CN101892491A - 一种自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统，包括水流海浪潮汐动能和风能太阳能发电装置，所述发电装置的电能输出端分成两条供电支路，其中一条供电支路直接并入电网，另一条供电支路与氢能电解水发生器在电路上相连接；发电装置的电能输出端也可以仅与氢能电解水发生器在电路上相连接而不并入电网。用于电解经过预处理的海水或苦咸水产生氢气和氧气，所述电解水发生器的氢气输出端设有氢气储存器，氧气输出端设有氧气储存器。本发明既解决了水流海浪潮汐动能和风能太阳能发电装置发电的存储问题，又解决了海水或苦咸水节能淡化的问题。

Description

一种自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统

技术领域

本发明涉及自然能源应用技术领域，尤其涉及一种利用自然能源发电并利用其产生的电能电解海水或苦咸水进而制得能够被二次利用的氧气和氢气的综合应用系统。

背景技术

本发明的申请人曾于2009年09月09日向国家知识产权局提交了名称为“水流海浪潮汐动能和风能太阳能发电的综合系统”的发明专利申请，其公开号为CN101649813。

该发电系统能够将水流动能、风能、太阳能有机地结合在一起，有风能时风力发电，有光能时光能发电，有水流动能时水流动能发电，三项条件都具备时风能、太阳能和水流动能同时发电，三种发电方式既可互补，又可共同作功，无需筑坝蓄水提高水位落差，无论洪期水位上涨或枯水期水位下落，都可动能发电。

海洋风能发电厂和海洋太阳能发电厂建造昂贵的主要原因包括固定安装困难和海底远距离输送电能的困难。而上述系统有机地将动能水流发电和风能太阳能结合，大大地降低了建造固定安装成本，也大大降低了输送电能的成本和输送电能的损失，其结构简单，成本较低，可减少电能输送的损耗，这一优点对河流、海浪、潮汐发电尤其重要。

由于自然能源具有不稳定的特性，以风能为例，很特别的地方就是“风力发电机的出力与风速是三次方的关系”，即风速增大一倍，发电功率增大八倍，其电压、电流、频率、电量和输出电能很不稳定，尽管加入了三能互补和三能共同作功发电，在大容量的不稳定的风电并入电网时，仍然会引起电网电压的大幅度波动。这也是为什么在风速特别大时风力发电机需要快速卸载进行保护的原因，因为功率的变化幅度太大，速度又太快，如果不能够在极短的时间里“卸载”，超大的风能能量肯定会损坏机组。

为了避免“卸载”对电能的浪费，可使用蓄电池来储存过载的电能。但铅酸电池的功率容量有限，并且价格特别昂贵，大量的使用还有铅污染问题；镍氢电池与锂离子电池受限于这两种元素的数量和特别昂贵的价格的限制，也不能够采用；其它的储能方式，如压缩空气储能；飞轮储能等等都因为效率太低、容量太小，也不能使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、成本较低、有利于推广和保护环境的自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统，包括自然能源发电装置，还包括氢能电解水发生器，所述发电装置的电能输出端与所述电解水发生器在电路上相连接，用于电解经过预处理的海水或苦咸水产生氢气和氧气。

优选地，所述自然能源发电装置具体为水流海浪潮汐动能和风能太阳能发电装置，或单一的风能发电装置，或单一的太阳能发电装置，或太阳能风能互补发电装置。。

优选地，所述发电装置的电能输出端分成两条供电支路，其中一条供电支路直接并入电网；另一条供电支路与氢能电解水发生器在电路上相连接。

优选地，所述发电装置的电能输出端仅与氢能电解水发生器在电路上相连接而不并入电网。

优选地，所述电解水发生器的氢气输出端设有氢气储存器；所述电解水发生器的氧气输出端设有氧气储存器。

优选地，所述电解水发生器产生的氢气和氧气通过管道或交通工具进行输送。

优选地，进一步包括氢能燃料电池或氢能燃料发电器，其氢气进气端与所述氢气储存器的氢气输出端相连接，用于使用氢气和空气产生电能和水；所述氢能燃料电池或氢能燃料发电器在工作过程中所产生的水汇集于纯净水水箱。

优选地，所述氢气储存器中的氢气经过氢气液化装置后被制成液态氢，通过氢电同轴电缆同时输送液态氢和电能。

优选地，所述氢电同轴电缆的中心部分为用于输送液态氢的液态氢封闭管，所述液态氢封闭管的周围为用于输送电能的金属线，所述氢电同轴电缆的最外层为隔热、绝缘的防护层。

优选地，所述氢电同轴电缆的最外层为隔热、绝缘的防护层，其内腔为液态氢输送通道，内部分布有输送电能的金属线。

本发明针对水流海浪潮汐动能和风能太阳能发电装置的卸载和存储问题，设计了一套行之有效的综合应用系统，当发电装置产生的电能超过用电需要而需要卸载时，可利用多余的电能来电解海水或苦咸水，产生氢气和氧气，然后分别存储，使电能以氢的形式得以“卸载”和存储，氢气可以用管道或交通工具输送，类似于天然气输送，可通往城市，小镇，农村或海岛等需要用电的地方，然后由燃料氢电池以氢和空气为原料产生电能和清洁的水，将氢气重新转化为电能，氧气可以供给医用和富氧燃烧。

本发明即解决了水流海浪潮汐动能和风能太阳能发电装置发电的存储问题，又解决了海水或苦咸水节能淡化的问题。并且更进一解决了我国西部地区缺水少电的问题，因为由海水产生的氢气最轻，长距离管道输送氢气效益最高。可以将淡化的饮用水和电能通过输送氢气，运送到边远缺水的西部地区。本发明结构简单，成本较低，有利于推广和环境保护。

附图说明

图1为本发明第一具体实施方式的结构示意图；

图2为图1中氢电同轴电缆的切面结构示意图；

图3另一种氢电同轴电缆的切面结构示意图。

图中：

130.氢电同轴电缆    132.液态氢密封管    134.电源输送金属136.防护层

具体实施方式

本发明的核心是提供一种结构简单、成本较低、有利于推广和保护环境的自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本发明第一具体实施方式的结构示意图。

如图所示，在此具体实施方式中，本发明所提供的自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统，包括水流海浪潮汐动能和风能太阳能发电装置。

该发电装置包括风能发电机、太阳能发电组和水流动能发电机组三部分，三能互补，三能共同做功发电获得大量的电力，其电能输出端分成两条供电支路，其中一条供电支路直接并入电网，另一条供电支路与电解水发生器在电路上相连接，输出的电流输入到氢能电解发生器中，用于电解经过预处理的海水或苦咸水产生氢气和氧气。

电解发生器是质子交换膜电解发生器，使用海水或苦咸水(直接取至于受污染的河流)作为水源，经过超微过滤预处理的苦咸水进入电解发生器，每小时可以产生1.42标准立方英尺的氢气和12.6立方英尺的氧气，电解水发生器的氢气输出端设有氢气储存器、氧气输出端设有氧气储存器，可同时存储氢气和副产品气。

当然，氧气也可以直接释放到大气中。

本实施案例中的氢气存储罐可存储200-400立方英尺的氢气，直接储存在氢气存储罐中的氢气，进入氢能燃料电池或氢能燃料发电器。由氢能燃料电池或氢能燃料发电器使用氢气产生电能和洁净水。本实施案例中的氢能燃料电池或氢能燃料发电器的输出电量为80-600瓦，用电持续时间以200立方英尺的氢气存储来说，500瓦可运行14小时，100瓦可运行超过24小时。氢能燃料电池或氢能燃料发电器使用氢气产生的洁净水，存入洁净水水箱。本实施案例每小时最多可以产生出830加仑的洁净水，每天24小时可以产生20000加仑的洁净水。

一般而言，本发明所生产的氢气和氧气可以当地使用，但有时与用电和用水的用户也会有一定的距离，需要用电时和在需要用电的地方以及需要用水时和用水的地方产生电能和清洁纯净的水，同样也是我们的目的。这就存在氢气输送的需求。按照氢在输运时所处状态的不同，可以分为气氢输送、液氢输送和固氢输送。其中前两者是目前正在大规模使用的两种方式。根据氢的输送距离、用氢要求及用户的分布情况，气氢可以用管网，或通过高压容器装在车、船等运输工具上进行输送。管网输送一般适用于用量大的场合，而车、船运输则适合于量小、用户比较分散的场合，液氢、固氢输运方法一般是采用车船输送。

经过管道输送氢是最有效的长距离输送方法。目前管道输送过程中的氢损失率要比同样距离输电过程能量损失率(约7.5～8％)高。氢气的输送之所以效率低，原因在于储氢密度太低。目前各种输送氢气的方法实际是输送储存的氢。如果储氢密度提高了，输送氢气的效率自然也就提高。本发明公开了一种氢电同轴电缆的输送技术，可大幅度提高能量(氢能和电能)输送效率。

请参考图2，图2为图1中氢电同轴电缆的切面结构示意图。

氢气储存器中的氢气经过氢气液化装置后被制成液态氢，并通过氢电同轴电缆同时输送液态氢和电能。如图所示，氢电同轴电缆130的中心部分为用于输送液态氢的液态氢封闭管132，液态氢封闭管132的周围为用于输送电能的金属线134，氢电同轴电缆的最外层为高度隔热、绝缘的防护层136。电缆中心的部分输送液态氢，同时利用液态氢极低的温度保持外层金属线处于超导状态，因为没有电阻，电流通过就不会发热，能够大规模输送电能，大大减少输电的损耗。

传统的高压远距离输电过程能量损失率约为7.5～8％，利用氢电同轴电缆可降低为2％左右；同样距离输送液态氢过程能量损失率约为10-12％，由于液态氢的重量轻，在电缆中心的挥发也少，有利于减少液态氢的损耗，远距离输输液态氢可降低为4％左右。氢电同轴电缆的最外层是高度隔热、绝缘的防护层。这样整个氢电同轴电缆的内部都保持在极低的温度状态，即唯持了氢气的液态，又同时使外层金属线处于超导状态。

请参考图3，图3另一种氢电同轴电缆的切面结构示意图。

如图所示，该氢电同轴电缆130并未使用液态氢封闭管，其最外层为高度隔热、绝缘的防护层136，内层周围均匀分布输送电能的金属线134，整个液态氢与输送电能的金属线134处于同一输送通道中，更大的提高了保持液态氢的极低温度状态，同时也使外层金属线处于超导状态，使电阻更低，更能够大大减少输电的损耗，而且外层金属线也对液态氢起到很大的保护作用。

在上述实施例中，所产生的氢气可以作为储存电能的方法，解决了蓄电池容量太小的难题。并且产生的氢气储存在氢气罐中，所产生的氢气可以在当地或被管道或交通工具(车载或船载)输送到目的地后，氢气可以直接由氢能燃料电池或氢能燃料装置产生电能和纯净的水，也可以作为厨房用燃烧气体，或用作烧烤燃料，或作为外源式发动机(斯特林发动机)燃烧气体或燃料，所产生的氧气可以直接用于医院、家庭使用，也可以直接用于富氧燃烧或其它用途。

总之，不论是使用管道和交通工具(车载或船载)输送氢，还是使用多层氢电同轴电缆输送氢，达到用户所在地或需要使用洁净的饮用水的地方，氢气最终都进入氢能燃料电池或氢能燃料发电器。

使用质子交换膜燃料电池(PEMFC)，氢气和氧气分别到达电池的阳极和阴极，在膜的阳极一侧，氢气在阳极催化剂的作用下解离为氢离子(质子)和带负电的电子，氢离子以水合离子的形式，在质子交换膜中从一个磺酸基转移到另一个磺酸基，穿过质子交换膜，最后到达阴极，实现质子导电。与此同时，阴极的氧分子与催化剂激发产生的电子发生反应，变成氧离子，在阳极带负电终端和阴极带正电终端之间产生了一个电压。如果此时通过外部电路将两极相连，电子就会通过回路从阳极流向阴极，从而产生电流。同时，氢离子与氧离子发生反应生成水，就是洁净的水。从海水电解产生氢，因此得到洁净水，就是海水淡化。使用高污染地区的苦咸水电解产生氢，得到的洁净水，就是农村安全饮用水。

使用氢电同轴电缆输送技术，可以将饮用水和电力，通过输送氢气，长运送到边远缺水和缺电的地区，在达到使用当地后，才产生电能和饮用水。

即使用水流海浪潮汐动能和风能太阳能发电装置产生的电能淡化海水和苦咸水，使其达到饮用水的指标。并且可以长距离管道输送氢气达到西部边远地区，在当地产生电能和清洁的水源。节省大量的输电耗电费用和节省大量的输送水的费用，因为由海水或苦咸水所产生的氢气最轻，输送氢气的管道压力不高，管道的强度不用太高，长距离管道输送氢气效益最高。可以将淡化的饮用水和电力，通过输送氢气，运送到边远缺水和缺电的地区。目前我国农村安全饮水工作目标已经确定：“十一五”期间重点解决高氟水，高砷水，苦碱水，污染水等饮水水质不达标地区以及饮用水供应严重不足地区6000-8000万人的饮水安全问题，该技术的使用将会大大改变我国的能源和水源格局和分布。

本发明所使用的海水是用于淡化海水作为饮用水、中水或其它用途的水源；所使用的苦咸水是用于农村或其它缺水地区作为饮用水、中水或其它用途的水源；所述使用的污水(任何形式的污染及河流、地表水或地下水)是用于农村或其它缺水地区作为饮用水、中水或其它用途的水源。

本发明可以安装在任何固定的地点，如陆地，岛屿，港口，码头，海域等等；也可以安装在任何移动的物体，如车辆，火车，和各种陆上交通工具；轮船，军舰，和各种陆上交通工具；飞机，飞船和各种空中交通工具。

本发明所涉及到的“氢能技术”已被列入《科技发展“十五”计划和2015年远景规划(能源领域)》。氢能所具有的清洁、无污染、效率高、重量轻和储存及输送性能好、应用形式多等诸多优点，赢得了人们的青睐。利用氢能的途径和方法很多，例如：航天器燃料、氢能飞机、氢能汽车、氢能轮船、氢能发电、氢介质储能与输送，以及氢能空调、氢能冰箱等等，有的已经实现，有的正在开发，有的尚在追求和探索。随着科学技术的进步和氢能系统技术的全面进展，氢能应用范围必将不断扩大，氢能将深入到人类活动的各个方面，直至走进千家万户。

这里需要说明的是，海水(或苦咸水)淡化方法很多，生产出的淡水也风味各异，但以经济合算的标准衡量，仍然不尽如人意。表面看海水淡化很简单，只要将咸水中的盐与淡水分开即可。最简单的蒸馏法，将水蒸发而盐留下，再将水蒸气冷凝为液态淡水。另一个海水淡化的方法是冷冻法，冷冻海水，使之结冰，在液态淡水变成固态的冰的同时，盐被分离了出去。一种新的海水淡化方式就是反渗透法。这种方法利用半透膜来达到将淡水与盐分离的目的。这三方法都有难以克服的弊病。蒸馏法会消耗大量的能源，得到的淡水却并不多。冷冻法同样要消耗许多能源，得到的淡水却味道不佳，难以使用，反渗透法尽管能源消耗少，但建造价格和运行成本非常昂贵。

氢能源方式是一种最干净和最环保可以循环的可大规模利用的能源方式。将水进行电解就可以得到氢和氧两种气体。以前传统的技术要消耗5度电才能够电解出1立方米氢气，本发明利用的技术只需要2.5度电能就可电解产生1立方米的氢气，并且使用的是取之不尽、用之不竭的水流海浪潮汐动能和风能太阳能，利用大规模的水流海浪潮汐动能和风能太阳能进行大规模的电解水制氢，会得到大量的最干净的能源----氢气，1公斤水电解后不但可以得到1/9公斤的氢气(1立方米)并且还可以得到8/9公斤的氧气(0.45立方米)和0.3/10公斤的海盐和氯碱。有了大规模的氢气能源，就能够实现大规模的能量储存，解决现有模式的电能储存难题并且不会对环境有任何影响。

氢气能源可以长时间储存、可以管道长距离输送，可以直接用来大规模发电，更可以提供给汽车、火车、飞机、轮船等移动的交通运输工具使用，氢气燃烧利用后除产生能量外，只产生水蒸气，冷凝后就是纯水，是最清洁、最环保的能源。这里，氢只是能量的中间状态，起到了转换能量的作用，将巨大的自然能源，通过发电→电解海水→制氢制氧→氢气能源→发电、制热、炊事、取暖、交通工具使用等过程后又变成了水，这些水返回到大自然的水系统循环中为下一次的能量转换循环中再利用。

水流海浪潮汐动能和风能太阳能发电装置所产生的电能只需进行最简单的变压、整流处理，将电压通过变压器调整到所需电压，交流电整流为直流电即可，不需要昂贵的高精度的电子、电能调控设备，同时无论什么样的发电量，只要发电机发电就能够利用，发电量小时电解的氢气数量较少，发电量大时产生的氢气就很多，在整个的发电制氢过程中所有的电能都可以全部的转化为氢气，只是转化的快慢不同而已。这样的制氢风力发电机组最少比并网机组便宜一半甚至更多，仅以风电制氢模式为例，风电制氢模式要比风电并网模式的电能利用效率高4倍以上，也就是说，“1台1000千瓦的风力发电机组，进行风电制氢模式时产生的真正有价值的能源，大于或者等于4台1000千瓦的风力发电机组并网模式机组”。不仅如此，风电制氢模式对风力发电机组简化控制方面还有特别好的辅助性能：制氢电解设备与风力发电机组连接后在制氢时实际上就成了机组的“功率阻尼器”(也可以叫电力制动器)，随时在调整风力发电机的“出力”(功率输出)，风速变大时这些电能功率会自动的加大产氢气的数量，风速变小时可以“随时减少机组的出力”降低产氢气的数量。

电解制氢方式可以迅速的对功率进行快速大幅度的调整，比如1台机组供应3台制氢电解罐，在小风、中风时只需要有1台电解罐工作即可，大风时2台罐工作，在电解时风速变化小时仅仅是产氢气的速度变化，风速瞬间变大为台风时，3台电解罐同时工作在最大负荷状态，利用“电力制动”效应拖住风机不致发生“飞车”，机组需要进行“偏头调速”(风力发电机的效果最好的调速方式，只是调速时间长)时在“电力制动”的制动力的“柔性刹车”作用下，机组有充裕的时间保证安全偏头调速进行安全停机，这也是并网机组无法实现的特点。

从整个的经济效益方面分析，不仅产出巨大，而且可以大幅度的降低风力发电机的制造成本，比如“千万千瓦级规模的风电场”如果采用并网模式大概得投入1000亿元，而采用制氢模式时，仅机组的制造成本就可以降低到300亿元甚至更少，且管理运行费用也比并网模式低很多。

因此，风电制氢并不是仅仅提供一种能源，而是不但提供了大量的氢能源，还提供和产出多种有直接经济效益的产品和大幅度的降低了风力发电机组的制造成本，而是有很好的经济效益和很好的环保效益的模式。

更有意义的是切实的达到了大量减少二氧化碳的目的，从能源总量上看，利用取之不尽用之不竭的大规模风能转化为氢能源，同样是利用取之不尽用之不竭的大量海水，海水在能量的转换中扮演了能量转换的中间角色，进行了大量能源的转换，尤其是氢能源有可储存、可调节的特点，很方便人们的使用，使用后又复原为水(还是纯水)，可以继续在风电的电解下进行下一个循环、分解、利用。

以上对本发明所提供的自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统，包括自然能源发电装置，其特征在于，还包括氢能电解水发生器，所述发电装置的电能输出端与所述氢能电解水发生器在电路上相连接，用于电解经过预处理的海水或苦咸水产生氢气和氧气。

2.根据权利要求1所述的自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统，其特征在于，所述自然能源发电装置具体为水流海浪潮汐动能和风能太阳能发电装置，或单一的风能发电装置，或单一的太阳能发电装置，或太阳能风能互补发电装置。

3.根据权利要求2所述的自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统，其特征在于，所述发电装置的电能输出端分成两条供电支路，其中一条供电支路直接并入电网；另一条供电支路与氢能电解水发生器在电路上相连接。

4.根据权利要求2所述的自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统，其特征在于，所述发电装置的电能输出端仅与氢能电解水发生器在电路上相连接而不并入电网。

5.根据权利要求3或4所述的自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统，其特征在于，所述电解水发生器的氢气输出端设有氢气储存器；所述电解水发生器的氧气输出端设有氧气储存器。

6.根据权利要求5所述的自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统，其特征在于，所述氢能电解水发生器产生的氢气和氧气通过管道或交通工具进行输送。

7.根据权利要求5所述的自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统，其特征在于，进一步包括氢能燃料电池或氢能燃料发电器，其氢气进气端与所述氢气储存器的氢气输出端相连接，用于使用氢气和空气产生电能和水；所述氢能燃料电池或氢能燃料发电器在工作过程中所产生的水汇集于纯净水水箱。

8.根据权利要求5所述的自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统，其特征在于，所述氢气储存器中的氢气经过氢气液化装置后被制成液态氢，通过氢电同轴电缆同时输送液态氢和电能。

9.根据权利要求8所述的自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统，其特征在于，所述氢电同轴电缆的中心部分为用于输送液态氢的液态氢封闭管，所述液态氢封闭管的周围为用于输送电能的金属线，所述氢电同轴电缆的最外层为隔热、绝缘的防护层。

10.根据权利要求8所述的自然能源发电及电解海水或苦咸水的综合应用系统，其特征在于，所述氢电同轴电缆的最外层为隔热、绝缘的防护层，其内腔为液态氢输送通道，内部分布有输送电能的金属线。

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