(57)【要約】【課題】溶媒の生成に必要な熱源の熱量を低減して発電効率の向上を達成できるクローズドサイクルの濃度差発電システムを提供する。【解決手段】濃度の異なる二つの溶液を用い、浸透装置１０内の半透膜１１を浸透して流れる溶媒の浸透圧を機械的エネルギーに変換して発電するとともに、浸透装置１０を通過した高濃度側の溶液を濃縮サイクル５０に導いて得られる溶媒及び濃縮液を循環させて再利用するクローズドサイクルの濃度差発電システムにおいて、水より蒸発に要する熱量の小さい溶媒と、該溶媒に溶解する溶質との組合せにより構成される液体状の混合物の溶液とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
濃度の異なる二つの溶液を用い、浸透装置内の半透膜を浸透して流れる溶媒の浸透圧を機械的エネルギーに変換して発電するとともに、前記浸透装置を通過した高濃度側の溶液を濃縮部に導いて得られる溶媒及び濃縮液を循環させて再利用するクローズドサイクルの濃度差発電システムにおいて、
前記溶液は、水または水より蒸発に要する熱量の小さい溶媒と、該溶媒に溶解する溶質との組合せにより構成される液体状の混合物であることを特徴とする濃度差発電システム。
【請求項２】
前記溶媒を水とし、前記溶質を炭酸アンモニウム（ＮＨ４ＣＯ３）としたことを特徴とする請求項１に記載の濃度差発電システム。
【請求項３】
前記溶媒を水とし、前記溶質をアンモニア（ＮＨ３）としたことを特徴とする請求項１に記載の濃度差発電システム。
【請求項４】
前記浸透装置は、前記溶液の温度を高める加熱手段及び／または保温手段を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の濃度差発電システム。
【請求項５】
前記浸透装置の半透膜モジュールは、前記溶液の流れ方向が上下方向となるように縦置きされていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の濃度差発電システム。
【請求項６】
前記浸透装置は、高濃度側の溶液を微小振動させる超音波発生手段を備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の濃度差発電システム。
【請求項７】
前記濃縮部は、前記溶液が有する溶解度の温度依存性を利用して濃度調整することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の濃度差発電システム。
【請求項８】
前記濃縮部は、冷却側の溶液と加熱側の溶液との間で熱交換する再生熱交換器を備えていることを特徴とする請求項７に記載の濃度差発電システム。
【請求項９】
前記濃縮部は、前記溶液から前記溶質を析出させる超音波霧化手段を備えていることを特徴とする請求項６または７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】
本発明は、濃度の異なる二つの溶液を用いて発電を行う濃度差発電システムに係り、特に、クローズドサイクルの濃度差発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、たとえば海水及び河川水のように濃度の異なる二つの溶液を用い、半透膜で分離された両液間の浸透圧を利用して発電を行う濃度差発電装置が提案されている。
浸透圧は、溶媒または低濃度の溶液から高濃度の溶液に向かって作用する圧力である。すなわち、半透膜を通過しない溶質の溶液は、異なる濃度で半透膜によって隔てられている場合、半透膜を介して、相対的に低濃度の溶液から相対的に高濃度の溶液へ向う溶媒の流れを生じるので、半透膜を介して起る溶媒の流れを浸透と呼び、その圧力を浸透圧という。なお、上述した半透膜は、溶媒だけを透す膜である。
【０００３】
このような濃度差発電装置としては、オープンサイクル及びクローズドサイクルの２種類が知られている。
一方のオープンサイクルでは、半透膜で分離された浸透装置に二つの溶液を供給することにより、半透膜を通過する溶媒の浸透及び浸透圧を利用して発電する。そして、浸透装置を通過した後の溶液及び発電後の溶媒は、いずれも排水として処理される。すなわち、海水及び河川水を使用するオープンサイクルの場合、たとえば海や河川等から導入した海水及び淡水は、濃度差発電に使用した後、排水として海や河川に戻される。
【０００４】
しかし、クローズドサイクルでは、たとえば海水の淡水化に使用されている多重効用法（ＭＥＤ）のような濃縮サイクルを組み合わせることにより、浸透装置を通過した溶液を濃縮して溶媒及び濃溶液を生成する。こうして生成された溶媒及び濃縮液は、再び浸透装置に戻されて濃度差発電に使用されるため、閉ループの同一系内を循環して濃度差発電が継続されるシステムとなる。
【０００５】
上述した濃度差発電装置に関連する技術としては、非孔質材料の薄膜一層（拡散層）と多孔質材料の一以上の層（多孔質層）からなる半透膜（特許文献１参照）、半透膜を用いて浸透圧を電力に変換する浸透圧熱エンジン（特許文献２参照）、及びクローズドサイクルの濃度差発電に関する浸透エネルギーを用いた原動機の駆動方法（特許文献３参照）などが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００４−５０５７６４号公報
【特許文献２】特表２０１０−５０９５４０号公報
【特許文献３】特表２００７−５３３８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来の濃度差発電装置は、一般的な作動流体として河川水及び海水が使用される。
しかし、海水の濃度は３．５wt％程度であり、従って、河川水／海水間で高い浸透圧を得ることは困難である。また、作動流体に海水を使用する場合には、濃度差発電装置に適した設置場所が河川に隣接する海岸に限定されるという問題もある。さらに、河川水や海水には汚れがあるので、浸透装置に使用する半透膜の清浄度を維持管理することも困難である。
【０００８】
上述した問題の解決策として、クローズドサイクルの濃度差発電システムを採用することが考えられる。しかし、クローズドサイクルの濃度差発電システムは、作動流体に海水を使用する場合、再循環に必要となる水の蒸発熱量が大きいという問題を有している。すなわち、多重効用法（ＭＥＤ）のような濃縮サイクルにおいては、海水（溶液）から塩化ナトリウム等の塩分（溶質）を析出させて淡水（溶媒）を生成するための加熱源として、大きな熱量の熱源が必要となる。このため、クローズドサイクルの濃度差発電システムにおいては、発電効率を向上させるため、より少ない熱量の熱源で溶媒を生成することが望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、溶媒の生成に必要な熱源の熱量を低減して発電効率の向上を達成できるクローズドサイクルの濃度差発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る濃度差発電システムは、濃度の異なる二つの溶液を用い、浸透装置内の半透膜を浸透して流れる溶媒の浸透圧を機械的エネルギーに変換して発電するとともに、前記浸透装置を通過した高濃度側の溶液を濃縮部に導いて得られる溶媒及び濃縮液を循環させて再利用するクローズドサイクルの濃度差発電システムにおいて、前記溶液が、水または水より蒸発に要する熱量の小さい溶媒と、該溶媒に溶解する溶質との組合せにより構成される液体状の混合物であることを特徴とするものである。
【００１０】
このような濃度差発電システムによれば、濃度の異なる二つの溶液は、水または水より蒸発に要する熱量の小さい溶媒と、該溶媒に溶解する溶質との組合せにより構成される液体状の混合物であるから、溶液の再循環時に溶媒を蒸発させるために必要となる熱源の熱量を低減した運転が可能になる。なお、本発明において、濃度の異なる二つの溶液は、低濃度側の溶液が溶質を全く含まない純粋な溶媒も包含する。
【００１１】
また、この場合に好適な溶媒としては、エチレンオキサイド、エタノール、ヘプタン、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）等のように、水より低沸点で蒸発潜熱の小さい物質がある。しかし、たとえばイソブチルアルコールやフェノールのように、沸点または蒸発潜熱のいずれか一方のみが水より低い物質でも、蒸発に要する熱量が水より小さいものもあり、このような溶媒及びこの溶媒に溶解する溶質との組合せも可能である。
そして、上記の発明に好適な溶媒及び溶質の組合せとしては、前記溶媒を水とし、前記溶質を炭酸アンモニウム（ＮＨ４ＣＯ３）としたものや、前記溶媒を水とし、前記溶質をアンモニア（ＮＨ３）としたものがある。
【００１２】
上記の発明において、前記浸透装置は、前記溶液の温度を高める加熱手段及び／または保温手段を備えていることが好ましく、これにより、浸透装置内を流れる溶液の温度が上昇することによって浸透圧は高くなる。
【００１３】
上記の発明において、前記浸透装置の半透膜モジュールは、前記溶液の流れ方向が上下方向となるように縦置きされていることが好ましく、これにより、半透膜の周辺に形成される濃度分極を防止または抑制することができる。
なお、半透膜モジュールを縦置きする場合、溶液を加熱して温度を上昇させると、自然対流により濃度分極を防止または抑制することができる。
【００１４】
上記の発明において、前記浸透装置は、高濃度側の溶液を微小振動させる超音波発生手段を備えていることが好ましく、これにより、濃度分極を防止または抑制することができる。
【００１５】
上記の発明において、前記濃縮部は、前記溶液が有する溶解度の温度依存性を利用して濃度調整することが好ましく、これにより、溶液を冷却することによって溶質を析出させるとともに、加熱することにより溶質を溶媒に溶解させて濃度の高い溶液とすることができる。
この場合、加熱には工場や発電所等の排熱等を利用でき、冷却には貯蔵した雪や液化天然ガス等の冷熱を用いた放熱や、砂漠の夜間冷え込み等による自然放熱を利用できる。
【００１６】
上記の発明において、前記濃縮部は、冷却側の溶液と加熱側の溶液との間で熱交換する再生熱交換器を備えていることが好ましく、これにより、熱効率を向上させることができる。
【００１７】
上記の発明において、前記濃縮部は、前記溶液から前記溶質を析出させる超音波霧化手段を備えていることが好ましく、これにより、溶液から溶質を析出させる分離に要するエネルギーを低減できる。
【発明の効果】
【００１８】
上述した本発明によれば、クローズドサイクルの濃度差発電システムに使用する濃度の異なる二つの溶液として、水または水より蒸発に要する熱流の小さい溶媒と、この溶媒に溶解する溶質との組合せにより構成される液体状の混合物を採用したので、溶液の再循環時に溶媒を蒸発させるために必要となる熱源の熱量を低減した運転が可能になる。この結果、クローズドサイクルの濃度差発電システムにおいては、運転時に熱源で消費される熱量の低減により、発電効率の向上という顕著な効果が得られる。
また、溶液が有する溶解度の温度依存性を利用して濃度調整する濃縮部を採用すれば、多重効用法のような蒸発法と比較して必要熱量を低減できるので、これによっても発電効率の向上が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るクローズドサイクルの濃度差発電システムについて、一実施形態を示す装置構成の系統図である。
【図２】図１に示す浸透装置の一例を示す図で、（ａ）は要部断面正面図、（ｂ）は加熱／保温装置を設けた第１変形例の要部断面拡大図である。
【図３】図２に示した浸透装置について、縦置きにした第２変形例を示す要部断面正面図である。
【図４】図１に示した濃縮サイクルについて、第１変形例を示す装置構成の系統図である。
【図５】図１に示した濃縮サイクルについて、第２変形例を示す装置構成の系統図である。
【図６】図１に示した濃縮サイクルについて、第３変形例を示す装置構成の系統図である。
【図７】図１に示した濃縮サイクルについて、第４変形例を示す装置構成の系統図である。
【図８】図１に示した濃縮サイクルについて、第５変形例を示す装置構成の系統図である。
【図９】図１に示した濃縮サイクルについて、第６変形例を示す装置構成の系統図である。
【図１０】図１に示した濃縮サイクルについて、第７変形例を示す装置構成の系統図である。
【図１１】図１に示した濃縮サイクルについて、第８変形例を示す装置構成の系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る濃度差発電システムの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態において、図示の濃度差発電システムは、タンク切替型の濃度差発電装置１に、濃縮部として多重効用法（ＭＥＤ）の濃縮サイクル５０を組み合わせたクローズドサイクルのシステムである。なお、以下に説明する実施形態において、濃度の異なる二つの溶液は、低濃度溶液が溶質を全く含まない濃度０％の純粋な溶媒も包含する。
【００２１】
濃度差発電装置１は、浸透装置１０と、浸透装置１０に低濃度溶液を供給する低濃度溶液系統２０と、浸透装置１０に高濃度溶液を供給する高濃度溶液系統３０と、発電機２を駆動するタービン３とを具備して構成される。
浸透装置１０は、半透膜１１に分離されて低濃度溶液及び高濃度溶液を流す流路がベッセル内部に形成されており、低濃度溶液側の溶媒が半透膜１１を浸透して高濃度溶液側へ流入する。通常の浸透装置１０は、たとえば図２に示すように、ベッセル１２が横置きとされ、軸方向の左右両端部に低濃度溶液及び高濃度溶液の出入口が設けられている。
【００２２】
図２の浸透装置１０は、略円筒状としたベッセル１２の内部に水平配設された中空繊維状の半透膜１１を多数備えた半透膜モジュールとなっている。
ベッセル１２の紙面左側端部には、高濃度溶液入口１３ａ及び低濃度溶液出口１４ｂが設けられ、紙面右側端部には高濃度溶液出口１３ｂ及び低濃度溶液入口１４ａが設けられている。この場合、低濃度溶液は中空繊維状の半透膜１１内を流れ、高濃度溶液は半透膜１１の外側を流れる。
なお、図中の符号１２ａは、ベッセル１２を構成する壁面部材である。
【００２３】
従って、一方の高濃度溶液は、紙面左側の高濃度溶液入口１３ａから浸透装置１０内に流入し、低濃度溶液から浸透した溶媒とともに紙面右側の高濃度溶液出口１３ｂから流出する。また、他方の低濃度溶液は、紙面右側の低濃度溶液入口１４ａから浸透装置１０内に流入し、高濃度溶液側へ浸透した溶媒が減少して紙面左側の低濃度溶液出口１４ｂから流出する。
すなわち、浸透装置１０を通過することにより、高濃度溶液側では、浸透した溶媒が加わることによって濃度は低下し、低濃度溶液側では、浸透した溶媒が減少することによって濃度は上昇する。なお、低濃度溶液に純粋な溶媒を使用した場合には、当然ながら濃度の上昇はないものの、浸透分の流量が減少して流出する。
【００２４】
低濃度溶液系統２０は、浸透装置１０に低濃度溶液を供給するとともに、浸透装置１０を通過して濃度が上昇した低濃度溶液を回収するもので、低濃度溶液を貯蔵する低濃度溶液タンク２１と、たとえば電動機２２により駆動される低濃度溶液ポンプ２３と、低濃度溶液を流す低濃度溶液流路２４とを備えている。
この場合、低濃度溶液流路２４は、低濃度溶液タンク２１内の低濃度溶液が、低濃度溶液ポンプ２３及び浸透装置１０を経て、再び低濃度溶液タンク２１に戻る閉回路の流路を形成している。
【００２５】
従って、低濃度溶液タンク２１内に貯蔵された低濃度溶液は、低濃度溶液ポンプ２３の運転により浸透装置１０へ供給され、濃度が上昇した状態で低濃度溶液タンク２１に戻される。
しかし、低濃度溶液タンク２１には、後述する濃縮サイクル５０で生成された溶媒が供給されるので、濃縮サイクル５０からの供給量を調整することにより、浸透装置１０で上昇した濃度を所望の値に維持することができる。
【００２６】
高濃度溶液系統３０は、浸透装置１０に高濃度溶液を供給するもので、二つの高濃度溶液タンク３１ａ，３１ｂを備えたタンク切替型を採用している。この方式では、たとえば電動機３２で駆動される充填ポンプ３３を駆動し、高濃度溶液供給源３４から二つの高濃度溶液タンクに高濃度溶液を充填しておく。
濃度差発電装置を運転する際には、たとえば電動機３５で駆動される高濃度溶液ポンプ３６により高濃度溶液タンク３１ａ，３１ｂのいずれか一方から高濃度溶液を導入し、この高濃度溶液が高濃度溶液流路３７を通って浸透装置１０に供給される。
【００２７】
浸透装置１０に供給された高濃度溶液は、低濃度溶液側から浸透してきた溶媒との合流により、浸透圧を得るとともに流量を増してタービン３に供給される。すなわち、タービン３に供給される流体の主なエネルギーは浸透圧に起因するものであり、このエネルギーがタービン３を駆動して軸出力の機械的エネルギーに変換され、さらに、タービン３の軸出力で駆動される発電機２により電力に変換される。
こうしてタービンを駆動した中濃度溶液は、溶媒の合流により濃度が低下した状態の中濃度排液として、後述する濃縮サイクル５０に導かれる。
【００２８】
上述した高濃度溶液タンク３１ａ，３１ｂは、供給側タンクの他方が空の状態にある場合、高濃度溶液供給源３４から高濃度溶液を充填することや、後述する濃縮サイクル５０からタンク３４に供給された濃縮液（高濃度溶液）を充填することにより、所望の濃度に調整した状態で次の供給に備えておくことができる。
高濃度溶液タンク３１ａ，３１ｂの選択切替は、図示しない３方弁等の操作により実施可能であり、二つの高濃度溶液タンク３１ａ，３１ｂを交互に切り替えて使用することにより、継続した運転が可能になる。
【００２９】
濃縮サイクル５０は、多重効用法（ＭＥＤ）を採用した濃縮装置５１を主な構成要素とする濃縮部であり、熱源５２から供給される加熱蒸気等の熱エネルギーを利用して、濃度差発電装置１から供給される中濃度溶液を、すなわち中濃度排液を加熱する。この加熱により、中濃度排液中の溶媒が蒸発するので、中濃度排液を溶媒と濃縮液とに分離することができる。
こうして生成された溶媒及び濃縮液は、溶媒が低濃度溶液系統２０の低濃度溶液タンク２１に供給され、濃縮液が高濃度溶液系統３０の高濃度溶液タンク３４に供給される。
【００３０】
この結果、中濃度排液を再利用して循環させる閉ループが形成されるので、主に熱源５２から濃縮サイクル５０に対して熱エネルギーを供給することにより、濃度差発電装置１の運転継続を可能にしたクローズドサイクルの濃度差発電システムとなる。
このため、濃度の異なる二つの溶液として河川水及び海水を用いた場合には、最初に河川水及び海水を導入すれば、熱源５２により海水を加熱して溶媒の水を蒸発させることにより、濃度差発電を継続するクローズドサイクルのシステムが形成される。
【００３１】
さて、上述したように、濃度の異なる二つの溶液を用い、浸透装置１０内の半透膜１１を浸透して流れる溶媒の浸透圧を機械的エネルギーに変換して発電するとともに、浸透装置１０を通過した中濃度排液を濃縮サイクル５０に導いて得られる溶媒及び濃縮液を循環させて再利用するクローズドサイクルの濃度差発電システムにおいて、本実施形態では、水または水より蒸発に要する熱量が小さい溶媒と、この溶媒に溶解する溶質との組合せにより構成される液体状の混合物を溶液として使用する。
なお、水より蒸発に要する熱量が小さい溶媒は、具体的には水より低沸点で蒸発潜熱の小さい物質である。
【００３２】
この場合に好適な溶媒としては、エチレンオキサイド、メタノール、エタノール、ヘプタン、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）等のような低沸点溶媒がある。
エチレンオキサイドは、沸点／１０．６６℃、蒸発潜熱／５８１．３８４７９KJ／kgの物質であり、いずれも水の沸点／１００℃、蒸発潜熱／２２５６．３８１７９８KJ／kgよりかなり低い。また、エタノール、ヘプタン、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）等の物質についても、水より低沸点であることに加えて、蒸発潜熱も低い。
【００３３】
低沸点溶媒であるエタノールとの組合せに好適な溶質（吸収剤）の一例をあげると、たとえばリチウム・ブロマイド（ＬｉＢｒ）がある。
この他、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）やフロン系冷媒（Ｒ２２、Ｒ２１，Ｒ３０，Ｒ３１）等に好適な溶質（吸収剤）としては、たとえばテトラエチレングリコールジメチルエーテル、シクロヘキサノン、りん酸トリブチル、アセトフェノン、イソホロン等がある。
【００３４】
上述したように、濃度差発電システムに低沸点溶媒を用いた低濃度溶液及び高濃度溶液を使用すると、溶液の再循環時に溶媒を蒸発させるために必要となる熱源５２の熱量を低減した運転が可能になる。すなわち、タービン３で発電した後の高濃度排液を濃縮システム５０で溶媒と濃縮液とに分離する際、溶媒の沸点が低く蒸発潜熱も小さいため、必要となる熱源５２の熱量は、溶媒を水とする場合よりも大幅に低減できる。
この結果、本実施形態の濃度差発電システムは、特に河川水及び海水を使用する場合と比較して、運転時に熱源５２で消費される熱量の大幅な低減により、システム全体としての発電効率が向上する。
また、水より蒸発に要する熱量が小さい溶媒には、たとえばイソブチルアルコールやフェノール等のように、沸点または蒸発潜熱のいずれか一方のみが水より低い物質もある。従って、水より低沸点及び／または水より蒸発潜熱の小さい溶媒と、この溶媒に溶解する溶質とを組み合せた溶液の使用も可能である。
【００３５】
さて、上述した濃度差発電装置１においては、浸透装置１０を通過して流れる溶液の温度を高めて高い浸透圧を得るため、加熱や保温を行うことが望ましい。
これは、浸透装置１０に供給される溶液の温度が高いほど大きな浸透圧を得られるという特性を利用するものであり、たとえば図２（ｂ）に示すように、ベッセル１２を構成する壁面部材１２ａの外周を保温材１５で覆って保温するとともに、保温材１５の内部にヒータ１６を設置して加熱する。
【００３６】
すなわち、浸透装置１０を流れる低濃度溶液及び高濃度溶液の温度を高くするため、浸透装置１０が加熱手段のヒータ１６及び／または保温手段の保温材１５を備えることが望ましい。このようにして浸透圧が高くなると、タービン３及び発電機２を駆動して得られる発電量が増すので、濃度差発電装置１及び濃度差発電システム全体としての発電効率が向上する。
また、上述した浸透装置１０を流れる溶液の温度が高ければよいので、浸透装置１０を直接加熱及び保温する構成だけでなく、たとえば低濃度溶液系統２０及び高濃度溶液系統３０の適所にヒータ等の加熱手段を設けて溶液温度を上昇させ、浸透装置１０は単に保温するだけでもよい。
【００３７】
また、上述した浸透装置１０の半透膜モジュールでは、水平方向となる半透膜１１の周辺に浸透圧の妨げとなる濃度分極を生じる。この濃度分極は、半透膜１１の高濃度溶液側近傍に生じる濃度差のことであるから、たとえば図３に示すように、低濃度溶液及び高濃度溶液の流れ方向が上下方向となるように、浸透装置１０の半透膜モジュールを縦置きにして使用すれば、重力の作用によって濃度分極を防止または抑制することができる。
このような濃度分極の防止または抑制は、半透膜モジュールを縦置きするとともに、上述した溶液の加熱を行って温度上昇させてもよく、この場合、半透膜モジュール内の溶液に生じる自然対流が濃度分極を防止または抑制する。
【００３８】
さらに、上述した濃度分極の防止または抑制には、浸透装置１０に高濃度側の溶液を微小振動させる超音波発生手段（不図示）の併設も有効である。この超音波発生手段は、浸透装置１０に高濃度溶液を供給する高濃度溶液系統３０の適所に超音波発生装置を設置したものであり、高濃度溶液を超音波で振動させて濃度分極を防止または抑制することができる。
このようにして濃度分極を防止または抑制すると、浸透装置１０において高い浸透圧を得ることができるので、タービン３及び発電機２を駆動して得られる発電量が増し、濃度差発電装置１及び濃度差発電システム全体としての発電効率が向上する。
【００３９】
続いて、上述した濃縮サイクル５０に代えて、溶液が有する溶解度の温度依存性を利用して濃度調整する濃縮部を採用してもよい。すなわち、溶質の溶解度は温度により変化するので、この変化が大きい物質を溶質に使用すれば、溶液の温度変化に応じて容易に溶質を溶解及び析出させることができる。換言すれば、溶液を冷却することによって溶質を析出させるとともに、加熱することにより溶質を溶媒に溶解させて濃度の高い溶液とすることができ、この場合の温度差は比較的小さくてすむ。
【００４０】
図４に示す濃縮サイクル５０Ａは、図１に示した濃縮サイクル５０の第１変形例を示す系統図である。なお、この場合の溶質は固体である。
この濃縮サイクル５０Ａは、溶液が有する溶解度の温度依存性を利用して濃度調整する濃縮部であり、上述した熱源５２に代えて再生熱交換器５３を用いている。この再生熱交換器５３は、相対的に高温の中濃度排液と、相対的に低温の析出液との間で熱交換を行う装置である。なお、この場合の析出液は、溶媒中に固体の溶質が析出した状態にある。
【００４１】
高温の中濃度排液は、必要に応じて設けた中間タンク５４及び排液ポンプ５５を介して再生熱交換器５３に供給される。
低温の析出液は、必要に応じて設けた析出タンク５７及び析出ポンプ５８を介して再生熱交換器５３に供給される。
再生熱交換器５３では、高温の中濃度排液が低温の析出液に冷却されて温度低下する。すなわち、図中に矢印Ｈで示すように、中濃度排液が保有する熱は低温の析出液側へ移動する。このため、中濃度排液中に溶解した溶質は、析出装置５６内において固体となって析出する。この結果、析出装置５６には、溶質の析出物（固体）を含む溶媒が蓄積され、これをろ過することにより、純粋な溶媒と溶質の析出物を含む溶媒の析出液とに分離される。
【００４２】
一方の溶媒は、図示しないポンプ等により、上述した濃度差発電装置１の低濃度溶液タンク２１に供給される。なお、低濃度溶液タンク２１に供給する前の溶媒を貯蔵しておくため、必要に応じて溶媒の中間貯蔵タンク（不図示）を設置してもよい。
他方の析出液は、析出装置５６から直接、あるいは析出タンク５８を介して、再生熱交換器５３に供給される。この析出液は、中濃度排液との熱交換により加熱されて温度上昇するので、溶媒に析出している溶質は溶解して高濃度溶液（濃縮液）となる。この高濃度溶液は、図示しないポンプ等により、上述した高濃度溶液タンク３４供給される。なお、高濃度溶液タンク３４に供給する前の高濃度溶液を貯蔵しておくため、必要に応じて溶媒の中間貯蔵タンク（不図示）を設置してもよい。
【００４３】
このようにすれば、再生熱交換器５３を利用して中濃度排液を溶媒と高濃度溶液とに分離できるので、熱源５２が不要になることで熱効率が改善する。すなわち、濃縮装置５０Ａの熱効率を改善したことにより、濃度差発電システム全体の発電効率が向上する。
また、このような再生熱交換器５３は、濃度差発電システムの構成や使用する溶液等の諸条件に応じて、上述した濃縮装置５１及び熱源５２と適宜組み合わせた構成とすることも可能である。この場合も熱源５２の熱エネルギーを低減できるため、濃縮装置５０Ａの熱効率改善により濃度差発電システム全体の発電効率が向上する。
【００４４】
図５に示す濃縮サイクル５０Ｂは、図１に示した濃縮サイクル５０の第２変形例を示す系統図である。なお、上述した第１変形例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この濃縮サイクル５０Ｂでは、溶液から溶質を析出させる超音波霧化手段として、超音波霧化装置５９を備えている。この超音波霧化装置５９は、超音波により溶媒を霧化して溶質の析出を促進するものである。図示の構成例では、析出装置５６の析出液貯蔵部に超音波霧化装置５９が設置されているので、溶液から溶質を析出させる分離に要する熱エネルギーの低減が可能になる。
【００４５】
図６に示す濃縮サイクル５０Ｃは、図１に示した濃縮サイクル５０の第３変形例を示す系統図である。なお、上述した各変形例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この濃縮サイクル５０Ｃは、析出装置５６を自然放熱により冷却して溶質の析出を行うとともに、排熱により析出タンク５７を加熱して熔解を行う濃縮部である。この場合、再生熱交換器５６は必ずしも必要ではなく、諸条件に応じて適宜設ければよい。
【００４６】
この場合の自然放熱としては、たとえば砂漠の夜間における自然現象の冷え込み等があり、加熱用の排熱としては、たとえば発電所や工場で使用されるボイラ等の排熱がある。なお、自然放熱として砂漠の冷え込みを利用する場合には、自然放熱による析出を夜間に行い、昼間は工場排熱を利用した熔解を行えばよい。
【００４７】
図７に示す濃縮サイクル５０Ｄは、図１に示した濃縮サイクル５０の第４変形例を示す系統図である。なお、上述した各変形例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この濃縮サイクル５０Ｄは、冷熱を用いた放熱により析出装置５６を冷却して溶質の析出を行うとともに、排熱により析出タンク５７を加熱して熔解を行う濃縮部である。この場合、再生熱交換器５６は必ずしも必要ではなく、諸条件に応じて適宜設ければよい。
【００４８】
この場合の放熱は、たとえば降雪期に貯蔵しておいた雪や液化天然ガス等が保有する冷熱を利用するものである。なお、加熱用の排熱については、上述した第３変形例と同様である。従って、析出装置５６を雪や天然ガス等の冷熱により冷却することにより高濃度排液が放熱を行い、工場排熱等の排熱を利用して析出タンクを加熱して熔解を行えばよい。
【００４９】
図８に示す濃縮サイクル５０Ｅは、図１に示した濃縮サイクル５０の第５変形例を示す系統図であり、溶質としてＮＨ３ＣＯ２等の気体を使用するものである。なお、上述した各変形例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この濃縮サイクル５０Ｅは、再生熱交換器５３Ａを用いて中濃度排液（中濃度溶液）を溶質ガスと溶媒または希溶液に分離する濃縮部である。すなわち、再生熱交換器５３Ａでは、中濃度排液と溶質ガス及び希溶液（または溶媒）との間で熱交換が行われ、中濃度排液側が加熱されて溶質ガスを析出するので、溶媒または希溶液が残る。
【００５０】
さらに、再生熱交換器５３Ａでは、中濃度排液との熱交換により希溶液（または溶媒）が冷却されるので、溶質ガスが希溶液に吸収されて高濃度溶液（濃縮液）となる。すなわち、この変形例で使用する再生熱交換器５３Ａにおいては、図中に矢印Ｈで示すように、溶質ガス及び希溶液（または溶媒）の熱が低温の中濃度排液側へ移動する。
こうして得られた溶媒または希溶液は、図示を省略した低濃度溶液タンク２１を介して浸透装置１０へ供給され、高濃度溶液は、図示を省略した高濃度溶液タンク３１ａ，３１ｂを介して浸透装置１０へ供給される。
【００５１】
また、図８の第５変形例では溶液を炭酸アンモニウム（ＮＨ４ＣＯ３）としたが、たとえば図９に示す第６変形例のように、炭酸アンモニウムに代えてアンモニア水を用いた濃縮サイクル５０Ｆも可能である。
図９に示す濃縮サイクル５０Ｆでは、中濃度アンモニア水が中濃度排液となり、中濃度アンモニア水タンク５４Ａを介して上述した再生熱交換器５３Ａに供給される。
再生熱交換器５３Ａでは、中濃度アンモニア水とアンモニアガス（溶質ガス）及び希濃度アンモニア水（または溶媒の水）との間で熱交換が行われ、中濃度アンモニア水側が加熱されてアンモニアガスを析出するので、溶媒または希濃度アンモニア水が残る。
【００５２】
さらに、この場合の再生熱交換器５３Ａでは、中濃度アンモニア水との熱交換により希濃度アンモニア水（または溶媒）側が冷却されるので、アンモニアガスが希濃度アンモニア水に吸収されて高濃度アンモニア水（濃縮液）となる。すなわち、この変形例で使用する再生熱交換器５３Ａにおいても、図中に矢印Ｈで示すように、アンモニアガス及び希アンモニア水（または溶媒）の熱が低温の中濃度アンモニア水側へ移動する。
こうして得られた溶媒または希濃度アンモニア水は、図示を省略した低濃度溶液タンク２１を介して浸透装置１０へ供給され、高濃度アンモニア水は、図示を省略した高濃度溶液タンク３１ａ，３１ｂを介して浸透装置１０へ供給される。
【００５３】
図１０に示す濃縮サイクル５０Ｇは、図１に示した濃縮サイクル５０の第７変形例を示す系統図であり、溶質としてＮＨ３ＣＯ２等の気体を使用するものである。なお、上述した各変形例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この変形例では、再生熱交換器を使用せず、中間タンク５４内の中濃度溶液を工場排熱等の排熱により加熱し、溶質ガスを析出させる。この結果、中濃度溶液は、溶質ガスと溶媒または希溶液に分離される。こうして得られた溶媒または希溶液は、図示を省略した低濃度溶液タンク２１を介して浸透装置１０へ供給される。
【００５４】
一方、溶質ガス及び希溶液（または溶媒）は濃縮タンク５９に導入され、ここで自然放熱または放熱により冷却される。この結果、溶質ガスが希溶液（または溶媒）に吸収されて高濃度溶液（濃縮液）となり、図示を省略した高濃度溶液タンク３１ａ，３１ｂを介して浸透装置１０へ供給される。
この場合の自然放熱には、たとえば砂漠の夜間における冷え込み等があり、放熱には、貯蔵した雪や液化天然ガス等の冷熱がある。なお、図示の構成例では、再生熱交換器を使用していないが、諸条件に応じて適宜組み合わせてもよい。
【００５５】
また、図１０の第７変形例では溶液を炭酸アンモニウムとしたが、たとえば図１１に示す第８変形例のように、炭酸アンモニウムに代えてアンモニア水を用いた濃縮サイクル５０Ｈも可能である。
この場合も再生熱交換器を使用せず、中間タンク５４Ａ内の中濃度アンモニア水を工場排熱等の排熱により加熱し、アンモニアガスを析出させる。この結果、中濃度アンモニア水は、アンモニアガスと溶媒または希濃度アンモニア水に分離される。こうして得られた溶媒または希濃度アンモニア水は、図示を省略した低濃度溶液タンク２１を介して浸透装置１０へ供給される。
【００５６】
一方、アンモニアガス及び希濃度アンモニア水（または溶媒）は濃縮タンク５９に導入され、ここで自然放熱または放熱により冷却される。この結果、アンモニアガスが希濃度アンモニア水（または溶媒）に吸収されて高濃度アンモニア水（濃縮液）となり、図示を省略した高濃度溶液タンク３１ａ，３１ｂを介して浸透装置１０へ供給される。
この場合の自然放熱には、たとえば砂漠の夜間における冷え込み等があり、放熱には、貯蔵した雪や液化天然ガス等の冷熱がある。
なお、図示の構成例では、再生熱交換器を使用していないが、上述した第６変形例と同様に、諸条件に応じて適宜組み合わせてもよい。
【００５７】
このように、上述した本実施形態及びその変形例によれば、濃度の異なる二つの溶液として、水または水より蒸発に要する熱量の小さい溶媒と、この溶媒に溶解する溶質との組合せにより構成される液体状の混合物を採用し、溶液の再循環時に濃縮部で溶媒を蒸発させるために必要となる熱源の熱量を低減した運転が可能になる。従って、上述したクローズドサイクルの濃度差発電システムは、運転時に熱源で消費される熱量の低減により発電効率が向上したものとなる。
【００５８】
さらに、溶液が有する溶解度の温度依存性を利用して濃度調整を行う各変形例の濃縮部を採用すれば、多重効用法のような蒸発法を採用した濃縮部と比較して必要熱量を低減できるので、これによっても発電効率の向上が可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１    濃度差発電装置
２    発電機
３    タービン
１０    浸透装置
１１    半透膜
１２    ベッセル
１５    保温材
１６    ヒータ
２０    低濃度溶液系統
３０    高濃度溶液系統
５０，５０Ａ〜５０Ｈ    濃縮サイクル（濃縮部）
５１    濃縮装置（ＭＥＤ）
５２    熱源
５３    再生熱交換器
５６    析出装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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