BG109359A

BG109359A - Слънчево - ветрова инсталация за производство на водород

Info

Publication number: BG109359A
Application number: BG109359A
Authority: BG
Inventors: Райна МЛАДЕНЧЕВА
Original assignee: Райна МЛАДЕНЧЕВА
Priority date: 2005-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2007-05-31
Also published as: BG66089B1

Abstract

Слънчево-ветровата инсталация за производство на водород има възможност за складиране на произведените газове под налягане и произвежда едновременно топлина и електричество чрез когенерационни слънчеви модули. Тя се състои от две или повече коаксиални вертикалноосеви вятърни турбини (1 и 2). Над най-горната турбина (2) е монтиран радиатор (4), върху който е долепен фотоволтаичен модул (5), който зарежда акумулатор (6). Към акумулатора (6) също са свързани и изводите на електрогенератор (7), куплиран към вала на турбините (1 и 2). При това акумулаторът (6) захранва електролизьора (8), а радиаторът (4), през топлообменник (9), предварително затопля постъпващата от водния резервоар (10) вода велектролизьора (8). От електролизьора (8) произведените водород и кислород се изпомпват, съответно в резервоари (11 и 12), като в резервоара за водород (11) предварително е поставен твърдоагрегатен абсорбент (13) на водород. Фотоволтаичният панел (5) на инсталацията за производство на водород има система за хелиостатична ориентация към слънцето.

Description

Област на техниката

Настоящото изобретение се отнася до слънчево-ветрова инсталация за производство на водород, по специално чрез хидроелектролиза, при което водата се декомпозира по следното уравнение 2Н₂0 = 2 Н₂ + О₂, което става с помощта на постоянен ток, получен за сметка на енергията на вятъра и слънцето над водни басейни.

Предшестващо състояние на техниката

Немалка част от съвременните инсталации за производство на водород и кислород използват възобновяеми енергийни източници. Това се налага поради нарастващата дефицитност на петролните горива през последните години. А така също и от стремежа за получаване на екологично чисто водородно гориво от вода, която е естествено възобновим енергиен източник и заема 2/3 от повърхността на Земята и то с помощта на енергия пак получена от възобновяеми енергоизточници.

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 елекгрогенератори и фотоволтаични панели.

Основният недостатък на известната понтонна инсталация за производство на водород и кислород е, че тя не използва топлината от фотоволтаичните панели за повишаване водородопроизводствената ефективност на електролизьора. Освен това, не е предивидено място за

2.

продължително складиране на произведения водород и кислород и затова се налага тя често да бъде буксирана до брега за разтоварване.

От патент на Германия No. DE 10063490 е известна, базирана на сушата, инсталация за за производство на водород чрез слънчева и вятърна енергия. За складирането на получавания водород се използват специални криогенни подземни резервоари за втечняването му, което става при много ниска температура. А да се поддържа течното състояние също се изисква ниска температура. Необходимата енергия, за това много дълбоко охлаждане, е предвидено да се произведе в същата инсталация за сметка на вятърната и слънчевата енергия.

Важен недостатък на описаната инсталация, е че разходът на енергия е много голям и затова, като цяло, тя не е достатъчно ефективна.

Също от патент на Германия No. DE 10219062 е известен неподвижно закотвен понтон, върху който е монтирана хоризонтално осева вятърна турбина 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 известната инсталация е, че не произвежда топлинна енергия, която да ускорява процесът на водната електролиза и да навмалява необходимата електрическа мощност за реализацията му, чрез намаляване на плътността на работния ток в електролизьора.

Друг недостатък на инсталацията е, че не е предвидено складиране на водорода под налягане или на водорода в съединения в твърдо агрегатно състояние.

Общи недостатъци, както на разгледаните видове електролизни водородопроизводстнени инсталации, така и на други познати подобни такива, е че те не използват топлинната енергия на слънцето за повишаване на ефекетивността на електролизата. А слънчевата енергия е в пъти по-вече, в сравнение с електричеството, получено от фотоволтаичните модули,

Друг общ недостатък на описаните инсталации е, че при тях не са предвидени енергоефективни начини за складиране на произведения водород на място, което значително намалява тяхната автономност като водородопризводствена единица.

Техническа същност на изобретението

Съответно цел на настоящото изобретение е да се предложи слънчево-ветрова инсталация за производство на водород, която да има възможност за складиране на произведените газове под налягане или, специално на водорода, в съединения в твърдо агрегатно състояние при и да произвежда едновременно топлина и електричество чрез когенерационни слънчеви модули.

Основната цел е постигната чрез слънчево-ветрова инсталация за производство на водород, състояща се от две или повече коаксиални вертикално осеви вятърни турбини, характеризираща се с това, че над найгорната турбина има овална осево-симетрична платформа, чиято изпъкнала страна е над турбината, а върху горната й хоризонтална плоска страна е монитран охладителен радиатор, върху който е плътно долепен фотоволтаичен панелен модул, който зарежда електрохимичен акумулатор, към който също са свързани и изводите на постояннотоковия електрогенератор куплиран към вала на коаксиалните вятърни турбини турбини, при което акумулаторът захранва електролизьора с постоянен ток, а радиаторът, през топлообменник, предварително затопля постъпващата, от водния резервоар, вода в електролизьора, от който произведените кислород и водород се напомпват в резервоари, като в резервоара за водород предварително е поставен твърдоагрегатен абсорбент на водород, а изпъкналата повърхност на долната осево-симетрична платформа на инсталацията има аналогична форма на горната платформа, така, че двете платформи оформят ротационно-симетрични входящи и изходящи отвори, чиито всички вертикални сечения, пресичащи се в оста

4.

на вертикалноосевите турбини, имат форма, наподобяваща профил на тръба на Вентури.

В едно предпочитано изпълнение на слънчево-ветровата инсталация за производство на водород фотоволтаичният панел има система за азимутна ориентация към слънцето, задвижвана от електрически механизъм, захранван с постоянен ток от акумулатора.

В друго предпочитано изпълнение на слънчево-ветровата инсталация за производство на водород фотоволтаичният панел има система за зенитна ориентация към слънцето, задвижвана от електрически механизъм, захранван с постоянен ток от акумулатора.

В трето предпочитано изпълнение на слънчево-ветровата инсталация за производство на водород фотоволтаичният панел има система за хелиостатична ориентация към слънцето, задвижвана от електрически механизъм, захранван с постоянен ток от акумулатора.

Предимствата на слънчево-ветровата инсталация за производство на водород, съгласно изобретението, се състоят в постигането на висока водородопроизводителност благодарение на слънчевата енергия, преобразувана най-пълно използване на в необходимите за хидроелектролитичния процес електричество и топлина от слънчевата когенерация и допълнителна получена електроенергия от вертикалноосевите турбини, които работят при ниски скорости на вятъра, а тяхната електропроизводителност се увеличава от специфичното разположение на двете изпъкнали ротационно симетрични платформи, които ускоровят въздушния поток преди да премине през роторите на турбините и го забавят след като излезе от тях. С това се постига конфузорно-дифузорен ефект, който увеличава мощността им.

Вертикално осевите турбини не следват посоката на вятъра и са еднакво енергийно ефективни при всички ветропосоки. Това предимство, заедно с ниската им цена, гарантират сравнително ниски начални • ·

5.

капиталовложения на единица електропроизводство и правят възможно бързото възвръщане на направените инвестиции. А благодарение на ниската себестойност на електричеството и себестойността на получавания водород, чрез електрохимичната електролиза, е също не е висока, като имаме предвид, че изходната суровина е вода.

Затова и като гориво, цената произвеждания водород е 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) и 100%-вата природосъобразност на водорода като алтернативно гориво.

Съхранението е последващото транспортиране на водорода в твърдо състояние, при невисока температура и сравнително ниско налягане, е значително предимство, в срвнение с варианта за съхранениенто му като чист 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 водород става в специални енергоемки криогенни инсталации при ниска температура (под - 253 °C ).

Кратко пояснение на приложените чертежи

Фигура 1 представлява схематично изображение на слънчевоветрова инсталация за производство на водород , съгласно изобретението;

6.

Примери за изпълнение на изобретението

Слънчево-ветровата инсталация за производство на водород, съгласно изобретението (фиг.1) се състои от две коаксиални вертикално осеви вятърни турбини 1 и 2.

Инсталацията се характеризира с това, че над най-горната турбина 2 има овална осево-симетрична платформа 3, чиято изпъкнала страна е непосредствено над турбината 2, а върху горната й хоризонтална плоска страна е монитран охладителен радиатор 4, върху който е плътно долепен фотоволтаичен панел 5, който зарежда електрохимичен акумулатор 6, към който също са свързани и изводите на постояннотоковия електрогенератор 7, куплиран към вала на коаксиалните вятърни турбини 1 и 2, при което акумулаторът 6 захранва електролизьора 8 с постоянен ток, а радиаторът 4, през топлообменник 9, предварително затопля постъпващата, от водния резервоар 10, вода в електролизьора 8, от който произведените кислород и водород се напомпват в резервоари 11 и 12, като в резервоара за водород 11 предварително е поставен твърдоагрегатен абсорбент 13 на водород, а изпъкналата повърхност на долната осево-симетрична платформа 14 на инсталацията има аналогична форма на горната платформа, така, че двете платформи оформят ротационно-симетрични входящи и изходящи отвори, чиито всички вертикални сечения, пресичащи се в оста 15 на вертикалноосевите турбини, имат форма, наподобяваща профил на тръба на Вентури.

В едно предпочитано изпълнение на слънчево-ветровата инсталация за производство на водород фотоволтаичният панел 5 има система за азимутна ориентация към слънцето, задвижвана от електрически механизъм, захранван с постоянен ток от акумулатора 6 .

В друго предпочитано изпълнение на слънчево-ветровата инсталация за производство на водород фотоволтаичният панел 5 има ····

7.

система за зенитна ориентация към слънцето, задвижвана от електрически механизъм, захранван с постоянен ток от акумулатора 6.

В трето предпочитано изпълнение на слънчево-ветровата инсталация за производство на водород фотоволтаичният панел 5 има

система за хелиостатична ориентация към слънцето, задвижвана от електрически механизъм, захранван с постоянен ток от акумулатора 6 .

Високата ефективност на вятърните турбини 2 и 3 се дължи на дифузурно усилените ротори 1. А хелиостатичното управление на фотоволтаичния панел 5 дава възможност електропроизводителността му да се увеличи с около 20% при средни географски ширини, сравнено със случаите на статични фотоволтаични панели 5.

Използване на изобретението

Слънчево-ветрова инсталация за производство на водород може да намери широко приложение като електрогенерираща система и като инсталация за производство на водород и кислород от вода. А като електрогенерирща инсталация тя, през инвертори, може да бъде свързана 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 необходимо, 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

8.

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.

Следва да се има предвид, че водородът е абсолютно чисто гориво и след изгарянето му се кондензира вода, която е и суровината за електролизното му добиване. Затова водородът е 100% възобновяем енергоизточник. Получаваният водород може да се използва директно като гориво или като химически съединен в металхидриди за енергийно обогатяване на други твърди и течни горива, като се има предвид, че неговата калоричност е няколко пъти по-висока от тази на твърдите, течните и газообразните фосилни горива.

За производството на 0.42 кубически метра водород са теоретично необходими 1.23 kWh електроенергия при температура на електролита 250 и 1 kA ток. Процесът протича при постоянно напрежение около 1.7 - 2 V, са реално необходимата енергия е около 1.7-2 kWh за производството на 1 кубически метър при водната дисоциация, при която се отделят водород и кислород. Около 2 V са стойноститете на генерираните напрежения от

фотоволтаичните клетки.

Важно да се отбележи, че водната дисоциация е ендотермичен процес, при който температурата на електролита в електролизьора спада, съответно и ефективността (к.п.д.) на процеса. За да се увеличи к.п.д.-то му, следва да се поддържа по-висока температура. Затова е най-евтино и целесъобразно използването на слънчева топлина, чрез слънчевата когенерация, което е направено в настоящото изобретение. Същевременно фотоволтаичният модул се охлажда от радиатора , което има синергичен ефект:

фотоволтаичните клетки увеличават електропроизводителността си, затопленият охладител може да загрява електролизьора.

·· • ♦ « · • ··

9.

• · · »· • · · * ···

Освен в метал хидриди, водородът може да се абсорбира (“складира”) и в други евтини високопорьозни материали с голяма повърхност за единица маса. За такива могат да се ползват зеолит и други реверсивни алумосиликати, каквито има в нашата страна.

При такава абсорбция и се търси реверсивен процес, при който наляганията и температурите да бъдат по-ниски, отколкото при металхидридите и водородоносителят да може да се използва многократно, без да се вади от резервоара на инсталацията. Целта е да се увеличи к.п.д. - то на процеса абсорбция / адсорбция на водородонаситените алумосиликати.

В твърдофазовите абсорбенти водородът може да се съхранява при плътност, съизмерима с плътността на течен водород, при което енергийната му плътност достига 10 GJ на кубичен метър железнотитанов хидрид. Подобна плътност имат и другите металхидриди, заредени с водород. Този факт има съществено значение, не само за използваннето на водорода като транспортно гориво и за различни други цели, но и като начин за складиране на напълно екологичен и възобновяем енергоносител. Възобновяемите енергоизточници за инсталацията, съгласно изобретението, като ветро, слънчевиресурси, не винаги са на разположение в необходимото количество, съответстващо на консумацията на електричество и/или топлина.

В този смисъл, акумулацията на енергия, чрез междинно производство и складиране на водород, е един начин за по-добро и икономически и екологично решение за покриване на товаровата диаграма на електроконсумацията. Следва да отбележим, че поддържане на “бърз резерв” от върхови фосилни електрогенераторни мощности е много скъпо, тъй като те работят около 8% от времето в денонощието, но трябва да бъдат на разположение, дори и като работещи електрогенератори на празен ход, с минутна готовност да се включат към енергийната система за покриването на пиковете периоди на електроконсумация. Очевидно е, че не

10.

може да се разчита на електроцентрали, работещи на възобновяеми източници, като вятър и слънце, да покрият пиковете на товаровата диаграма на енергийната система. И затова енергоакумулацията, чрез производство на водород от евтина ветро и слънчева енергия и временното му складиране, е един от най-природосъобразните начини, който може и да поевтини върховата електроенергия, независимо от необходимата двойна енерготрансформация в двойката “електролизьоргоривна клетка” или други подобни двойки.

Claims

ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

1. Слънчево-ветрова инсталация за производство на водород, състояща се от две или повече коаксиални вертикално осеви вятърни турбини (1), (2), характеризираща се с това, че над най-горната турбина (2) има овална осево-симетрична платформа (3), чиято изпъкнала страна е над турбината (2), а върху горната й хоризонтална плоска страна е монитран охладителен радиатор (4), върху който е плътно долепен фотоволтаичен модул (5), който зарежда електрохимичен акумулатор (6), към който също са свързани и изводите на постояннотоковия електрогенератор (7), куплиран към вала на коаксиалните вятърни турбини (1), (2), при което акумулаторът (6) захранва електролизьора (8) с постоянен ток, а радиаторът (4), през топлообменник (9), предварително затопля постъпващата, от водния резервоар (10), вода в електролизьора (8), от който произведените водород кислород се напомпват, съответно в резервоари (11) и (12), като в резервоара за водород (11) предварително е поставен твърдоагрегатен абсорбент (13) на водород, а изпъкналата повърхност на долната осево-симетрична платформа (14) на инсталацията има аналогична форма на горната платформа, така, че двете платформи оформят ротационно-симетрични входящи и изходящи отвори, чиито всички вертикални сечения, пресичащи се в оста (15) на вертикалноосевите турбини, имат форма, наподобяваща профил на тръба на Вентури.
2. Слънчево-ветрова инсталация за производство на водород, съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че фотоволтаичният панел (5) има система за азимутна ориентация към слънцето, задвижвана от електрически механизъм, захранван с постоянен ток от акумулатора (6).
3. Слънчево-ветрова инсталация за производство на водород, съгласно претенция 1, характеризираща се стова, фотоволтаичният панел (5) има система за зенитна ориентация към слънцето, задвижвана от електрически механизъм, захранван с постоянен ток от акумулатора (6).