江苏大学
可再生能源概论论文
题 目
姓 名 刘敏杰 所在学院 能源与动力工程学院 专业班级 流体0903 学 号 3090201087 指导教师 苏文佳 日 期 2011年 12月 24日
盐度差发电系统及工作原理
摘要：所谓浓差，亦即盐度差。浓差能就是海水和淡水或者盐份浓度不同的海水相互混合时所释放出来的自由能。用一层只能通过水分子而不能通过盐离子的半透膜隔开两种不同盐度海水，膜两边产生的渗透压驱使水分子流向浓度低的一侧，直至浓度相等，基于这种现象，利用一定转换方式，将这种势能转化成电能。
关键词：渗析电池，阴阳离子渗透膜，可再生海洋能，盐度差发电
1. 国内外研究现状：
盐差能发电是美国人在1939年首先提出来的，自60年代，特别是70年代中期以来，世界许多发达工业国家，如美国、日本、英国、法国、俄罗斯、加拿大和挪威等对海洋能利用都非常重视，投入了相当多的财力和人力进行研究。在对诸项海洋能源的研究中，对盐差能的探索相对要晚一些，规模也不大。最早是1973年由以色列科学家洛布(Loeb）提出并展开实验工作；以后，美国、瑞典、日本等国相继开始了这方面的研究，并制成实验发电装置。我国于1979年也开始这方面的研究，1981年发表第一篇科研论文，1985年7月14日在西安采用半渗透膜，研制成干涸盐湖浓差发电实验室装置，半透膜面积为14m2。试验中溶剂(淡水) 向溶液(浓盐水) 渗透，溶液水柱升高10m ，水轮机发电机组电功率为0.9—1.2瓦。显然我国盐差能发电研究尚处在初期阶段。
从全球情况来看，浓差能发电的研究都还处于不成熟的规模较小的实验室研究阶段，目前世界上只有以色列建了一座1.50kW 的盐差能发电的实验装置，实用性盐差能发电站还未问世，但随着对能源的越来越迫切的需求和各国政府及科研力量的重视，浓差能发电的研究将越来越深入，浓差能及其它海洋能的开发利用必将出现一个崭新的局面。
2. 常规发电原理
目前，日本、美国、瑞典等国都在积极探索，已经提出多种浓差发电方案，可分为渗透压法、渗析电池法和蒸汽压法。
2.1 渗透压法
渗透压法能量转换的原理是：在海河交界处，由于海水、淡水的盐度差很大，如果采用一种特殊的半透膜(具有透水性，但溶存物质难以透过) ，将海水和淡水隔开，通过这个膜会
产生一个压力梯度，迫使淡水通过半透膜向海水一侧渗透，使海水稀释，直到两侧水的盐度相等时海水侧的高度将超过淡水侧，而该高度的水压即称为渗透压。浓差发电就是利用这种渗透现象，提高水位，使其发电。
下面简单介绍两种渗透压发电方案。
2.2 水压塔渗压系统
该系统如图1所示，主要由水压塔、半透膜、海水泵、水轮机发电机组等组成。
图1水压塔渗压系统示意图
该系统的工作流程如下：向水压塔内充入海水，在渗透压的作用下，淡水透过半透膜向水压塔内渗透，提高水压塔内的水位，当塔内水位上升到一定高度后，便从水槽溢流出来，冲击水轮机叶片使之旋转，并带动同轴发电机发电。
为了使水压塔内的海水保持一定的盐浓度，必须用海水泵不断向塔内充入海水。据估计，为使发电过程连续不断，渗透压必须保持在10—11×105Pa ，亦即水压塔的高度H 应在100—110m 以上。扣除各种动力消耗，该装置的总效率约为20％。
2. 2.2 “强力”渗压系统
图2是该系统的简单示意图。
图2强力塔渗压系统示意图
系统的工作流程是：先让河水流经水电站的水轮机，然后排入低于海平面约200m 的水库里。水库和海平面间的高度差由渗透压抵消和保持。按照理论，这个压差可达240m ，但是实际工作中要比浓度差的平衡力要小很多才能使淡水通过半透膜直接排入盐水(海水) 中。薄膜(渗流器) 必须用大量海水不断地冲洗以将渗透过薄膜的淡水带走并防止由于薄膜表面附近的盐水被稀释而产生“浓度极化”。
3. 系统改进：
改进1.
之前的两种方案都在盐度差能的利用上改进装置，其实盐度差能的利用上完全可以将能源的综合利用实施在这些方案上。
假设初始条件是，混合段的水温相同，那么在上面两种方案中，淡水在通过半透膜的时候是有速度梯度的，到达高浓度一侧的时候温度其实也是有一定的梯度的，其实我们可以在已通过渗透膜的淡水跟距离稍远处设置温差发电装置，一定程度上将这部分能量进行回收。
所要用到的热循环基本装置示意图如图所示：
改进所用热循环示意图
改进2.
近年来，随着英特尔,AMD 等科技巨头们在微电子半导体领域不断发力，科技发展较为迅速，半导体行业经历着一次次的革命，半导体的塞贝克系数不断提高，电阻率，热导率不断下降，热损失不断降低，半导体的应用范围不断变广，因此我联想到热电效应当中的帕尔帖效应 ，利用该效应我们可以将半导体发电技术运用到盐度差发电工作水流的两侧。
简述下工作原理，半导体热点发电机，实质上是许多P 跟N 半导体按照一定排列组合方式构成的半导体堆，发电机工作在冷热源之间，热端从热源吸热，然后由冷锻向冷源放热，同时将热能转化为电能，以温差电动势或电流的形式输出。
这样一来，海水存在盐度差附近的可供开发的能量的被开发比例就会得到进一步的加强，而且这个过程也是对环境没有任何污染，低碳环保，完全是一种清洁能源。
事实上，可能工作水流两侧的温差不是特别大，这个时候我的建议是设计出水流的分流装置，让海水能够以一定的方式进行循环补给，但是，可以想象，这种装置可能实际使用效率并不高，但是，半导体行业的发展毕竟带来效率及性能的提升，或许在不久的将来，我们能真正的看到这类综合利用开发能源装置能够被广泛的配备在河海交汇处等需要大规模开发能源的地方。这也是半导体行业应用的一个新方向。
工作基本示意图
改进可行性分析：
经过改进之后的系统可以将部分因动能增加而变相转换的温差能进行回收，类似的也可以在此基础上增加因波动产生的能量用现已成熟的波浪能装置循环系统对此进行回收，提高了能源的利用率，从长远来考虑利用前景更为广阔，但是加入各种装置后的结果就是使得系统变得更为臃肿跟难以控制，成本加大，运行可靠性差，回收周期长，改进2中的半导体温差发电机的技术还存在各种瓶颈，实际使用难度极大，成本极高，而且存在发电不稳定，实际效率低下等各种问题，短时间内要实现大规模得装配发电可能性还不大，因而各种改进还
有待探索。
另外，综合上述两种方案可以看出，盐度差发电系统的主要工作还是以盐度差进行发电为主，其中的关键便是渗透压式系统，而其中的关键技术是半渗透膜工艺水平。目前生产的半透膜，是由海水提取纯水的逆渗透膜，而用于发电的是正渗透膜。有关正渗透膜的研究在加紧进行中。日本曾经在实验中采用过一种渗透膜，在直径131mm 的圆筒容器内装设10万条空心纤维，构成半渗透膜，将海水所具有的浓差能的8.6％成功地转化为电能，并在历时10小时的实验中，发出了比设备运转耗电多1瓦的输出，在世界范围的同类试验中，首次实现发电量超过耗电量，因此实际上已成功地产生了动力。
4. 开发挑战与展望
4.1. 开发难度
海洋开发环境严酷，投资大，存在风浪海流等动力不确定因素，入海口又有水流冲击和台风影响，同时海水腐蚀、泥沙淤积，以及水生物附着等问题也有待考虑。
在两种盐度不同溶液混合时，产生的热量很小，只使温度提高不到半摄氏度，比自然混合的实际结果还要小，所以废水将和自然条件下一样被排走，对环境的有害影响极小。但有一系列问题需要解决，例如河水带来的泥砂的处理以及如何防止海洋动物可能被海水进水口吸入等。如果把渗透膜放置在海水中，腐蚀、生物积垢和泥砂淤积等都将是棘手的问题，需要设法过滤海水和河水，甚至需要进行水的预处理以防止积垢和腐蚀并提高渗透膜的效率，使电压有所提高，这些都要作进一步的研究。盐差能开发的关键技术是膜技术，需要半透膜的渗透流量在现有基础上提高一个数量级，盐差能的利用才有可能实现商业化。
4.2. 开发前景
盐差能广泛存在于自然界中，江河入海口处，淡水海水盐度相差很大，可开发利用的盐度差能很多，而对于死海跟地中海，死海盐度高达25%，是地中海的数倍，如果设法将他们沟通 ，将不但可以利用其400米的落差来发电，而且还可利用两者之间巨大的盐差能。
最后介绍的蒸汽压法的有点是它不需要使用渗透膜，所以若半透膜技术停滞不前，则蒸汽压法具有更广阔的应用前景。
盐度差能由太阳能加热海水产生的，因而是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。开发盐度差能不会产生肥水、废气，也不会占用大片良田，更没有辐射污染。而占据地球面积70.9%的海洋提供丰富的盐度差能，因而被誉为21世纪的绿色能源。
有专家预测，在2020年后，全球海洋能源的利用率将是目前的数百倍。科学家相信，21世纪人类将步入开发海洋能源的新时代，两水相逢的盐度差能被大规模的利用必将成为现实。
5. 参考文献
[1]左然. 施明桓. 可再生能源概论 [M]. 机械工业出版社2007.6
[2]李全林. 新能源与可再生能源 [M]. 东南大学出版社2008.12
[3]吴治坚. 新能源和可再生能源的利用 [J]. 机械工业出版社2006.1
[4]樊东黎. 热处理设备展望[J]. 机械工业出版社 2005.9
江苏大学
可再生能源概论论文
题 目
姓 名 刘敏杰 所在学院 能源与动力工程学院 专业班级 流体0903 学 号 3090201087 指导教师 苏文佳 日 期 2011年 12月 24日
盐度差发电系统及工作原理
摘要：所谓浓差，亦即盐度差。浓差能就是海水和淡水或者盐份浓度不同的海水相互混合时所释放出来的自由能。用一层只能通过水分子而不能通过盐离子的半透膜隔开两种不同盐度海水，膜两边产生的渗透压驱使水分子流向浓度低的一侧，直至浓度相等，基于这种现象，利用一定转换方式，将这种势能转化成电能。
关键词：渗析电池，阴阳离子渗透膜，可再生海洋能，盐度差发电
1. 国内外研究现状：
盐差能发电是美国人在1939年首先提出来的，自60年代，特别是70年代中期以来，世界许多发达工业国家，如美国、日本、英国、法国、俄罗斯、加拿大和挪威等对海洋能利用都非常重视，投入了相当多的财力和人力进行研究。在对诸项海洋能源的研究中，对盐差能的探索相对要晚一些，规模也不大。最早是1973年由以色列科学家洛布(Loeb）提出并展开实验工作；以后，美国、瑞典、日本等国相继开始了这方面的研究，并制成实验发电装置。我国于1979年也开始这方面的研究，1981年发表第一篇科研论文，1985年7月14日在西安采用半渗透膜，研制成干涸盐湖浓差发电实验室装置，半透膜面积为14m2。试验中溶剂(淡水) 向溶液(浓盐水) 渗透，溶液水柱升高10m ，水轮机发电机组电功率为0.9—1.2瓦。显然我国盐差能发电研究尚处在初期阶段。
从全球情况来看，浓差能发电的研究都还处于不成熟的规模较小的实验室研究阶段，目前世界上只有以色列建了一座1.50kW 的盐差能发电的实验装置，实用性盐差能发电站还未问世，但随着对能源的越来越迫切的需求和各国政府及科研力量的重视，浓差能发电的研究将越来越深入，浓差能及其它海洋能的开发利用必将出现一个崭新的局面。
2. 常规发电原理
目前，日本、美国、瑞典等国都在积极探索，已经提出多种浓差发电方案，可分为渗透压法、渗析电池法和蒸汽压法。
2.1 渗透压法
渗透压法能量转换的原理是：在海河交界处，由于海水、淡水的盐度差很大，如果采用一种特殊的半透膜(具有透水性，但溶存物质难以透过) ，将海水和淡水隔开，通过这个膜会
产生一个压力梯度，迫使淡水通过半透膜向海水一侧渗透，使海水稀释，直到两侧水的盐度相等时海水侧的高度将超过淡水侧，而该高度的水压即称为渗透压。浓差发电就是利用这种渗透现象，提高水位，使其发电。
下面简单介绍两种渗透压发电方案。
2.2 水压塔渗压系统
该系统如图1所示，主要由水压塔、半透膜、海水泵、水轮机发电机组等组成。
图1水压塔渗压系统示意图
该系统的工作流程如下：向水压塔内充入海水，在渗透压的作用下，淡水透过半透膜向水压塔内渗透，提高水压塔内的水位，当塔内水位上升到一定高度后，便从水槽溢流出来，冲击水轮机叶片使之旋转，并带动同轴发电机发电。
为了使水压塔内的海水保持一定的盐浓度，必须用海水泵不断向塔内充入海水。据估计，为使发电过程连续不断，渗透压必须保持在10—11×105Pa ，亦即水压塔的高度H 应在100—110m 以上。扣除各种动力消耗，该装置的总效率约为20％。
2. 2.2 “强力”渗压系统
图2是该系统的简单示意图。
图2强力塔渗压系统示意图
系统的工作流程是：先让河水流经水电站的水轮机，然后排入低于海平面约200m 的水库里。水库和海平面间的高度差由渗透压抵消和保持。按照理论，这个压差可达240m ，但是实际工作中要比浓度差的平衡力要小很多才能使淡水通过半透膜直接排入盐水(海水) 中。薄膜(渗流器) 必须用大量海水不断地冲洗以将渗透过薄膜的淡水带走并防止由于薄膜表面附近的盐水被稀释而产生“浓度极化”。
3. 系统改进：
改进1.
之前的两种方案都在盐度差能的利用上改进装置，其实盐度差能的利用上完全可以将能源的综合利用实施在这些方案上。
假设初始条件是，混合段的水温相同，那么在上面两种方案中，淡水在通过半透膜的时候是有速度梯度的，到达高浓度一侧的时候温度其实也是有一定的梯度的，其实我们可以在已通过渗透膜的淡水跟距离稍远处设置温差发电装置，一定程度上将这部分能量进行回收。
所要用到的热循环基本装置示意图如图所示：
改进所用热循环示意图
改进2.
近年来，随着英特尔,AMD 等科技巨头们在微电子半导体领域不断发力，科技发展较为迅速，半导体行业经历着一次次的革命，半导体的塞贝克系数不断提高，电阻率，热导率不断下降，热损失不断降低，半导体的应用范围不断变广，因此我联想到热电效应当中的帕尔帖效应 ，利用该效应我们可以将半导体发电技术运用到盐度差发电工作水流的两侧。
简述下工作原理，半导体热点发电机，实质上是许多P 跟N 半导体按照一定排列组合方式构成的半导体堆，发电机工作在冷热源之间，热端从热源吸热，然后由冷锻向冷源放热，同时将热能转化为电能，以温差电动势或电流的形式输出。
这样一来，海水存在盐度差附近的可供开发的能量的被开发比例就会得到进一步的加强，而且这个过程也是对环境没有任何污染，低碳环保，完全是一种清洁能源。
事实上，可能工作水流两侧的温差不是特别大，这个时候我的建议是设计出水流的分流装置，让海水能够以一定的方式进行循环补给，但是，可以想象，这种装置可能实际使用效率并不高，但是，半导体行业的发展毕竟带来效率及性能的提升，或许在不久的将来，我们能真正的看到这类综合利用开发能源装置能够被广泛的配备在河海交汇处等需要大规模开发能源的地方。这也是半导体行业应用的一个新方向。
工作基本示意图
改进可行性分析：
经过改进之后的系统可以将部分因动能增加而变相转换的温差能进行回收，类似的也可以在此基础上增加因波动产生的能量用现已成熟的波浪能装置循环系统对此进行回收，提高了能源的利用率，从长远来考虑利用前景更为广阔，但是加入各种装置后的结果就是使得系统变得更为臃肿跟难以控制，成本加大，运行可靠性差，回收周期长，改进2中的半导体温差发电机的技术还存在各种瓶颈，实际使用难度极大，成本极高，而且存在发电不稳定，实际效率低下等各种问题，短时间内要实现大规模得装配发电可能性还不大，因而各种改进还
有待探索。
另外，综合上述两种方案可以看出，盐度差发电系统的主要工作还是以盐度差进行发电为主，其中的关键便是渗透压式系统，而其中的关键技术是半渗透膜工艺水平。目前生产的半透膜，是由海水提取纯水的逆渗透膜，而用于发电的是正渗透膜。有关正渗透膜的研究在加紧进行中。日本曾经在实验中采用过一种渗透膜，在直径131mm 的圆筒容器内装设10万条空心纤维，构成半渗透膜，将海水所具有的浓差能的8.6％成功地转化为电能，并在历时10小时的实验中，发出了比设备运转耗电多1瓦的输出，在世界范围的同类试验中，首次实现发电量超过耗电量，因此实际上已成功地产生了动力。
4. 开发挑战与展望
4.1. 开发难度
海洋开发环境严酷，投资大，存在风浪海流等动力不确定因素，入海口又有水流冲击和台风影响，同时海水腐蚀、泥沙淤积，以及水生物附着等问题也有待考虑。
在两种盐度不同溶液混合时，产生的热量很小，只使温度提高不到半摄氏度，比自然混合的实际结果还要小，所以废水将和自然条件下一样被排走，对环境的有害影响极小。但有一系列问题需要解决，例如河水带来的泥砂的处理以及如何防止海洋动物可能被海水进水口吸入等。如果把渗透膜放置在海水中，腐蚀、生物积垢和泥砂淤积等都将是棘手的问题，需要设法过滤海水和河水，甚至需要进行水的预处理以防止积垢和腐蚀并提高渗透膜的效率，使电压有所提高，这些都要作进一步的研究。盐差能开发的关键技术是膜技术，需要半透膜的渗透流量在现有基础上提高一个数量级，盐差能的利用才有可能实现商业化。
4.2. 开发前景
盐差能广泛存在于自然界中，江河入海口处，淡水海水盐度相差很大，可开发利用的盐度差能很多，而对于死海跟地中海，死海盐度高达25%，是地中海的数倍，如果设法将他们沟通 ，将不但可以利用其400米的落差来发电，而且还可利用两者之间巨大的盐差能。
最后介绍的蒸汽压法的有点是它不需要使用渗透膜，所以若半透膜技术停滞不前，则蒸汽压法具有更广阔的应用前景。
盐度差能由太阳能加热海水产生的，因而是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。开发盐度差能不会产生肥水、废气，也不会占用大片良田，更没有辐射污染。而占据地球面积70.9%的海洋提供丰富的盐度差能，因而被誉为21世纪的绿色能源。
有专家预测，在2020年后，全球海洋能源的利用率将是目前的数百倍。科学家相信，21世纪人类将步入开发海洋能源的新时代，两水相逢的盐度差能被大规模的利用必将成为现实。
5. 参考文献
[1]左然. 施明桓. 可再生能源概论 [M]. 机械工业出版社2007.6
[2]李全林. 新能源与可再生能源 [M]. 东南大学出版社2008.12
[3]吴治坚. 新能源和可再生能源的利用 [J]. 机械工业出版社2006.1
[4]樊东黎. 热处理设备展望[J]. 机械工业出版社 2005.9