BG109338A - Автономна понтонна инсталация за производство на водород и кислород - Google Patents

Abstract

Автономната понтонна инсталация се състои от еднаредица близко разположени един до друг и един върху друг хоризонталноосеви, вятърни пропелерни ротори (1), в овални дифузори (2) и хелиостатично ориентиращи се фотоволтаични панели (3). Инсталацията има два или повече газови акумулатори-резервоари (4 и 5), съответно за кислород и водород, произвеждани в електролизен генератор (9), захранван с ток от акумулатор (6). Последният се зарежда с постоянен ток пряко от един или повече панели (3), както и през токоизправители (11), свързани след променливотокови електрогенератори (12), които се задвижват от въртящите се ротори (1), като най-малко единводен двигател (13) и поне една котвена лебедка (14) се задвижват, съответно от компресорни кислородни двигатели (15 и 16), захранвани с кислород подвисоко налягане от акумулатора-резервоар (4), и поне един фотоволтаичен панел (3) се насочва хелиостатично по азимута и зенита от най-малко един електрически механизъм (18), захранван от акумулатора(6). Ориентацията и хоризоналната стабилност на инсталацията, както и хелиостатичното насочване на панелите (3) се осигуряват от автоматизирана система, управлявана от централен компютърен блок (19).Вследствие ниската себестойност на произвеждания ток, себестойността на получаваните чрез електролиза на водата кислород и водород също са евтини.

Description

Област на техниката

Настоящото изобретение се отнася до автономна понтонна инсталация за производство на водород и кислород, по специално чрез електролиза на сладка и морска вода, което става с постоянен ток, получен за сметка на енергията на вятъра и слънцето над водни басейни.

Предшестващо състояние на техниката

Нарастващата дефицитност на петролните горива през последните години наложи бързото развитие на най-различни патентовани технологии за получаване на екологично чисто водородно гориво от вода, която е естествено възобновим енергиен източник и заема 2/3 от повърхността на Земята.

Немалка част от съвременните инсталации за производство на водород и кислород използват възобновяеми енергийни източници.

От патент на Япония No. JP 2005041253 е известна водно базирана понтонна инсталация за производство на водород и кислород чрез водна електролиза, ползваща постоянен електрически ток, произвеждан на борда й от вятърни електрогенератори, водно-вълнови електрогенератори и фотоволтаични панели.

Основните недостатъци на известната понтонна инсталация за производство на водород и кислород са както следва:

Тя не може ефективно да се използва във водни басейни, където вълните са малки или никакви, защото вълновите електрогенератори биха работели неефективно или напълно ще спрат.

2.

На нея не е предивидено място за продължително складиране на произведените газове и затова се налага тя често да бъде буксирана до брега за разтоварване.

Няма собствена силова установка за автономно придвижване на вода.

Няма собствена система за ориентация и стабилизация на вода.

От патент на Германия No. DE 10219062 е известен неподвижно закотвен понтон, върху който е монтирана хоризонтално осева турбина с въртяща се гондола за преобразуване енергията на вятъра. В телата на

понтоните има кухини, които могат да се използват за складове на петрол и други продукти и материали.

Недостатък на известния закотвен понтон е, че не е предвиден за складиране на газове под налягане или на водорода в съединения в твърдо агрегатно състояние при атмосферни налягане и температури и, че при множеството му турбини, всяка от тях следва да е с въртяща се гондола и разстоянията между тях трябва да са достатъчно голями, както при конвенционалните ветропаркове, което мнгократно ще оскъпи понтонната платформа и значително ще усложни нейното управление..

Общи недостатъци, както на разгледаните видове плаващи понтони, така и на други познати подобни такива, е че те ангажират голяма площ на водната повърхност, елекгропроизводителността на ветрогенераторите за единица ангажирана водна площ е невисока, нямат възможност за бърза евакуация при опасни за тях щормови климатични условия, защото нямат силова установка за автономен собствен ход и маневриране, както и нямат никакви средства за безопасност на птиците.

Техническа същност на изобретението

Съответно цел на настоящото изобретение е да се предложи автономна понтонна инсталация за производство на водород и кислород, която да има възможност за складиране на газове под налягане или на водорода в съединения в твърдо агрегатно състояние при атмосферни налягане и температури, да ангажира неголяма площ на водната повърхност, да е с висока електропроизводителност за единица анагажирана водна площ, както и да разполага със силова установка за автономен собствен ход и маневриране, и да има средства, осигуряващи безопасността на птиците.

Основната цел е постигната чрез автономна понтонна инсталация за производство на водород и кислород, закотвена към дъното, състояща

се от една редица близко разположени един до друг и един върху друг, хоризонтално осеви вятърни пропелерни ротори, в овални дифузори и хелиостатично ориентиращи се фотоволтаични панели, характеризираща с това, че в кухините на един или повече понтони има, два или повече, газови акумулатори-резервоари, като във всеки от тях се напомпва от, захранваните от електрохимичен акумулатор, електрически компресори, съответно за кислород и водород, произвеждани в електролизния генератор, пълнен с вода от резервоар и захранван с ток от акумулатора, който се зарежда с постоянен ток пряко от, един или повече, фотоволтаични панели, както и през токоизправители, свързани след променливотокови електрогенератори, които се задвижват от въртящите се пропелерни ротори, като, поне един воден двигател и поне една котвена лебедка се задвижват, съответно от компресорни кислородни двигатели, захранвани с кислород под високо налягане от акумулатора-резервоар, а изходящият кислород ниско налягане, от двигателите, се събира в резервоар ниско налягане, откъдето постъпва отново в електрически компресор и поне един фотоволтаичен панел се насочва хелиостатично по азимута и зенита от поне един електрически механизъм, захранван от акумулатора.

В едно предпочитано изпълнение на автономна понтонна инсталация за производство на водород и кислород, водородът може да се свърже с твърди метални хидриди във водородния резервоар.

• ·

4.

Целесъобразно е ориентацията и хоризоналната стабилност на автономна понтонна инсталация за производство на водород и кислород и хелиостатичното насочване на фотоволтаичните панели да се осигуряват от автоматизирана система, управлявана от централен компютърен блок, чиито входове са свързани с изходите от датчици, съответно за посока и скорост на вятъра и датчик за положението на слънцето, а изходите от блока, към изпълнителните механизми за управление на компресорния двигател, на воден двигател и на компресорния двигател на котвена

лебедка, и към изпълнителните механизми за управление електрическите механизми за азимутно и зенитно насочване на фотоволтаични панели към слънцето.

Предимствата на автономна понтонна инсталация за производство на водород и кислород, съгласно изобретението, се състоят в постигането

на висока електропроизводителност за единица ангажирана водна площ, благодарение на ветротурбините, които са плътно разположени една до друга, но така, че да не си пречат, тъй като роторите им се въртят в овални тръби, които са конструирани подобно на тръби на Вентури, и съгласно принципа на Бернули усилват вятърния поток в тясната част на тръбите, където се въртят роторите. Еднороторна такава турбина има от 30 до 50% по-висока електроизводителност в годишно изражение при преобладаваща ветроскрост около 7 m/s, в сравнение с турбина със същия диаметър, но без тръба. А двуроторния вариант на турбината има до 2 пъти по-висока енергийна ефективност, спрямо еднороторния в широк ветроскоростен диапазон.

Подходящото закотвяне на платформата й дават възможност тя да се самоориентира в подходящата посока под напора на вятъра, което позволява минимален разход на енергия за задвижване на двигателите. А чрез маневрените двигатели и минимални корекции на дължините на котвените въжета с помощта на електролебедките, се осигурява устойчива

5.

ветроориентация на платформата, така че турбините да най-ефективно да преобразуват ветрова енергия.

Леката самоориентация на цялата понтонна платформа, спрямо вятърната посока, дават възможност роторите и овалните тръби да са неподвижно монтирани, което значително намалява тяхната цена и енергийните разходи за собствени нужди. Това предимство, заедно с повисоката й електропроизводителност в сравнеине конвенциналните

ветропаркове, по-малката опаснаст за колизии с корабоплаването, както избягването на скъпото фундиране на стълбове на дъното и другите предимства на птицебезопасната вятърна ферма, съгласно изобретението, гарантират сравнително ниски начални капиталовложения на единица електропроизводство и правят възможно бързото възвръщане на направените инвестиции при печалби значително над средните за офшорни ветърни паркове. А благодарение на ниската получена цена за електричеството, себестойността на получавания водород, чрез електрохимичната електролиза, е много ниска. Затова и като гориво, цената му е силно конкуретна на всички други фосилини и нефосилни горива, още повече като имаме предвид, че специфичното енергийно съдържание (калоричност) на водорода е няколко пъти по-висока от тази на фосилните горива (142 MJ/kg на водорода срещу 35 MJ/kg за бензина и 38

MJ/kg за природния газ)

Съхранението е последващото транспортиране на водорода в твърдо състояние, при нормалана температира и ниско налягане (2-5 bar), е значително предимство пред съхранението му като газ под много високо налягане, за което са необходими много енергия за компресорите и скъпи резервоари, издържащи високи налягания.

Плътността на водорода в твърдите съединения е много близка до тази на течния водород. Но течният водород не е икономически и енергетически целесъобразна алтернатива. Поддържането на течен

6.

водород става в специални енергоемки криогенни инсталации при ниска температура (под - 253 °C).

Кратко пояснение на приложените чертежи

Фигура 1 представлява схематично изображение на автономна понтонна инсталация за производство на водород и кислород, съгласно изобретението;

Фигура 2 показва принципна блок-схема на автоматизираното управление автономна понтонна инсталация за производство на водород и кислород, съгласно изобретението.

Примери за изпълнение на изобретението

Автономната понтонна инсталация за производство на водород и кислород (фиг.1) е закотвена към дъното. Тя се състои от една редица близко разположени един до друг и един върху друг, хоризонтално осеви вятърни пропелерни ротори 1, в овални дифузори 2 и хелиостатично ориентиращи се фотоволтаични панели 3.

Автономната понтонна инсталация за производство на водород и кислород (фиг. 1) се характеризира с това, че в кухините на един или повече понтони има, два или повече, газови акумулатори-резервоари 4 и 5, като във всеки от тях се напомпва от, захранваните от елекгрохимичен акумулатор 6, електрически компресори 7 и 8, съответно за кислород и водород, произвеждани в електролизния генератор 9, пълнен с вода от резервоар 10 и захранван с ток от акумулатора 6, който се зарежда с постоянен ток пряко от, един или повече, фотоволтаични панели 3, както и през токоизправители 11, свързани след променливотокови електрогенератори 12, които се задвижват от въртящите се пропелерни ротори 1, като, поне един воден двигател 13 и поне една котвена лебедка 14 се задвижват, съответно от компресорни кислородни двигатели 15 и 16, захранвани с кислород под високо налягане от акумулатора-резервоар 4, а изходящият кислород ниско налягане, от двигателите 15 и 16, се събира в резервоар 17 ниско налягане, откъдето постъпва отново в електрически компресор 7 и поне един фотоволтаичен панел 3 се насочва хелиостатично по азимута и зенита от поне един електрически механизъм 18, захранван от акумулатора 6.

В едно предпочитано изпълнение на автономна понтонна инсталация за производство на водород и кислород, водородът може да се свърже с твърди метални хидриди във водородния резервоар 5.

Целесъобразно е ориентацията и хоризоналната стабилност на

автономна понтонна инсталация за производство на водород и кислород и хелиостатичното насочване на фотоволтаичните панели 3 да се осигуряват от автоматизирана система (фиг.2), управлявана от централен компютърен блок 19, чиито входове са свързани с изходите от датчици 20 и 21, съответно за посока и скорост на вятъра и датчик 22 за положението на слънцето, а изходите от блока 19, към изпълнителните механизми 23 и 24 за управление на компресорния двигател 15 на воден двигател 13 и на

компресорния двигател 16 на котвена лебедка 14, и към изпълнителните механизми 25 за управление електрическите механизми 18 за азимутно и зенитно насочване на фотоволтаични панели 3 към слънцето.

Високата ефективност на вятърните турбини се дължи не само на дифузурно усилените ротори 1, но и поради факта, че роторите 1 се въртят с променливи обороти, така, че да имат максимално възможния коефициент на полезно действие при всяка ветроскрост. При това индукционните променливотокови генератори 12, куплирани към валовете на роторите 1. произвеждаг ток с променлива честота, който се изправя от текоизправителите 11 и зарежда акумулатора 6. А хелиостатичното управление на фотоволтаичните панели 3 дава възможност тяхната електропроизводителност да се увеличи с около 20% при средни географски ширини, сравнено със случаите на статитчни фотоволтаични панели 3.

8.

Автономната понтонна инсталация за производство на водород и кислород може да намери широко приложение като елекгрогенерираща система и като инсталациа за производство на водород и кислород от вода. А като електрогенерирща инсталация тя през инвертори може да бъде свъзрзана към електропреносна система.

Калоричността на един литър течен водород е значително по-висока от тази на литър бензин. Много метални хидриди, които съдържат водород са лесно обратими (реверсивни) съединения. Такъв е лантано-никеловия хидрид (LaNi₅H6), например, който се съхранява при налягане само няколко bar. Реверсивността позволява, когато е необхоимо, водородът лесно да се освобождава от хидрида. Един килограм реверсивен магнезиев хидрид (МдН₂) има енергийна стойност (калоричност) 10.8 MJ. Това означава, че водородът, в метал хидридите например, може да служи и като “акумулатор” на енергия. Известно е, че електричеството, произвеждано от възобновяеми източници, като вятър и слънчева светлина, не е на разположение по време, когато то следва да се консумира. А когато е необходимо складираният водород може да използва като гориво за производство на електроенергия, което най-често става в горивни клетки, кото имат по-висока ефективност, в сравнение с газовите турбини и двигателите с вътрешно горене, като машини, задвижващи електрогенератори.

Автономната понтонна инсталация за производство на водород и кислород има значително по-висока степен на използване на инсталираната електрогенерираща мощност (капацитетен фактор), в сравнение с известните офшорни вятърни ферми, защото овалните тръби около роторите й осигурават висока годишна електропроизводителност.

Същевременно ефективната й работа при сравнително ниски ветроскорости и компактната платформа дават възможност тя да се ·♦ · · · ·· ···· • · · · · · · · · · ♦ · · · · ····· • · · · · ···· · • · · · · ··· ·· ···· ··· ·«· ·· ·»»

9.

монтира и в неголеми водни басейни, включително и в реки, както и в непосредствна близост до морския бряг, където известните вятърни ферми са ниско производителни, поради по-малките ветроскорости.

Подвижността на компактната офшорна вятърна ферма осигурява лесната й транспортабилност. Тя може да бъде буксирана до брега, а когато е близо до него - това може да става и с помощта на меневрените й двигатели. Така се облекчават евентуалните ремонтни дейности, както и товаренето и разтоварването, в случаите, когато тя се ползва и за склад и/или за производствена дейност.

Claims (3)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   1. Автономна понтонна инсталация за производство на водород и кислород, закотвена към дъното, се състои от една редица близко разположени един до друг и един върху друг, хоризонтално осеви вятърни пропелерни ротори (1), в овални дифузори (2) и хелиостатично ориентиращи се фотоволтаични панели (3) , характеризираща с това, че в кухините на един или повече понтони има, два или повече, газови акумулатори-резервоари (4) и (5), като във всеки от тях се напомпва от, захранваните от електрохимичен акумулатор (6), електрически компресори (7) и (8), съответно за кислород и водород, произвеждани в електролизния генератор (9), пълнен с вода от резервоар (10) и захранван с ток от акумулатора (6), който се зарежда с постоянен ток пряко от, един или повече, фотоволтаични панели (3), както и през токоизправители (11), свързани след променливотокови електрогенератори (12), които се задвижват от въртящите се пропелерни ротори (1), като, поне един воден двигател (13) и поне една котвена лебедка (14) се задвижват, съответно от компресорни кислородни двигатели (15) и (16), захранвани с кислород под високо налягане от акумулатора-резервоар (4), а изходящият кислород ниско налягане, от двигателите (15) и (16), се събира в резервоар ниско налягане (17), откъдето постъпва отново в електрически компресор и поне един фотоволтаичен панел (3) се насочва хелиостатично по азимута и зенита от поне един електрически механизъм (18), захранван от акумулатора (6).
2. 2. Автономна понтонна инсталация за производство на водород и кислород, съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че водородът може да се свърже с твърди метални хидриди във водородния резервоар (5).

   11.
3. 3. Автономна понтонна инсталация за производство на водород и кислород, съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че ориентацията и хоризоналната й стабилност и хелиостатичното насочване на фотоволтаичните панели (3) се осигуряват от автоматизирана система, управлявана от централен компютърен блок (19), чиито входове са свързани с изходите от датчици (20) и (21), съответно за посока и скорост на вятъра и датчик (22) за положението на слънцето, а изходите от блока (19), към изпълнителните механизми (23) и (24) за управление на компресорния двигател (15) на водния двигател (13) и на компресорния двигател (16) на котвена лебедка (14), и към изпълнителните механизми (25) за управление електрическите механизми (18) за азимутно и зенитно насочване на фотоволтаични панели (3) към слънцето.