可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種可再生能源發(fā)電系統(tǒng)(10)，該系統(tǒng)具有：可再生能源發(fā)電裝置(12)，該再生能源發(fā)電裝置被安置成生成電力；以及氫發(fā)電模塊(20)，該氫發(fā)電模塊具有適于將水分解成氫氣和氧氣的分解單元以及適于從所述分解單元或從氫貯藏接收空氣或氧氣和氫氣的燃料電池單元(28)；該燃料電池單元被安置成在存在氫氣和氧氣時(shí)產(chǎn)生電力；其中該氫發(fā)電模塊適于至少在由燃料電池單元產(chǎn)生電力之前從至少一個(gè)可再生能源發(fā)電裝置接收電力。
【專(zhuān)利說(shuō)明】可再生能源發(fā)電系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，并尤其但不限于涉及適配于使用至少一種可再 生能源和氫燃料源來(lái)為陸地、海洋和太空上的靜止和移動(dòng)應(yīng)用兩者提供用于推進(jìn)遞送的功 率的系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 世界人口對(duì)⑶P增長(zhǎng)的渴望和期望導(dǎo)致了石油峰值和人類(lèi)加速的全球變暖。這些 事件已經(jīng)由一個(gè)世紀(jì)的礦物燃料溫室氣體排放造成，而這種礦物燃料溫室氣體排放主要是 由對(duì)煤/石油/煤氣的消耗導(dǎo)致的?？沙掷m(xù)能源處于兩難的境地。這一僵局是從最豐富的 免費(fèi)資源（陽(yáng)光、風(fēng)、月光、水、地球等離子體）生成可持續(xù)、可再生能源燃料的催化劑。面 對(duì)非可持續(xù)的礦物燃料能源，期望以相對(duì)較低的每MW成本來(lái)控制對(duì)這種豐富/天然/免費(fèi) 能源的獲得、貯藏和遞送。
[0003] 在歷史上，通過(guò)開(kāi)采地球礦物儲(chǔ)備，燃燒煤、石油和煤氣的電站已經(jīng)提供了商用& 家用基本負(fù)載能量。原油/原煤氣產(chǎn)物已通過(guò)ICE設(shè)備（內(nèi)部燃燒引擎）為運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)提供 燃料，該ICE設(shè)備是高度成熟/復(fù)雜的設(shè)備，但其效率較低，處于20%的量級(jí)上。礦物燃料 的世界分配基礎(chǔ)設(shè)施是廣泛分布的。
[0004] 發(fā)明目的
[0005] 本發(fā)明的目的是提供氫發(fā)電系統(tǒng)以將現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)減輕或至少 降低到某一水平。
[0006] 發(fā)明概述
[0007] 因此，在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，包括：至少一個(gè)可再生 能源發(fā)電裝置，此至少一個(gè)可再生能源發(fā)電裝置適于生成電力；以及氫發(fā)電模塊，該氫發(fā)電 模塊具有適于將水分解成氫氣和氧氣的分解單元以及適于從所述分解單元或從氫貯藏中 接收空氣或氧氣以及氫氣的燃料電池單元；所述燃料電池單元被安置成在存在氫氣和氧氣 的情況下產(chǎn)生電力；其中所述氫發(fā)電模塊適于至少在所述燃料電池單元產(chǎn)生電力之前從所 述至少一個(gè)可再生能源發(fā)電裝置接收電力。
[0008] 該至少一個(gè)可再生能源發(fā)電裝置可適于使用兩種或更多種可再生能源中的一種 或其組合來(lái)生成電力?？稍偕茉纯砂L(fēng)、太陽(yáng)能、水、波浪、地?zé)岷皖?lèi)似能源。
[0009] 該系統(tǒng)可具有適于存蓄來(lái)自該至少一個(gè)可再生能源發(fā)電裝置和氫發(fā)電模塊的電 力的一個(gè)或多個(gè)蓄電設(shè)備。該蓄電設(shè)備可包括電池和/或電容器。
[0010] 該系統(tǒng)可具有適于將電力轉(zhuǎn)換成適用于家用和/或工業(yè)用電器和/或裝備的形式 的轉(zhuǎn)換裝置。
[0011] 優(yōu)選地，該系統(tǒng)具有適于從水源提供相對(duì)純凈的水的水凈化模塊。水源可以是海 水、微咸水、或任何陸地上包含水的部分（諸如，河流、湖泊或水壩）。
[0012] 該系統(tǒng)可適于傳送來(lái)自水凈化模塊的水的一部分，以供在商業(yè)上或工業(yè)上使用。
[0013] 優(yōu)選地，所述燃料電池單元也適用以提升的溫度產(chǎn)生水。優(yōu)選地，來(lái)自燃料電池單 元的水可被傳送至空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以供與該空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作液體交換熱量。
[0014] 優(yōu)選地，該系統(tǒng)具有：水箱，該水箱適于保持來(lái)自水凈化模塊的水和來(lái)自燃料電池 單元的水的至少一部分，以及礦化裝置，該礦化裝置適于向來(lái)自水箱的水添加合適的礦物 以變得可飲用。根據(jù)本發(fā)明的該系統(tǒng)適用于控制對(duì)來(lái)自陽(yáng)光、PVC&熱量、風(fēng)、氫氣、地?zé)嵴?汽生成的可持續(xù)能源的獲得和遞送，并另外地從水電解、廢料和厭氧源中捕捉氫能，以便供 應(yīng)固定的商用/家用基本負(fù)載MW和移動(dòng)電動(dòng)機(jī)/推進(jìn)器。
[0015] 所產(chǎn)生的氫氣可被低溫金屬氫化物和化學(xué)氫化物裝置貯藏在安全的氫貯藏中，并 呈遞諸如處于85%量級(jí)的氫燃料電池效率，該效率具有相對(duì)較小幅度的停機(jī)檢修時(shí)間（諸 如六年有一分鐘），從而壓低了可再生能源MW的成本。
[0016] 該系統(tǒng)還可具有控制器，該控制器適于控制所述至少一個(gè)可再生能源發(fā)電裝置、 和/或氫發(fā)電模塊、和/或一個(gè)或多個(gè)蓄電設(shè)備、和/或轉(zhuǎn)換裝置的操作。
[0017] 附圖簡(jiǎn)述
[0018] 為了使本發(fā)明可被容易地理解，并被投入實(shí)用，該描述此后將參考解說(shuō)本發(fā)明的 非限制實(shí)施例的各附圖，并且其中：
[0019] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的可再生能源氫發(fā)電系統(tǒng)的一實(shí)施例的主要組件的框圖；
[0020] 圖2是示出用于控制圖1所示的系統(tǒng)的各組件15的可編程邏輯控制器；以及
[0021] 圖3是示出燃料電池組的操作的細(xì)節(jié)的示意性流程圖。
[0022] 附圖的詳細(xì)描述
[0023] 參考各附圖，并最初參考圖1，示出有根據(jù)本發(fā)明的可再生能源氫發(fā)電系統(tǒng)10的 實(shí)施例。系統(tǒng)10具有可再生能源模塊12,該可再生能源模塊12適于從風(fēng)輪機(jī)14、太陽(yáng)能收 集器（其在本實(shí)施例中，為光伏電池16和水輪機(jī)18)生成電力。風(fēng)輪機(jī)生成約48V DC的 電力。光伏電池產(chǎn)生約12V DC的電力，并且水輪機(jī)產(chǎn)生約6到9V DC的電力。模塊12使 用DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)調(diào)整其輸出為約48V DC。
[0024] 系統(tǒng)10還具有氫發(fā)電模塊20,該氫發(fā)電模塊具有用于將水（H20)分解成氫氣和氧 氣分量的電解單元22、用于壓縮氫氣并將其饋送到金屬氫化物貯藏26中的壓縮器24、以及 適于從該貯藏26接收氫氣的氫燃料電池組28。燃料電池組28由一堆燃料電池形成，其促 進(jìn)氧氣和氫氣之間的電化學(xué)反應(yīng)，以便以大約80°的經(jīng)提升溫度來(lái)產(chǎn)生電力和水。氧氣是 從被引入燃料電池的空氣中提取出來(lái)的。
[0025] 來(lái)自可再生能源模塊12和氫能源模塊20的DC電力被可控地供應(yīng)給AC功率實(shí)用 模塊30,該模塊使用逆變器32將DC功率轉(zhuǎn)換成用于操作耗電設(shè)備34 (諸如，照明裝備、絞 車(chē)、泵、和旅館通?？捎玫脑O(shè)備）的AC功率。多余功率被饋送到用于為電池42和/或超電 容器44充電的DC蓄電模塊40。
[0026] 來(lái)自燃料電池組28的溫水被饋送到加熱通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)模塊（HVAC) 50中，該模 塊中具有用于調(diào)節(jié)建筑物中的空氣溫度的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)52。溫水的一部分被轉(zhuǎn)移到用于提 供可飲用的水的可飲用水模塊60中。該模塊60具有溫水被遞送到的蒸餾水箱62,以及用 于將期望礦物添加到來(lái)自箱62的水中的礦化箱64。
[0027] 系統(tǒng)10還具有用于從海水產(chǎn)生已除去鹽分的水的水凈化模塊70。在這個(gè)實(shí)施例 中，模塊70使用反滲透單元72來(lái)從海水中分解出鹽。經(jīng)凈化的水被饋送到蒸餾水箱62中， 并且含鹽的廢料被作為副產(chǎn)品丟棄。低壓泵74用于從海中汲取水，并且高壓泵76用于以 相對(duì)較高的壓力向反滲透單元72供水。
[0028] 氫發(fā)電模塊20中的低壓泵23從箱62汲取蒸餾水，并將其饋送到分解單元22以 供產(chǎn)生氫氣?？梢蕴峁┯糜谠谡麴s水進(jìn)入分解單元22之前去除蒸餾水中的離子的去離子 單元。
[0029] 如圖2所示，系統(tǒng)10具有適于控制該系統(tǒng)的各可控組件的操作的可編程邏輯控制 器80。
[0030] 圖3示出了從氫貯藏箱26接收氫氣的燃料電池組28中的電池堆60。減壓器27 在氫氣到達(dá)組28之前減少來(lái)自箱26的氫氣的壓力。通過(guò)組28的氫氣可以用回收泵27A 來(lái)返回，或通過(guò)閥27B來(lái)凈化。
[0031] 鼓風(fēng)機(jī)29A將空氣通過(guò)過(guò)濾器29B汲取入組28。如上所述，使在組28中的氫氣和 氧氣之間的電化學(xué)反應(yīng)期間形成的水通過(guò)HVAC52的冷凝器52A，并且將水的一部分饋送到 加濕器90中。水被饋送到噴射塔91，在噴射塔91處，水使來(lái)自組28的返回空氣變潮濕。 泵92迫使經(jīng)加濕的空氣在返回到組28之前在熱交換器93處放棄某些熱量?？闪鲃?dòng)的熱 轉(zhuǎn)移介質(zhì)在交換器93處接收熱量，并經(jīng)由散熱器94釋放該熱量。
[0032] 對(duì)于安全操作環(huán)境，燃料電池組28必須在安全操作參數(shù)內(nèi)操作。控制器80或?qū)?用控制器（未示出）適于配置和控制組28的操作。通常，操作該組的規(guī)程涉及：
[0033] 開(kāi)始
[0034] 1.啟動(dòng)冷卻回路；
[0035] 2.在冷卻回路中啟動(dòng)加熱器；
[0036] 3.開(kāi)始用空氣沖洗陰極；
[0037] 4.開(kāi)始用氮?dú)鉀_洗陽(yáng)極；
[0038] 控制
[0039] -冷卻劑流動(dòng)速率〈200公斤/小時(shí)-增加流動(dòng)速率；
[0040]-冷卻劑加熱速率>20k/分鐘-使加熱速率變慢；
[0041] 陽(yáng)極中的N2流動(dòng)速率〈32NI/分鐘-增加流動(dòng)速率；
[0042] -陰極中的空氣流動(dòng)速率〈65MI/分鐘-降低流動(dòng)速率；
[0043] -堆溫>65°C -關(guān)閉冷卻劑加熱器；
[0044] -堆溫<60°C -打開(kāi)冷卻劑加熱器；
[0045] 當(dāng)
[0046] -堆溫 >60°C并且）
[0047] N2沖洗時(shí)間>20分鐘并且）啟動(dòng)操作模式
[0048] 空氣沖洗時(shí)間>10分鐘）
[0049] 操作模式
[0050] 1.切換到0CV (即對(duì)H2的空閑操作）；
[0051] 2.設(shè)置負(fù)載點(diǎn)；
[0052] 3.開(kāi)始H2和空氣流動(dòng)；
[0053] 4.將負(fù)載設(shè)成堆；
[0054] 控制
[0055] 冷卻劑內(nèi)溫度〈62. 5°C -使冷卻慢下來(lái)；
[0056]-冷卻劑外溫度>67. 5°C -增加冷卻速率；
[0057] 壓差超過(guò)測(cè)量值>300毫巴（m Bar)-啟動(dòng)關(guān)閉；
[0058] -H2和空氣的化學(xué)計(jì)量比失去平衡-調(diào)整；
[0059] -電池電壓>9. 8V -降低H2和空氣強(qiáng)（stoic)混合；
[0060] -電池電壓〈0. 55V -增加 H2和空氣@強(qiáng)混合；
[0061] 電池電壓〈0· 3V超過(guò)5秒鐘-警報(bào)；
[0062] -電池電壓〈指定的最小值-啟動(dòng)關(guān)閉；
[0063] 關(guān)閉
[0064] 1.切換到 0CV ;
[0065] 2.關(guān)閉4供應(yīng)閥；
[0066] 3.關(guān)閉空氣流動(dòng)；
[0067] 4.用H2凈化陽(yáng)極達(dá)10分鐘；
[0068] 5.關(guān)閉冷卻回路。
[0069] 盡管通過(guò)本發(fā)明的說(shuō)明性示例的方式給出了以上內(nèi)容，但其許多變體和修改對(duì)本 領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的，而不會(huì)背離在本文中的權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的 寬泛界限和范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：至少一個(gè)可再生能源發(fā)電裝置，所述至少 一個(gè)可再生能源發(fā)電裝置適于生成電力；以及氫發(fā)電模塊，所述氫發(fā)電模塊具有適于將水 分解成氫氣和氧氣的分解單元，以及適于從所述分解單元或從氫貯藏接收空氣或氧氣和氫 氣的燃料電池單元；所述燃料電池單元被安置成在存在氫氣和氧氣時(shí)產(chǎn)生電力；其中所述 氫發(fā)電模塊適于至少在由所述燃料電池單元產(chǎn)生電力之前從所述至少一個(gè)可再生能源發(fā) 電裝置接收電力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)可再生發(fā)電裝置適于使用 兩種或多種可再生能源中的一種能源或其組合來(lái)生成電力。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述可再生能源包括風(fēng)、太陽(yáng)能、水、波 浪、地?zé)岷皖?lèi)似能源。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1到3中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，還具有適于存蓄來(lái)自所述至少一個(gè)可 再生能源發(fā)電裝置和所述氫發(fā)電模塊的電力的一個(gè)或多個(gè)蓄電設(shè)備。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述蓄電設(shè)備包括電池和/或電容器。
6. 跟據(jù)權(quán)利要求1到5中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，還具有適于將所述電力轉(zhuǎn) 換成適用于為家用和/或工業(yè)用電器和/或裝備供電的形式的轉(zhuǎn)換裝置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，還具有適于從水源提供相 對(duì)純凈的水的水凈化模塊。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述水源是從海水、微咸水、或任何諸如 河流或湖泊或水壩之類(lèi)的陸地上包含水的部分中得到的。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)適于傳送來(lái)自所述水凈化模 塊的水的一部分，以供在商業(yè)上或工業(yè)上使用。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7到9中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池單元適于 以提升的溫度產(chǎn)生水。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，來(lái)自所述燃料電池單元的水被安置成 被傳送至空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以供與所述空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作液體交換熱量。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7到11中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步具有：水箱，所 述水箱適于保持來(lái)自所述水凈化模塊的水和來(lái)自所述燃料電池單元的水的至少一部分，以 及礦化裝置，該礦化裝置適于向來(lái)自所述水箱的水添加合適的礦物以變得可飲用。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1到12中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)適于控制對(duì)來(lái) 自陽(yáng)光、PVC (光伏電池）和熱量、風(fēng)、氫氣、地?zé)嵴羝傻目沙掷m(xù)能源的獲得和遞送，并另 外地從水電解、廢料和厭氧源中捕捉氫能，以便供應(yīng)固定的商用/家用基本負(fù)載MW和移動(dòng) 電動(dòng)機(jī)/推進(jìn)器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1到13中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所產(chǎn)生的氫氣被安置成 被低溫金屬氫化物和化學(xué)氫化物裝置貯藏在安全的氫貯藏中，由此呈遞改善的氫燃料電池 效率。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還具有：控制器，所述控制器適于控制所 述至少一個(gè)可再生能源發(fā)電裝置、和/或所述氫發(fā)電模塊、和/或一個(gè)或多個(gè)蓄電設(shè)備、和 /或所述轉(zhuǎn)換裝置的操作。
【文檔編號(hào)】H02S10/10GK104145420SQ201280061883
【公開(kāi)日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月14日
【發(fā)明者】C·薩爾蒙德, G·薩爾蒙德 申請(qǐng)人:艾萊克特里根有限公司