Турбинная установка для крупномасштабного производства водорода - RU2331789C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к области производства водорода из гидроэлектрической энергии. Более конкретно, изобретение относится к производству большого объема водорода на крупномасштабных плотинных гидроэлектростанциях. Изобретение также относится к технологии для выполнения экономического анализа, чтобы определить, когда плотинная гидроэлектростанция должна работать в режиме производства водорода.

Большая часть энергии, производимой в настоящее время, получается из ископаемых видов топлива, таких как нефть, уголь и природный газ. Однако все эти источники энергии имеют значительные недостатки, включающие загрязнение, периодические дефициты и все возрастающие цены добычи. Хотя одно время думали, что энергия деления ядра может обеспечить ответ на эти проблемы, это не получило подтверждения. Имеются не только значительные беспокойства, относящиеся к безопасности работы существующих атомных установок, но также имеет место значительная проблема безопасного транспортирования и длительного хранения отработанного топлива.

В противоположность этому, все установки солнечной, ветряной и гидроэнергии обладают преимуществами относительной безопасности и надежности. Более того, эти технологии имеют общее преимущество извлечения их энергии из источников, которые являются фактически неисчерпаемыми. Однако нельзя сказать, чтобы эти технологии не имели трудностей. Например, одна трудность этих технологий состоит в том, что основные источники энергии (т.е. ветер, солнечный свет и вода) могут подвергаться периодическим изменениям в их доступности, например солнце может затмеваться, ветры утихать, и уровни воды могут понизиться в связи с продолжительными периодами засухи. Другая трудность состоит в том, что наилучшие местоположения для улавливания из предшествующих источников энергии часто удалены от того места, где эта энергия используется. Это в особенности имеет место в случае крупномасштабных гидроэлектростанций.

Традиционно, большинство ветряных, солнечных и гидроэлектростанций (в частности, крупномасштабного промышленного действия) рассчитано на сервисные сети электропередачи для передачи выработанной энергии туда, где она будет использоваться. Однако это может быть не самым эффективным использованием выработанной энергии с точки зрения экономии. Как хорошо известно, соединение турбогенератора, приводимого в действие энергией ветра или гидроэнергией, с сервисной сетью электропередачи налагает определенные ограничения на генератор. Например, выходная мощность генератора должна быть синхронизирована (т.е. находиться в одной фазе) с питанием сервисной сети электропередачи. При синхронизированных генераторах это выполняется посредством регулирования скорости ротора турбины, чтобы точно соответствовать сервисной частоте питающего тока. Другое ограничение с расчетом только на сервисную сеть электропередачи, как носитель выработанной энергии, состоит в том, что здесь может иметь место низкая нагрузка на сеть электропередачи, в то же время здесь есть достаточная способность выработки дополнительной энергии. Когда это происходит, энергия, которая может быть уловлена, просто пропадает. Хотя различные системы хранения энергии (например, аккумуляторная батарея или гидроаккумулирование) могут быть использованы для решения этой проблемы, такие системы являются относительно дорогими для установки и приводят в результате к потерям их собственной эффективности в связи с повторяющимися превращениями энергии.

Хотя наиболее крупномасштабные солнечные, ветряные и гидроэлектростанции рассчитаны только на сервисные сети электропередачи для транспортирования энергии туда, где она используется, некоторые установки используют другие средства. В частности, известно использование электрической энергии солнечных, ветряных и гидроэлектростанций для электролиза воды, чтобы производить водород, который затем собирается и транспортируется с установки (например, при помощи автотранспорта, железной дороги, судна или трубопровода) туда, где он будет сжигаться или использоваться, как топливный элемент. В одном примере, в патенте США №5592028 описана ветряная сельскохозяйственная установка для выработки энергии, которая использует однополюсные генераторы постоянного тока для электролиза воды на водород и кислород для транспортирования их с установки. В качестве другого примера в патенте США №4910963 описана система сбора солнечной энергии, которая производит электрический ток для питания энергией агрегата для электролиза и агрегата для криогенного охлаждения, который производит жидкие водород и кислород. Специально для области гидроэлектроэнергии в патенте США №6104097 описана подводная гидротурбина, предназначенная для установки в течениях реки или океана. Подводная гидротурбина включает в себя водонепроницаемый корпус сосуда, который содержит все, что необходимо для производства газообразного водорода, включая в себя рабочее колесо турбины, соединенное с генератором переменного тока, электрический преобразователь, который производит энергию постоянного тока из энергии переменного тока, и электролизер, который производит газообразные водород и кислород из DC электроэнергии постоянного тока. Водород собирается внутри водонепроницаемого корпуса и затем подается по трубопроводу в находящийся на берегу резервуар для хранения для транспортирования с установки.

Хотя использование водорода как носителя энергии, выработанной на солнечных, ветряных и гидростанциях, предотвращает упомянутые выше ограничения, создаваемые использованием сервисной сети электропередачи для переноса энергии, оно также может быть не самым эффективным использованием выработанной энергии с точки зрения экономики. Как хорошо известно, цены на электроэнергию непрерывно изменяются в связи с изменением величины нагрузки как в связи с сезонными изменениями, так и с ограничениями во времени суток. Аналогично, цена водорода также подвергается изменениям в связи с изменениями величины нагрузки и сезонными изменениями. Так например, есть время, когда может быть более выгодно использовать выработанную электрическую энергию для производства водорода на установке предпочтительнее, чем подавать энергию по каналу в сервисную сеть электропередачи, хотя в другое время может быть оправдано обратное.

Очевидно, что имеется потребность в гидроэлектростанциях, которые могут непрерывно производить водород в крупном масштабе. Имеется также потребность в гидроэлектростанциях, которые снабжают операторов информацией, которая облегчает технические решения при работе установки в режиме, который обеспечивает максимальный доход, когда изменяются условия рынка.

Настоящее изобретение относится к производству больших объемов водорода из гидроэлектрической энергии. Изобретение также относится к новейшим технологиям для выполнения экономического сравнительного анализа между различными режимами работы турбины для определения режима, который обеспечивает самую высокую экономическую стоимость возврата для выработанной электрической энергии.

В соответствии с настоящим изобретением создана турбинная установка для крупномасштабного производства водорода, содержащая конструкцию основания, отделяющую верхний бьеф с большей высотой над уровнем моря от нижнего бьефа с меньшей высотой над уровнем моря, причем конструкция основания образует проходящий через нее проход для воды между входом, примыкающим к верхнему бьефу, и выходом, примыкающим к нижнему бьефу, при этом проход для воды образован стационарным корпусом, включающим в себя верхнюю крышку, выпускное кольцо и вытяжную трубу; рабочее колесо, опирающееся с возможностью вращения на основание и размещенное в проходе для воды между входом и выходом, так что вода, протекая через проход в результате перепада давления, вызывает вращение рабочего колеса; и генератор, опирающийся на основание и соединенный с рабочим колесом посредством вращающегося вала для выработки электроэнергии при вращении рабочего колеса. Турбинная установка также содержит электролизер, электрически соединенный с генератором для получения электроэнергии и производства водорода и расположенный снаружи прохода для воды; при этом турбина установки включает в себя элемент для контроля воды, который отрегулирован по месту, чтобы управлять потоком воды через турбину, причем установка дополнительно содержит цифровой контроллер для регулирования по месту элемента для контроля воды в ответ на сигналы обратной связи для регулировки подачи электрической энергии в электролизер.

Предпочтительно, генератор представляет собой генератор постоянного тока.

Предпочтительно, генератор постоянного тока выбирается из группы, состоящей из: генератора с последовательным возбуждением, генератора с параллельным возбуждением и генератора со смешанным возбуждением.

Предпочтительно, генератор представляет собой генератор переменного тока, причем установка дополнительно включает в себя выпрямитель энергии между генератором и электролизером для преобразования электроэнергии переменного тока в электроэнергию постоянного тока.

Предпочтительно, турбинная установка дополнительно включает в себя сосуд для хранения водорода, соединенный с электролизером, для непрерывного получения и хранения водорода.

Предпочтительно, водород хранится в газообразной, жидкой или твердой форме.

Предпочтительно, водород хранится в твердой форме с использованием абсорбера из гидрида металла.

Предпочтительно, турбинная установка дополнительно включает в себя датчик для выработки электрических сигналов обратной связи, показывающих уровень водорода, содержащегося в сосуде для хранения.

Предпочтительно, турбина включает в себя водяной насос для подачи воды в электролизер, причем установка дополнительно содержит цифровой контроллер для управления водяным насосом в ответ на сигналы обратной связи для регулирования потока воды в электролизер.

Предпочтительно, элемент для контроля воды выбирается из группы, состоящей из: множества различных наклонных лопастей, множества ворот шлюза, затвора для управления потоком и закрывающего клапана.

Предпочтительно, элемент для контроля воды представляет собой закрывающее устройство, установленное в заборной части канала прохода для воды.

Предпочтительно, закрывающее устройство выбирается из группы, состоящей из: поворотной заслонки, стопорных затворов, шарового клапана, линзового клапана и кольцевого затвора.

Предпочтительно, электролизер производит, по меньшей мере, один газ, причем установка дополнительно включает в себя ожижитель для преобразования, по меньшей мере, одного газа в жидкую форму.

Предпочтительно, по меньшей мере, один газ выбирается из группы, состоящей из водорода, кислорода и хлора.

Предпочтительно, электролизер производит, по меньшей мере, один газ, причем установка дополнительно включает в себя фильтрационную систему для удаления примесей из, по меньшей мере, одного газа.

Предпочтительно, по меньшей мере, один газ выбирается из группы, состоящей из: водорода, кислорода и хлора.

Предпочтительно, электролизер производит водород и, по меньшей мере, один дополнительный продукт, причем установка дополнительно включает в себя устройство для улавливания продукта, чтобы предотвратить его выпуск в окружающую турбинную установку среды.

Предпочтительно, турбинная установка дополнительно включает в себя, по меньшей мере, одно устройство хранения для улавливания продукта.

Предпочтительно, продукт представляет собой кислород или газообразный водород.

Предпочтительно, вода подается в электролизер из верхнего бьефа или нижнего бьефа, причем турбинная установка дополнительно включает в себя фильтрационную систему для очистки воды перед электролизом исходя из требований прозрачности.

Предпочтительно, турбина представляет собой реактивную турбину или активную турбину.

Предпочтительно, турбина выбирается из группы, состоящей из: турбины Френсиса (радиально-осевой турбины), турбины Каплана (поворотно-лопастной турбины), капсульной турбины, пропеллерной турбины, горизонтальной осевой турбины, турбины Пелтона (ковшовой турбины), турбины Тюрго (турбины с наклонной осью) и турбины с поперечным потоком.

Предпочтительно, турбинная установка дополнительно включает в себя систему распределения водорода для транспортирования водорода от турбинной установки к удаленному местоположению.

Предпочтительно, система распределения водорода представляет собой трубопровод для газа или жидкости.

Эти и другие преимущества и отличительные признаки вариантов воплощения изобретения будут очевидными при рассмотрении следующего подробного описания его предпочтительных вариантов воплощения, представленных со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции используются для обозначения одинаковых элементов.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - вид сверху в перспективе примера турбинной установки для получения энергии, включающей в себя несколько турбинных агрегатов, расположенных поперек течения реки.

Фиг.2 - схематическое представление турбинной установки, показывающее примерное оборудование для мониторинга и регулирования производства водорода и кислорода.

Фиг.3 - схематическое представление системы для производства водорода и кислорода из гидроэнергии.

Фиг.4 - схематическое представление альтернативной системы для производства водорода и кислорода из гидроэнергии.

Фиг.5 - блок-схема определенных функциональных контуров в системе управления, таких как показаны на любой из фиг.2-4 для мониторинга и регулирования производства водорода и для определения экономически предпочтительного режима работы.

Перед подробным описанием нескольких предпочтительных вариантов воплощения настоящего изобретения необходимо отметить, что изобретение не ограничено подробностями конструкции или расположением компонентов, изложенными ниже или показанными на чертежах. Изобретение может иметь другие конструктивные исполнения и быть внедрено или выполнено различными способами. Также необходимо отметить, что фразеология и терминология, использованные здесь, применены только с целью описания и не должны считаться ограничивающими.

На фиг.1 показана гидроэлектростанция 10, включающая в себя плотину 12, перекрывающую реку 14, и оборудование 16 для выработки энергии. В показанном варианте воплощения оборудование 16 содержит ряд из трех турбогенераторных агрегатов, каждый из которых обозначен ссылочной позицией 18. Как будет понятно специалистам в данной области техники, оборудование 16 может включать в себя большее или меньшее количество генераторных агрегатов 18, и такие агрегаты могут быть расположены примыкающими к одному или к обоим берегам 20, 22 реки 14, или к различным местам между берегами. Более того, в то время, как в следующем обсуждении производится ссылка на турбину Каплана (поворотно-лопастную турбину) в качестве примера, настоящее изобретение не ограничено применением любого конкретного типа турбоагрегата. Например, другие типы турбин, которые могут подходить для использования в оборудовании 16, кроме агрегатов Каплана, включают турбины Френсиса (радиально-осевая турбина), Пелтона (ковшовая турбина), Тюрго (турбина с наклонной осью), капсульную, пропеллерную, горизонтально осевую и с поперечным потоком.

Каждый турбоагрегат 18 может иметь в основном известную конструкцию - такую как вертикальная турбина Каплана, схематически изображенную на фиг.2, для выработки электроэнергии при прохождении воды через плотину 12 из резервуара 24 верхнего бьефа реки 14 в сторону 26 нижнего бьефа. Таким образом, агрегат 18 включает надстройку 28 опоры турбины, встроенную в плотину 12. Надстройка 28 обеспечивает осевую и радиальную опору для турбины 30 и связанного с ней электрогенератора 32. В показанном вырабатывающем энергию агрегате турбина 30 размещена внутри пути потока реки 14 выше по потоку, чем входной трубопровод 34 и движущиеся ворота шлюза 36. Турбина 30 содержит рабочее колесо 38, опирающееся на вертикальный вал 40 и имеющее множество движущихся лопастей 42, размещенных по ее периферии для приведения в действие вала 40 и таким образом генератора 32 во вращение, когда вода проходит через плотину 12 от верхнего бьефа 24 до нижнего бьефа 26. Агрегат 18 также включает в себя предохранительную решетку 44 выше по потоку, чем входной трубопровод 34, обычно содержащую параллельные отстоящие друг от друга стрежни для предотвращения загрязнения или повреждения турбины 30 большими предметами и обломками. Механическая очистительная система может быть расположена сверху надстройки 28 для удаления обломков, которые накапливаются выше по потоку, чем предохранительная решетка 44. Как вариант, оборудование 16 может использовать ручные способы (например, скребки) для удаления обломков из предохранительной решетки 44, если это требуется.

В предпочтительном варианте воплощения, показанном на фиг.2, агрегат 18 включает в себя контрольную систему, обозначенную ссылочной позицией 46. Контрольная система 46 имеет множество датчиков 50, 52, 54, 56, 58, 60 и 62, приводов 64, 66 и 67 и водяной насос 68, которые соединены с контроллером 48 посредством соответствующих каналов связи. С целью управления работы агрегата 18 и мониторинга производства водорода датчики системы 46 управления обеспечивают возможность определения ряда рабочих параметров. Например, датчики могут обеспечить системе 46 управления воспринимать любой или все параметры: перепад давления от верхнего бьефа 24 к нижнему бьефу 26, величину выработанной энергии, поток через агрегат 18, кавитацию и количество (или вместимость, выраженную в процентах) водорода в системе 88 хранения (как подробно объяснено ниже). Специалисты в данной области техники поймут, что дополнительные датчики могут быть использованы для определения других рабочих параметров.

В то время, как различные альтернативные способы хорошо известны в этой области техники для прямого или косвенного измерения предшествующих параметров, предпочтительные воспринимающие устройства включают следующие. Датчики 50 и 52 измеряют относительную высоту над уровнем моря или высоту верхнего бьефа и нижнего бьефа 24 и 26, соответственно. Такие измерения используются для определения перепада давления (т.е. разности высоты над уровнем моря верхнего бьефа и нижнего бьефа) поперек плотины 12 и для определения коэффициента погружения (ÿ) турбины, как показателя риска кавитации в турбине 30. Уровень погружения в основном определяется как функция разности между высотой над уровнем моря нижнего бьефа и указанной высотой над уровнем моря турбины 30, т.е. способом, который хорошо известен в данной области техники. Датчик 54 представляет собой датчик давления, расположенный в соответствующем месте внутри входного трубопровода 34 для выдачи сигнала, пропорционального напору выше по потоку, чем турбина 30, учитывая потери напора между верхним бьефом 24 и воротами шлюза 36. Если агрегат 18 имеет относительно короткий входной трубопровод 34, датчик 54 может быть расположен вблизи входа в него. Ссылочной позицией 56 обозначают узел датчика, размещенного внутри входного трубопровода 34 для выработки сигнала, показывающего поток через агрегат 18. В предпочтительном конструктивном исполнении поток определяется хорошо известным способом Винтера-Кеннеди, хотя альтернативные способы могут заменить его, включая способ Пека. Датчик 58, предусмотренный в вытяжной трубе 70 агрегата 18, представляет собой датчик давления, подобный датчику 54, который вырабатывает сигнал измерения давления и потерь через изоляцию от турбины 30 до нижнего бьефа 26. Датчик 60 представляет собой один или более датчиков давления, производящих измерения давления в системе 88 для хранения, которые выдают указания о количестве (или вместимости, выраженной в процентах) водорода в хранилище. Наконец, ссылочной позицией 62 обозначен счетчик электроэнергии, выдающий непрерывный сигнал, показывающий величину энергии, выработанной агрегатом 18.

В дополнение к датчикам, описанным выше, система 46 управления обычно снабжается узлами 64, 66 и 67 приводов для ориентации ворот шлюза 36, лопастей 42 и устройства 69 для закрытия входа воды, соответственно, в заданных положениях. Узлы 64, 66 и 67 приводов могут быть любого подходящего типа, известного в этой области техники, такими как узлы, включающие в себя гидравлические цилиндры или двигатели, соединенные с механическими сцеплениями для осуществления требуемого движения ворот шлюза и лопастей, и для удержания ворот шлюза и лопастей в требуемых положениях против силы сталкивающегося потока через агрегат 18. Более того, узлы 64, 66 и 67 приводов могут также включать датчики, такие как, например, потенциометры, линейные регулировочные трансформаторы или тому подобные, для обеспечения сигналов обратной связи, обозначающих действительное положение ворот шлюза 36, лопастей 42 и закрывающего устройства 69.

В показанном варианте воплощения закрывающее устройство 69 содержит приводимый по вертикали опускающийся затвор, который может быть опущен для того, чтобы закрыть поток воды через входной трубопровод 34, и поднят для того, чтобы обеспечить возможность прохода потока воды. Как вариант, закрывающее устройство 69 может содержать одно или более: поворотную заслонку, стопорные затворы, шаровой клапан или линзовый клапан, причем закрывающие устройства будут особенно перспективными для длинного напорного трубопровода в высоконапорных установках. В качестве другого варианта может быть установлен кольцевой затвор, плотно окружающий расположенные выше по потоку кромки ворот шлюза 36 и расположенный так, чтобы опускаться вниз, когда необходимо или желательно обеспечить закрытие принудительного потока воды в турбину 30. Как понятно специалистам в данной области техники, любое или все из предшествующих закрывающих устройств могут быть использованы при капительном или мелком ремонте турбины 30, так же как при запуске и остановке турбины 30.

Сигналы от различных датчиков, описанных выше, передаются на котроллер 48, который также служит для выработки управляющих сигналов для управления узлами 64, 66 и 67 привода для расположения ворот шлюза 36, лопастей 42 и клапана 69 в требуемых ориентациях и для регулирования работы водяного насоса 68 (как описано подробно ниже). В настоящем предпочтительном варианте воплощения контроллер 48 включает в себя имеющий подходящую конфигурацию программируемый логический контроллер, выполняющий операцию циклического контроля, сохраняемую в резидентной памяти (как также описано подробно ниже). Более того, контроллер 48 предпочтительно также связан с другими турбоагрегатами 18 в оборудовании 16. Таким образом, когда другие агрегаты 18 в оборудовании 16 оборудованы соответствующими приборами, контроллер 48 получает сигналы, показывающие рабочие параметры всех агрегатов 18 в оборудовании 16, и управляет работой всех ворот шлюза и лопастей в различных агрегатах.

При работе оборудование 16 вырабатывает электрическую энергию посредством обеспечения прохода воды через турбинные агрегаты 18 и передает выработанную энергию по линии 90 электропередачи к оборудованию 92 электролиза. В соответствии с одним вариантом воплощения генератор 32 представляет собой генератор переменного тока ("АС"). В этом случае требуется подходящий выпрямитель/фильтр энергии (не показан) для преобразования энергии переменного тока из генератора 32 в напряжение постоянного тока ("DC"), требуемое для электролизера 92. При этом в соответствии с предпочтительным вариантом воплощения генератор 32 представляет собой генератор постоянного тока. Это исключает необходимость в выпрямителе тока, и таким образом, потенциально уменьшает сложность и высокую стоимость турбины 18. Как оценят специалисты в данной области техники, генераторы постоянного тока обычно классифицируются в соответствии со способом, используемым для создания тока возбуждения для снабжения энергией возбуждающих магнитов. Таким образом, генератор с последовательным возбуждением имеет обмотку возбуждения, соединенную последовательно с якорем, и генератор с параллельным возбуждением имеет обмотку возбуждения, соединенную параллельно с якорем. Генераторы со смешанным возбуждением имеют часть обмоток возбуждения, соединенных последовательно, и часть, соединенных параллельно. Генераторы как с параллельным возбуждением, так и со смешанным возбуждением имеют преимущество подачи сравнительно постоянного напряжения при различных электрических нагрузках. Генератор с последовательным возбуждением используется для снабжения постоянным током при различном напряжении. Хотя любой из предшествующих типов генераторов постоянного тока может быть с выгодой использован в настоящем изобретении, генератор 32 предпочтительно относится к типу со смешанным возбуждением.

Несмотря на тип и конструкцию генератора 32, энергия постоянного тока подается к электролизеру 92 (либо непосредственно от генератора 32, либо после прохода через выпрямитель энергии), чтобы произвести диссоциацию воды на составляющие ее элементы: водород и кислород. На основном уровне электролизер 92 состоит из двух электродов (анода и катода), разделенных электролитом в водном растворе (с определенным уровнем электропроводности). Когда энергия постоянного тока подводится через два электрода, полученный в результате перепад напряжения заставляет молекулы воды, ближайшие к аноду, распадаться на ионы кислорода, водорода и электроны. Ионы водорода движутся через электролит по направлению к катоду и соединяются с электронами, которые одновременно движутся к катоду по внешнему контуру. В результате этого образуются пузырьки газообразного водорода на катоде и пузырьки газообразного кислорода на аноде и некоторые другие побочные продукты, такие как хлор (производимый на аноде), и ионы металлов (производимые на катоде).

В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения в электролизере 92 используется жидкий электролит. Жидкий электролит обычно является концентрированным раствором кислоты или основания (с определенной проводимостью), таким как гидроокись натрия или калия. Одна возможная конструкция агрегата на основе жидкого электролита, который может быть подходящим для использования в настоящем изобретении, описана в патенте США №4077863, содержание которого включено сюда посредством ссылки. В этом электролизере электролитом является соляная кислота, растворенная в воде. Предпочтительно, вода, используемая для электролиза, является фильтрованной речной водой, подаваемой насосом 68 через трубопровод 94 текучей среды. Речная вода, подаваемая насосом 68, предпочтительно проходит через систему 95 фильтрации/кондиционирования перед электролизом для того, чтобы обеспечить воду с определенным уровнем прозрачности или чистоты и/или электрической проводимости. Как оценят специалисты в данной области техники, электролизер, описанный в предшествующем патенте, включает ряд характеристик, которые делают его особенно хорошо подходящим для использования в настоящем изобретении. Например, электролизер может осуществлять крупномасштабное непрерывное производство водорода благодаря его внутренним охлаждающим устройствам для охлаждения жидкого электролита, постоянно заменяемому плоскому фильтру для обеспечения того, чтобы электролит оставался чистым и внутренним насосам для обеспечения непрерывной циркуляции жидкого электролита (что повышает эффективность электролиза).

В качестве альтернативы использованию жидкого электролита электролизер 92 может использовать твердый полимерный электролит ("SPE"), который иногда упоминается, как протонная обменная мембрана ("РЕМ"). Как поймут специалисты в данной области техники, SPE или РЕМ представляют собой не только изолятор для электронов, но и прекрасный проводник для ионов водорода. Материалы, используемые в настоящее время, включают в себя основную цепь фторполимера, подобного TEFLON®, к которой присоединены группы сульфоновой кислоты. Молекулы кислоты жестко скреплены с полимером и не могут «утекать», что исключает любые заботы, связанные с потерями электролита.

В дополнение к двум предшествующим конструкциям электролизера специалисты в данной области техники поймут, что многочисленные другие конструкции электролизеров известны и могут работать так же хорошо, или возможно даже лучше, для крупномасштабного производства водорода согласно настоящему изобретению. Более того, будет также понятно, что более чем один электролизер может быть использован для дальнейшего увеличения производительности при производстве водорода, если требуется.

Несмотря на конкретный тип и конструкцию электролизера 92, когда энергия постоянного тока подводится к электродам, молекулы воды будут распадаться на их составляющие элементы: кислород и водород. Кислород и водород обычно появляются в виде пузырьков газа на аноде и катоде, соответственно, причем пузырьки затем собираются и отводятся по трубам в систему 88 хранения. В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения система 88 хранения включает в себя связанное с ней оборудование 60 датчиков, которое выдает сигнал, показывающий количество (или вместимость, выраженную в процентах) водорода, содержащегося в системе 88 хранения. Оборудование 60 датчиков может также выдавать сигнал, показывающий количество (или вместимость, выраженную в процентах) кислорода, содержащегося в системе 88 хранения.

В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения электролизер 92 предпочтительно включает в себя систему 96 фильтрации/кондиционирования/сбора. Система 96 фильтрации требуется потому, что процесс электролиза обычно производит не только кислород и водород, но также некоторые другие побочные продукты, которые может быть желательно отфильтровать и/или собирать. Например, если электролит содержит смесь воды и соляной кислоты, одним из побочных продуктов электролиза будет газообразный хлор. В этом случае желательно использовать систему 96 для сбора газообразного хлора не только в связи с заботами об окружающей среде при выпуске хлора в окружающий воздух или речную воду, но также в связи с тем, что хлор имеет присущую ему стоимость, которая оправдывает расход на его улавливание. Система 96 может также изменять проводимость электролита до требуемой величины.

Теперь со ссылками на фиг.3 и 4 будут описаны два альтернативных варианта воплощения гидроэлектростанций 110 и 210. Для краткости, описание гидроэлектростанций 110 и 210 будут в основном ограничены их отличиями от гидроэлектростанции 10, описанной выше. Для удобства, элементы гидроэлектростанций 110 и 210, которые по существу аналогичны соответствующим элементам гидроэлектростанции 10, будут обозначены теми же ссылочными позициями, но которым предшествует «1» или «2», соответственно.

На фиг.3 гидроэлектростанция 110 содержит оборудование 116 для гидроэнергии, включающее в себя электролизер 192, систему 188 для хранения и контроллер 148. По сравнению с оборудованием 16 для гидроэнергии оборудование 116 содержит один или более турбогенераторных агрегатов 118, которые снабжают энергией постоянного тока электролизер 192, который, в свою очередь, подает газообразные водород и кислород в резервуары 188А и 188В для хранения, соответственно, по отдельным трубопроводам. Аналогично, контроллер 148 осуществляет мониторинг сигналов обратной связи из турбогенераторного агрегата 118 и системы 188 для хранения. Хотя это и не показано на фиг.3, контроллер 148 может также осуществлять мониторинг сигналов обратной связи от электролизера 192 (как объясняется ниже). На основе этих сигналов обратной связи контроллер 148 регулирует положения контролируемых поверхностей (т.е. ворот шлюза и/или лопастей), турбогенератора 118 для регулирования выходной мощности и работы водяного насоса для подачи отфильтрованной воды в электролизер 192, если требуется.

Как поймут специалисты в данной области техники, резервуарами 188А и 188В для хранения могут быть сосуды для хранения газа высокого давления, которые, возможно, включают бортовые компрессоры для сжатия газообразного водорода и кислорода, когда они входят в резервуары. Как вариант, отдельные газовые компрессоры могут быть использованы между электролизером 192 и системой 188 для хранения. Однако, в соответствии с предпочтительным вариантом воплощения, резервуар 188А для хранения представляет собой имеющийся в продаже сосуд для хранения гидрида металла, в котором хранится водород в связанной форме, как твердый гидрид металла. Как хорошо известно специалистам в данной области техники, определенные сплавы гидридов металлов, такие как соединения магний-никель, магний-медь, железо-титан могут абсорбировать водород обратно посредством экзотермических и эндотермических химических реакций. Таким образом, посредством удаления или добавления тепла в резервуар 188А для хранения возможно заставить сплав гидрида металла либо абсорбировать, либо высвобождать водород. Когда используется хранение гидрида металла, может быть желательно (или необходимо) очищать водород перед подачей его в резервуар 188А для хранения для гарантии удовлетворительного качества водорода, чтобы не повредить абсорбер гидрида металла.

Показанная на фиг.4 гидроэлектростанция 210 является по существу идентичной станции 110 во многих отношениях. Например, установка 210 содержит оборудование 216 для гидроэнергии, содержащее один или более турбогенераторных агрегатов 218 для снабжения энергией постоянного тока электролизера 292, который соединен по потоку текучей среды с системой 288 для хранения, включающей отдельные резервуары 288А и 288В для хранения водорода и кислорода, соответственно. Более того, оборудование 216 включает в себя контроллер 248, соединенный для получения сигналов обратной связи от турбогенераторных агрегатов 218 и системы 288 для хранения и выдачи управляющих сигналов к ним.

Электростанция 210 отличается от станции 110 в первую очередь тем, что она имеет оборудование 298 для сжижения, расположенное между электролизером 292 и системой 288 для хранения. Оборудование 298 для сжижения включает в себя резервуары 288А и 288В для сжижения водорода и кислорода, соответственно.

Следует отметить, что определенные линии передачи данных обратной связи/управления и линии электропередачи могут быть включены в оборудование 216, но не показаны на фиг.4 (или на предшествующих чертежах), чтобы не сделать неясной структуру первичного контура обратной связи, видного на чертеже, т.е. контура обратной связи, образованного генераторным агрегатом 218, подающим энергию постоянного тока в электролизер 292, который подает газообразные водород и кислород в ожижитель 298, подающий жидкие кислород и водород в резервуары 288А и 288В для хранения, который выдает сигналы обратной связи в контроллер 248, использующий сигналы обратной связи для регулирования выходной мощности турбогенераторного агрегата 218. Один пример линии электропередачи, которая предпочтительно присутствует в оборудовании 216, но не показана на фиг.4, представляет собой линию, проходящую между турбогенераторным агрегатом 218 и ожижителем 298. Эта линия электропередачи передает электроэнергию от турбогенераторного агрегата 218 в ожижитель 298, что исключает необходимость в любом внешнем источнике электроэнергии (т.е. источнике энергии, внешнем по отношению к оборудованию 216). Другой пример линии электропередачи, которая может присутствовать в оборудовании 216, но не показана на фиг.4, представляет собой линию между генераторным агрегатом 218 и системой 288 для хранения. Такая линия должна быть выгодной всякий раз, когда система 288 для хранения включает приводимое в действие электричеством оборудование (например, бортовые компрессоры, холодильные агрегаты и т.п.), чтобы предотвратить необходимость во внешней энергии. В еще одном примере, линии передачи данных могут быть предусмотрены между электролизером 292 и контроллером 248, и/или между ожижителем 298 и контроллером 248. Как поймут специалисты в данной области техники, такие линии должны способствовать контроллеру 248 осуществлять мониторинг и управление оборудованием, показанном на фиг.2, и любым из их бортовых компонентов.

Теперь со ссылкой на фиг.5 будет описана общая блок-схема определенных функциональных контуров, выборочно включенных в контроллер 48 (или контроллеры 148 и/или 248), когда они запрограммированы для выполнения экономического сравнительного анализа. В показанном конструктивном исполнении контроллер 148 включает в себя канал 72 связи, интерфейсный контур 74, центральный обрабатывающий контур 76, интерфейсный контур 78, контур 80 памяти, контур 82 мониторинга и контур 84 стоимости.

Канал 72 связи предпочтительно включает в себя сеть передачи данных на основе волоконной оптики с широкой охватываемой территорией, но может вместо этого содержать высокоскоростной модем или другое телекоммуникационное устройство. Несмотря на его форму канал 72 связи (когда он присутствует) снабжает центральный обрабатывающий контур 76 данными из внешнего источника данных, такого как интерактивный источник современных цен на электроэнергию и водород, для использования в экономическом сравнительном анализе, описанном ниже.

Интерфейсный контур 74, который обычно содержит соответствующую электрическую схему мультиплексирования аналого-цифрового преобразования и формирования сигнала, принимает сигналы рабочих параметров от датчиков 50-62 и сигналы обратной связи от узлов 64, 66 и 67 приводов и подает эти сигналы в центральный обрабатывающий контур 76. Аналогично, интерфейсный контур 78, который обычно содержит соответствующую электрическую схему формирования сигнала, принимает управляющие сигналы от центрального обрабатывающего контура 76 и выдает команду соответствующему серводвигателю для перемещения устройства в оборудовании 16, таком как узлы 64, 66 и 67 приводов (для управления ориентированием ворот шлюза 36, лопастей 42 и закрывающего клапана 69, соответственно) и водяной насос 68 (для подачи отфильтрованной речной воды в электролизер 92). Хотя на чертежах не показано, интерфейсные контуры 74 и/или 78 могут также быть соединены с фильтрационными системами 95 и/или 96, чтобы обеспечить возможность центральному обрабатывающему контуру 7 6 получать различные сигналы от датчиков или обратной связи от систем 95 и/или 96 и посылать командные сигналы на них.

В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения интерфейсный контур 78 передает контрольные сигналы от центрального обрабатывающего контура 76 к интерфейсу 86 оператора для отображения рабочих условий, таких как выходная мощность в реальном времени из генератора 32, существующий расход производства водорода (если оборудование 16 в настоящее время работает в режиме производства водорода, как описано ниже) и количество (вместимость, выраженная в процентах) водорода в хранилище. Интерфейс 86 оператора, который обычно включает в себя монитор компьютера, расположенный в станции управления (не показана) оборудованием 16, может также отображать или озвучивать визуальные или аудиосигналы тревоги, например, когда достигаются ограничения емкости хранилища, или расход производства водорода неожиданно снижается.

По причинам, подробно раскрытым ниже, центральный обрабатывающий контур 76 также связан с контуром 80 памяти, контуром 82 мониторинга водорода и контуром 84 стоимости. При работе центральный обрабатывающий контур 76 выполняет операцию циклического контроля, сохраняемую в контуре 80 памяти для контроля работы оборудования 16.

Как оценят специалисты в данной области техники, функциональная электрическая схема, представленная на фиг.5, может быть образована стандартной электрической схемой вход/выход, электрической схемой памяти и кодом программирования в стандартном программируемом логическом контроллере, персональным компьютером, автоматизированным компьютерным рабочим местом или тому подобным. Например, в настоящем предпочтительном варианте воплощения центральный обрабатывающий контур 76 в виде программируемого логического контроллера, предназначенного для оборудования 16, снабжен резидентной памятью для выполнения основной управляющей операции. Контур 82 мониторинга и контур расхода 84 являются предпочтительными частями основной управляющей операции или могут содержать отдельные модули программного обеспечения, модифицированные для основной управляющей операции.

Теперь будет описано применение настоящего варианта воплощения для выполнения экономического сравнительного анализа для определения наилучшего экономического использования электроэнергии, выработанной турбогенераторным агрегатом 18. В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения контроллер 48 выполняет сравнительный анализ следующим образом. Во-первых, контур 82 мониторинга водорода получает сигналы от датчика 60 хранения водорода и определяет, какую вместимость (например, число кубических литров) система 88 для хранения имеет для хранения дополнительного водорода (или для хранения дополнительного кислорода или другого коммерчески ценного побочного продукта процесса электролиза, который был собран, такого, как хлор). На основе этой информации, контур 84 стоимости оценивает количество электроэнергии (например, число киловатт), которое потребуется для производства количества водорода (или кислорода или другого побочного продукта, который был собран), необходимого для заполнения всей емкости. Количество электроэнергии, требуемой для заполнения емкости системы 88 хранения до вместимости, может быть основано на архивных данных, сохраняемых в контуре 80 памяти, как описано ниже.

Полученная в результате информация снабжает контроллер 48 (и следовательно персонал установки) определением того, какой доход мог бы получаться, если бы электрическая энергия, выработанная генератором 32, была использована для электролиза воды на ее составные элементы (например, водород, кислород и любые другие коммерчески ценные побочные продукты электролиза), а не размещена на сервисной сети электропередачи. Как оценят специалисты в данной области техники, для электролизера 92 требуется энергия постоянного тока, в то время, как для сервисной сети электропередачи требуется синхронизованная энергия переменного тока. В результате, может потребоваться инвертер для производства энергии переменного тока для сервисной сети электропередачи, если генератор 32 представляет собой генератор постоянного тока. Аналогично, выпрямитель может потребоваться для производства энергии постоянного тока для электролизера 92, если генератор 32 представляет собой генератор переменного тока.

Посредством сравнения экономической стоимости водорода, кислорода и любых других коммерчески значительных побочных продуктов со стоимостью обеспечения электроэнергии для сервисной сети электропередачи контроллер 48 может определить, является ли предпочтительной (с точки зрения экономики) работа одной или большего числа турбин 18 оборудования 16 в режиме производства водорода, а не в режиме подачи в сервисную сеть электропередачи, или наоборот. В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения контроллер 48 также может определить, когда сочетание двух режимов является наиболее предпочтительным с точки зрения максимального дохода. Эта ситуация может возникнуть, например, когда экономическое сравнение показывает, что стоимость выработанной электроэнергии больше, когда она помещена в сервисную сеть электропередачи, чем когда она используется для производства водорода, но здесь имеет место достаточно низкая нагрузка на сервисную сеть электропередачи, так что оборудование 16 имеет избыточную производительность при выработки электрической энергии, которая не может быть помещена на сеть электропередачи. В этой ситуации контроллер 48 может выбрать «расходование» избыточной электрической выработанной производительности путем использования энергии для электролиза.

В соответствии с предпочтительным конструктивным исполнением экономическая стоимость электроэнергии основана на унифицированной стоимости энергии, которая может быть принята из предыдущего функционирования (например, она может быть средней из цен за прошедшие нескольких месяцев) и храниться в контуре 80 памяти, или она может быть выбрана из интерактивного источника (например, коммунальной службы) через канал 72 связи. Аналогично, экономическая стоимость водорода, кислорода и любых других коммерчески значимых побочных продуктов основана на унифицированной рыночной цене, которая может быть принята из предыдущего функционирования или альтернативно выбрана из интерактивного источника через канал 72 связи. Когда унифицированные стоимости основаны на средних стоимостях предыдущего функционирования, такие средние стоимости будут обязательно отражать любые изменения в ценах электроэнергии или водорода в результате изменения нагрузки в связи с сезонными изменениями и другими факторами.

В предпочтительном варианте воплощения контур 84 стоимости принимает во внимание не только унифицированную стоимость энергии из электрической энергии, но он также оценивает понижение эффективности работы, которое может быть результатом ограничений, присущих работе турбины при синхронизированной скорости, когда она соединена с сетью электропередачи (в противоположность тому, когда нет таких ограничений при работе в режиме производства водорода). Поскольку специалисты в данной области техники будут знать, как оценить такие потери работоспособности, конкретные подробности таких регулировок не требуется здесь обсуждать.

В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения, когда оборудование 16 находится в режиме производства водорода, контроллер 48 непрерывно осуществляет мониторинг скорости производства водорода и количества электроэнергии, используемой для производства водорода, и сохраняет эту информацию в контуре 80 памяти. В результате этой операции хранения эта информация используется в следующий раз, когда производится экономический сравнительный анализ, что улучшает точность по времени.

Необходимо отметить, что описанные выше предпочтительные и альтернативные варианты воплощения гидроэлектростанций являются только иллюстративными. Хотя изобретение было описано в соответствии с конкретными вариантами его воплощения специалистом в данной области техники будет очевидно, что возможно множество модификаций без существенного отклонения от отличительных признаков и преимуществ объекта изобретения, описанного здесь. Например, вышеописанные системы хранения водорода и кислорода могут быть использованы в сочетании с системой распределенных трубопроводов, которые проходят от турбинной установки в другое местоположение, в котором продукты могут быть транспортированы дальше или использованы непосредственно, или заменены этой системой. Соответственно, эти и все другие подобные модификации входят в объем настоящего изобретения. Другие замещения, модификации, изменения и опускания могут быть сделаны в конструкции, условиях работы и расположении предпочтительных и других примерных конструктивных исполнений, не выходя из объема настоящего изобретения.

Реферат

Изобретение относится к области производства водорода из гидроэлектрической энергии. Турбинная установка для крупномасштабного производства водорода содержит конструкцию основания, отделяющую верхний бьеф с большой высотой над уровнем моря от нижнего бьефа с меньшей высотой над уровнем моря. Конструкция основания образует проходящий через нее проход для воды между входом, примыкающим к верхнему бьефу, и выходом, примыкающим к нижнему бьефу. Рабочее колесо опирается с возможностью вращения на основание и размещено в проходе для воды между входом и выходом, так что вода, протекая через проход в результате перепада давления, вызывает вращение рабочего колеса. Генератор опирается на основание и соединяется с рабочим колесом посредством вращающегося вала для выработки электроэнергии при вращении рабочего колеса. Электролизер электрически соединен с генератором для получения электроэнергии и производства водорода. Система управления может воспринимать вместимость для хранения оставшегося водорода и выполнять экономический сравнительный анализ, чтобы определить, должна ли турбина работать для производства дополнительного водорода или для снабжения сервисной сети электропередачи энергией для обеспечения максимальной экономической доходности. 23 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула