特許 7521297 濃度差発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-16

(45)【発行日】2024-07-24

(54)【発明の名称】濃度差発電システム

(51)【国際特許分類】

   F03G 7/00 20060101AFI20240717BHJP

【ＦＩ】

F03G7/00 G

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020124943

(22)【出願日】2020-07-22

(65)【公開番号】P2022021409

(43)【公開日】2022-02-03

【審査請求日】2023-06-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】内藤 俊之

【審査官】家喜 健太

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５９－１１０８１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００７－５３３８８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５３－１１８６４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／０３２３１３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１３／１７２３３０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平１１－３１７２４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｇ ７／００

Ｃ０２Ｆ １／４４

Ｂ０１Ｄ ６１／００

Ｆ０１Ｋ ２５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水蒸気を海水で冷却する復水器と、
前記復水器から供給される海水が通過する第１空間と、淡水が通過する第２空間とを区画し、前記復水器よりも低い位置に配置される半透膜を含む浸透装置と、
を備え、
前記第２空間内の前記淡水中の水分子が前記半透膜を透過して前記第１空間内の前記海水に合流し、
前記第１空間を通過する海水によって発電する、濃度差発電システム。

【請求項2】

前記第１空間を通過する海水によって回転するタービンと、
前記タービンの回転によって発電する発電機と、
をさらに備える、請求項１に記載の濃度差発電システム。

【請求項3】

前記復水器で冷却された水から水蒸気を生成するボイラーを備え、
前記ボイラーによって生成された水蒸気によって発電し、
前記ボイラーによって生成された水蒸気は前記復水器で冷却される、請求項１又は２に記載の濃度差発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、濃度差発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

海水と淡水の塩分の濃度差を利用して発電する濃度差発電が知られている。濃度差発電は、火力発電のように化石燃料を使用せず、太陽光発電のように発電量の変動が大きくないことから、新たな再生可能エネルギーとして注目されている。

【0003】

濃度差発電方法として、特許文献１には、半透膜を介して、低濃度塩水と高濃度塩水とを接触させることで、低濃度塩水から高濃度塩水への水の流動を生じさせ、上記流動を利用して発電機を駆動させる方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１３／１７２３３０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

濃度差発電は、上述の通り、海水及び河川の水の濃度差で発電する。そのため、海水を半透膜に接触させるために、海から海水を供給する必要がある。しかしながら、海から濃度差発電を生じさせる半透膜までの距離が長い場合も少なくない。このような場合には海水を供給するための配管も長くなる傾向にある。海水を供給するための配管が長いと、海水を半透膜に供給するためのエネルギーが大きくなる。そのため、半透膜を含む浸透装置へ海水を供給するためだけの海水ポンプを設けた場合には、濃度差発電システム全体として発電効率が低下するおそれがある。

【0006】

そこで、本開示は、半透膜を含む浸透装置へ海水を供給するためだけの海水ポンプを備えていなくても海水を浸透装置へ供給可能な濃度差発電システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示に係る濃度差発電システムは、水蒸気を海水で冷却する復水器を備える。濃度差発電システムは、復水器から供給される海水が通過する第１空間と、淡水が通過する第２空間とを区画し、復水器よりも低い位置に配置される半透膜を含む浸透装置を備える。濃度差発電システムは、第１空間を通過する海水によって発電する。

【0008】

濃度差発電システムは、第１空間を通過する海水によって回転するタービンと、タービンの回転によって発電する発電機とをさらに備えてもよい。濃度差発電システムは、復水器で冷却された水から水蒸気を生成するボイラーを備え、ボイラーによって生成された水蒸気によって発電し、ボイラーによって生成された水蒸気は復水器で冷却されてもよい。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、半透膜を含む浸透装置へ海水を供給するためだけの海水ポンプを備えていなくても海水を浸透装置へ供給可能な濃度差発電システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】一実施形態に係る濃度差発電システムを示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、いくつかの例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

【0012】

本実施形態に係る濃度差発電システム１は、海水と淡水の浸透圧差を利用して発電する。図１は、一実施形態に係る濃度差発電システム１を示す概略図である。図１に示すように、濃度差発電システム１は、復水器１５と、浸透装置５０と、タービン６０と、発電機７０とを備える。また、濃度差発電システム１は、水蒸気発電装置１０を備えている。

【0013】

水蒸気発電装置１０は、循環配管１１と、給水ポンプ１２と、ボイラー１３と、タービン１４と、復水器１５と、発電機１６とを備えている。循環配管１１には、給水ポンプ１２と、ボイラー１３と、タービン１４と、復水器１５とが設けられている。

【0014】

ボイラー１３には、給水ポンプ１２によって液体の水が供給される。ボイラー１３に供給された水は加熱され、加熱された水は水蒸気となる。水蒸気となって体積が膨張した水蒸気は、タービン１４を通過し、タービン１４を回転させる動力として用いられる。タービン１４は、発電機１６と機械的に接続されており、タービン１４の回転によって発電機１６が発電するように設けられている。タービン１４から排出された水蒸気は、復水器１５に供給される。

【0015】

復水器１５は、ボイラー１３によって生成された水蒸気を海水で冷却する。復水器１５としては、例えば表面復水器を使用することができる。復水器１５には、海Ｓから海水が供給されるため、復水器１５を通過する水蒸気の熱と、復水器１５を通過する海水の熱とが交換される。復水器１５で冷却された水蒸気は凝縮し、凝縮した水は給水ポンプ１２によってボイラー１３に再度供給される。

【0016】

このようにして、ボイラー１３は、復水器１５で冷却された水から水蒸気を生成する。発電機１６は、ボイラー１３によって生成された水蒸気によって発電する。ボイラー１３によって生成された水蒸気は復水器１５で冷却される。復水器１５には、供給配管１７及び排出配管１８が接続されており、供給配管１７を通じて水蒸気を冷却するための海水が復水器１５に供給され、排出配管１８を通じて水蒸気の熱と熱交換されて加熱された海水が復水器１５から排出される。

【0017】

供給配管１７の一端は復水器１５の海水の入口と接続されており、供給配管１７のもう一端は海Ｓの中に配置されている。供給配管１７には、循環水ポンプ１９と、吐出弁２０とが設けられている。循環水ポンプ１９は、海Ｓから復水器１５へ海水を汲み上げる。吐出弁２０は、循環水ポンプ１９で汲み上げられた海水の通路を開閉することによって、循環水ポンプ１９で汲み上げられた海水の吐出量を調節することができる。また、供給配管１７には、海水の通路を開閉可能な入口弁２１が復水器１５の入口側に設けられている。入口弁２１は、復水器１５に流入する海水の量を調節することができる。

【0018】

排出配管１８の一端は復水器１５の海水の出口と接続されており、排出配管１８のもう一端は海Ｓに導かれている。排出配管１８には海水の通路を開閉可能な出口弁２２が設けられている。復水器１５は、海面よりも高い位置に設けられているため、復水器１５から海水を排出するためのポンプが設けられていなくても、出口弁２２を開閉するだけで、海水を自重によって復水器１５から海Ｓに放出することができる。

【0019】

排出配管１８における復水器１５の下流側には接続配管３１が接続されている。接続配管３１の一端は排出配管１８に接続されており、接続配管３１のもう一端は浸透装置５０に接続されている。接続配管３１は、排出配管１８における復水器１５と出口弁２２との間に設けられている。ただし、接続配管３１は、出口弁２２に対して復水器１５とは反対側の排出配管１８に設けられていてもよい。排出配管１８には、流量調節弁３２と、水圧計３３と、ブースターポンプ３４と、前処理装置３５とが設けられている。

【0020】

流量調節弁３２は、復水器１５から浸透装置５０に供給される海水の通路を開閉することができる。復水器１５は、上述のように、海面及び浸透装置５０よりも高い位置に設けられているため、海水は、自重によって、復水器１５から浸透装置５０に移動することができる。したがって、復水器１５から海水を供給するためのポンプが設けられていなくても、流量調節弁３２を開閉するだけで、復水器１５から浸透装置５０へ流れる海水の量を調節することができる。

【0021】

水圧計３３は、接続配管３１内を流れる海水の水圧を測定することができる。水圧計３３で水圧を測定することによって、接続配管３１内を流れる海水の量を把握することができる。そのため、例えば流量調節弁３２の開度を調節し、最適な流量の海水を浸透装置５０に供給することができる。水圧計３３で得られた水圧に関する信号は、制御部８０に送られ、制御部８０が上記信号に基づいて流量調節弁３２の開度を調節してもよい。

【0022】

ブースターポンプ３４は、流量調節弁３２の下流側の接続配管３１に設けられ、接続配管３１内を流れる海水を昇圧する。上述の通り、海水は自重によって復水器１５から浸透装置５０まで流れることができる。そのため、ブースターポンプ３４は必須ではないが、必要に応じて接続配管３１内を流れる海水の水圧を上昇させることができる。

【0023】

前処理装置３５は、浸透装置５０の上流側に設けられている。前処理装置３５は、フィルターを含んでおり、水中のゴミなどの異物をフィルターによって除去することができる。海水が前処理装置３５を通過することで、異物が除去されて清浄化された処理水を浸透装置５０に供給することができる。そのため、浸透装置５０の半透膜５１が異物で目詰まりするのを抑制することができる。フィルターとしては、ウルトラフィルター膜などの公知のフィルターを用いることができる。前処理装置３５は、逆流洗浄が可能な逆流洗浄器を含んでいてもよい。逆流洗浄器は、フィルターに対して下流側から上流側に水を流すことができるため、フィルターで捕らえられた異物を除去してフィルターを洗浄することができる。逆流洗浄は、任意のタイミングで実施してもよく、所定の期間ごとに実施してもよい。

【0024】

浸透装置５０は、半透膜５１を含んでいる。浸透装置５０は、第１空間５２と第２空間５３とを有しており、第１空間５２と第２空間５３とは半透膜５１によって区画されている。第１空間５２内を海水が通過し、第２空間５３内を淡水が通過する。

【0025】

第１空間５２内を通過する海水は、上述したように、復水器１５から供給される。半透膜５１は、復水器１５よりも低い位置に配置されるため、海水は、自重によって、復水器１５から浸透装置５０に供給される。また、第２空間５３内を通過する淡水は、河川Ｒから供給される。淡水は、給水配管４０を介して浸透装置５０に供給される。給水配管４０の一端は、浸透装置５０の第２空間５３に接続されており、給水配管４０のもう一端は河川Ｒの中に配置されている。給水配管４０にはポンプ４１と前処理装置４２とが設けられており、ポンプ４１は、河川Ｒの淡水を汲み上げ、給水配管４０を通じて浸透装置５０の第２空間５３に淡水を供給することができる。

【0026】

前処理装置４２は、浸透装置５０の上流側に設けられている。前処理装置４２は、フィルターを含んでおり、水中のゴミなどの異物をフィルターによって除去することができる。淡水が前処理装置４２を通過することで、異物が除去されて清浄化された処理水を浸透装置５０に供給することができる。そのため、浸透装置５０の半透膜５１が異物で目詰まりするのを抑制することができる。フィルターとしては、ウルトラフィルター膜などの公知のフィルターを用いることができる。前処理装置４２は、前処理装置３５と同様の逆流洗浄器を含んでいてもよい。なお、前処理装置３５及び前処理装置４２は接続配管３１及び給水配管４０にそれぞれ別の構成として設けたが、１つの前処理装置として接続配管３１及び給水配管４０に設けられてもよい。

【0027】

半透膜５１は、上述のように、復水器１５から供給される海水が通過する第１空間５２と、淡水が通過する第２空間５３とを区画する。すなわち、半透膜５１は、一方の面が海水と接触し、もう一方の面が淡水と接触する。半透膜５１は、水分子を透過するが、海水中のナトリウムイオンなどを透過しない。そのため、淡水中の水分子が半透膜５１を透過して海水と合流する。透過した水分子の量に応じて第１空間５２内の海水の流量が増加するため、第１空間５２内で海水の流れが加速する。

【0028】

半透膜５１の膜の形状及び膜厚は特に限定されず、必要に応じて適宜変更することができる。半透膜５１は、剛性を付与するため、支持体などの表面に設けられてもよい。半透膜５１の孔径は、水分子を透過し、海水中のナトリウムイオンなどを透過しない程度の大きさであればよく、例えば１ｎｍ～１０ｎｍである。半透膜５１は、酢酸セルロース、ポリアクリロニトリル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン及びセラミックなどの公知の材料を用いることができる。

【0029】

浸透装置５０には、配管５４が接続されている。配管５４の一端は浸透装置５０の第１空間５２に接続されており、配管５４のもう一端はタービン６０と接続されている。配管５４には水圧計５５が設けられており、配管５４内を流れる海水の水圧を測定することができる。水圧計５５で測定された水圧に基づいて流量調節弁３２の開度が調節されてもよい。水圧計３３で得られた水圧に関する信号が制御部８０に送られ、制御部８０は上記信号に基づいて流量調節弁３２の開度を調節してもよい。

【0030】

半透膜５１の第１空間５２から排出された海水は、タービン６０に供給される。タービン６０は、半透膜５１の第１空間５２を流れる海水の通過によって回転する。タービン６０は、発電機７０と機械的に接続されており、発電機７０と連動するように設けられている。そのため、発電機７０は、タービン６０の回転によって発電する。すなわち、濃度差発電システム１は、第１空間５２を通過する海水によって発電する。

【0031】

タービン６０は配管６１と接続されている。配管６１の一端はタービン６０の出口と接続されており、配管６１のもう一端は海Ｓに導かれている。タービン６０を通過した海水は、配管６１を介して海Ｓへ放出される。

【0032】

浸透装置５０は、配管５６と接続されている。配管５６の一端は浸透装置５０の第２空間５３と接続されており、配管５６のもう一端は河川Ｒへ導かれている。第２空間５３内の淡水は、浸透装置５０から河川Ｒに排出される。

【0033】

浸透装置５０から排出される淡水は、工場Ｐなどへ移送され、工業用水として使用してもよい。浸透装置５０に供給される淡水は、前処理装置４２で異物が除去されて浄化されているため、工場内で使用する水として利用することができる。

【0034】

制御部８０は、水圧計３３からの水圧に関する信号、水圧計５５からの水圧に関する信号、及び発電機７０からの回転速度に関する信号などを受信してもよい。そして、制御部８０は、これらの信号に基づいて流量調節弁３２の開閉、ブースターポンプ３４の吐出量、ポンプ４１の吐出量を調節してもよい。

【0035】

以上の通り、本実施形態に係る濃度差発電システム１は、水蒸気を海水で冷却する復水器１５を備える。濃度差発電システム１は、復水器１５から供給される海水が通過する第１空間５２と、淡水が通過する第２空間５３とを区画し、復水器１５よりも低い位置に配置される半透膜５１を含む浸透装置５０を備える。第１空間５２を通過する海水によって発電する。

【0036】

濃度差発電をするためには、海Ｓから海水を浸透装置５０に供給する必要がある。しかしながら、海水を浸透装置５０まで供給するための配管が長いと、海水を浸透装置５０に供給するためのエネルギーが大きくなり、濃度差発電システム１全体として発電効率が低下するおそれがある。

【0037】

一方、復水器１５は、火力発電所などにおいて生成された水蒸気を、海水で冷却している。本実施形態に係る濃度差発電システム１では、復水器１５で水蒸気の冷却に用いられた海水を浸透装置５０にも利用することができる。そのため、半透膜５１を含む浸透装置５０へ海水を供給するためだけの海水ポンプを備えていなくても海水を浸透装置５０へ供給することができる。したがって、海水を海Ｓから浸透装置５０まで供給するためのエネルギーを低減することができる。また、ポンプに必要な設備費用及び維持費用を低減することができる。

【0038】

さらに、復水器１５から浸透装置５０に供給される海水は、水蒸気の熱と熱交換することによって加温されている。浸透圧は、温度が高くなるほど大きくなるため、加温された海水が浸透装置５０に供給されることにより、第２空間５３を通過する淡水中の水分子が、第１空間５２を通過する海水へ透過しやすくなる。したがって、第１空間５２を通過する海水の流量が多くなり、濃度差発電システム１による発電量が多くなる。

【0039】

濃度差発電システム１は、第１空間５２を通過する海水によって回転するタービン６０と、タービン６０の回転によって発電する発電機７０とをさらに備えてもよい。これにより、浸透装置５０の第１空間５２を通過する海水によってより確実に発電することができる。

【0040】

濃度差発電システム１は、復水器１５で冷却された水から水蒸気を生成するボイラー１３を備え、ボイラー１３によって生成された水蒸気によって発電し、ボイラー１３によって生成された水蒸気は復水器１５で冷却されてもよい。これにより、発電機７０だけでなく、発電機１６でも発電できるため、より多くの電力を生成することができる。

【0041】

なお、本実施形態に係る濃度差発電システム１では、復水器１５が火力発電で用いられている例を説明した。しかしながら、水蒸気を海水で冷却するのであれば、火力発電に限らず、例えば原子力発電などで用いられている復水器も同様に使用することができる。

【0042】

また、本実施形態に係る濃度差発電システム１では、復水器１５の海水を浸透装置５０に供給した。しかしながら、復水器１５の海水を濃縮した水を浸透装置５０に供給してもよい。このような水を浸透装置５０に供給することによって、淡水との濃度差が大きくなるため、浸透圧を大きくすることができ、発電機７０による発電量を多くすることができる。復水器１５の海水を濃縮方法としては、例えば、半透膜を用いた淡水化装置が挙げられる。淡水化装置は、半透膜の一方の面側の海水を浸透圧以上に加圧することで、半透膜のもう一方の面側に淡水を押し出すことができる。このような装置を設けることで、海水から淡水を生成するとともに、海水側の水が濃縮されるために淡水との濃度差が大きくなるため、濃度差発電量を増加させることができる。

【0043】

いくつかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正または変形をすることが可能である。上記実施形態のすべての構成要素、及び請求の範囲に記載されたすべての特徴は、それらが互いに矛盾しない限り、個々に抜き出して組み合わせてもよい。

【符号の説明】

【0044】

１ 濃度差発電システム
１３ ボイラー
１５ 復水器
５０ 浸透装置
５１ 半透膜
５２ 第１空間
５３ 第２空間
６０ タービン
７０ 発電機

【図1】