JP6940680B2 - 新規なエネルギー効率のよい海水淡水化システム - Google Patents

Description

本発明は、海水淡水化技術の分野に属し、新規なエネルギー効率のよい海水淡水化システムに関する。

運転コストの低減は、海水淡水化技術進展の重要な目標の一つであり、運転コストの構成においてエネルギー消費が占める割合が最大であるため、エネルギー消費の低減が海水淡水化コストの低減の最も効果的な手段である。逆浸透法海水淡水化は、現行の海水淡水化の主流技術の一つであり、逆浸透法海水淡水化プロセスは大量の電力を消費して供給海水の圧力を昇圧することで水の浸透圧を克服し、逆浸透膜から排出された濃縮海水の残存圧力は５ＭＰａ以上に達し、放流された濃縮海水内に約６０％の供給海水の圧力エネルギーがあり、この部分のエネルギーを回収し供給海水エネルギーに変換して、逆浸透法海水淡水化のエネルギー消費を大幅に低減できる。この目的の実現は、エネルギー回収技術の利用に依存している。

７０年代から、逆浸透技術が海水／かん水の淡水化に活用されるに伴い、様々なエネルギー回収装置も相次いで開発された。８０年代に、新規なエネルギー回収技術が開発され、その動作原理は「ワーク交換」で、インターフェース或いはスペーサーを介して、直接高圧の濃縮された塩水の圧力を供給海水に伝達し、工程が簡略化され、「水圧エネルギー−水圧エネルギー」のワンステップによるエネルギー変換を経由し、エネルギー回収効率を向上させることができる。現在逆浸透法海水淡水化工程中に活用されるワーク交換式エネルギー回収装置は、主にロータリー圧力交換器及びピストン式弁制御圧力交換器の２種類で、効率は９０〜９７％以上に達することができる。

現在、中国南海の開発利用が課題となっており、海水淡水化プロジェクトはこの中の主要プロジェクトの一つである。南シナ海は小島が非常に多く、散在し、九段線領域内の面積が２００万Ｋｍ^２以上に達するが、小島面積を合わせてもわずか１３Ｋｍ^２しかなく、小島面積の制限により、従来の海水淡水化システムに必要な所要設置面積が大きいため、小島で需要を満たすことは非常に難しい。

本発明が解決しようとする課題は、従来技術の海水淡水化システムの所要設置面積が大きく、エネルギー回収及び高圧ポンプが個別のユニットであるため、システム構造がコンパクトではなく、製造難度も高く、コストが高いという問題について、海水の逆浸透淡水化装置及びエネルギー回収を一体化させると共に風車タワー内に統合することで所要設置面積を大幅に削減し、かつ効果的にコストを低減できる新規なエネルギー効率のよい海水淡水化システムを提供することである。

本発明は上記技術的課題を解決するために、以下の技術的手段からなる。
新規なエネルギー効率のよい海水淡水化システムであって、風車と逆浸透式海水淡水化装置と増圧装置とを含み、前記逆浸透式海水淡水化装置及び増圧装置はいずれも風車タワー内に取り付けられ、前記風車タワーに低圧の新鮮な海水入口及び低圧の濃縮された海水出口が設けられる。
前記増圧装置は、制御装置、ベース上に取り付けられた第１水タンク、第２水タンク及び第１水タンク、第２水タンク内に各々設けられた第１油圧シリンダと第２油圧シリンダを備え、前記第１油圧シリンダのピストンロッドは第１水タンクのタンク本体に固定され、前記第１油圧シリンダのシリンダ本体は第１水タンクのピストンロッドを兼ね、前記第１油圧シリンダのシリンダ本体は第１水タンクを第１チャンバーと第２チャンバーに分割し、前記第２油圧シリンダのピストンロッドは第２水タンクのタンク本体上に固定され、前記第２油圧シリンダのシリンダ本体は第２水タンクのピストンロッドを兼ね、前記第２油圧シリンダのシリンダ本体は第２水タンクを第３チャンバー及び第４チャンバーに分割する。
前記風車の回転軸は、プランジャポンプを直接連動して前記第１油圧シリンダ及び第２油圧シリンダを駆動させる。
前記低圧の新鮮な海水入口は、第１インレットチェックバルブ及び第２インレットチェックバルブを介して各々第２チャンバー及び第４チャンバーと連通し、前記第２チャンバー及び第４チャンバーは、各々第１アウトレットチェックバルブ及び第２アウトレットチェックバルブを介して逆浸透式海水淡水化装置の逆浸透膜セットと連通し、前記逆浸透膜セットの高圧の濃縮された海水出口は、第１配水弁及び第２配水弁を介して各々第１チャンバー及び第３チャンバーと連通し、前記第１チャンバー及び第３チャンバーは、各々第５アウトレットチェックバルブ及び第６アウトレットチェックバルブを介して低圧の濃縮された海水出口と連通する。
使用時、第１水タンクが逆浸透膜セットに新鮮な海水を送り込んだ時、前記制御装置は逆浸透膜セットから排出された高圧の濃縮された海水が第１チャンバーに入るのを制御し、高圧の濃縮された海水及び第１油圧シリンダが第２チャンバー内に入った低圧の新鮮な海水を共同で圧縮し、これと同時に、第２水タンクの第４チャンバーに低圧の新鮮な海水を補給し、第３チャンバーから低圧の濃縮された海水が排出され、第２水タンクが逆浸透膜セットに新鮮な海水を送り込んだ時、前記制御装置は逆浸透膜セットから排出された高圧の濃縮された海水が第３チャンバーに入るのを制御し、高圧の濃縮された海水及び第２油圧シリンダが第４チャンバー内に入った低圧の新鮮な海水を共同で圧縮し、これと同時に、第１水タンクの第２チャンバーに低圧の新鮮な海水を補給し、第１チャンバーから低圧の濃縮された海水が排出される。

本発明は、逆浸透式海水淡水化装置及び増圧装置を風車タワー内に統合するため、所要設置面積を大幅に減らし、南シナ海の小島の現行環境特性に適合し、応用にも便利となる。逆浸透式海水淡水化装置及び増圧装置を風車タワー内に統合するため、逆浸透式海水淡水化装置及び増圧装置を立てて設けることが好しい。本発明の増圧装置は、第１、２油圧シリンダ及び第１、２水タンクを含み、また実施時、第１、２油圧シリンダが各々第１、２水タンク内に設けられて複合体として作製され、油圧シリンダ及び水タンクを別々に設置することに比べると、油圧シリンダのピストンロッドの長さを大幅に短縮することができることで、増圧装置の高さを大幅に低くさせることで、タワーの高さを低くさせることができ、風車の信頼性及び海水淡水化システム全体の安定性を大幅に向上することができる。

代替的な解決策として、逆浸透膜セットの前に設けられ、逆浸透膜セットに入る直前の高圧の新鮮な海水を緩衝するためのバッファタンクを更に含む。海水淡水化処理装置内にバッファタンクを設けるため、高圧の新鮮な海水の逆浸透膜セットに対する衝撃を減らし、逆浸透膜セットの損傷を防止し、寿命も延びる。

代替的な解決策として、風車を介して動力を供給する発電機と、発電機に接続する蓄電装置とを更に含み、前記蓄電装置は制御装置に電力を供給するために用いられる。風車で直接発電して制御装置に電力を供給するため、クリーンエネルギーを十分利用できるだけでなく、電力系統への依存性を減らし、環境も保全できる。

また、本発明は上記技術的解決策を用いると次の有利な効果を更に有する。１）高圧の濃縮された海水は第１チャンバー及び第３チャンバーに直接入り、第２チャンバー及び第４チャンバー内の低圧の新鮮な海水を圧縮するために用いられ、高圧の濃縮された海水内のエネルギーを直接利用し、エネルギー回収利用率が向上し、２）海水淡水化処理装置とエネルギー回収装置を一体化させることで、中間ステップを短縮すると、高圧の濃縮された海水のエネルギー損失を減らし、エネルギー回収利用率が向上し、かつ機構がより簡単となり、コスト削減につながる。

以下、添付図面を参照して本発明を更に説明する。

本発明の実施例に係る新規なエネルギー効率のよい海水淡水化システムの構造を示す模式図である。 風車の構造を示す模式図である。 予備エネルギー供給装置の構造を示す模式図である。

図１に示すように、本実施例の新規なエネルギー効率のよい海水淡水化システムは、風車２６と逆浸透式海水淡水化装置と増圧装置とを含む。図２に示すように、風車２６は、羽根車３０と回転軸２９とタワー３１とを含み、前記逆浸透法海水淡水化装及び増圧装置が風車２６のタワー３１内に取り付けられ、前記風車２６のタワー３１に低圧の新鮮な海水入口３２及び低圧の濃縮された海水出口３３が設けられる。

前記増圧装置は、制御装置、ベース上に取り付けられた第１水タンク５、第２水タンク６及び第１水タンク５、第２水タンク６内に各々設けられた第１油圧シリンダ１５と第２油圧シリンダ１６を備え、前記第１油圧シリンダ１５のピストンロッドは第１水タンク５のタンク本体に固定され、前記第１油圧シリンダ１５のシリンダ本体は第１水タンク５のピストンロッドを兼ね、前記第１油圧シリンダ１５のシリンダ本体は第１水タンク５を第１チャンバー１１及び第２チャンバー２に分割し、前記第２油圧シリンダ１６のピストンロッドは第２水タンク６のタンク本体上に固定され、前記第２油圧シリンダ１６のシリンダ本体は第２水タンク６のピストンロッドを兼ね、前記第２油圧シリン１６のシリンダ本体は第２水タンク６を第３チャンバー１２及び第４チャンバー４に分割する。

図１に示すように、前記第１油圧シリンダ１５及び第２油圧シリンダ１６は、各々第１油圧ポンプ２４及び第２油圧ポンプ２５によって駆動され、第１油圧ポンプ２４及び第２油圧ポンプ２５はいずれもプランジャポンプを用い、前記風車２６の回転軸２９は２台のプランジャポンプに直接動力を供給する。第１油圧ポンプ２４及び第２油圧ポンプ２５は、各々第１油圧シリンダ１５及び第２油圧シリンダ１６のプロセスチャンバー、リターンチャンバーと接続され、第１油圧シリンダ１５及び第２油圧シリンダ１６のシリンダ本体が各々第１水タンク５、第２水タンク６のタンク本体内に沿って往復移動することで、新鮮な海水を圧縮するために用いられる。

前記低圧の新鮮な海水入口３２は、第１インレットチェックバルブ１及び第２インレットチェックバルブ３を介して各々第２チャンバー２及び第４チャンバー４と連通する。前記第２チャンバー２及び第４チャンバー４は、各々第１アウトレットチェックバルブ７及び第２アウトレットチェックバルブ８を介して逆浸透式海水淡水化装置の逆浸透膜セット２２と連通する。前記逆浸透膜セット２２の高圧の濃縮された海水出口は、第３アウトレットチェックバルブ９及び第４アウトレットチェックバルブ１０を介して各々第１チャンバー１１及び第３チャンバー１２と連通する。前記第１チャンバー１１及び第３チャンバー１２は、各々第５アウトレットチェックバルブ１３及び第６アウトレットチェックバルブ１４を介して低圧の濃縮された海水出口３３と連通する。

使用する時、第１油圧シリンダ１５及び第２油圧シリンダ１６は、差動式を用い、すなわち、第１水タンク５が逆浸透膜セット２２に新鮮な海水を送り込んだ時、前記制御装置は逆浸透膜セット２２から排出された高圧の濃縮された海水が第１チャンバー１１に入るのを制御し、高圧の濃縮された海水及び第１油圧シリンダ１５が第２チャンバー２内に入った低圧の新鮮な海水を共同で圧縮し、これと同時に、第２水タンク６の第４チャンバー４に低圧の新鮮な海水を補給し、第３チャンバー１２から低圧の濃縮された海水が排出される。第２水タンク６の逆浸透膜セット２２に新鮮な海水を送り込んだ時、前記制御装置は逆浸透膜セッ２２から排出された高圧の濃縮された海水が第３チャンバー１２に入るのを制御し、高圧の濃縮された海水及び第２油圧シリンダ１６が第４チャンバー４内に入った低圧の新鮮な海水を共同で圧縮し、これと同時に、第１水タンク５の第２チャンバー２に低圧の新鮮な海水を補給し、第１チャンバー１１から低圧の濃縮された海水が排出される。このように上記双方向プロセスを繰り返す。

高圧の新鮮な海水の逆浸透膜セット２２に対する衝撃を減らして、逆浸透膜セット２２の損傷を防止するため、本実施例は、逆浸透膜セット２２の前にバッファタンク２１が設けられ、逆浸透膜セット２２に入る直前の高圧の新鮮な海水の緩衝のために用いられる。

本実施例内の制御装置は、バッテリーで電力を供給できるが、風力エネルギーをより有効に利用するために、本実施例は風車２６によって発電機で発電させ、その後、蓄電装置で蓄電し、制御装置に電力を供給するために用いられる。

また、第１油圧ポンプ２４及び第２油圧ポンプ２５の吐出し管にいずれもアキュムレータ２０が設けられ、アキュムレータ２０は、吐出し管において油圧が高い時、エネルギーを吸収し、油圧が低い時、エネルギーを放出することで、吐出し管上の圧力を調節して相対的な安定性を保持する。

風力が小さすぎて、風車が機械エネルギーを安定して出力できない時、本実施例は、予備エネルギー供給装置を更に備え、図３に示すように、予備エネルギー供給装置はモータ３４及び非系統連系型マルチエネルギー共同給電装置３５からなり、非系統連系型マルチエネルギー共同給電装置３５はモータ３４に電力を供給するために用いられ、モータ３４は第１油圧ポンプ２４と第２油圧ポンプ２５を駆動するために用いられ、モータ３４と風車２６はクラッチによって切り替えられ、モータ３４を使用した時、発電機２７は動作せず、制御システムで蓄電装置２７ａが備蓄した電気エネルギーで油圧シリンダの制御装置に正常に電力を供給することを制御する。非系統連系型マルチエネルギー共同給電装置３５は、電力系統３６、太陽エネルギー３７、バイオマスエネルギー３８と潮汐エネルギー３９を含む。バイオマスエネルギー３８の出力は、比較的安定しており、環境の影響が小さく、非系統連系型マルチエネルギー共同給電装置３５内における割合が固定している。日中は陽光が十分であり、太陽エネルギー３６は非系統連系型マルチエネルギー共同給電装置３５に取り込まれて一緒に電力を供給し、夜間、潮汐エネルギー３９が十分である場合、太陽エネルギー３７に代替して非系統連系型マルチエネルギー共同給電装置３５に取り込まれて一緒に電力を供給し、太陽エネルギー３７、バイオマスエネルギー３８及び潮汐エネルギー３９が共同で電力を供給しても電力供給需要を満たすことができない時、電力系統３６を非系統連系型マルチエネルギー共同給電装置３５に取り込んで共同で電力を供給する。

本発明は、上記実施例に限定されることなく、本実施例の海水淡水化処理装置は１セットのみであるが、生産ニーズに応じて複数セットの海水淡水化装置を設けることができる。均等な範囲において置換された技術的解決策は、本発明の請求する保護範囲に含まれる。

１ 第１インレットチェックバルブ
２ 第２チャンバー
３ 第２インレットチェックバルブ
４ 第４チャンバー
５ 第１水タンク
６ 第２水タンク
７ 第１アウトレットチェックバルブ
８ 第２アウトレットチェックバルブ
９ 第３アウトレットチェックバルブ
１０ 第４アウトレットチェックバルブ
１１ 第１チャンバー
１２ 第３チャンバー
１３ 第５アウトレットチェックバルブ
１４ 第６アウトレットチェックバルブ
１５ 第１油圧シリンダ
１６ 第２油圧シリンダ
２１ バッファタンク
２２ 逆浸透膜セット
２３ 淡水収集装置
２４ 第１油圧ポンプ
２５ 第２油圧ポンプ
２６ 風車
２９ 回転軸
３０ 羽根車
３１ タワー
３２ 低圧の新鮮な海水入口
３３ 低圧の濃縮された海水出口
３４ モータ
３５ 非系統連系型マルチエネルギー共同給電装置
３６ 電力系統
３７ 太陽エネルギー
３８ バイオマスエネルギー
３９ 潮汐エネルギー

Claims (3)

1. 風車と逆浸透式海水淡水化装置と増圧装置とを含み、前記逆浸透式海水淡水化装置及び前記増圧装置がいずれも風車タワー内に取り付けられ、前記風車タワーに海水を補給する海水入口及び濃縮された海水を排出する海水出口が設けられた海水淡水化システムであって、
   前記増圧装置は、制御装置、ベース上に取り付けられた第１水タンク、第２水タンク及び前記第１水タンク、前記第２水タンク内に各々設けられた第１油圧シリンダと第２油圧シリンダ、第１油圧ポンプ、第２油圧ポンプを備え、前記第１油圧シリンダのピストンロッドは前記第１水タンクのタンク本体内に固定され、前記第１油圧シリンダのシリンダ本体内には、前記第１油圧ポンプ及び前記第２油圧ポンプと接続するプロセスチャンバーとリターンチャンバーを備え、前記第１油圧シリンダのシリンダ本体は前記第１水タンクのタンク本体内に沿って、前記第１水タンクに対して往復移動し、前記第１油圧シリンダのシリンダ本体は前記第１水タンクを第１チャンバー及び第２チャンバーに分割し、前記第２油圧シリンダのピストンロッドは、前記第２水タンクのタンク本体内に固定され、前記第２油圧シリンダのシリンダ本体内には、前記第１油圧ポンプ及び前記第２油圧ポンプと接続するプロセスチャンバーとリターンチャンバーを備え、前記第２油圧シリンダのシリンダ本体は前記第２水タンクのタンク本体内に沿って、前記第２水タンクに対して往復移動し、前記第２油圧シリンダのシリンダ本体は前記第２水タンクを第３チャンバーと第４チャンバーに分割し、
   前記風車の回転軸は、前記第１油圧ポンプ及び前記第２油圧ポンプに直接動力を供給し、前記第１油圧ポンプ及び前記第２油圧ポンプによって前記第１油圧シリンダ及び前記第２油圧シリンダを駆動させ、
   前記海水を補給する海水入口は、第１インレットチェックバルブ及び第２インレットチェックバルブを介して各々前記第２チャンバー及び前記第４チャンバーと連通し、前記第２チャンバー及び前記第４チャンバーは、各々第１アウトレットチェックバルブ及び第２アウトレットチェックバルブを介して前記逆浸透式海水淡水化装置の逆浸透膜セットと連通し、前記逆浸透膜セットの加圧された濃縮された海水の出口は、第３アウトレットチェックバルブ及び第４アウトレットチェックバルブを介して各々前記第１チャンバー及び前記第３チャンバーと連通し、前記第１チャンバー及び前記第３チャンバーは、各々第５アウトレットチェックバルブ及び第６アウトレットチェックバルブを介して前記濃縮された海水を排出する海水出口と連通し、
   使用時、前記第１水タンクが前記逆浸透膜セットに海水を送り込んだ時、前記制御装置は前記逆浸透膜セットから排出され加圧された濃縮された海水が前記第１チャンバーに入るのを制御し、当該加圧された濃縮された海水及び前記第１油圧シリンダが前記第２チャンバー内に入った海水を共同で圧縮し、これと同時に、前記第２水タンクの前記第４チャンバーに海水を補給し、前記第３チャンバーから濃縮された海水が排出され、前記第２水タンクが前記逆浸透膜セットに海水を送り込んだ時、前記制御装置は前記逆浸透膜セットから排出され加圧された濃縮された海水が前記第３チャンバーに入るのを制御し、当該加圧された濃縮された海水及び前記第２油圧シリンダが前記第４チャンバー内に入った海水を共同で圧縮し、これと同時に、前記第１水タンクの前記第２チャンバーに海水を補給し、前記第１チャンバーから濃縮された海水が排出される、
   ことを特徴とする、海水淡水化システム。
2. 逆浸透膜セットの前に設けられ、逆浸透膜セットに入る直前の海水を緩衝するためのバッファタンクを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の海水淡水化システム。
3. 風車を介して動力を供給する発電機と、発電機に接続する蓄電装置とを更に含み、前記蓄電装置が制御装置に電力を供給するために用いられることを特徴とする、請求項２に記載の海水淡水化システム。

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