（ＧＴＣＣ）６０とを組み合わせたものである。

複合発電装置５０を構成するガスタービン複合発電設備６０は、ガスタービン発電部７０と蒸気タービン発電部８０とにより複合的に発電する装置である。
ガスタービン発電部７０は、ガスタービン装置７１でガスタービン発電機７５を駆動して発電するものである。図示のガスタービン装置７１は、大気を導入して圧縮する圧縮機７２と、圧縮機７２から圧縮空気の供給を受けて燃料を燃焼させる燃焼器７３と、燃焼器７３で生成された高温高圧の燃焼ガスを導入して運転されるタービン７４とを備え、タービン７４の軸出力によりガスタービン発電機７５を駆動して発電する。

蒸気タービン発電部８０は、燃焼排ガスを導入して蒸気を生成する排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）８１と、排熱回収ボイラ８１から供給される蒸気で運転される蒸気タービン８２と、蒸気タービン８２の軸出力により駆動される蒸気タービン発電機８２とを備え、ガスタービン発電部７０の排熱を利用して発電する装置である。すなわち、タービン７４で仕事をしてガスタービン装置７１から排出される燃焼排ガスが保有する排熱を有効利用し、排熱回収ボイラ８１で水を加熱して生成した蒸気により、蒸気タービン８２を運転して発電する装置である。
そして、蒸気タービン８２で仕事をした蒸気は、復水器８４を通過して冷却される。この結果、蒸気は凝縮水となり、この凝縮水が再度排熱回収ボイラ８１に供給されて再利用される。

図示の濃度差発電装置１Ａは、濃度差発電ユニットＰＵと、後述する半透膜に供給する媒体（溶液）を加熱するための媒体加熱部を備えた膜蒸留法の濃度差再生装置Ｒｓと、を具備して構成される。なお、図１において、図中の符号２は浸透装置、３は半透膜、４はタービン（水車）、５は発電機、６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは溶液の循環ポンプ、７は低濃度溶液ライン、８は中濃度溶液ライン、９は高濃度溶液ラインである。

濃度差発電ユニットＰＵは、半透膜３で分離された二つの空間２ａ，２ｂに濃度の異なる二つの溶液の供給を受ける浸透装置２と、半透膜３を通過した浸透流量及び半透膜３の膜差圧との積により出力を得るタービン４と、タービン４の出力で駆動される発電機５とを備えている。浸透装置２には、半透膜３で分離された一方の空間２ａに対し、後述する濃度差再生装置Ｒｓから低濃度溶液ライン７を介して低濃度溶液が供給され、かつ、半透膜３で分離された空間２ｂに対し、濃度差再生装置Ｒｓから高濃度溶液ライン８を介して高濃度溶液が供給される。

濃度差再生装置Ｒｓは、タービン４で仕事をした溶液（中濃度溶液）から濃度の異なる二つの溶液、すなわち低濃度溶液及び高濃度溶液を再生して濃度差発電ユニットＰＵに供給するもので、いわゆる「膜蒸留法」と呼ばれる方式を採用している。この膜蒸留法は、蒸発法と比較してエネルギー効率が高く、しかも、シンプルな構成で低コストの濃度差再生が可能となる。
膜蒸留法の濃度差再生装置Ｒｓは、蒸気は通すが液は透過しないという性質の多孔質疎水性膜２０を用いている。この濃度差再生装置Ｒｓは、低温側（入口側）流路２１Ｌ及び高温側（出口側）流路２１Ｈよりなる流路２１と、低温側流路２１Ｌと高温側流路２１Ｈとの間に配置されて媒体加熱部を構成する排熱回収熱交換器２２とを備えており、溶液流れ方向の下流側から順に、低温側流路２１Ｌ、排熱回収熱交換器２２及び高温側流路２１Ｈが直列に接続されている。

上述した多孔質疎水性膜２０は、金属製となる流路２１において、高温側流路２０を形成する壁面の一部として設けられている。
そして、この濃度差再生装置Ｒｓでは、流路２１内に供給された中濃度溶液を排熱回収熱交換器２２で加熱して蒸気を発生させ、この蒸気が高温側流路２１Ｈに設けた多孔質疎水性膜２０を透過することにより、低温側流路２１Ｌの壁面（金属面）との接触等により冷却されて凝縮した溶液（実質的には水）が低濃度溶液となる。一方、高温側流路２１Ｈ内を流れる中濃度溶液は、溶媒が蒸気として多孔質疎水性膜２０を透過するので、濃縮された高濃度溶液となって流出する。

濃度差再生装置Ｒｓの流路２１には、一方の低温側流路２１Ｌに中濃度溶液ライン８が接続され、他方の高温側流路２１Ｈに高濃度溶液ライン９が接続されている。また、濃度再生装置Ｒｓには低濃度溶液ライン７が接続され、多孔質疎水性膜２０を透過した蒸気の凝縮水が低濃度溶液として排出される。
低濃度溶液ライン７は、多孔質疎水性膜２０を透過して得られた凝縮水を回収して浸透装置２の空間２ａに供給する配管流路であり、流路適所には、低濃度溶液を昇圧する循環ポンプ６ａが設けられている。

図示の濃度差再生装置Ｒｓは、中濃度溶液を加熱するため、媒体加熱部を構成する排熱回収熱交換器２２を備えている。この排熱回収熱交換器２２は、加熱媒体を導入して中濃度溶液を加熱する熱交換器である。
図１に示す媒体加熱部は、閉回路を循環する加熱媒体の水と、蒸気タービン８２で仕事をした後の蒸気が保有する熱で水を加熱する復水器（吸熱側熱交換器）８４と、水との熱交換により中濃度溶液を加熱する排熱回収熱交換器（加熱側熱交換器）２２と、を備えている。すなわち、図１に示す媒体加熱部は、加熱媒体の水が蒸気を冷却して水に戻す復水器８４において、加熱媒体の水が吸熱して温度上昇するので、この温水を排熱回収熱交換器２２に供給することにより、中濃度溶液の加熱が可能となる。

換言すれば、蒸気タービン８２で仕事をした蒸気を復水させて凝縮水とする復水器８４を吸熱側熱交換器とし、閉回路を循環する加熱媒体の水で蒸気を冷却して復水させればよい。従って、本実施形態の濃度差再生装置Ｒｓは、排熱回収熱交換器２２を設けたことにより、通常海中等へ排水されていた復水器冷却水の保有熱（排熱）を、中濃度溶液の加熱に有効利用した構成となっている。なお、図中の符号２３は、加熱媒体の水を循環させて流す閉回路の加熱媒体流路、２４は加熱媒体の水を供給するポンプである。

高濃度溶液ライン９は、溶媒の蒸気が多孔質疎水性膜２０を透過することにより濃縮された高濃度溶液を浸透装置２の空間２ｂに供給する配管流路である。この高濃度溶液ライン９には、上流側となる濃度再生装置Ｒｓ側から順に、高濃度溶液を昇圧する循環ポンプ６ｂ、高濃度溶液を昇圧する圧力変換器４０、圧力変換器４０で昇圧された高濃度溶液をさらに昇圧する循環ポンプ６ｄが設けられている。
また、高濃度溶液ライン９には、循環ポンプ６ｂと圧力変換器４０との間から分岐し、後述する中濃度溶液ライン８に接続される高濃度溶液分岐流路９ａが設けられている。この高濃度溶液分岐流路９ａは、高濃度溶液の一部が圧力変換器４０及び浸透装置２をバイパスするようにした流路である。

中濃度溶液ライン８は、浸透装置２の空間２ｂから導入され、タービン４で仕事をした中濃度溶液を回収して濃度差再生装置Ｒｓまで導く配管流路であり、流路適所には、中濃度溶液を昇圧する循環ポンプ６ｃが設けられている。また、中濃度溶液ライン８には、例えば昇圧ポンプ６ｃの下流側に、中濃度溶液と海水等の冷却媒体とを熱交換させる冷却熱交換器３０が設けられている。なお、図中の符号３１は、冷却熱交換器３０に海水等の冷却媒体を導入する冷却媒体流路、符号３２は冷却媒体ポンプである。

さらに、中濃度溶液ライン８は、浸透装置２とタービン４との間から分岐し、圧力変換器４０へ接続される中濃度溶液分岐流路８ａを備えている。この中濃度溶液分岐流路８ａは、タービン４をバイパスして圧力変換器４０で仕事をした中濃度溶液を、タービン４と循環ポンプ６ｃとの間に合流させる流路である。
なお、上述した高濃度溶液分岐流路９ａは、循環ポンプ６ｃと冷却器３０との間で中濃度溶液ライン８に接続されている。

圧力変換器４０は、高濃度溶液を導入する従動側タービン４１と、中濃度溶液を導入して駆動源とする駆動側タービン４２とが同軸に連結された構成とされる。すなわち、圧力変換器４０は、例えばターボチャージャ等のように、駆動側タービン４２を流れる流体が保有するエネルギーで、従動側タービン４１を流れる流体を昇圧する機能を有している。
従って、浸透装置２から流出する中濃度溶液の一部を駆動側タービン４２に導入することにより、空間２ｂに供給する高濃度溶液の昇圧が可能となるので、循環ポンプ６ｂ，６ｄの消費動力を低減することができる。すなわち、半透膜３を通過して得られる中濃度溶液の浸透流量及び半透膜３の膜差圧との積により出力を得るタービン４から、運転状況等に応じて中濃度溶液の一部を適宜駆動側タービン４２にバイパスさせることで、濃度差再生装置Ｒｓへの投入エネルギーＣ（発電効率ηの分母）を小さくすることができる。

ところで、上述した濃度差発電装置１Ａでは、系内を循環して濃度変化する溶液としては、溶媒のメタノールに溶質の塩化リチウム（ＬｉＣｌ）を溶融させたものを使用する。このような溶媒及び溶質を組み合わせた溶液は、溶解度が高いものとなり、浸透圧についても高い値を得ることができる。従って、高い浸透圧を得られる溶液は、濃度差発電装置１Ａの出力向上に有効である。
なお、濃度差発電装置１Ａの溶液については、溶媒をメタノールとした場合、上述した塩化リチウムが溶解度や浸透圧の面で好ましい溶質であるが、これ以外の好適な溶質としては、Ｃａ（ＮＯ_３）_２，Ｎａｌ，ＣｕＣｌ_２，ＣｏＣｌ_２，ＣａＢｒ_２，ＣａＣｌ_２等を例示することができる。

さて、蒸気タービン発電部８０の発電効率を増すためには、排熱回収熱交換器２２へ供給する水温（加熱媒体温度）をできるだけ低くすることが望ましい。
しかし、上述した複合発電装置５０においては、排熱回収熱交換器２２へ供給する水温を高めに設定し、中濃度溶液の加熱を可能な温度にすれば、蒸気タービン発電部８０の発電量及び発電効率は低下するものの、濃度差発電装置１Ａから得られる発電量が蒸気タービン発電部８０側の低下分を上回ることになる。この結果、複合発電装置５０は、複合発電装置５０全体としての発電量及び発電効率が向上する。

すなわち、本実施形態の濃度差発電装置１Ａは、蒸気タービン８２から排出される蒸気の冷却水を導入し、冷却により温度上昇した冷却水を加熱媒体として中濃度溶液を加熱する排熱回収熱交換器２２を備えているので、冷却水が保有している排熱の有効利用による効率の良い濃度差再生が可能となり、濃度差再生に要する投入エネルギーの熱量低減により効率が向上する。換言すれば、濃度差発電装置１Ａは、膜蒸留法の濃度差再生装置Ｒｓが、タービン４で仕事をした中濃度溶液から高濃度溶液及び低濃度溶液を再生して濃度差発電ユニットＰＵに供給するので、クローズドサイクルの系内を循環する溶液の濃度差再を効率よく実施することができる。
すなわち、クローズドサイクルの濃度差発電装置１Ａは、蒸発法と比較してエネルギー効率の高い膜蒸留法を採用したので、濃度差再生装置１Ａへの投入エネルギーである熱量（Ｃ）の低減が可能になり、この結果、効率（η）を向上させることができる。

また、本実施形態においては、濃度差発電装置１Ａをガスタービン複合発電設備６０と組み合わせた複合発電装置５０としたので、蒸気タービン８２による発電後に排水されていた復水器８４の冷却水保有熱を有効に利用して濃度差再生を実施できるようになる。従って、ガスタービン発電部７０、蒸気タービン発電部８０及び濃度差発電装置１Ａにより構成される複合発電装置５０全体として、高い発電効率を得ることができる。
すなわち、中濃度溶液の加熱源として、蒸気タービン８２から排出される凝縮水の排熱を利用するので、投入エネルギーの熱量（Ｃ）をより一層低減して効率（η）を向上させることができる。

ところで、上述した図１の複合発電装置５０では、排熱回収熱交換器２２の加熱媒体として、閉回路の加熱媒体流路２３を循環して復水器８４で昇温された温水を使用しているが、これに限定されることはない。
図２に示す第１変形例の複合発電装置５０Ａでは、蒸気タービン８２で仕事をした蒸気が、加熱媒体流路２３Ａを介して直接排熱回収熱交換器２２Ａに導入されている。なお、図２においては、ボイラ水や蒸気を循環させるポンプ等の図示が省略されている。

すなわち、第１変形例の媒体加熱部は、加熱媒体流路２３Ａを含む閉回路のボイラ水循環流路を蒸気またはボイラ水が循環し、排熱回収熱交換器２２Ａを通過する蒸気が中濃度溶液を加熱して溶媒を蒸発させるように構成されている。
このように、排熱回収熱交換器２２Ａの加熱媒体に蒸気を使用すれば、中濃度溶液の溶媒を蒸発させる加熱源として大きな熱量を得ることができる。この場合、排熱回収熱交換器２２Ａが復水器８４の機能を有することになるので、復水器８４を廃止した構成や、復水器８４を小型化した構成が可能となる。

また、図３に示す第２変形例の複合発電装置５０Ｂは、蒸気タービン８２で仕事をした後の蒸気を復水させる復水器８４に対し、加熱媒体流路２３Ｂを介して中濃度溶液が直接供給されている。すなわち、第２変形例の媒体加熱部は、蒸気の保有熱で中濃度溶液（媒体）を加熱する吸熱側熱交換器として復水器８４Ａを備えているので、濃度差発電に使用する媒体の中濃度溶液で蒸気を冷却（吸熱）して復水させるとともに、中濃度溶液の溶媒を蒸発させる加熱源として蒸気から大きな熱量を得ることができる。この場合、排熱回収熱交換器２２が不要となるので、装置構成の簡素化が可能になる。

このように、上述した実施形態及びその変形例の媒体加熱部は、蒸気タービン８２で仕事をした蒸気の保有熱を利用して濃度差発電の媒体となる中濃度溶液を加熱するので、排熱利用による効率のよい濃度差再生が可能となり、この結果、濃度差再生に要する投入エネルギーの熱量低減により複合発電装置全体の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。

１Ａ 濃度差発電装置
２ 浸透装置
３ 半透膜
４ タービン（水車）
５ 発電機
６ａ〜６ｄ 循環ポンプ
７ 低濃度溶液ライン
８ 中濃度溶液ライン
９ 高濃度溶液ライン
２０ 多孔質疎水性膜
２２，２２Ａ 排熱回収熱交換器
３０ 冷却熱交換器
４０ 圧力交換機
５０，５０Ａ，５０Ｂ 複合発電設備
６０ ガスタービン複合発電設備（ＩＧＣＣ）
７０ ガスタービン発電部
７１ ガスタービン装置
８０ 蒸気タービン発電部
８１ 排熱回収ボイラ
８２ 蒸気タービン
８４，８４Ａ 復水器
ＰＵ 濃度差発電ユニット
Ｒｓ 濃度差再生装置

Claims (5)

1. 濃度差発電ユニットと、半透膜に供給する媒体を加熱する媒体加熱部を備えた膜蒸留法の濃度差再生装置と、を具備して構成したことを特徴とする濃度差発電装置。
2. 半透膜で分離された二つの空間に濃度の異なる二つの媒体の供給を受ける浸透装置と、前記半透膜を通過した浸透流量及び前記半透膜の膜差圧との積により出力を得るタービンと、前記タービンの出力で駆動される発電機とを備えている濃度差発電ユニットと、
   前記タービンで仕事をした媒体を媒体加熱部で加熱し、濃度の異なる二つの媒体に再生して前記濃度差発電ユニットへ供給する膜蒸留法の濃度差再生装置と、
   を具備して構成したことを特徴とする濃度差発電装置。
3. 請求項１または２に記載の濃度差発電装置と、
   ガスタービン装置でガスタービン発電機を駆動して発電するガスタービン発電部と、
   前記ガスタービン装置から排出される燃焼排ガスを排熱回収ボイラに導入して生成された蒸気により運転される蒸気タービンで蒸気タービン発電機を駆動して発電する蒸気タービン発電部と、を具備し、
   前記濃度差再生装置の前記媒体加熱部が、前記蒸気タービンで仕事をした蒸気の保有熱を利用して前記媒体を加熱することを特徴とする複合発電装置。
4. 前記媒体加熱部は、閉回路を循環する加熱媒体と、前記蒸気の保有熱で前記加熱媒体を加熱する吸熱側熱交換器と、前記加熱媒体との熱交換により前記媒体を加熱する加熱側熱交換器と、を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の複合発電装置。
5. 前記媒体加熱部は、前記蒸気の保有熱で前記媒体を加熱する吸熱側熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の複合発電装置。
   

Images