JP6130171B2 - 海水の塩分除去システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽熱および海水の温度差を用いる海水の塩分除去システムおよび方法に関する。

海水には約３．５％の塩分が含まれており、このままでは飲用に適していない。飲用水とするためには、海水から、塩分濃度が少なくとも０．０５％以下になるまで、塩分を除去する必要がある。

海水から塩分を除去する方法として、例えば、海水を熱して蒸発（フラッシュ）させ、その蒸発させたものを冷却して淡水にする方法が知られている（特許文献１）。これは、蒸発法と呼ばれている。熱効率を高めるため減圧して蒸発させ、多数の減圧室を組み合わせたものは、多段フラッシュ方式（Multi Stage Flash Distillation）と呼ばれている。

また、海水から塩分を除去する方法として、圧力をかけながら海水を逆浸透膜（RO膜、Reverse Osmosis Membrane）を通過させ、海水をろ過して塩分を取り除いて淡水を生成する方式が知られている（特許文献２）。これは逆浸透法と呼ばれている。

特開２０１２−２４５４２６号公報 特開２０１３−２２５７４号公報

しかし、特許文献１のような蒸発法は、熱効率が悪く、多量のエネルギーを必要とする。また、特許文献２のような逆浸透法は、特許文献１のような蒸発法よりもエネルギー効率は優れているが、RO膜が海水中の微生物や析出物で目詰まりしないように前処理したり洗浄作業をしたりする手間が必要であり、また、RO膜等の設備費用が多くかかるという課題を有する。

また、蒸留法にしても逆浸透法にしても、生成される水の塩分濃度は既定の特定の値のものとなり、これらの方法では任意の塩分濃度を有する水を容易に生成することはできない。

以上の課題を解消する観点から、本発明は、海水の淡水化の運用コストを大幅に低減するとともに、任意の塩分濃度を有する水を容易に生成することができる塩分除去システムおよび方法を提供することを目的とする。

上記の課題に鑑み、本発明の海水の塩分除去システムは、海水を溜める貯水部と、前記貯水部に溜められた海水を製氷する冷却部と備え、海水から製氷する製氷装置と、前記製氷装置の製氷の際の排熱を用いて前記製氷装置の製氷を解凍する淡水生成装置と、太陽光の照射により加熱される高温部と、海水により冷却される低温部と、前記高温部と前記低温部との温度差により電力を発生する発電部とを備え、発生した前記電力を前記製氷装置に供給する電力供給装置と、前記電力供給装置の前記低温部に供給する海水を冷却するための冷却装置を備え、前記冷却装置が、前記低温部に海水を供給するための配管と、前記配管を覆うように配置された冷却管とを備え、前記冷却管および前記製氷装置に、前記淡水生成装置で氷を解凍する際の冷気が供給されることを特徴とする。

このシステムにおいて、前記製氷装置が、海水を溜める貯水部と、前記貯水部に溜められた海水を製氷する冷却部と備え、前記冷却部が、前記貯水部に溜められた海水の全体が凍らない程度まで製氷を行うようにしてもよい。

このシステムにおいて、前記製氷装置の前記貯水部に溜められた海水を製氷する際の排熱を前記淡水生成装置での氷の解凍に用いるようにしてもよい。

このシステムにおいて、前記電力供給装置の前記発電部が、熱電素子を有し、前記熱電素子の一端が前記高温部に接触し、前記熱電素子の他端が前記低温部に接触するようにしてもよい。

また、本発明に係る海水の塩分除去方法は、海水を製氷する第１の製氷ステップと、前記第１の製氷ステップで生じる排熱を用いて、前記製氷ステップでの製氷を解凍して水を生成する第１の解凍ステップと、前記第１の解凍ステップで生成された水の塩分濃度を検査する検査ステップと、前記検査ステップで検査した水の塩分濃度が既定の濃度より高い場合に、前記第１の解凍ステップで生成された水を製氷する第２の製氷ステップと、前記第２の製氷ステップでの製氷を解凍して水を生成する第２の解凍ステップと、前記第２の製氷ステップおよび前記第２の解凍ステップを繰り返す反復ステップであって、前記反復ステップを実行するごとに、前記検査ステップを実行して、前記第２の解凍ステップで生成された水の塩分濃度が既定の濃度より低くなるまで、前記第２の製氷ステップおよび前記第２の解凍ステップを繰り返す反復ステップとを含むことを特徴とする。

本発明によると、海水の淡水化の運用コストを大幅に低減するとともに、任意の塩分濃度を有する水を容易に生成することができる塩分除去システムおよび方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る塩分除去システムにおける、発電から淡水化までの海水、電気エネルギーおよび熱エネルギーの移動の関係の概略を示す図である。 図１に示す塩分除去システムにおける発電装置の簡略化した構成を示す拡大図である。 図１に示す塩分除去システムにおける製氷装置の簡略化した構成を示す拡大図である。

以下、本発明の実施の形態に係る塩分除去システム１について図１から図３を参照しながら説明する。なお、図面上、システムの各装置の構成の理解を容易にする観点から、各装置の構成部分を適宜拡大または縮小している。

［塩分除去システムの概要］
塩分除去システム１は、発電装置１０と、充電装置２０と、製氷装置３０と、淡水生成装置４０とを備える。

発電装置１０は、後述するようにペルチェモジュールまたはゼーベックモジュール（総称して、「熱電素子」という）を備える。これにより、太陽光照射の加熱による温度と海水の冷却による温度との差によって発電を行い、発電により得た電気エネルギーを図１において矢印Ａで示すように充電装置２０に出力する。以下の実施の形態では、説明の便宜上ペルチェモジュールを用いた例で説明する。

充電装置２０は、発電装置１０によって発電された電気エネルギーを蓄積し、これにより出力を平均化して、必要な時に電気エネルギーを図１において矢印Ｂで示すように製氷装置３０に供給する。

製氷装置３０も、後述するように、発電装置１０と同様のペルチェモジュールを備える。製氷装置３０のペルチェモジュールは、充電装置２０から矢印Ｂで示すように電気エネルギーの供給を受け、これにより、貯水槽３１内を冷却して内部に溜めた海水３５を氷にする。

氷は、製氷装置３０から取り出されて、図１において破線の矢印で示すように移動されて淡水生成装置４０に搬入される。

淡水生成装置４０は、氷を解凍して水にする。この際、解凍のための熱源として、淡水生成装置４０は、製氷装置３０の排熱部３３から図１において矢印ＣおよびＤで示すように放出される排熱を利用する。

海水には３．５％の塩分が含まれている。淡水には、０．０１％から０．０５％までの塩分を含むことが許容されている。このため、淡水生成装置４０によって氷を解凍した水に、０．０５％以下の塩分が含まれている場合には淡水化は達成されている。

一方、より塩分含有率の低い淡水を生成する必要がある場合には、この解凍した水を製氷装置３０に戻して再度製氷し、この氷を淡水生成装置４０によって水に戻すという工程を２段、３段等必要な回数繰り返す。

淡水生成装置４０では氷を解凍する際に排冷気が得られる。海水１を淡水生成装置４０内に通過させ、その際に、排冷気の一部によってその海水１を冷却して低温の海水２にする。海水２は発電装置１０に供給され、発電装置１０の発電効率が高められる。

また、淡水生成装置４０の排冷気の一部は、製氷装置３０に供給されて製氷のための補助的な冷却のために活用される。

淡水生成装置４０の排冷気の一部を発電装置１０に利用するために、他の方法として、例えば、淡水生成装置４０から冷却装置５０まで配管４１を設け、排冷気を配管４１を経由して矢印Ｅ１に示すように冷却装置５０に供給して海水１を冷却して、発電装置１０に供給する海水２を低温にするようにしてもよい。

また、淡水生成装置４０の排冷気の一部を製氷装置３０に利用するために、他の方法として、例えば、淡水生成装置４０から製氷装置３０まで配管４２を設け、排冷気を配管４２を経由して矢印Ｅ２で示すように製氷装置３０に供給して、排冷気を製氷のための補助的な冷却のために活用するようにしてもよい。

［発電装置］
図２に示すように、発電装置１０は、高温部１２と低温部１３と発電部１１とからなる。高温部１２は太陽光の照射によって加熱される部分である。低温部１３は、海水によって冷却される部分で、海水２が取水口１３inから流入して排出口１３outから海水３として排出される。

発電部１１は、高温部１２と低温部１３との間に設けられていて、ペルチェモジュールを備える。ペルチェモジュールは、通電により熱を一方から他方へ移動する機能を有するもので、反対極性にしてその逆方向へ熱を伝えることもできる。また、ペルチェモジュールは、モジュールの一面と他面との間に温度差があればその両端の電極から電力を取り出せる機能も有する。発電部１１では、モジュールの一面と他面との間の温度差から電力を取り出す機能を利用する。

発電部１１のペルチェモジュールの上端部および下端部は、それぞれ、高温部１２および低温部１３に接している。ペルチェモジュールに引出線１４が接続されていて、引出線１４からペルチェモジュールによって発電された電気的エネルギーが取り出される。

なお、発電装置１０を複数設け、これらを、電気的に、縦列接続して高電圧を得たり、並列接続して高電流を得たりするようにしてもよい。

高温部１２に、図２に白抜きの矢印で示すように、太陽光が照射され、これにより高温部１２が加熱されると、この熱が、発電部１１のペルチェモジュールの上端部に伝達される。

一方、低温部１３の取水口１３inから海水２が供給されて排出口１３outから海水３として排出されると、低温部１３から、海水３と海水２との温度差に相当する熱エネルギーが奪われて低温部１３が冷却され、これにより、ペルチェモジュールの下端部が冷却される。

上記のような太陽光の照射による高温部１２の加熱および海水の循環による低温部１３の冷却に伴い、ペルチェモジュールの上端とペルチェモジュールの下端部との間に温度差が生じる。例えば、温度差は１００℃以上になる。

その温度差によるゼーベック効果により、ペルチェモジュールから電気エネルギーが得られ、引出線１４からその電気エネルギーを取り出すことができる。

引出線１４は、電気的に充電装置２０に接続されていて、図１において矢印Ａで示すように、発電装置１０から充電装置２０に、発電した電気エネルギーを供給する。発電装置１０から得られる電流は直流である。引出線１４と充電装置２０との間に、ＤＣＤＣコンバータを設けてもよい。

上記の一例の通り、図１に示す冷却装置５０に、淡水生成装置４０で得られた排冷気を、配管４１を経由して供給することができる。より詳しく述べると、冷却装置５０は、低温部１３の取水口１３inに接続される配管５１と、配管５１の周囲を覆うように配置された冷却管５２とを備えており、淡水生成装置４０で得られた排冷気が冷却管５２に供給される。

周囲の海水１は、配管５１に取り込まれて冷却管５２で覆われた部分を通過すると、冷却管５２の排冷気によって冷却されて低温の海水２になる。海水２は取水口１３inから低温部１３に供給される。

これにより、海水１を低温部１３に通過させた場合と比べて、海水２を低温部１３に通過させると、低温部１３の温度がより低くなり、高温部１２と低温部１３との間の温度差が大きくなる。このため、発電装置１０における発電効率を高めることができる。

［充電装置］
発電装置１０において発電量に変動があることが想定される。このため、充電装置２０は、発電量の変動を吸収して平均化した量を供給できるようにする。また、充電装置２０は、発電で得た電気エネルギーを貯蔵して、必要とする時に図１において矢印Ｂで示すように製氷装置３０に供給できるようにする。

充電装置２０から製氷装置３０までの間に、製氷装置３０のコンプレッサの駆動用にＤＣＡＣコンバータを設けてもよい。

［製氷装置］
製氷装置３０は、充電装置２０から図１の矢印Ｂで示すように電気エネルギーの供給を受けて、貯水槽３１に溜められた海水３５を、例えば、−５℃や−１０℃に冷却して氷にするものである。

図３に示すように、製氷装置３０は、断熱材３６から形成された貯水槽３１と、貯水槽３１の上部に配置された冷却部３２と、冷却部３２の上方に配置されていて冷却部３２から排熱するための排熱部３３とを備える。

貯水槽３１は、製氷するための海水３５を溜めるための空間を有する。冷却部３２は、ペルチェモジュールを備え、排熱部３３は排気用のファンを備える。

冷却部３２のペルチェモジュールは、充電装置２０から製氷装置３０に、図１の矢印Ｂで示すように電気エネルギーが供給されると、排熱部３３に接するペルチェモジュールの端部が高温となる一方、貯水槽３１に接するペルチェモジュールの端部が低温になるように配置されている。

ペルチェモジュールの貯水槽３１側の端部が低温になることにより、貯水槽３１内の海水３５を冷却して製氷することができる。

ペルチェモジュールの高温になった端部は、排熱部３３の排気ファンによって冷却される。このときの排熱は、図１の矢印ＣおよびＤに示すように、淡水生成装置４０に供給される。

ペルチェモジュールによる冷却および製氷の機能を補助するために、別機器として、排熱部３３がコンプレッサおよび冷媒の凝縮器を備え、貯水槽３１が冷却器を備えるようにしてもよい。

貯水槽３１に海水を注入したり、貯水槽３１から製氷後の氷を取り出したりする方法はどのような方法であってもよい。例えば、貯水槽３１に海水を供給するために配管を設け、貯水槽３１の開口部を冷却部３２によって開閉するようにしてもよい。

このときは、冷却部３２は、貯水槽３１に海水を入れる場合および貯水槽３１から氷を取り出す場合に、貯水槽３１の上部の開口部を解放し、製氷する場合に貯水槽３１を密閉するように機能する。

このため、冷却部３２は、貯水槽３１の上部で水平方向に移動して貯水槽３１の開口部を開閉する構造のものでもよく、または、貯水槽３１に枢軸を介して冷却部３２を設けて、枢軸を中心に冷却部３２を回転することによって貯水槽３１の開口部を開閉する構造のものでもよい。

ペルチェモジュールの冷却および製氷の機能を補助するために、別機器として、冷却部３２がコンプレッサおよび冷媒の凝縮器を備え、貯水槽３１が冷却器を備えるようにしてもよい。

製氷の際には、貯水槽３１内を海水で満たし、冷却部３２に電力を供給してペルチェモジュールを機能させ、これとともに、排熱部３３の排気ファンを作動させる。

海水３５が氷になるときには、貯水槽３１内では、氷の部分から塩分が除去され、液体の部分に、塩分が凝縮されることになる。製氷装置３０が海水３５の冷却を続けると、塩分が凝縮された部分も凍結することになる。

このため、製氷装置３０は、溜められた海水３５の全体が凍らない程度まで製氷を行う。海水を溶液、水を溶質、塩を溶媒とすると、塩分濃度の３．５％の海水では、溶質の水は９６．５％を占めるので、その溶質の値に近い割合まで、水分の凍結を行うことができる。

製氷装置３０から取り出された氷は、図１において破線の矢印Ｆで示すように移動されて淡水生成装置４０に搬入される。一方、貯水槽３１に残った未凍結の海水は、貯水槽３１から取り出されて図示していない別の貯水槽に一時的に溜められる。

この一時的に溜められている海水の温度は低いため、次の新たな海水の製氷の際に、貯水槽３１に溜めた新たな海水３５を冷却するために補助的に用いることができる。例えば、貯水槽３１内に蛇行する配管を設けて、その配管に、一時的に溜められている低温の海水を通すことにより、冷却部３２のペルチェモジュールを機能させる前に、新たな海水を冷却するようにしてもよい。

［淡水生成装置］
淡水生成装置４０は、氷を解凍して水にする装置である。この解凍の際、製氷装置３０の排気部３３の排熱ファンによる排熱を図１において矢印ＣおよびＤで示すように利用する。この場合、製氷装置３０の排気部３３と淡水生成装置４０とを金属で直接に連結して伝導させると、製氷装置３０の排気部３３の排熱を淡水生成装置４０での淡水のために効率よく利用することができる。

また、上記の通り、淡水生成装置４０では氷を解凍する際に排冷気が得られる。この排冷気は、淡水生成装置４０から冷却装置５０および製氷装置３０に供給されて、発電装置１０の低温部１３に供給される海水および製氷装置３０の貯水槽３１に溜められる海水の冷却に活用される。これにより、発電装置１０における発電効率や製氷装置３０における海水の冷却効率が高められる。

上記の実施の態様の塩分除去システムによると、発電装置１０の低温部１３を冷却するための海水２が冷却されて、高温部１２と低温部１３との間の温度差を大きくすることができる。このため、ペルチェモジュールの発電効率を高めることができる。

また、製氷装置３０の製氷の際に淡水生成装置４０からの排冷気を用いることができるため、製氷効率を高めることができる。

従来の海水淡水化装置の造水コストは極めて高いのに対して、本実施の形態の塩分除去システムによる発電装置の運用コストは、太陽熱と海水の温度差を利用するので発生しない。

また、本実施の形態の塩分除去システムによると、製氷・解凍工程での排熱と排冷気とを繰り返し再利用して発電効率を高めることができ、これにより製氷・解凍効率も高めることができるため、設置後の造水コストが極めて低くて済む。これらの結果、発電装置での余剰電力を他のシステムに活用したり電力会社に販売したりすることも可能になる。

［他の実施の形態］
上記の実施の形態では、製氷装置３０の駆動のために、太陽熱と海水との温度差を利用した発電装置１０によって発電した電力を用いた。このような発電方式に代えて、他の自然エネルギーを利用した発電装置、例えば、太陽光発電装置、風力発電装置等を用いてもよい。

上記の実施の形態では、発電装置１０および充電装置２０の代わりに、製氷装置３０は、商用電源から電力の供給を受けてもよい。この場合には、商用電源から製氷装置３０までの間に、ＡＣＤＣコンバータを設けてもよい。

また、上記の実施の形態では、淡水生成装置４０から冷却装置５０まで配管４１を配置して、淡水生成装置４０の冷気を冷却装置５０まで導くことによって発電装置１０の低温部１３に供給する海水を冷却した。

これは、淡水生成装置４０からの冷気を用いて低温部１３に供給する海水を冷却するための構造をわかり易くする説明するための一例を示したにすぎず、この例に限定されるものではない。例えば、配管４１を使用せずに、発電装置１０の低温部１３に海水を供給する配管５１を淡水生成装置４０内を通過させ、その際に淡水生成装置４０内の冷気によって配管５１内を通過する海水を冷却するようにしてもよい。

１ 塩分除去システム
１０ 発電装置
１１ 発電部
１２ 高温部
１３ 低温部
１３in 取水口
１３out 排出口
１４ 引出線
２０ 充電装置
３０ 製氷装置
３１ 貯水槽
３２ 冷却部
３３ 排熱部
３５ 海水
３６ 断熱材
４０ 淡水生成装置
４１，４２，５１ 配管
５０ 冷却装置
５２ 冷却管

Claims (4)

1. 海水を溜める貯水部と、前記貯水部に溜められた海水を製氷する冷却部と備え、海水から製氷する製氷装置と、
   前記製氷装置の製氷の際の排熱を用いて前記製氷装置の製氷を解凍する淡水生成装置と、
   太陽光の照射により加熱される高温部と、海水により冷却される低温部と、前記高温部と前記低温部との温度差により電力を発生する発電部とを備え、発生した前記電力を前記製氷装置に供給する電力供給装置と、
   前記電力供給装置の前記低温部に供給する海水を冷却するための冷却装置を備え、
   前記冷却装置が、前記低温部に海水を供給するための配管と、前記配管を覆うように配置された冷却管とを備え、
   前記冷却管および前記製氷装置に、前記淡水生成装置で氷を解凍する際の冷気が供給されることを特徴とする、海水の塩分除去システム。
2. 前記冷却部が、前記貯水部に溜められた海水の全体が凍らない程度まで製氷を行うことを特徴とする、請求項１に記載の海水の塩分除去システム。
3. 前記製氷装置の前記貯水部に溜められた海水を製氷する際の排熱を前記淡水生成装置での氷の解凍に用いることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の海水の塩分除去システム。
4. 前記電力供給装置の前記発電部が、熱電素子を有し、前記熱電素子の一端が前記高温部に接触し、前記熱電素子の他端が前記低温部に接触することを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の海水の塩分除去システム。

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