基于多孔介质的正向渗透-电动盐差能高效连续发电装置
阅读说明：本技术 基于多孔介质的正向渗透-电动盐差能高效连续发电装置 (Forward osmosis-electric salt difference energy efficient continuous power generation device based on porous medium ) 是由 焦艳梅 安逸 宋林辉 张慧玲 王会 高秀敏 蒋关希曦 马勃龙 蔡茂文 黄孟巍 张 于 2020-12-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于多孔介质的正向渗透-电动盐差能高效连续发电装置,包括淡水源(1)、电动模块(2)、正向渗透模块(5)和咸水源(9),其特征在于：所述的正向渗透模块(5)包括正向渗透单元(14),正向渗透单元(14)包括半透膜制成的淡水膜通道(15)和咸水膜通道(16),淡水膜通道(15)和咸水膜通道(16)交错层叠形成平面渗透结构,淡水膜通道(15)的淡水进口(151)接收淡水源(1)输出的、经过电动模块(2)中的二维微纳米膜通道(12)后的淡水,咸水膜通道(16)的咸水进口(161)接收咸水源(9)输出的咸水。本发明的发电装置的系统传质效率高、系统能量转化效率高、系统持续稳定运行性好。(The invention discloses a forward osmosis-electric salt difference energy efficient continuous power generation device based on a porous medium, which comprises a fresh water source (1), an electric module (2), a forward osmosis module (5) and a salt water source (9), and is characterized in that: forward osmosis module (5) including forward osmosis unit (14), forward osmosis unit (14) include fresh water membrane channel (15) and salt water membrane channel (16) that the semi-permeable membrane made, crisscross range upon range of formation plane osmotic structure of fresh water membrane channel (15) and salt water membrane channel (16), fresh water import (151) of fresh water membrane channel (15) receive fresh water source (1) output, the fresh water behind two-dimensional micro-nano membrane channel (12) in electronic module (2), salt water import (161) of salt water membrane channel (16) receive the salt water of salt water source (9) output. The power generation device has the advantages of high system mass transfer efficiency, high system energy conversion efficiency and good continuous and stable system operation performance.)
技术领域
本发明涉及盐差能发电技术领域，具体地说是一种系统传质效率高、系统能量转化效率高、系统持续稳定运行性好的基于多孔介质的正向渗透-电动盐差能高效连续发电装置。
背景技术
随着全球化环境污染和能源危机的日益加剧，开发、利用清洁可再生能源，降低碳排放量已成为当今世界社会发展趋势且具有重要的战略意义。占地球表面积约70%的海洋本身所蕴含的和由于海洋特殊环境所产生的自然能源，即海洋能，是一种潜力巨大的绿色可再生能源，这类能源几乎不受气候条件的限制，具有绿色、稳定、储量丰富和持续可再生等特点。
盐差能是众多海洋能中的第二大能源形态，主要存在于河流入海口。其科学含义是指含盐浓度不同的两种液体之间的化学电位差能，利用一定的能量转化方式可将此化学电位差能转化为电能。由于地球海洋覆盖面积广阔，分布在海岸线上的河流入海口更是密布在世界各地，其理论蕴含量约为1650 TWh/a（万亿瓦时/年）。另外，在淡水丰富的盐湖和地下矿盐地区也可有效利用此类盐差能。盐差能不仅可以直接用来发电以满足人们的日常生产、生活需求，还可用于补偿性发电过程来弥补某些主生产过程用电量，从而提高整体生产效率。目前，国内外学者在盐差能发电技术探索和研发方面虽已取得了一定研究成果，但由于盐差能发电系统成本高昂，且整体发电效率相对校低，还未能实现大规模投产应用。然而，由于盐差能具有清洁可再生、占地面积广阔、应用性灵活等优势，从长远利益来看，盐差能技术的开发研究必然能为解决能源短缺、开发利用可再生能源、保障经济可持续发展开辟新的道路。因此，探索高性能盐差能能量转化机理、构建相应宏观高效发电原型器件、为盐差能实现稳定规模化发电提供系统科学的理论与实验支撑成为当今科研工作者的重要研究课题。
一种基于正向渗透（Forward Osmosis，FO）的发电装置及方法（PCT/SG2012/000187-A POWER GENERATING DEVICE, AND A METHOD OF GENERATING POWER BY FORWARDOSMOSIS）公开了一种盐产能发电技术，该此发电技术包含两个传质过程：正向渗透过程和压力驱动电动能量转化过程，其对应核心元件分别是半透膜和提供微纳米通道的多孔玻璃。正向渗透过程是指在没有外界压力输入的情况下，溶液中的水分子自发地由低浓度溶液区经半透膜扩散到高浓度溶液区的传质过程。压力驱动电动能量转化过程是指，微纳米通道在与水溶液接触时，通道表面双电层（Electric Double Layer，EDL）内的过剩离子在压力场作用下向前运动形成电动电流；同时，过剩离子在静电力作用下聚集于通道下游端，从而产生电动电势；所产生的电动电流和电动电势可以通过放置在多孔玻璃两侧的电极给外电路提供电能。当FO-EK盐差能发电系统运行时，渗透模块内自发产生的流体流动将带动系统内的流体流过电动模块，从而产生可被采集利用的电能。
与传统主流盐产能发电技术（即压力延滞渗透压法（Pressure RetardedOsmosis，PRO）和反电渗析法（Reverse Electrodialysis，RED））相比，此项技术巧妙地运用压力驱动电动能量转化装置取代了PRO发电技术中机械水轮机发电装置，其系统内部产生的压力远远小于PRO发电系统内压力，因而极大程度降低了对半透膜的强度要求，能显著延长半透膜使用寿命，最终将能大幅度减小膜成本和系统运行成本。同时，此发电技术借助含有微纳米通道的多孔介质通过压力驱动电动能量转化机理实现发电过程，与RED发电技术所应用的离子交换膜相比，可用于制造多孔介质的材料来源广泛且造价低廉，使得FO-EK盐差能发电技术更适于将来规模化批量生产。
虽然FO-EK盐差能发电技术有诸多优势，但其能量转化效率与可工业化投产所需的能量转化效率标准之间还有很大距离，分析总结其技术缺点主要有以下三条：
（1）系统传质效率低
此正向渗透装置用于研究系统发电性能所使用的膜材料为平面膜材料，所使用的渗透腔体为大尺度方形腔体。根据研究较为成熟的反渗透相关经验得知，此种结构有效传质膜面积非常小，且由于腔体体积较大，而在正向渗透过程中起作用的浓溶液主要集中在半透膜表面薄层（厚度约在102μm左右）内，因此腔体内远离半透膜处的浓溶液不能及时发挥高渗透压的优势，从而导致传质效率远远低于市面上流行的卷式反渗透膜元件。
（2）系统能量转化效率差
对于电动能量转化核心元件多孔介质，此发电技术选用多孔玻璃、多孔聚合物、多孔陶瓷等块状介电材料。由电动能量转化研究得知，微通道表面电荷量和微通道尺寸在能量转化过程中起着至关重要的作用。首先，此发电技术所使用的介电材料表面电荷量与一些新材料（如单层二硫化钼、单层石墨烯、氧化铝等多孔材料）相比，表面电荷量相对较低。其次，此发电技术所使用的介电块状材料微通道孔径大小不一，能产生高效电动能量转化效率的纳米通道孔径（量级约在1nm-102nm之间）数量极少，大部分集中在电动能量转化效率较低的μm级别。因此，较低的电动能量转化效率导致此发明设计的总体系统能量转化效率相对较低。
（3）系统持续稳定运行性差
根据此正向渗透装置设计来看，浓溶液一次性注入浓溶液腔体中，随着正向渗透过程的不断进行，半透膜附近的浓溶液将不断被稀释，而产生的严重的浓度极化（ExternalConcentration Polarization，ECP）现象。早有大量研究显示，浓度极化现象是降低正向渗透半透膜渗传质透效率，减小渗透流量主要诱因之一。对于此发明设计来讲，浓溶液将被渗透过来的水分子不断稀释，从而导致渗透速率不断降低，这将意味着引发能量转化的动力越来越低，直至趋近于零。因此，此发明设计的运行模式不能给电动能量转化模块提供恒定的动力，最终导致系统持续稳定运行性差。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种系统传质效率高、系统能量转化效率高、系统持续稳定运行性好的基于多孔介质的正向渗透-电动盐差能高效连续发电装置。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种基于多孔介质的正向渗透-电动盐差能高效连续发电装置，包括淡水源、电动模块、正向渗透模块和咸水源，其特征在于：所述的正向渗透模块包括正向渗透单元，正向渗透单元包括半透膜制成的淡水膜通道和咸水膜通道，淡水膜通道和咸水膜通道交错层叠形成具备平面渗透结构的正向渗透通道层，淡水膜通道的淡水进口接收淡水源输出的、经过电动模块中的二维微纳米通道膜后的淡水，咸水膜通道的咸水进口接收咸水源输出的咸水。
所述的淡水膜通道和咸水膜通道的朝向呈十字交叉式分布，任意相邻的淡水膜通道和咸水膜通道共用同一层半透膜。
所述的正向渗透单元还包括能够组合成一封闭空腔的上下相对设置上盖板和下盖板、连通咸水的咸水入口侧壳体和咸水出口侧壳体、连通淡水的淡水入口侧壳体和淡水出口侧壳体，上述封闭空腔内装有正向渗透通道层构成正向渗透单元，且咸水入口侧壳体、咸水出口侧壳体、淡水入口侧壳体、淡水出口侧壳体的两两连接处构成的四个侧边分别与正向渗透通道层的四个侧边通过密封件连接，使得咸水入口侧壳体和正向渗透通道层构成的空间仅能通过咸水膜通道与咸水出口侧壳体和正向渗透通道层构成的空间相连通、淡水入口侧壳体和正向渗透通道层构成的空间仅能通过淡水膜通道与淡水出口侧壳体和正向渗透通道层构成的空间相连通。
所述的咸水入口侧壳体上设有咸水进水通道、咸水出口侧壳体上设有咸水出水通道、淡水入口侧壳体上设有淡水进水通道、淡水出口侧壳体上设有淡水出水通道。
所述的淡水膜通道和咸水膜通道内皆设有相应的支撑半透膜的格网结构；且所述正向渗透通道层中的任一淡水膜通道的上下方均设有咸水膜通道。
所述的淡水膜通道和咸水膜通道皆采用半透膜胶连构成。
所述的正向渗透模块包括一个正向渗透单元、或者多个并联的正向渗透单元，正向渗透模块的咸水入口侧通过咸水供应管道与咸水源相连通，正向渗透模块的咸水出口侧通过带循环水泵的咸水回收管道与咸水回收槽相连通。
所述的咸水回收管道上设有稳流器，稳流器位于循环水泵和正向渗透模块之间的咸水回收管道上。
所述的电动模块包括一个电动能量转化单元、或者多个串联和/或并联的电动能量转化单元，任一电动能量转化单元内皆设有二维微纳米通道膜，任一二维微纳米通道膜皆能够通过导线与数字源表/电能收集机构相连接。
所述二维微纳米通道膜的材料包括氮化硼、二硫化钼、石墨烯、碳纳米管。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明的发电装置通过使用正向渗透技术作为整体系统发电的动力来源、使用压力驱动电动能量转化技术将流体动能转化为电能、使用构思巧妙的半透膜胶接方式给正向渗透单元中两种不同浓度的流体提供十字交叉式流动方式以及使用稳流循环系统给整体发电系统提供持续稳定运行的前提条件，使得该发电装置的系统传质效率高、系统能量转化效率高、系统持续稳定运行性好。
附图说明
附图1为本发明的基于多孔介质的正向渗透-电动盐差能高效连续发电装置原理图；
附图2为本发明的正向渗透单元的爆炸结构透视图；
附图3为本发明的正向渗透单元中流体进出壳体的流动方向的仰视方向透视图；
附图4为本发明的正向渗透通道层的爆炸结构透视图；
附图5为本发明的正向渗透单元的壳体爆炸结构透视图。
其中：1—淡水源；2—电动模块；3—数字源表/电能收集机构；4—导线；5—正向渗透模块；6—稳流器；7—循环水泵；8—咸水回收槽；9—咸水源；10—咸水供应管道；11—咸水回收管道；12—二维微纳米通道膜；13—电动能量转化单元；14—正向渗透单元；141—上盖板；142—下盖板；143—咸水入口侧壳体；1431—咸水进水通道；144—咸水出口侧壳体；1441—咸水出水通道；145—淡水入口侧壳体；1451—淡水进水通道；146—淡水出口侧壳体；1461—淡水出水通道；15—淡水膜通道；151—淡水进口；152—淡水出口；16—咸水膜通道；161—咸水进口；162—咸水出口；17—正向渗透通道层；18—半透膜胶连处。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-5所示：一种基于多孔介质的正向渗透-电动盐差能高效连续发电装置，包括淡水源1、电动模块2、正向渗透模块5和咸水源9，电动模块2包括一个电动能量转化单元13、或者多个串联和/或并联的电动能量转化单元13，任一电动能量转化单元13内皆设有二维微纳米通道膜12，任一二维微纳米通道膜12皆能够通过导线4与数字源表/电能收集机构3相连接。该正向渗透模块5包括正向渗透单元14，正向渗透单元14包括半透膜制成的淡水膜通道15和咸水膜通道16，淡水膜通道15和咸水膜通道16交错层叠形成具备平面渗透结构的正向渗透通道层17，且正向渗透通道层17中的任一淡水膜通道15的上下方均设有咸水膜通道16；淡水膜通道15的淡水进口151接收淡水源1输出的、经过电动模块2中的二维微纳米通道膜12后的淡水，咸水膜通道16的咸水进口161接收咸水源9输出的咸水。
在本发明提供的基于多孔介质的正向渗透-电动盐差能高效连续发电装置中，正向渗透模块5包括一个正向渗透单元14、或者多个并联的正向渗透单元14，正向渗透模块5的咸水入口侧通过咸水供应管道10与咸水源9相连通，正向渗透模块5的咸水出口侧通过带循环水泵7的咸水回收管道10与咸水回收槽8相连通；在咸水回收管道10上设有稳流器6，稳流器6位于循环水泵7和正向渗透模块5之间的咸水回收管道10上。
由图2、4所示，上述的淡水膜通道15和咸水膜通道16皆采用半透膜胶连构成，任意相邻的淡水膜通道15和咸水膜通道16共用同一层半透膜，图4中展示了半透膜胶连处18；在淡水膜通道15和咸水膜通道16内皆设有相应的支撑半透膜的格网结构，所有能应用于支撑膜通道的结构（不限于格网结构）均可应用于本发明提供的正向渗透单元14；淡水膜通道15和咸水膜通道16的朝向呈十字交叉式分布，所有能产生此类以一定角度交错布局通道的平面或卷式膜片胶连方式均可应用于本发明提供的正向渗透单元14。
如图2、3、5所示，正向渗透单元14还包括能够组合成一封闭空腔的上下相对设置上盖板141和下盖板142、连通咸水的咸水入口侧壳体143和咸水出口侧壳体144、连通淡水的淡水入口侧壳体145和淡水出口侧壳体146，上述封闭空腔内装有正向渗透通道层17构成正向渗透单元14，且咸水入口侧壳体143、咸水出口侧壳体144、淡水入口侧壳体145、淡水出口侧壳体146的两两连接处构成的四个侧边分别与正向渗透通道层17的四个侧边通过密封件连接，使得咸水入口侧壳体143和正向渗透通道层17构成的空间仅能通过咸水膜通道16与咸水出口侧壳体144和正向渗透通道层17构成的空间相连通、淡水入口侧壳体145和正向渗透通道层17构成的空间仅能通过淡水膜通道15与淡水出口侧壳体146和正向渗透通道层17构成的空间相连通。在咸水入口侧壳体143上设有咸水进水通道1431、咸水出口侧壳体144上设有咸水出水通道1441、淡水入口侧壳体145上设有淡水进水通道1451、淡水出口侧壳体146上设有淡水出水通道1461。
本发明的电动能量转化单元13所使用的二维微纳米通道膜12的材料不局限于氮化硼、二硫化钼、石墨烯、碳纳米管等单层或多层二维纳米膜材料，所有能提供带表面电荷的微纳米通道的多孔材料均可应用于电动能量转化单元13。
需要说明的是，本发明中所使用的淡水可以是江水、河水、湖水、市政自来水等，咸水可以是海水、工业生产废水等高浓度水。由于本专利使用浓度差进行发电，淡水侧也可使用浓度低于咸水侧浓度的其它水源。
从图1可以看出，与现有技术的发电机制一致，当本发明提供的基于多孔介质的正向渗透-电动盐差能高效连续发电装置运行时，正向渗透模块5内自发产生的流体流动将带动装置内的流体流过电动模块2发电，从而产生可被采集利用的电能。其中各模块规模可根据实际发电量需要进行多个电动能量转化单元13的串/并联或多个正向渗透单元14的并联；比如：就单个电动能量转化单元13来讲可根据需要以一定比例放大、缩小以满足需求，就单个正向渗透单元14来讲，可根据需要增加、减少渗透层数或增加、减少渗透面积以满足需求。另外，对于整体发电装置而言，为了保证动力，除了咸水侧可设置成开放式，与咸水相连的半透膜及半透膜后续系统必须密封。
本发明最重要的创新就是对正向渗透单元进行深入改进，从而克服现有技术的系统传质效率低的缺点。其改进后的结构细节如图2-图5所示，淡水、咸水分别从各自对应的壳体通道和膜通道内流过，正向渗透过程发生在淡水和咸水所夹的半透膜和半透膜附近的流体薄层内，水分子在渗透压差的驱动下由淡水测流向咸水侧。由于半透膜片材质柔软，不能定型，所以由半透膜片胶连而成的膜通道需要一定骨架支撑其通道结构。现阶段在渗透研究领域较为成熟的技术是反渗透，此技术中普遍使用的卷式反渗透膜元件应用厚度小于1mm的格网结构给浓、稀溶液提供流道，此格网结构不仅能够使溶液均匀到达半透膜表面，更能提供一定程度的扰动，从而大大提高渗透传质效率。因此，本发明将在膜结构流体通道内沿用此格网结构，为正向渗透过程提供关键的切向流动空间和切向扰动。
与现有技术相比本发明存在的优点如下：系统传质效率高、系统能量转化效率高、系统持续稳定运行性好。具体分析如下：
首先，电动能量转化单元13中使用高效的二维微纳米通道膜12（例如：氮化硼、二硫化钼、石墨烯、碳纳米管等单层或多层二维微纳米通道膜材料）取代现有技术中使用的多孔玻璃类块状多孔介质，二维微纳米通道膜12的材料具有表面电荷高、通道短、有效通道率高等优势，对于一定的压力下的纯电动能量转化效率来说，使用二维微纳米通道膜12的材料将比使用多孔玻璃类材料所得到的能量转化效率高出一到两个数量级，弥补了现有技术中系统能量转化效率差的缺点。
其次，在正向渗透模块5中嵌入了咸水循环系统，此循环系统能够使正向渗透模块5中的咸水产生有效、稳定的切向运动，极大降低了正向渗透过程中的浓度极化现象，从而大大增强了正向渗透传质效率；又因为咸水在运行过程中不断更新，能给电动模块2的能量转化提供恒定的动力，从而使得系统能够持续稳定的运行。弥补了现有技术中系统持续稳定运行性差的缺点。
最后，设计的正向渗透单元14具有以下4大特点：1）正向渗透流道由格网结构进行支撑，其厚度控制在有效流体渗透薄层厚度，此格网结构不仅能够使淡水、咸水均匀到达半透膜表面，更能提供一定程度的切向扰动来降低半透膜两侧的浓度极化现象；2）除了正向渗透通道层17的上、下边缘流道内的咸水是单侧渗透，其他咸水流道内的咸水均是高效的双侧渗透，此布局能够使咸水的有效渗透压得到高效地利用；3）交错式流道布局亦能够使咸水的有效渗透压得到高效地利用；4）与卷式反渗透膜结构相比，本正向渗透的流道设计为平面渗透结构，能高效减小流动阻力，减少系统能量损失；上述四大特点将大大提升渗透传质模块的传质效率，极大弥补了现有技术中系统传质效率低的缺点。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。
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