一种盐差能发电装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种盐差能发电装置，包括：渗透装置，其包括由多个渗透膜元件并联而成用以将浓盐水和海水分成高浓度侧和低浓度侧的渗透级；水轮机，其与渗透装置的高浓度侧对应，通过联轴器与发动机连接，用以驱动发电机工作；在渗透级的高浓度侧和低浓度侧分别通入浓盐水和海水后，渗透级可将渗透压差转变成高浓度侧流体静压，并利用在该渗透级施加的相应大小的背压，即可驱动各水轮机转动进而驱动发电机工作。本装置利用海水作为浓度低的给水侧，和更高浓度的海水进行渗透发电，因此能够节约淡水资源，减少预处理成本，并且能够提高渗透压差，从而提高功率密度，而且由于盐容易储存的特性，这种发电方式不存在不稳定难以并网的问题。
【专利说明】一种盐差能发电装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于盐差能【技术领域】，具体涉及一种盐差能发电装置。
【背景技术】
[0002]盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同水之间的化学电位差能，主要存在于河流入海口和部分内陆咸水湖，是一种储量巨大的海洋能源。渗透是当利用半透膜把两种不同浓度的溶液隔开时，浓度较低的溶液中的溶剂(如水)自动地透过半透膜流向浓度较高的溶液，直到化学位平衡为止的现象。渗透压是在渗透过程中，为达到渗透平衡在溶液一侧额外增加的压力。渗透的推动力来自于膜两侧溶液的溶剂的化学势差。当渗透平衡时，溶剂的化学势差可通过渗透压差的形式表现出来。
[0003]通常海水(3.5%盐度)与河水之间的化学电位差相当于240m高的水位落差。据统计，我国沿海江河每年的入海径流量约为1.7X1012?1.8X1012m3，其中主要江河的年海径流量约为1.5 X IO12?1.6X 1012m3，沿海盐差能资源蕴藏量约为3.9 X IO18J,理论功率为1.25X10nW。其中长江口及以南的大江河口沿海的资源量占全国总量的92.5%，理论功估计为0.86 X10nKW。特别是长江入海口的流量2.2X104m3/s，可以发电5.2 X IO10W,相当于每Is燃烧1.78tce。另外，我国青海省等地也有不少内陆盐湖可以利用。
[0004]盐差能的提取有渗透压法，蒸汽压法和反电渗析法三类，其中渗透压法又可以细分为强力渗压发电、水压塔渗压发电和压力延滞渗透三种。蒸汽压法需要消耗大量淡水，而反电渗析法的发电成本很高，渗透压法中的强力渗压发电和水压塔渗压发电由于装置规模较大、投资较高，所以目前应用较多的是压力延滞渗透。
[0005]在压力延滞渗透发电系统中，运行前，压力泵把浓度高的溶液加压到某一压力后进入压力室，运行时浓度低的溶液在渗透压的作用下渗入浓度高的溶液，并获得浓度高的溶液侧较高的压力。混合后的高压半咸水推动涡轮机做功，进而可以通过发电机得到电力。
[0006]目前，盐差能发电往往选址河流入海口，使用海水和淡水进行渗透，而海水和淡水之间浓度差有限造成功率密度较低，且不适用于淡水资源缺乏的地区，再加上我国河流污染严重，增加了预处理成本，使得传统的盐差能发电在我国的并不适用。而且，传统的单背压单级式压力延滞系统，浓盐水侧只有一个背压，不能适应渗透压的沿程变化，整个发电系统的效率很低。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的是提供一种盐差能发电装置和方法，其分别采用浓盐水和海水作为高浓度和低浓度侧介质溶液，实现因地制宜高效发电。
[0008]按照本发明的一个方面，提供一种盐差能发电装置，其分别采用浓盐水和海水作为高浓度和低浓度侧介质溶液，实现盐差能发电，其特征在于，该装置包括:
[0009]渗透装置，其包括由多个渗透膜元件并联而成用以将所述浓盐水和海水分成高浓度侧和低浓度侧的渗透级；[0010]水轮机，其与所述渗透装置的高浓度侧对应，通过联轴器与发动机连接，用以驱动发电机工作；
[0011]在所述渗透级的高浓度侧和低浓度侧分别通入浓盐水和海水后，所述渗透级可将渗透压差转变成高浓度侧流体静压，并利用在该渗透级施加的相应大小的背压，即可驱动各水轮机转动进而驱动发电机工作。
[0012]作为本发明的改进，所述渗透级施加的背压大小为该级两侧流体平均渗透压的1/2左右。
[0013]作为本发明的改进，所述压力交换器与渗透级的高浓度侧相通，用于回收渗透后高浓度侧溶液的压力能，以给进入渗透级高浓度测的新溶液加压。
[0014]作为本发明的改进，还包括一个浓盐水泵和一个淡盐水泵，分别用于将浓盐水和海水泵入所述渗透级的高压侧和低压侧。
[0015]作为本发明的改进，所述装置还包括浓缩装置，其设置在渗透级的高浓度侧，用于回收经过渗透被稀释的高浓度侧溶液，以用于循环利用。
[0016]作为本发明的改进，所述浓缩装置采用太阳能或风能作为动力源。
[0017]作为本发明的改进，还包括循环泵，用于将渗透装置高浓度侧排出的溶液泵入压力交换器。
[0018]按照本发明的另一方面，提供一种盐差能分级发电方法，包括:
[0019]设置渗透装置，其包括由多个渗透膜元件并联而成用以将不同浓度的溶液分成高浓度侧和低浓度侧的渗透级；
[0020]在所述渗透级的高浓度侧和低浓度侧分别通入浓盐水和海水后，并通过所述渗透级将渗透压差转变成高浓度侧流体静压，
[0021]在渗透级施加相应大小的背压，根据上述背压驱动与渗透装置的高浓度侧对应的水轮机转动，从而驱动发电机工作。
[0022]作为本发明的改进，所述在各渗透级施加的背压大小为该级两侧流体平均渗透压的 1/2。
[0023]本发明中，高、低浓度溶液浓度的浓度差的高低直接影响着膜的功率密度，理论上浓度差越大，膜的功率密度越大，但是根据具体膜的性质，会限制可以长期使用的最大浓度差，而且浓度差的确定过程中也要考虑工作介质的制备以及处理成本。
[0024]本发明中，高、低浓度溶液流量配比的确定，可同时考虑两侧溶液的成本，以及流量配比跟提取自由能的关系决定。在浓盐水和海水进行渗透的时候，推荐浓盐水的流量是海水的4倍左右，可适当提闻倍率。
[0025]本发明中，高、低浓度溶液流量的确定，可以根据发电厂的设计容量、特定浓度差溶液可提取的能量密度来决定；
[0026]本发明中，渗透膜元件数量的确定，可以综合考虑发电厂容量、特定浓度差下平均功率密度确定所需半透膜的面积，再根据具体元件型号确定膜元件的数量。
[0027]总体而言，本发明的盐差能浓盐水海水发电装置，与传统的盐差能发电系统相比，有以下优点:
[0028]盐差能浓盐水海水发电装置，既可以降低淡水的预处理成本，又可以提高渗透压差，进而提高系统效率；明显地提升膜功率密度，渗透膜得到了比较充分的利用，从而提高了膜的经济效益，进而提高系统效率。其次，功率密度的提高缩短了投资回收期，有助于盐差能渗透发电技术的商业化。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是按照本发明实施例的盐差能分级发电系统的结构示意图。
[0030]在所有附图中，同样的附图标记代表相同的技术特征，具体地:
[0031]1-高浓度侧泵，2-压力交换器，3-低浓度侧泵，4、5、6-渗透装置，其中，4_高浓度侧5-半透膜6-低浓度侧，7-水轮机，8-发电机，9-联轴器，10-循环泵，11-浓缩装置。
【具体实施方式】
[0032]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。此处说明若涉及到具体实例时仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就
可以相互结合。
[0033]如图1所示是按照本发明实施例的盐差能浓盐水海水发电系统结构示意图。图中的箭头表示工质流向，其中渗透装置为示意图，不能理解为简单的一张半透膜将容器分为两个腔室，实际是可以由多个渗透膜元件并联而成。
[0034]本实施例的盐差能浓盐水海水发电系统，包括一级渗透装置、压力交换器2、水轮机7、发电机8、循环泵10、高浓度侧泵1、低浓度侧泵3、浓缩装置11。
[0035]其中，渗透装置都包括由一定数量的渗透膜元件并联而成的渗透级，其将不同浓度的溶液分成高浓度侧和低浓度侧，并将渗透压差转变成高浓度侧流体静压。具体地，本实施例中，第一级渗透装置包括高浓度侧4，半透膜5和低浓度侧6，
[0036]水轮机7通过联轴器9同轴联动，其用于将流体的压力能转化为轴的旋转机械能。
[0037]发电机8的输入轴通过联轴器9与水轮机的输出轴相连,其向发电机8传递水轮机的驱动力，将水轮机7的机械能转化为电能。
[0038]压力交换器2两侧分别流过渗透级进、出口的高浓度溶液，用于回收渗透后高浓度侧4的溶液的压力能，给进入渗透级高浓度侧的新溶液加压。
[0039]循环泵10用于将渗透装置的出口与压力交换器相连，分别用于将渗透装置高浓度侧4排出的溶液泵入对应的压力交换器2，目的在于回收部分能量。
[0040]高浓度侧泵I用于将高浓度溶液从浓缩装置11泵入压力交换器2中，低浓度侧泵3将低浓度溶液与渗透装置的低浓度侧6连通，用于供给整个系统所需的低浓度溶液。
[0041]浓缩装置11用于回收经过渗透被稀释的高浓度侧溶液，采用太阳能或风能可以很好地达到目的，可根据条件合理选择。
[0042]本发明中，浓度的高低是相对而言的，并没有具体规定，可根据实际情况选用。
[0043]本实施例中，高低浓度溶液浓度的确定，其浓度差的高低直接影响着膜的功率密度，理论上浓度差越大，膜的功率密度越大，但是根据具体膜的性质，会限制可以长期使用的最大浓度差，而且浓度差的确定过程中也要考虑工作介质的制备以及处理成本。
[0044]本实施例中，高低浓度溶液流量配比的确定，可同时考虑两侧溶液的成本，以及流量配比跟提取自由能的关系决定。在高浓度溶液和低浓度溶液进行渗透的时候，本实施例中可以优选高浓度溶液的流量是低浓度溶液的4倍左右，但并不限定于该倍率，例如也可适当调整倍率。高低浓度溶液流量可以根据发电厂的设计容量、特定浓度差溶液可提取的能量密度具体确定。
[0045]本实施例中，渗透膜元件数量可以综合考虑发电厂容量、特定浓度差下平均功率密度确定所需半透膜的面积，再根据具体元件型号确定膜元件的数量来确定。
[0046]本案例中，背压是外加的压力，背压的形成与渗透压、溶液浓度没有关系。但是最优背压的选取却和溶液的浓度以及流量配比是有关的。背压的作用是为渗透提供一个势垒，也就是由于浓度差而渗透通过半透膜的那一部分流体，在进入高浓度侧以后，其原本的渗透压转变成为了高浓度侧的背压。背压会延滞渗透过程，即减小渗透的体积流量，但是背压的存在使得渗透的流体克服压差做功，正是这个做功的过程实现的能量转化。也正是由于背压的存在，因此这种技术叫做压力延滞渗透。 [0047]本案例中，其背压都是该级膜两侧流体平均渗透压的1/2左右。但是由于沿程压力变化，仍需要进行微分，计算出最佳背压。
[0048]本实施例中，压力交换器并非为必需的设备，其他节能的设施亦可对系统做出改进。
[0049]本实施例中，对于加背压的方式不做限制。
[0050]根据渗透原理，延迟压力渗透的功率密度为:
[0051]W = LpA ( Δ J1-ΔΡ) Λ P
[0052]其中，1^是水渗透系数，A是渗透面积，Λ π是渗透压差，ΛΡ是外加压力，即背压。在渗透过程中，Λ π与功率密度成线性关系，增加Λ π可以明显增加功率密度。
[0053]本发明中，高低浓度溶液溶质分别采用浓盐水和海水。当采用海水和浓盐水时可以增加Λ H，进而可以增加W。另外，传统的发电系统通常采用的是海水和淡水，由于自然条件的限制，一般只能在入海口出安装利用，有其地理局限性。而本发明的浓盐水海水发电系统可以不存在此问题，例如只要处于海岸处就可以。同时，由于海水分布广泛，资源获取相当便利，而浓盐水可以通过太阳能风能处理海水制得，制得浓盐水可以利用在本发电系统，进一步利用太阳能风能可以制得盐，以盐的方式来储存太阳能风能，更好地解决了太阳能风能不稳定，不易储存的特点，把盐加入海水可以制得更浓的浓盐水，又可以利用在本发电系统发电。
[0054]浓盐水的获取非常便利简单，即海水和浓盐水资源获取便利，并且方法简单便，可以解决传统盐差能利用资源获取相对困难及成本相对高的问题。本发明的发电系统对于推广盐差能的理由具有巨大的优势，特别是对和内陆分离的海岛，这种方式的发电可以解决其发电的困境。
[0055]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种盐差能发电装置，其分别采用浓盐水和海水作为高浓度和低浓度侧介质溶液，实现盐差能发电，其特征在于，该装置包括: 渗透装置，其包括由多个渗透膜元件并联而成用以将所述浓盐水和海水分成高浓度侧和低浓度侧的渗透级； 水轮机，其与所述渗透装置的高浓度侧对应，通过联轴器与发动机连接，用以驱动发电机工作； 在所述渗透级的高浓度侧和低浓度侧分别通入浓盐水和海水后，所述渗透级可将渗透压差转变成高浓度侧流体静压，并利用在该渗透级施加的相应大小的背压，即可驱动各水轮机转动进而驱动发电机工作。
2.根据权利要求1所述的一种盐差能发电装置，其特征在于，所述压力交换器与渗透级的高浓度侧相通，用于回收渗透后高浓度侧溶液的压力能，以给进入渗透级高浓度测的新溶液加压。
3.根据权利要求1或2所述的一种盐差能发电装置，其特征在于，所述装置还包括一个浓盐水泵和一个淡盐水泵，分别用于将浓盐水和海水泵入所述渗透级的高压侧和低压侧。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种盐差能发电装置，其特征在于，所述装置还包括浓缩装置，其设置在渗透级的高浓度侧，用于回收经过渗透被稀释的高浓度侧溶液，以用于循环利用。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种盐差能发电装置，其特征在于，所述浓缩装置采用太阳能或风能进行浓缩处理。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种盐差能发电装置，其特征在于，所述装置还包括循环泵，用于将渗透装置高浓度侧排出的溶液泵入压力交换器。
7.—种盐差能分级发电方法，包括: 设置渗透装置，其包括由多个渗透膜元件并联而成用以将不同浓度的溶液分成高浓度侧和低浓度侧的渗透级； 在所述渗透级的高浓度侧和低浓度侧分别通入浓盐水和海水后，并通过所述渗透级将渗透压差转变成高浓度侧流体静压， 在渗透级施加相应大小的背压，根据上述背压驱动与渗透装置的高浓度侧对应的水轮机转动，从而驱动发电机工作。
【文档编号】F03G7/00GK103615363SQ201310600743
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月23日 优先权日:2013年11月23日
【发明者】黄素逸, 舒良锁, 靳世平, 舒朝晖, 丁文武, 钱鑫, 蒋京楷, 刘奕琳, 梁宇明, 田中君, 谭凯, 王喜云, 梁鑫 申请人:华中科技大学