WO2012133661A1

WO2012133661A1 - 濃度差発電装置とその運転方法

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Publication number: WO2012133661A1
Application number: PCT/JP2012/058389
Authority: WO
Inventors: 谷口雅英; 前田智宏
Original assignee: 東レ株式会社
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2012-10-04
Also published as: IL228489A0; SG193966A1; EP2693050A1; CN103547798B; ES2551864T3; EP2693050B1; JPWO2012133661A1; IL228489A; CA2831750A1; US20140284929A1; JP5991200B2; EP2693050A4; KR20140015410A; CN103547798A; KR101822567B1

Abstract

半透膜を備えた半透膜ユニットを介して濃度の異なる高濃度水と低濃度水を接触させ、正浸透圧によって低濃度側から高濃度側に水を浸透させることによる高濃度水の水量増加を利用して、発電機を駆動させて発電する濃度差発電装置において、半透膜ユニットが複数のサブユニット（８，１２）に分割されているとともに、前段のサブユニット（８）から次段のサブユニット（１２）に至る高濃度側の流路（Ｌ４）または低濃度側の流路（Ｌ３）に圧力変更機構（１１）を備えることを特徴とする濃度差発電装置。

Description

濃度差発電装置とその運転方法

　本発明は、浸透圧の低い低濃度水と浸透圧の高い高濃度水の間に半透膜を介して接触させ、正浸透現象によって生じる透過流をエネルギーとして、水力発電を行う装置およびその運転方法に関するものである。

　近年、世界の経済発展に伴う化石燃料の消費，資源の枯渇、炭酸ガス増加など様々な地球規模の環境問題が顕在化してきている。そのような状況の下で、エネルギー産生手段として、太陽光発電、風力発電、温度差発電など、新規の脱炭素エネルギー技術が開発され、さらには実用化され始めている。

　これらの技術の中で、特に、海水と河川などの塩分濃度差をエネルギーとして取り出す濃度差発電は、ほぼ無尽蔵に存在する天然エネルギー源を利用する技術であり、期待を集めている。塩分濃度差をエネルギーへ変換する方法の代表としては、濃淡電池が挙げられる。

　また、濃度差を利用した発電方法として、半透膜を介して生じる浸透圧を利用する抗圧浸透法が、シドニー・ロブによって提唱された（Ｓ．ロブ、「ジャーナル・オブ・メンブレン・サイエンス」、１巻、ｐ４９、１９７６）。塩分濃度の異なる２つの溶液（つまり低濃度水および高濃度水）を半透膜で隔てると、正浸透現象によって、淡水側から塩水側へと水が移動する。抗圧浸透法は、この移動を利用して水力発電機を駆動する。

　この技術は、提唱された当時は、半透膜の性能および水力発電機の効率など、コストパフォーマンスの観点から実用可能性が低いと考えられていた。よって、この技術について、実用化に対する検討はあまり進められてこなかった。しかし、近年のエネルギーコストの上昇、さらに半透膜および発電機の性能向上につれ、抗圧浸透法を用いた濃度差発電の実用可能性が見直されはじめている。国内においても福岡において、海水－淡水化プラントの濃縮排水を利用して、廃水処理と発電を同時に実施するといった試みが進められている（非特許文献１、特許文献１）。

　抗圧浸透法では、淡水から塩水への水の移動量が多い方が、コストパフォーマンスが向上する。しかしながら、海水および淡水を利用する方法では、浸透圧差が非常に大きいので、淡水中に含有される有機物が半透膜の表面に強く押し付けられる。その結果、半透膜が汚れて性能が低下する、いわゆるファウリングが起きやすいという問題がある。このような問題を考慮して、エネルギー回収ユニットを適用することで、エネルギーロスを抑えながら、半透膜にかかる圧力差を制御する技術が開発されている（特許文献２）。このような技術については、実用化検討が加速しており、ノルウェーには実用化前提の性能実証プラントが建設され、稼働するに至った。

特許第4166464号公報国際公開WO02/13955号パンフレット

谷岡明彦、「ニューメンブレンテクノロジーシンポジウム２０１０（Ｓ５－４－１）」、２０１０年１２月

　しかしながら、従来の技術においては、以下の問題が存在する。

　低濃度水から高濃度水側に多量の水を移動させると、高濃度水の濃度は大きく低下する。よって、半透膜を、半透膜を介して高濃度水と低濃度水とを接触させる１つの半透膜ユニットの中でも、上流と下流とでは、高濃度水の濃度に大きな差が生じる。高濃度水の濃度の差は、浸透圧の差を生じる。すなわち、半透膜ユニットにおける高濃度水（たとえば海水）の入り口付近では、半透膜面での淡水と海水の濃度差が大きいために、単位膜面積あたりの正浸透流が大きくなる一方で、高濃度水の出口では、すでに流入した淡水によって、高濃度水と低濃度水との間の濃度差が減少し、正浸透流が小さくなる。

　半透膜ユニットにおける高濃度水と低濃度水との間の圧力をエネルギー回収ユニットによって制御しても、高濃度水の入口と出口の間で生じる、浸透圧のこのような変動には対応できない。その結果、浸透流の大きなところでは半透膜のファウリングを招きやすく、それを抑えようとすると、全体の浸透流量、ひいては発電量が低下するという問題が生じる。大きな濃度差を利用して高効率に発電する目的で、海水淡水化後に得られる濃縮排水または死海の水のような高濃度塩水を用いることがあるが、濃度が高いほど、このような問題は顕著となる。よって、安定的な高効率発電が困難である。

　本発明の目的は、浸透圧の低い低濃度水と浸透圧の高い高濃度水の間に半透膜を介して接触させ、正浸透現象によって生じる透過流をエネルギーとして、効率的かつ安定的に水力発電を行う装置およびその運転方法を提供することにある。

　前記課題を解決するために、本発明の濃度差発電装置は、半透膜を備える半透膜ユニットを介して濃度の異なる高濃度水と低濃度水を接触させたときに、正浸透圧によって低濃度側から高濃度側に水が浸透することによる高濃度水の量の増加を利用して、発電機を駆動させて発電する濃度差発電装置であって、前記半透膜ユニットは、複数のサブユニットに分割されているとともに、前記サブユニット間を繋ぐ高濃度側の中間流路および低濃度側の中間流路を備え、前記濃度差発電装置は、高濃度側の前記中間流路および低濃度側の前記中間流路の少なくとも一方に設けられた圧力変更機構を備える。

　本発明によって、浸透圧の低い低濃度水と浸透圧の高い高濃度水の間に半透膜を介して接触させ、正浸透現象によって生じる透過流をエネルギーとして、効率的かつ安定的に水力発電を行うことが可能となる。

複数のサブユニットを備えるとともに、サブユニット間を繋ぐ高濃度水流路上に圧力調節バルブを備える濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である（請求項１の発明に関連する一態様）。複数のサブユニットを備えるとともに、サブユニット間を繋ぐ高濃度水の中間流路上に中間エネルギー回収ユニットを備える濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である（請求項２の発明に関連する一態様）。複数のサブユニットを備えるとともに、サブユニット間を繋ぐ高濃度水の中間流路上に中間エネルギー回収ユニットおよび中間昇圧ポンプを備える濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である（請求項２の発明に関連する一態様）。複数のサブユニットを備えるとともに、サブユニット間を繋ぐ低濃度水の中間流路上に中間昇圧ポンプを備える濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である（請求項９の発明に関連する一態様）。複数のサブユニットを備えるとともに、サブユニット間を繋ぐ低濃度水の中間流路上に中間昇圧ポンプを備える濃度差発電装置の他の一態様を示す、概略フロー図である（請求項９の発明に関連する他の態様）。複数のサブユニットを備えるとともに、サブユニット間を繋ぐ低濃度水の中間流路上に中間昇圧ポンプを備え、高濃度水の中間流路上に中間エネルギー回収ユニットを備える濃度差発電装置の他の一態様を示す、概略フロー図である（請求項９の発明に関連するさらに他の態様）。複数のサブユニットを備えるとともに、上流のサブユニットへ供給される低濃度水の一部を下流のサブユニットの低濃度側にバイパスする流路を有する濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である（請求項４の発明に関連する態様）。図７のバイパス流路に加えて、上流のサブユニットへ供給される高濃度水の一部を下流のサブユニットの高濃度側へバイパスする流路を有する濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である。図８に示す２本のバイパス流路に加えて、下流のサブユニットへ供給される高濃度水の一部を下流のサブユニットの高濃度水の排出流路にバイパスする流路を有する濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である。複数のサブユニットを備えるとともに、第１サブユニットの高濃度側排出水の一部を発電機に送る流路と、残りの高濃度排水を第２サブユニットに送る流路とを有する濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である（請求項５の発明に関連する態様）。複数のサブユニットと、第１サブユニットを昇圧するエネルギー回収ユニットとを備える濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である（請求項６の発明に関連する態様）。複数のサブユニットと、第１サブユニットを昇圧するエネルギー回収ユニットとを備える濃度差発電装置の他の態様を示す、概略フロー図である（請求項６の発明に関連する態様）複数のサブユニットと、第１サブユニットを昇圧する圧力エネルギー回収ユニットを備える濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である（請求項３，６の発明に関連する態様）。複数のサブユニットと、第２サブユニットを昇圧する圧力エネルギー回収ユニットを備える濃度差発電装置の他の一態様を示す、概略フロー図である（請求項３，６の発明に関連する別の一態様）。複数のサブユニットと、上流のサブユニットを昇圧する圧力エネルギー回収ユニットを備える濃度差発電装置の他の一態様を示す、概略フロー図である（請求項３，６の発明に関連するさらに別の一態様）。複数のサブユニットと、サブユニット間に設けられた中間エネルギー回収ユニットとを備え、高濃度水と低濃度水とを対向供給する濃度差発電装置の一態様を示す概略フロー図である（請求項８の発明に関連する態様）。複数のサブユニットを備えるとともに、高濃度水と低濃度水を対向供給し、下流側のサブユニットに上流側のサブユニットに供給される低濃度水の一部をバイパスする流路を有する濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である（請求項４，８の発明に関連する態様）。複数のサブユニットを備えるとともに、高濃度水と低濃度水を対向供給し、下流側のサブユニットに、上流側のサブユニットに供給される高濃度水の一部をバイパスする流路を有する濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である。複数のサブユニットを備えるとともに、高濃度水と低濃度水を対向供給し、上流側のサブユニットから流出した高濃度水を、高濃度水の排出用の流路にバイパスする流路を有する濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である。複数のサブユニットを備えるとともに、高濃度水と低濃度水を対向供給し、低濃度水の中間流路に設けられた昇圧ポンプを有する濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である（請求項８，９の発明に関連する態様）。複数のサブユニットを備えるとともに、高濃度水の中間流路に昇圧ポンプおよび圧力交換式エネルギー回収ユニットが設けられ、分岐した高濃度水の排出路のそれぞれに発電機が設けられる濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である（請求項１１の発明に関連する態様）。複数のサブユニットを備えるとともに、高濃度水の流路に２つの圧力交換式エネルギー回収ユニットを備える濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である（請求項１１の発明に関連する態様）。３段のサブユニットを備えるとともに、高濃度水の流路に３つの圧力交換式エネルギー回収ユニットを備える濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である。従来の濃度差発電装置を示す概略フロー図である。複数のサブユニットと、サブユニット間を繋ぐ高濃度水の中間流路に脱塩ユニットを備える濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である（請求項２の発明に関連する態様）。図２５の構成に加えて、脱塩水タンクからサブユニット間の低濃度水の中間流路に至るバイパス流路を備える濃度差発電装置の一態様を示す、概略フロー図である（請求項２の発明に関連する態様）。複数のサブユニットと、サブユニット間を繋ぐ高濃度水の中間流路上に設けられた脱塩ユニットとを備え、高濃度水と低濃度水とを対向供給する濃度差発電装置の一態様を示す。

　以下、本発明の実施の形態の一例を、図面を用いて説明する。ただし、本発明の範囲はこれらの実施態様に限られるものではない。

　なお、各形態において、特に言及しない構成については、他の形態における構成を適用することができる。また、各図について、他の図面と同様の機能を有する構成要素については、同符号を付してその説明を省略することがある。

　図１－図１５および図２５－図２７に示す構成では、低濃度水と高濃度水とは、各サブユニットに並行供給される。本書において、並行供給とは、低濃度水と高濃度水とを、サブユニット間で並行に流れるように供給することを指す。具体的には、並行供給においては、低濃度水が第１サブユニット８、第２サブユニット１２の順に流れるとき、高濃度水も、第１サブニット８、第２サブユニット１２の順に流れる。しかし、並行供給という用語は、個々のサブユニットの内部における低濃度水および高濃度水の流れの方向を限定するものではない。したがって、低濃度水と高濃度水とが並行供給されているときも、各サブユニットの内部においては、半透膜を挟んで、低濃度水と高濃度水とが、同方向に流れていてもよいし（つまり並行に流れていてもよいし）、逆方向に流れていてもよい（つまり、対向するように流れていてもよい）。

　一方、図１６－図２３に示す構成では、低濃度水と高濃度水とは、各サブユニットに対向供給される。対向供給とは、低濃度水と高濃度水を逆向きに流す供給方法である。並行供給と同様に、対向供給においても、低濃度水と高濃度水とは、サブユニット間で逆方向に流れるように、つまりサブユニット間を流れるときに互いに対向流として流れていればよい。つまり、サブユニット内部においては、半透膜を挟んで、低濃度水と高濃度水とが、同方向に流れていてもよいし、逆方向に流れていてもよい。

　図１－図２３および図２５－図２７において、符号１０１－１２３および１２５－１２７は、半透膜ユニットを指す。これらの半透膜ユニットは、２個以上のサブユニットに分割されている。「分割されている」とは、半透膜ユニットとして機能する複数のサブユニットと、各サブユニットの高濃度側を連結する流路と、低濃度を連結する流路と、が設けられることを意味する。

　なお、以下の説明において、「上流」と「前段」、「下流」と「後段」または「次段」とは、互いに言い換えられてもよい。

　また、「濃度差発電装置」と「浸透圧発電装置」とは、互いに言い換えられてもよい。

　１．第１－第３形態
　図１に示す濃度差発電装置は、半透膜ユニットと、圧力変更機構とを備える。圧力変更機構の一例として、本形態の装置においては、高濃度水の中間流路Ｌ４上に、バルブ１１が設けられている。

　図１に示す濃度差発電装置は、低濃度水タンク１、低濃度取水ポンプ２、低濃度前処理ユニット３、高濃度水タンク４、高濃度取水ポンプ５、高濃度前処理ユニット６、昇圧ポンプ７、半透膜ユニット１００、水力発電機１３、低濃度供給流路Ｌ１、高濃度供給流路Ｌ２、低濃度排水流路Ｌ５、および高濃度排水流路Ｌ６を備える。

　なお、必要に応じて、図示された装置および部材の一部が設けられていなくてもよいし、図示されていない装置および部材、例えば昇圧ポンプ、中間タンク、保安フィルターなどが、さらに設けられていてもよい。

　図１に示すように、低濃度取水ポンプ２は、低濃度水タンク１から低濃度水を汲み上げて、低濃度前処理ユニット３に送る。低濃度前処理ユニット３は、低濃度水をろ過等することで、浸透圧発電に適用可能な低濃度水を得る。低濃度供給流路Ｌ１は、低濃度水タンク１から第１サブユニット８へ低濃度水を供給する。

　また、図１に示すように、高濃度取水ポンプ５は、高濃度水タンク４から高濃度水を汲み上げて、高濃度前処理ユニット６に送る。高濃度前処理ユニット６は、高濃度水をろ過等することで、浸透圧発電に適用可能な高濃度水を得る。昇圧ポンプ７は高濃度前処理ユニット６による前処理を経た高濃度水の水圧を高める。高濃度供給流路Ｌ２は、高濃度水タンク４から第１サブユニット８へ高濃度水を供給する。

　半透膜ユニット１０１は、高濃度水と低濃度水との浸透圧の差によって、低濃度水から高濃度水への水の移動を生じさせる。半透膜ユニット１００は、複数のサブユニットに分割されている。具体的には、半透膜ユニット１００は、第１サブユニット８および第２サブユニット１２と、第１サブユニット８と第２サブユニット１２とを連結する低濃度水の中間流路Ｌ３および高濃度水の中間流路Ｌ４を備える。なお、１つの半透膜ユニットが備えるサブユニットの数は、２個に限定されず、３個以上であってもよい。

　第１サブユニット８および第２サブユニット１２は、それぞれ、半透膜と、低濃度水が流れる流路と、高濃度水が流れる流路と、を備える。

　低濃度水の中間流路Ｌ３は、第1サブユニット８の低濃度側の流路と第２サブユニット１２の低濃度側の流路とを接続し、高濃度水の中間流路Ｌ４は、第１サブユニット８の高濃度側の流路と第２サブユニット１２の高濃度側の流路とを接続する。

　前処理を経た低濃度水は、まず第1サブユニット８の低濃度側の流路に流入する。昇圧ポンプ７から送り出された高濃度水は、第1サブユニット８の高濃度側の流路に流入する。こうして、低濃度水と高濃度水とが半透膜を介して接触する。この接触によって、浸透圧に基づいて、低濃度側の流路から高濃度側の流路へと半透膜を通って水が移動する。その結果、第１サブユニット８の下流における低濃度水の流量は、上流における流量よりも減少し、第１サブユニット８の下流における高濃度水の流量は上流における流量よりも増加する。

　こうして減少した低濃度水は、第１サブユニット８から流出した後、低濃度水の中間流路Ｌ３を通って第２サブユニット１２の低濃度側の流路に送られる。また、増加した高濃度水は、第１サブユニット８から流出した後、高濃度水の中間流路Ｌ４を通って第２サブユニット１２の高濃度側の流路に送られる。第２サブユニット１２では、第１サブユニット８と同様に、低濃度側の流路から高濃度側の流路へ水が移動する。

　このとき、第２サブユニット１２における低濃度水と高濃度水との濃度差は、第１サブユニット８における低濃度水と高濃度水との濃度差よりも小さい。つまり、通常、第２サブユニット１２における透過流束（すなわち膜面積あたりの透過流量）は、第１サブユニット８における透過流束よりも小さくなる。

　しかしながら、第２サブユニット１２で大きな透過流束を得るために、第１サブユニット８に供給される低濃度水と高濃度水との濃度の差を大きくすると、第１サブユニット８での透過流束が非常に大きくなる。その結果、低濃度水に含まれる不純物が半透膜面に蓄積しやすくなるので、ファウリング（ｆｏｕｌｉｎｇ）によって半透膜の性能が低下しやすい。一方で、第１サブユニットにおけるファウリング発生を抑える目的で、第１サブユニット８の透過流束を制限すると、第２サブユニット１２ではさらに透過流束が小さくなり、高い発電効率を得ることが難しくなる。

　発明者らは、サブユニット間の流路に、圧力変更機構を設けることでこのような問題を解決できることを見出した。圧力変更機構とは、圧力変更機構の上流における圧力と下流におけるとの間に差異を生じさせる機構である。

　圧力変更機構の一例として、図１の装置においては、高濃度水の中間流路Ｌ４上に、バルブ１１が設けられている。バルブ１１は、高濃度水の中間流路Ｌ４において圧力損失を生じさせることで、第１サブユニット８の透過側に、第２サブユニットの透過側よりも大きな背圧をかける。バルブ１１は、こうしてサブユニット間に背圧差を生じさせることによって、第１サブユニット８の半透膜における有効圧力差と、第２サブユニット１２の半透膜における有効圧力差との差異を低減する。ここで、有効圧力差とは、（供給側圧力－透過側圧力＋浸透圧差）で表される値である。

　高濃度水は、第２サブユニット１２から高濃度排水流路Ｌ６を通って、水力発電機１３に送られた後、系外に排出される。水力発電機１３は、高濃度水が保有する圧力エネルギーを電力に変換する。

　一方、低濃度水は、第２サブユニット１４から、低濃度排水流路１４を通って排出される。

　以上に説明したように、図１の構成では、前段のサブユニットから次段のサブユニットに至る高濃度側の流路に圧力変更機構が設けられており、この圧力変更機構によって、前段のサブユニット（つまり図１における第１サブユニット８）の透過流束および後段のサブユニット（つまり図１における第２サブユニット１２）の透過流束を最適に維持することが可能となる。

　水力発電機１３の構成は、とくに制限されるものではなく、水力発電機１３として、例えば、フランシス水車、プロペラ水車、ペルトン水車、クロスフロー水車、逆転ポンプなどを挙げることができる。水力発電機１３の構成は、流量および生じる圧力等に応じて選択される。

　図２に示すように、第１サブユニット８の出口と第２の半透膜ユニット１２の入口とで圧力を変えるための機構として、中間エネルギー回収ユニット１６が設けられてもよい。中間エネルギー回収ユニット１６は、図１に示すバルブ１１と組み合わせて用いられてもよいし、または単独で用いられてもよい。

　中間エネルギー回収ユニット１６により、中間エネルギー回収ユニット１６の下流側の高濃度水の圧力は、上流側の高濃度水の圧力よりも低減される。なお、中間エネルギー回収ユニット１６が設けられても、第２サブユニット１２へ供給される高濃度水として適切な圧力は残される。中間エネルギー回収ユニット１６としては、例えば、インラインで中間エネルギー回収ユニット１６の二次側圧力（つまり透過側の圧力）を維持できる型式の水力発電機が好ましい。このような水力発電機としては、フランシス水車およびプロペラ水車が挙げられる。

　図３に示すように、中間エネルギー回収ユニット１６の下流側かつ第２サブユニット１２の上流側に、中間昇圧ポンプ１７が設けられてもよい。

　本書に記載したいずれの形態においても、中間エネルギー回収ユニット１６は、第２サブユニット１２よりも高い位置に配置されてもよい。この構成においては、ペルトン水車等を用いて、第１サブユニット８の出口における高濃度水の圧力エネルギーを回収することが可能である。また、中間エネルギー回収ユニット１６の後に中間タンクを設けてもよい。

　２．第４－第６形態
　有効圧力差をサブユニット間で均等にするための他の構成として、低濃度水の中間流路に昇圧ポンプが設けられてもよい。

　図４の形態では、第１サブユニット８と第２サブユニット１２の間の低濃度水の中間流路Ｌ３上に、中間昇圧ポンプ２１が設けられる。上述したように、低濃度水が第１サブユニット８を通過することで、低濃度水の流量は低下する。しかし、本形態では、第２サブユニット１２の入口における低濃度側の圧力が、第１サブユニット８の出口における低濃度側の圧力よりも高められる。よって、上述の第１－第３形態によって、高濃度側の圧力を減じることによって得られる効果と同様の効果が、本形態においても得られる。

　また、中間昇圧ポンプの代わりに圧力交換式などのエネルギー回収ユニットを用いて、高濃度側および低濃度側のいずれにおいても、排出水などによって生じる圧力エネルギーを利用することもできる。

　図４に示すように、低濃度水の排出流路Ｌ１５上にバルブ１１ａが設けられてもよい。バルブ１１ａは第２サブユニット１２の低濃度側圧力を保持することができる。

　また、図５に示すように、図４のバルブ１１ａに代えて、低濃度水の排出流路Ｌ１５上に水力発電機１３ａが設けられてもよい。

　また、図６に示すように、高濃度側および低濃度側の両方に、中間エネルギー回収ユニット１６のように圧力を減じる機構が設けられてもよいし、中間昇圧ポンプ２１のように圧力を上げる機構が設けられてもよい。

　３．第７－第１０形態
　先に例示した図１～図６では、第１サブユニット８から第２サブユニット１２まで、低濃度水と高濃度水とが並行供給されている。このような流れを並行流と称する。上述したように、第１サブユニット８では、低濃度水が高濃度側に移動するので、低濃度水の量が減少し、高濃度水の量が増加する。その結果、並行流では、第１サブユニット８における［低濃度水の流量／高濃度水の流量］の比率と、第２サブユニット１２における［低濃度水の流量／高濃度水の流量］の比率とに、差異が生じる。

　そのため、第２サブユニット１２において、低濃度水流路に対する高濃度水流路の断面積比は、第１サブユニット８における高濃度水流路の断面積比よりも大きいことが好ましい。このような構成によって、上記差異を小さく抑えることができる。

　そのため、第２サブユニット１２において、低濃度水流路に対する高濃度水流路の流路断面積比は、第１サブユニット８における流路断面積比よりも大きいことが好ましい。このような構成によって、第２サブユニット１２における［高濃度水の流量／低濃度水の流量］の比と、第１サブユニット８における［高濃度水の流量／低濃度水の流量］の比との差異を、小さく抑えることができる。

　このような構成は、例えば半透膜が中空糸膜であり、第１および第２サブユニットで同一径の中空糸膜が充填される場合には、第２サブユニット１２における中空糸膜の充填率を第１サブユニット８における充填率と異ならせることによって、実現することができる。すなわち、中空糸膜の内側を高濃度水が通るのであれば、第２サブユニット１２における膜の充填率を第１サブユニット８における膜の充填率よりも高くすることで、第２サブユニット１２における高濃度水流路の断面積比を大きくすることができる。また、中空糸膜の外側を高濃度水が通るのであれば、第２サブユニット１２における膜の充填率を、第１サブユニット８における膜の充填率よりも低くすることで、第２サブユニット１２における高濃度水流路の断面積比を大きくすることができる。

　また、半透膜がスパイラル型または積層型の場合は、流路材の厚みを、第１サブユニット８と第２サブユニット１２とで異ならせてもよい。

　第１サブユニット８と第２サブユニット１２の仕様を変える以外にも、以下のような構成によって、同様の効果を得ることができる。

　すなわち、図７に示すように、第１サブユニット８と並列に設けられた低濃度バイパス流路Ｌ１１が設けられていてもよい。低濃度水のバイパス流路Ｌ１１は、第１サブユニット８の上流から（つまり低濃度水の供給流路Ｌ１から）、下流側のサブユニットである第２サブユニット１２へと低濃度水をバイパスする。低濃度バイパス流路Ｌ１１によって、第２サブユニット１２に供給される低濃度の量を増やすことができる。

　低濃度水バイパス流路Ｌ１１には、昇圧ポンプ１８およびバルブ１９が設けられる。昇圧ポンプ１８は、必要に応じて第２サブユニット１２に供給される低濃度水に圧力を付与することができるが、第１サブユニット８の低濃度水出口の圧力によっては、省略することも可能である。また、バルブ１９は、開閉することで、第２サブユニット１２に供給される低濃度水の流量を制御することができる。

　また、図８に示すように、第１サブユニット８と並列な高濃度パイパス流路Ｌ１２が設けられていてもよい。高濃度バイパス流路Ｌ１２は、第１サブユニット８の上流から（つまり高濃度水の供給流路Ｌ２から）、第２サブユニット１２に、第１サブユニット８を通っていない高濃度水を供給する。こうしてバイパス流路Ｌ１２、第２サブユニット１２中の高濃度水の塩濃度を上げることができる。高濃度バイパス流路Ｌ１２にも、昇圧ポンプ１８およびバルブ１９が設けられる。

　また、図９に示すように、第２サブユニット１２と並列な高濃度バイパス流路Ｌ１３が設けられていてもよい。高濃度バイパス流路Ｌ１３の一端は、中間エネルギー回収ユニット１６の下流かつ第２サブユニット１２の上流で中間流路Ｌ４に接続する。バイパス流路Ｌ１３の他端は、水力発電機１３の上流で、高濃度水の排出流路Ｌ６に接続する。高濃度バイパス流路Ｌ１３により、第１サブユニット８から流出した高濃度水は、第２サブユニット１２を通らずに、高濃度排水流路Ｌ６に流入する。こうして、第２サブユニット１２に供給される高濃度水流量が低減される。

　また、図１０に示すように、高濃度側のバイパス流路Ｌ１４が設けられてもよい。バイパス流路Ｌ１４は、中間エネルギー回収ユニット１６の上流で高濃度水の中間流路Ｌ４から分岐し、水力発電機１３の下流で高濃度水の排出流路Ｌ６に接続する。バイパス流路Ｌ１４上には水上発電機１３ａが設けられる。つまり、バイパス流路Ｌ１４によって、第１サブユニット８から排出される高濃度水の一部が、水力発電機１３ａに送られる。この構成によって、第２サブユニット１２に供給される高濃度水の流量が低減される。

　４．第１１－１５形態
　濃度差発電装置は、各サブユニットの下流に、そのサブユニットから流出する水の圧力エネルギーを利用して、そのサブユニットに供給される水、またはそのサブユニットよりも上流に配置されたサブユニットに供給される水を昇圧するように配置された、エネルギー回収ユニットを備えてもよい。このエネルギー回収ユニットとして、圧力交換式の装置およびターボチャージャーは、ポンプを不要とすることができるのでエネルギー効率が高い。構成の例は、以下に説明するとおりである。

　図１１および図１２に示す構成では、図６に示す構成における中間エネルギー回収ユニット１６の代わりに、エネルギー回収ユニット２０が設けられる。図１１および図１２において、エネルギー回収ユニット２０は、高濃度水の中間流路Ｌ４に設けられており、第１サブユニット8から排出される高濃度水の圧力エネルギーを利用して、第１サブユニット８に供給される高濃度水を昇圧する。具体的には、図１１において、エネルギー回収ユニット２０は、高濃度前処理ユニット６に供給される高濃度水を昇圧することで、第１サブユニット８に供給される高濃度水を昇圧する。図１２において、エネルギー回収ユニット２０は、高濃度前処理ユニット６から排出された高濃度水を昇圧することで、第１サブユニット８に供給される高濃度水を昇圧する。エネルギー回収ユニット２０の構成は特に制限されない。エネルギー回収ユニット２０として、例えば、上述のような水力発電機を利用して、水流を電力に変えてポンプを回す装置が適用可能である。

　図１１および図１２の構成は、第１サブユニット８から排出される高濃度水をすべてエネルギー回収ユニット２０に送る。これに対して、図１３では、エネルギー回収ユニット２０の代わりにエネルギー回収ユニット２２が設けられる。また、図１３に示すように、高濃度水の中間流路Ｌ４から分岐し、水力発電機１３の下流で高濃度排水流路Ｌ６に接続するバイパス流路Ｌ１４が設けられてもよい。バイパス流路Ｌ１４によって、第1サブユニット８の高濃度の排出水の一部が、エネルギー回収ユニット２２に供給される。エネルギー回収ユニット２２として、圧力交換式のエネルギー回収装置が用いられる場合、エネルギー回収ユニット２２に供給される高濃度水の流量は、第１サブユニット８に供給される高濃度水の流量と同等になるように調整される。エネルギー回収ユニット２２に供給される流量は、バルブの開閉、ポンプの稼動および流路径の調節等によって、調整可能である。

　また、図１４および図１５に例示するように、濃度差発電装置において、他の様々な位置でも、圧力エネルギーを回収することができ、回収された圧力エネルギーを各部における昇圧に適用することができる。

　図１４の形態では、エネルギー回収ユニット２３は、第２サブユニット１２から排出される高濃度水（つまり高濃度排水流路Ｌ６を通る高濃度水）の一部から圧力エネルギーを回収し、それを利用して第２サブユニット１２に供給される高濃度水を昇圧する。具体的には、バイパス流路（分岐路）Ｌ１７が高濃度水の排出流路Ｌ６から分岐している。流路Ｌ１７を通った高濃度水は、エネルギー回収ユニット２２に圧力エネルギーを供給した後、高濃度水の排出流路Ｌ６に再び合流する。バイパス流路Ｌ１７上にも、高濃度排水流路Ｌ６と同様に、バルブ１１および水力発電機１３ａが設けられてもよい。

　また、図１５の形態では、エネルギー回収ユニット２３の下流で、バイパス流路Ｌ１７からバイパス流路Ｌ１８がさらに分岐する。バイパス流路Ｌ１８上にはエネルギー回収ユニット２３が設けられる。エネルギー回収ユニット２３は、エネルギー回収ユニットＬ２２を通った高濃度排水の一部から、圧力エネルギーをさらに回収し、第１サブユニット８に供給される高濃度水を昇圧する。

　５．第１６－第２３形態
　図１～１５、２５、２６においては、並行供給（並行流）の場合について述べた。図１６－図２３に示す構成では、高濃度水と低濃度水とが対向供給される。

　図１６では、高濃度水は、高濃度取水ポンプ５、高濃度前処理ユニット６、昇圧ポンプ７を通って、まず第２サブユニット１２に供給される。第２サブユニット１２において、低濃度側から高濃度側への水の正浸透によって、高濃度水の流量は増加する。その後、高濃度水は、バルブまたは中間水力発電機（図１６では中間エネルギー回収ユニット１６）によって圧力が減じられた後に、第１サブユニット８に送られる。第１サブユニット８では、低濃度側から高濃度側に水が移動し、高濃度水の量はさらに増加する。第１サブユニット８を通った高濃度水は、水力発電機１３を通った後に系外に排出される。

　一方、低濃度取水ポンプ２および低濃度前処理ユニット３を通った低濃度水は、第１サブユニット８に送られる。第１サブユニット８において、低濃度側から高濃度側へ正浸透により水が移動した後に、第２サブユニット１２に送られる。第２サブユニット１２においても、上述したように低濃度側から高濃度側へ水が移動する。第２サブユニットを通った低濃度水は、系外に排出される。

　図１６においても、第１サブユニット８および第２サブユニット１２として、設計上の流量に応じたサブユニットが適用される。

　また、対向流によって低濃度水と高濃度水とが供給される場合においても図１７に例示するように、図７と同様のバイパス流路Ｌ１１が設けられてもよい。バイパス流路Ｌ１１によって、第１サブユニット８を流れる低濃度水の量、および第２サブユニット１２を流れる低濃度水の量が調節される。

　また、図１８に示すように、第２サブユニット１２に並列なパイパス流路Ｌ１２が設けられてもよい。バイパス流路Ｌ１２は、高濃度水供給流路Ｌ２から（つまり第２サブユニット１２の上流から）、高濃度水の中間流路Ｌ４へ高濃度水を供給することで、第１サブユニット８の高濃度供給水の濃度を上げることもできる。

　また、図１９に示すように、第１サブユニット８に並列に高濃度水のバイパス流路Ｌ１４を設けることで、第１サブユニット８に供給される高濃度水の量を調節することも可能である。

　もちろん、これらのバイパス流路が設けられる箇所の数は１つでも複数でもよい。さらに、対向供給の場合も、並行供給の場合と同様に高濃度側の圧力を第２サブユニット１２の前で減じる以外に、低濃度側の圧力を第２サブユニット１２の前で上げることも可能である。この両方を適用した場合を図２０に例示する。さらに、図２６と同様に、図２７に示すように、半透膜脱塩ユニット２７を備えることも可能である。

　なお、本書において、対向供給においては、上述したように、サブユニット間で低濃度水と高濃度水とが対向するように流れるが、サブユニットの内部では低濃度水と高濃度水とが対向するように流れることは必須ではない。ただし、サブユニットの内部においても低濃度水と高濃度水とが対向するように流れると、浸透圧のバランスがさらに良好になり、効果的である。

　さらに、対向供給方式においてエネルギー回収ユニットを適用する好適な例としては、例えば、図２１に示す構成が挙げられる。図２１では、高濃度の排出水の一部がエネルギー回収ユニット２３に送られ、回収されたエネルギーが第１サブユニット８に供給される高濃度水の昇圧に利用され、高濃度の排出水の残りが、水力発電機１３に送られる。具体的には、高濃度水の排出流路Ｌ６から分岐して、エネルギー回収ユニット２３へと高濃度水を送る流路Ｌ１７が設けられる。

　このとき、エネルギー回収装置２３としては、圧力交換式の装置またはターボチャージャーが好ましい。これらの装置によると、ポンプを使わずにダイレクトにエネルギー回収（つまり高濃度水の昇圧）が可能である。

　なお、この場合は、エネルギー回収ユニット２３から排出された高濃度側中間水２５は、第２サブユニット１２の高濃度排出水の有する圧力に近い圧力を有する場合が多く、高圧側と低圧側すべての流路に圧力がかかるため、エネルギー回収ユニットとして適切な耐圧性能を有する装置が用いられる。

　また、エネルギー回収ユニット２３が設けられた流路上に、発電機１３ａが設けられてもよい。図２１では、エネルギー回収ユニット２３と発電機１３ａとの間に、バルブ１１が設けられる。

　なお、図２１では、高濃度水の中間流路Ｌ４上に中間昇圧ポンプ２４が設けられる（請求項１０の発明）。中間昇圧ポンプ２４によって、エネルギー回収の不足分が補われ、また、起動時の第１サブユニット８への高濃度水の供給が円滑に行われる。特にフレキシビリティという意味からは、インバーターが設けられることが好ましい。

　エネルギー回収ユニット２３の高濃度側の中間水２５は、図２２に例示するように、高濃度水の昇圧などに利用可能である。すなわち、流路Ｌ１７は、高濃度の中間水を発電機１３ａに供給する流路と、エネルギー回収ユニット２２に供給する流路とに分岐してもよい。エネルギー回収ユニット２２は、中間水２５の圧力を利用して、上流のサブユニット１２に供給される高濃度水を昇圧する。つまり、図２２の構成は、下流のサブユニット８の下流側、つまり出口に設けられたエネルギー回収ユニットが、上流のサブユニット１２を昇圧する形態の一例である。

　５．第２３形態
　以上では、半透膜ユニットが２つのサブユニットから構成される場合について説明したが、半透膜ユニットが３つ以上のサブユニットから構成されていてもよい。低濃度水と初期の高濃度水との濃度差が大きいときには、上流のサブユニットでの透過水量が大きいので、サブユニットの数を増やすことによって、より均等な透過流束を実現することができる。例として図２３に、２つのサブユニットから構成される図２２の濃度差発電装置を３つのサブユニットから構成される濃度差発電装置にした場合の例を示す。

　６．第２５－第２７形態
　図２５に示すように、圧力変更機構として、脱塩ユニット２７が設けられてもよい。脱塩ユニット２７は、半透膜を備えるろ過脱塩装置である。

　第１サブユニット８から排出される高濃度水は、高濃度水の中間流路Ｌ４を通って脱塩ユニット２７に供給される。脱塩ユニット２７では、圧力エネルギーを利用して、脱塩水および濃縮水が得られる。濃縮水は、第２ユニット１２に高濃度水として供給される。本形態では、脱塩水タンク２９、および脱塩ユニット２７から脱塩水タンク２９にいたる流路Ｌ７が、さらに設けられる。脱塩水は、流路Ｌ７を通って脱塩水タンク２９に貯留された後、系外で利用されてもよい。

　また、図２６に示す構成では、脱塩水タンク２９と、低濃度水の中間流路Ｌ３とを繋ぐ流路Ｌ８が設けられる。脱塩水は、脱塩水タンク２９から、流路Ｌ８を通って第２サブユニット１２へ、低濃度水として供給される。つまり、第１サブユニット８から出た高濃度水の一部が、第２サブユニット１２の低濃度水として供給されるので、第２サブユニット１２における低濃度水の量の変動を抑えることができる。

　ここで適用する脱塩ユニット２７は、適切な脱塩性能を有していればよい。適切な脱塩性能とは、得られた脱塩水が低濃度水として利用される場合は、その脱塩水の供給対象であるサブユニットに流入する高濃度水よりも低い塩濃度の脱塩水を得られる程度であればよい。具体的には、脱塩率が９０％以上、より好ましくは、９５％以上になるように、半透膜の構成および脱塩ユニットの運転条件を設定すればよい。

　上述したように、図２６と同様に、図２７に示すように、半透膜脱塩ユニット２７が高濃度水の中間流路Ｌ４上に設けられてもよい。

　６．サブユニットの構成
　各サブユニットの構成および大きさ等は、特定の形態には限定されない。例えば、耐圧容器と、この耐圧容器中に収容された流体分離素子（分離エレメント）とを備える分離装置が、サブユニットとして適用可能である。流体分離素子は、筐体、およびその筐体に納められた中空糸膜状または平膜状の半透膜を備える。半透膜が平膜であれば、流体分離素子は例えば、半透膜と流路材とが積層されることで形成された積層体と、多数の孔を穿設した筒状の中心パイプと、を備える。このような流体分離素子において、半透膜および流路材は、中心パイプの周りに貼り付けられており、平らな状態であってもよいし、中心パイプの周囲に巻きつけられた状態であってもよい。

　半透膜素材としては、酢酸セルロース系ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリイミド、ビニルポリマーなどの高分子素材が適用される。

　また、半透膜は、膜の少なくとも片面に緻密層を持ち、緻密層から膜内部あるいはもう片方の面に向けて徐々に大きな孔径の微細孔を有する非対称膜であってもよいし、非対称膜の緻密層の上に別の素材で形成された非常に薄い機能層を有する複合膜であってもよい。

　７．他の構成要素等について
　以上の実施形態において、低濃度水および高濃度水とは、半透膜を介して互いに接したときに、浸透圧差による水の透過流を生じる水溶液であればよい。つまり、低濃度水は一般的には比較的低い塩濃度を有する水を指し、高濃度水とは、低濃度水よりも高い塩濃度を有する水を指す。低濃度水および高濃度水の塩濃度は、具体的な数値に限定されない。ただし、低濃度水と高濃度水との濃度差が大きい方が、内在するエネルギーも大きいので好ましい。具体的には、高濃度水は、例えば、海水、海水濃縮水、食塩水、糖液、臭化リチウムなど、高い溶解度を有する溶質を含有し、かつ高い浸透圧が得られる水溶液が好ましい。特に海水およびその濃縮水は、自然から容易に得ることができる。一方、低濃度水は、純水、河川水、地下水、下水処理水など、高濃度水よりも浸透圧が小さい液であればよい。入手にかかるコストが低く、低濃度水として好適な濃度を有するので、河川水および下水処理水が好適に用いられる。

　前処理ユニット３，前処理ユニット６についても特に制約はなく、それぞれの供給水の水質など必要に応じて、濁質成分の除去や殺菌などを適用することができる。

　供給水の濁質を除去する必要がある場合は、砂ろ過や精密ろ過膜、限外ろ過膜の適用が効果的である。このときバクテリアや藻類などの微生物が多い場合は、殺菌剤を添加することも好ましい。殺菌剤としては塩素を用いることが好ましく、たとえば塩素ガスや次亜塩素酸ナトリウムを遊離塩素として１～５ｍｇ／ｌの範囲内となるように供給水に添加するとよい。なお、半透膜によっては特定の殺菌剤に化学的な耐久性がない場合があるので、その場合は、なるべく供給水の上流側で添加し、さらに、半透膜ユニットの供給水入口側近傍にて殺菌剤を無効にすることが好ましい。例えば、遊離塩素の場合は、その濃度を測定し、この測定値に基づいて塩素ガスや次亜塩素酸ナトリウムの添加量を制御したり、亜硫酸水素ナトリウムなどの還元剤を添加したりするとよい。また、濁質以外にバクテリアやタンパク質、天然有機成分などを含有する場合は、ポリ塩化アルミニウム、硫酸バンド、塩化鉄（III）などの凝集剤を加えることも効果的である。凝集させた供給水は、その後に斜向板などで沈降させた上で砂ろ過を行ったり、複数本の中空糸膜を束ねた精密ろ過膜や限外ろ過膜によるろ過を行ったりすることによって後段の半透膜ユニットを通過させるのに適した供給水とすることができる。とくに、凝集剤の添加にあたっては、凝集しやすいようにｐＨを調整することが好ましい。

　ここで、前処理に砂ろ過を用いる場合は、自然に流下する方式の重力式ろ過を適用することもできれば、加圧タンクの中に砂を充填した加圧式ろ過を適用することも可能である。充填する砂も、単一成分の砂を適用することが可能であるが、例えば、アンスラサイト、珪砂、ガーネット、軽石など、を組み合わせて、ろ過効率を高めることが可能である。精密ろ過膜や限外ろ過膜についても、特に制約はなく、平膜、中空糸膜、管状型膜、プリーツ型、その他いかなる形状のものも適宜用いることができる。膜の素材についても、特に限定されるもの、ポリアクリロニトリル、ポリフェニレンスルフォン、ポリフェニレンスルフィドスルフォン、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスルホン、ポリビニルアルコール、酢酸セルロースや、セラミック等の無機素材を用いることができる。また、ろ過方式にしても供給水を加圧してろ過する加圧ろ過方式や透過側を吸引してろ過する吸引ろ過方式のいずれも適用可能である。とくに、吸引ろ過方式の場合は、凝集沈殿槽や生物処理槽に精密ろ過膜や限外ろ過膜を浸漬してろ過する、いわゆる凝集膜ろ過や膜利用活性汚泥法（ＭＢＲ）を適用することも好ましい。

　一方、供給水に溶解性の有機物が多く含まれている場合は、塩素ガスや次亜塩素酸ナトリウムの添加によってそれら有機物を分解することができるが、加圧浮上や活性炭ろ過を行うことによっても除去が可能である。また、溶解性の無機物が多く含まれている場合は、有機系高分子電解質やヘキサメタ燐酸ソーダなどのキレート剤を添加したり、イオン交換樹脂などを用いて溶解性イオンと交換したりするとよい。また、鉄やマンガンが可溶な状態で存在しているときは、ばっ気酸化ろ過法や接触酸化ろ過法などを用いることが好ましい。

　あらかじめ特定イオンや高分子などを除去し、本発明における淡水製造装置を高効率で運転することを目的として、前処理にナノろ過膜を用いることも可能である。

　８．各形態の組み合わせ
　それぞれの形態において説明した、流路、エネルギー回収ユニット、バルブ、ポンプ等の構成要素の数および位置は、変更可能である。また、別の図面に示した構成は、それぞれ組み合わせることが可能である。すなわち、別の形態として説明された構成を、省略、付加、組み合わせることで得られる形態も、本発明の実施形態に含まれる。

　また、本書に記載した濃度差発電装置を用いた発電方法も、本発明の技術的範囲に含まれる。

　＜運転方法＞
　本書に記載する全ての形態の発電装置において、各サブユニットの透過流束が過剰に大きくならないように、各サブユニットにおける透過流束の最大値は、設定値以下になるように制御されることが好ましい（請求項１２の発明）。透過流束をこのように制御するには、各サブユニットにおいて、設定された上限値を透過流束が超えそうになったときに、そのサブユニットにおける高濃度側の圧力を低濃度側の圧力よりも相対的に増加させればよい。つまり、サブユニットにおける高濃度水の圧力を上げるか、低濃度水の圧力を下げるか、高濃度水の圧力を上げながら低濃度水の圧力を下げればよい。

　図１の構成を例として説明すると、第１サブユニット８の透過流束が上限を超えそうになった場合は、（ａ）昇圧ポンプ７の出力を上げること、および／または（ｂ）バルブ１１の開度を下げることによって、高濃度側の圧力を相対的に高めることができる。こうして、第１サブユニット８における透過流束の増大が抑制される。

　また、第２サブユニット１２において透過流束が設定された上限値を超えそうになった場合は、バルブ１１の開度を上げることで、第２サブユニット１２の高濃度側の圧力を上げることができる。

　また、第１および第２サブユニットのいずれにおいても、低濃度側の圧力を下げることによって、高濃度側の圧力を増大させるのと同様の効果を得ることができる。

　各サブユニットの透過流束は、より具体的には、低濃度水についてASTM D 4189-95に準拠して測定されたＳＤＩ(Silt Density Index)に応じて制御されてもよい（請求項１３の発明の例）。例えば、各サブユニットの透過流束を、ＳＤＩ＜１のときは４２．５ｌｍｈ以下となるように制御し、１≦ＳＤＩ≦５のときは（５０－７．５×ＳＤＩ）Ｌｍｈ以下となるように制御してもよい。ｌｍｈとは、リットル毎平方メートル毎時（Ｌ／ｍ^２／ｈ）を表す単位である。このように制御によって、サブユニットのファウリングがより抑制され、より安定な運転が可能となる。

　なお、ＳＤＩ＞５である場合は、運転を中断してもよい。ただし、ＳＤＩ＞５のときも運転は可能であり、運転を停止するときの条件は、用いられる低濃度水の状態等にもよって設定可能である。

　＜比較形態＞
　図２４に示す形態では、濃度差発電装置は分割されていない半透膜ユニット２００を備える。半透膜ユニット２００において、流路Ｌ１０２によって供給される高濃度水の入り口付近では、高濃度水と低濃度水との濃度差が大きいので透過流束が大きく、高濃度水の出口付近では濃度差が小さいので透過流束が小さくなる。よって、上述したような問題が起きやすい。なお、符号Ｌ１０１は低濃度水の供給流路であり、Ｌ１０５は低濃度水の排出流路であり、Ｌ１０６は高濃度水の排出流路である。

　本発明は、浸透圧の低い低濃度水と浸透圧の高い高濃度水の間に半透膜を介して接触させ、正浸透現象によって生じる透過流をエネルギーとして、水力発電を行う装置およびその運転方法に関するものであり、さらに詳しくは、複数のサブユニットから構成しつつ、それぞれの有効圧力差を最適にすることによって効率的かつ安定に水力発電を行うことを実現することができるものである。

１：低濃度水タンク
２：低濃度取水ポンプ
３：低濃度前処理ユニット
４：高濃度水タンク
５：高濃度取水ポンプ
６：高濃度前処理ユニット
７：昇圧ポンプ
８：第１サブユニット
１１：バルブ（高濃度側中間）
１１ａ：バルブ（低濃度側排水）
１２：第２サブユニット
１３：水力発電機（高濃度側排水）
１３ａ：水力発電機（高濃度側中間）
１３ｂ：水力発電機（高濃度側中間第２）
１６：中間エネルギー回収ユニット
１７：中間昇圧ポンプ
１８：昇圧ポンプ（第１）バイパス
１８ａ：昇圧ポンプ（第２）バイパス
１９：バルブ（第１）バイパス
１９ａ：バルブ（第２）バイパス
２０：エネルギー回収ユニット（高濃度水昇圧または高濃度側の前処理水の昇圧）
２１：中間昇圧ポンプ
２２：エネルギー回収ユニット（前処理水昇圧）
２３：エネルギー回収ユニット（中間昇圧）
２３ａ：エネルギー回収ユニット（中間昇圧第２）
２４：中間昇圧ポンプ
２４ａ：中間昇圧ポンプ（第２）
２５：高濃度側中間水
２６：第３のサブユニット
２７：半透膜脱塩ユニット
２９：脱塩水タンク
３０：脱塩水供給ポンプ
１０１-１２７，２００：半透膜ユニット
Ｌ１、Ｌ１０１：低濃度水の供給流路
Ｌ２、Ｌ１０２：高濃度水の供給流路
Ｌ５、Ｌ１０５：低濃度水の排出流路
Ｌ６、Ｌ１０６：高濃度水の排出流路
Ｌ７：脱塩水の流路
Ｌ８：脱塩水の供給流路
Ｌ１１：低濃度水のバイパス流路
Ｌ１２‐１４：高濃度水のバイパス流路
Ｌ１７、Ｌ１８：高濃度水の排出流路の分岐路
Ｌ４１‐Ｌ４２：高濃度水の中間流路
Ｌ３１‐Ｌ３２：低濃度水の中間流路

Claims

　半透膜を備える半透膜ユニットを介して濃度の異なる高濃度水と低濃度水を接触させたときに、正浸透圧によって低濃度側から高濃度側に水が浸透することによる高濃度水の量の増加を利用して、発電機を駆動させて発電する濃度差発電装置であって、
　前記半透膜ユニットは、複数のサブユニットに分割されているとともに、前記サブユニット間を繋ぐ高濃度側の中間流路および低濃度側の中間流路を備え、
　前記濃度差発電装置は、高濃度側の前記中間流路および低濃度側の前記中間流路の少なくとも一方に設けられた圧力変更機構を備える、
濃度差発電装置。
　圧力変更機構が、エネルギー回収ユニットおよび脱塩ユニットの少なくとも一方を備える
請求項１に記載の濃度差発電装置。
　圧力変更機構が、圧力交換式エネルギー回収ユニットを備える、
請求項２に記載の濃度差発電装置。
　低濃度水の流れる方向において上流に位置するサブユニットへ供給される低濃度水の一部を、下流に位置するサブユニットの少なくとも１つへ供給するバイパス流路をさらに備える、
請求項１－３のいずれかに記載の濃度差発電装置。
前記高濃度水の流れる方向において上流に位置するサブユニットから排出される高濃度水の一部を発電機に送る流路と
　前記高濃度排出水の残りを下流に位置するサブユニットの少なくとも１つに供給する流路と、をさらに備える
請求項１－４のいずれかに記載の濃度差発電装置。
　高濃度水の中間流路において、少なくとも１つのサブユニットの出口にエネルギー回収ユニットを備え、
　前記エネルギー回収ユニットが前記サブユニットまたはその上流側のサブユニットを昇圧する
請求項１－５のいずれかに記載の濃度差発電装置。
　前記サブユニットに高濃度水と低濃度水を実質的に並行供給するように構成されている
請求項１－６のいずれかに記載の濃度差発電装置。
　前記サブユニットに高濃度水と低濃度水を実質的に対向供給するように構成されている
請求項１－６のいずれかに記載の濃度差発電装置。
　前記圧力変更機構として、前記サブユニット間に設けられた低濃度水の中間流路の少なくとも１つに昇圧ポンプを備える
請求項１－８のいずれかに記載の濃度差発電装置。
　前記圧力変更機構として、前記サブユニット間に設けられた高濃度水の中間流路の少なくとも１つに昇圧ポンプを備える
請求項１－９のいずれかに記載の濃度差発電装置。
　圧力変更機構として、圧力交換式エネルギー回収ユニットを備え、
　前記圧力交換式エネルギー回収ユニットには、受圧側の排水流路が接続されており、
　前記受圧側の排水流路に発電ユニットが連結している
請求項９または１０に記載の濃度差発電装置。
　濃度差発電装置の運転方法であって：
　前記濃度差発電装置は、半透膜を備えた半透膜ユニットを介して濃度の異なる高濃度水と低濃度水を接触させ、正浸透圧によって低濃度側から高濃度側に水を浸透させることによる高濃度水の水量増加を利用して、発電機を駆動させて発電し、
　前記半透膜ユニットは、複数のサブユニットに分割されているとともに、前記サブユニット間を繋ぐ高濃度水の流路および低濃度水の流路を備え、前記高濃度水の流路または低濃度水の流路の少なくとも一方に圧力変更機構を備えており；
　前記運転方法は、少なくとも１つのサブユニットの膜面積あたりの透過流量の最大値を、設定値以下になるように制御することを備える
濃度差発電装置の運転方法。
　ASTM D 4189-95に準拠して低濃度水について測定されたＳＤＩ(Silt Density Index)に応じて、ＳＤＩ＜１のときは、前記サブユニットの膜面積あたりの透過流量の最大値を４２．５ｌｍｈ以下とし、１≦ＳＤＩ≦５のときは、前記最大値を（５０－７．５×ＳＤＩ）ｌｍｈ以下とすることを備える
請求項１２に記載の濃度差発電装置の運転方法。