CN105308309A - 基于势能的发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于势能的发电系统，其包括：泵和第一贮存池，从可再生能源发电源或剩余电源接收电源，以使通过将地表面的水输送至建筑物的上部而确保规定的势能；小型水力发电单元，由小型水力发电涡轮机和第二发电机组成，降落所述第一贮存池的水，由此将势能转换为电力；第二贮存池，位于建筑物的地下以确保附加的势能，且贮存经过所述小型水力发电涡轮机的水；电解装置，对从所述小型水力发电单元产生的电力以及从所述可再生能源发电源或所述剩余电源接收的电力进行电解，以便确保用于小型水力发电的所述第二贮存池的贮存空间，且分别生产、分离出氢气和氧气；燃料电池发电单元，由设置在所述第一贮存池的一侧的燃料电池、第一发电机组成，位于建筑物的上部并通过接收所述产生的氢气来产生电力，将生产的副产物水贮存在所述第一贮存池中。

Description

基于势能的发电系统
技术领域
本发明涉及一种基于势能的发电系统，尤其，涉及一种利用通过可再生能源发电源来生成的电力并以水的势能为媒介的基于势能的发电系统。
背景技术
一般地，对于不易贮存剩余能量的电力的贮存工具，以水为媒介并利用地形上的高低差，且每时间段利用有效的剩余电源来运行泵，由此将低处的水提到高处而贮存，当需要使用电力时，通过放水来运行放置在低处的涡轮机并获得电力的水力(或小型水力)发电系统作为难以实现剩余能源的贮存的电力贮存工具来说是一种很实用的技术。
尤其，当每时间段的电力的需求和供给的差距大时，利用剩余的电力来驱动泵而使水具有高势能之后，当产生合理需求时，通过排放高处的水而能够在一段时间稳定地生产电力，在这一点上，与具有间歇的电力生产特点的可再生能源的结合性也非常优异。
但是，在水量丰富的地方具备具有适当的高低差的地形且适于(小型)水力发电的地皮并不多，而且，设置并运营可实现大容量电力生产的规模的(小型)水力发电系统时，因所产生的环境问题、根据居民接受程度的民怨，以及送电至远离该合适的地皮的电力需求地点的问题等，因此，存在与其他发电系统(例：火力发电、复合发电系统等)相比其竞争力下降的缺点。
并且，在使具有低势能的媒介(水)重新具有高势能的过程中，由于利用必不可少的现有的泵来输送必然会伴随着损失，因此需要探索比利用现有的泵的势能确保技术更有效且在成本方面低廉的方案。
另一方面，授权专利10-0699115号公开了水电发电系统及通过水电发电系统来生产电力的方法。
并且，授权专利10-0802800号公开了有效回收在利用燃料电池生成电能的过程中所产生的热能并使用的燃料电池发电系统及其方法。
但是，通过所述发明无法解决所述问题，并且，至今没有能够解决所述问题的发电系统。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明是为了解决所述问题而提出的，其目的在于提供一种基于势能的发电系统，其通过利用非自然地形物，即利用规定高度以上的人工构造物(例如，高层建筑等)的势能的发电系统，最小化因电力产生处与需求处间的远距离所导致的损失。
并且，本发明的目的在于提供一种基于势能的发电系统，其通过设置在第一贮存池的一侧的燃料电池发电系统和设置在第二贮存池的一侧的电解装置的组合，相对于利用现有泵的水的势能施加方式，进行更有效的利用势能的发电。
(二)技术方案
为达到所述目的的本发明的基于势能的发电系统，其包括：泵和第一贮存池，从可再生能源发电源或剩余电源接收电源，以使通过将地表面的水输送至建筑物的上部而确保规定的势能；小型水力发电单元，由小型水力发电涡轮机和第二发电机组成，降落所述第一贮存池的水，由此将势能转换为电力；第二贮存池，位于建筑物的地下以确保附加的势能，且贮存经过所述小型水力发电涡轮机的水；电解装置，对从所述小型水力发电单元产生的电力以及从所述可再生能源发电源或所述剩余电源接收的电力进行电解，以便确保用于小型水力发电的所述第二贮存池的贮存空间，且分别生产、分离出氢气和氧气；燃料电池发电单元，由设置在所述第一贮存池的一侧的燃料电池、第一发电机组成，位于建筑物的上部并通过接收所述产生的氢气来产生电力，将生产的副产物水贮存在所述第一贮存池中。
而且，本发明还包括：电力转换器，接收外部电力(电网)或所述小型水力发电涡轮机的自主生产的电力并将其转换为直流；输送单元，其包括氢气输送管道和氧气输送管道，将所述生产的氢气和氧气分别输送至所述燃料电池和氧气贮罐。
优选地，本发明还包括供给管，从所述第一贮存池向所述小型水力发电单元供水，所述供给管包括用于调节落下水量的第二控制阀。
并且，优选地，用于向所述第一贮存池输送、贮存水的泵的驱动电力，其适用热电联产剩余电源或可再生发电电力。
并且，优选地，通过所述燃料电池的发电来生产的电力耦合到电网并输送，将副产物水贮存在所述第一贮存池中，从而以势能的形式被贮存并应用。
而且，所述氢气输送管道以双层管道的形状组成，向所述双层管道的内管充填氢气，且向所述双层管道的外管充填氮等惰性气体，由此对爆炸率高的氢气的输送提供稳定性。
并且，本发明的基于势能的发电系统在通过所述剩余电源和所述可再生能源的发电不理想且所述第二贮存池的贮存空间有效的情况下，从地上取水源向所述小型水力发电单元放水，此时，利用所产生的电力并通过所述电解装置对所述第二贮存池的水进行电解，从而驱动设置在所述第一贮存池的所述燃料电池而生产电力，与此同时，可实现能够确保所述第一贮存池的势能的运转。
而且，本发明的特征在于，所述可再生能源发电源用作将所述地上取水源输送至第一贮存池的泵的动力，当贮存在所述第一贮存池的容量达到规定容量以上时，通过向设置在地上(或地下)的所述小型水力发电单元排放贮存的水，实现规定期间的可预测的电力生产，此时，所产生的电力的一部分根据各个贮存池的贮存余力等运作条件而耦合到电网并进行销售，所述产生的电力的另外一部分对所述第二贮存池的水进行电解并将所产生的氢气(燃料)供给至燃料电池，同时降落所述第一贮存池的水，由此确保发电时必不可少的第二贮存池的贮存能力。
而且，本发明的特征在于，对具有低势能的所述第二贮存池的水进行电解，从而将液态水分离为氢气和氧气，当利用所述气体比空气轻的化学方面的特性，氢气和氧气在没用另外的动力源的条件下也能够容易地输送至上部。
并且，在所述电解装置中被电解后分离的氢气通过所述氢气输送管道输送至具有高势能的所述第一贮存池，由此作为设置在所述第一贮存池的一侧上的所述燃料电池的燃料而供给，在所述燃料电池中与空气中的氧气反应的氢气被转换成液态水而贮存在所述第一贮存池中，在所述过程中供给至所述燃料电池的氢气通过电化学反应来生产电力，作为副产物与热量一起生产液态水。
优选地，所述小型水力发电单元利用降落的水的势能将产生的电力的一部分传送至所述电网，且回收所述产生的电力的另外一部分并经过电力转换而供给至所述电解装置中以利用。
优选地，具备所述第二控制阀，以便根据所述第一贮存池或所述第二贮存池的有效贮存空间的确保与否，并通过直接从地上取水源向所述小型水力发电单元供水来实现势能发电，或者将贮存在所述第一贮存池的水降落至所述小型水力发电单元来实现利用最大势能的发电。
利用另外的所述氧气输送管道将由所述电解装置电解而生成的氧气贮存在所述氧气贮罐中后以利用。
(三)有益效果
如上组成的本发明利用可再生能源，在规定期间内可进行稳定的氢气生产以及向燃料电池炉的燃料供给，由此具有很大程度地改善燃料电池用燃料(氢气)供给中的可再生能源发电源的利用效用性的效果。
并且，本发明除了具有用于燃料电池发电的氢气生产及供给的目的之外还提供利用势能的进一步发电的多重发电功能，从而具有很大程度地改善整个系统的能量利用效率及其带来的运营经济效益的效果。
尤其，由于在大气压条件下氢气比空气轻很多，因此能够无动力地输送并达到任意的势能，因而适用在与势能的高度成比例的小型水力发电系统中，从而与利用现有泵的势能确保工具相比，能够很大程度地减小消耗动力的同时确保势能，因而本发明能够大幅提高通过小型水力发电的电力生产量，由此具有能够大幅改善整个系统的运营经济效益的效果。
附图说明
图1是示出本发明的基于势能的发电系统的结构的图。
图2是示出本发明的氢气输送管道的结构的图。
优选实施方式
下面参照附图对本发明的优选实施例进行说明。
图1是示出本发明的基于势能的发电系统的结构的图，图2是示出本发明的氢气输送管道的结构的图。
如图1所示，本发明的基于势能的发电系统包括：泵120和第一贮存池160，从可再生能源发电源或剩余电源接收电源，以使通过将地表面的水输送至建筑物的上部来确保规定的势能；小型水力发电单元500，由小型水力发电涡轮机170和第二发电机175组成，且通过降落所述第一贮存池160的水来将势能转换为电力；第二贮存池210，位于建筑物的地下以确保附加的势能，且贮存经过所述小型水力发电涡轮机170的水；电解装置200，对由所述小型水力发电单元500产生的电力以及从所述可再生能源发电源或所述剩余电源接收的电力进行电解，以便确保用于小型水力发电的所述第二贮存池210的贮存空间，且分别生产氢气和氧气并分离；燃料电池发电单元400，由设置在所述第一贮存池160一侧的燃料电池140、第一发电机145组成，且位于建筑物的上部并通过接收所述产生的氢气来产生电力，并将以副产物形式产生的水贮存在所述第一贮存池160中。
而且，本发明还包括：电力转换器180，接收外部电力(电网)或所述小型水力发电涡轮机170的自主生产的电力并将其转换为直流；输送单元300，其包括氢气输送管道600和氧气输送管道240，并且将生产的所述氢气和氧气分别输送至所述燃料电池140和氧气贮罐250。
优选地，本发明还包括供给管230，从所述第一贮存池160向所述小型水力发电单元500供水，所述供给管230包括用于调节落下水量的第二控制阀165。
并且，优选地，设置有用于从地上取水源100向所述第一贮存池160供水的泵120，且设置有用于调节这些水的供给量的第一控制阀110。
所述小型水力发电单元500的发电电力的一部分耦合到电网150并进行销售。
补充说明如下。
所述氢气输送管道600设置在所述电解装置200与所述燃料电池发电单元400之间，以便将从所述电解装置200供给的氢气燃料输送至所述燃料电池发电单元400，且所述氧气输送管道240设置在所述电解装置200与所述氧气贮罐250之间，以便将从所述电解装置200产生的氧气输送至所述氧气贮罐250。
优选地，用于向所述第一贮存池160输送、贮存水的泵120的驱动电力，其适用热电联产剩余电源或可再生发电电力，且通过所述燃料电池140的发电来生产的电力耦合到所述电网150并传送，且将副产物水贮存在所述第一贮存池160中，从而优选以势能的形式被贮存并应用。
并且，本发明的基于势能的发电系统在通过剩余电源和可再生能源的发电不太理想且所述第二贮存池210的贮存空间有效的情况下，从地上取水源向所述小型水力发电单元500放水，此时，利用所产生的电力并通过所述电解装置200对所述第二贮存池210的水进行电解，从而驱动设置在所述第一贮存池160的所述燃料电池140来生产电力，与此同时，能够实现可确保所述第一贮存池160的势能的运转。
如图2所示，所述氢气输送管道600以双层管道的形状组成，向所述双层管道的内管充填氢气，且向所述双层管道的外观充填氮等惰性气体，由此对爆炸率高的氢气的输送提供稳定性。
也不会扔掉在所述电解装置200中经过电解产生的氧气而贮存到设置在地上的另外的氧气贮罐250中，然后以另外目的有效地应用。
本发明的特征在于，可再生能源发电源用作将所述地上取水源100输送至第一贮存池160的泵120的动力，当贮存在所述第一贮存池160的容量达到规定容量以上时，通过向设置在地上(或地下)的所述小型水力发电单元500排放贮存的水，实现规定期间的可预测的电力生产。
本发明的特征在于，此时，所产生的电力的一部分根据各个贮存池的贮存余力等运作条件而耦合到所述电网150并进行销售，所述产生的电力的另外一部分对所述第二贮存池210的水进行电解并将所产生的氢气(燃料)供给至燃料电池140，同时降落所述第一贮存池160的水并进行发电，由此确保发电时必不可少的第二贮存池210的贮存能力。
而且，对具有低势能的所述第二贮存池210的水进行电解，从而将液态水分离成氢气和氧气，如果利用所述气体比空气轻的化学方面的特性，则氢气和氧气无需另外的动力源也能够容易地输送至上部。
在所述电解装置200中被电解后分离的氢气通过所述氢气输送管道600输送至具有高势能的所述第一贮存池160，由此作为设置在所述第一贮存池160的一侧的所述燃料电池140的燃料而供给，在所述燃料电池140中与空气中的氧气反应的氢气转换成液态水而贮存在所述第一贮存池160中，在所述过程中供给至所述燃料电池140的氢气通过电化学反应来生产电力，作为副产物与热量一起生产液态水。
优选地，所述小型水力发电单元500利用落下的水的势能将产生的电力的一部分传送至所述电网150，且回收所述产生的电力的另外一部分并经过电力转换而供给至所述电解装置中200并利用。
优选地，设有所述第二控制阀165，以便根据所述第一贮存池160或所述第二贮存池210的有效贮存空间的确保与否，并通过直接从地上取水源100向所述小型水力发电单元500供水来实现势能发电，或者将贮存在所述第一贮存池160的水降落至所述小型水力发电单元500来实现利用最大势能的发电。
利用另外的所述氧气输送管道240将由所述电解装置200电解而生成的氧气贮存在所述氧气贮罐250中后能够利用。
附图说明标记
100：地上取水源110：第一控制阀
130：剩余电源(可再生能源发电源)140：燃料电池
145：第一发电机150：电网
160：第一贮存池165：第二控制阀
170：小型水力发电涡轮机175：第二发电机
200：电解装置210：第二贮存池
250：氧气贮罐300：输送单元
400：燃料电池发电单元500：小型水力发电单元

Claims (14)

1.一种基于势能的发电系统，其包括：
泵和第一贮存池，从可再生能源发电源或剩余电源接收电源，以使通过将地表面的水输送至建筑物的上部而确保规定的势能；
小型水力发电单元，由小型水力发电涡轮机和第二发电机组成，降落所述第一贮存池的水，由此将势能转换为电力；
第二贮存池，位于建筑物的地下以确保附加的势能，且贮存经过所述小型水力发电涡轮机的水；
电解装置，对从所述小型水力发电单元产生的电力以及从所述可再生能源发电源或所述剩余电源接收的电力进行电解，以便确保用于小型水力发电的所述第二贮存池的贮存空间，且分别生产、分离出氢气和氧气；
燃料电池发电单元，由设置在所述第一贮存池的一侧的燃料电池、第一发电机组成，位于建筑物的上部并通过接收产生的所述氢气来产生电力，将生产的副产物水贮存在所述第一贮存池中。
2.根据权利要求1所述的基于势能的发电系统，其还包括：
电力转换器，接收外部电力(电网)或所述小型水力发电涡轮机的自主生产的电力并将其转换为直流；
输送单元，其包括氢气输送管道和氧气输送管道，将生产的所述氢气和氧气分别输送至所述燃料电池和氧气贮罐。
3.根据权利要求1所述的基于势能的发电系统，其特征在于，用于向所述第一贮存池输送、贮存水的所述泵的驱动电力，其适用热电联产剩余电源或可再生发电电力。
4.根据权利要求1所述的基于势能的发电系统，其特征在于，通过所述燃料电池的发电来生产的电力耦合到电网并输送，将副产物水贮存在所述第一贮存池中，从而以势能的形式被贮存并应用。
5.根据权利要求2所述的基于势能的发电系统，所述氢气输送管道以双层管道的形状组成，向所述双层管道的内管充填氢气，且向所述双层管道的外管充填氮等惰性气体，由此对爆炸率高的氢气的输送提供稳定性。
6.根据权利要求1所述的基于势能的发电系统，在通过所述剩余电源和所述可再生能源的发电不理想且所述第二贮存池的贮存空间有效的情况下，从地上取水源向所述小型水力发电单元放水，此时，利用所产生的电力并通过所述电解装置对所述第二贮存池的水进行电解，从而驱动设置在所述第一贮存池的所述燃料电池而生产电力，与此同时，可实现能够确保所述第一贮存池的势能的运转。
7.根据权利要求1或4或6所述的基于势能的发电系统，其特征在于，所述可再生能源发电源用作将所述地上取水源输送至所述第一贮存池的所述泵的动力，当贮存在所述第一贮存池的容量达到规定容量以上时，通过向设置在地上(或地下)的所述小型水力发电单元排放贮存的水，实现规定期间的可预测的电力生产，此时，所产生的电力的一部分根据各个贮存池的贮存余力等运作条件而耦合到所述电网并进行销售，所述产生的电力的另外一部分对所述第二贮存池的水进行电解并将所产生的氢气(燃料)供给至所述燃料电池，同时降落所述第一贮存池的水，由此确保发电时必不可少的所述第二贮存池的贮存能力。
8.根据权利要求1所述的基于势能的发电系统，其特征在于，对具有低势能的所述第二贮存池的水进行电解，从而将液态水分离为氢气和氧气，当利用所述气体比空气轻的化学方面的特性，氢气和氧气在没用另外的动力源的条件下也能够容易地输送至上部。
9.根据权利要求1或2所述的基于势能的发电系统，在所述电解装置中被电解后分离的氢气通过所述氢气输送管道输送至具有高势能的所述第一贮存池，由此作为设置在所述第一贮存池的一侧上的所述燃料电池的燃料而供给，在所述燃料电池中与空气中的氧气反应的氢气被转换成液态水而贮存在所述第一贮存池中，在所述过程中供给至所述燃料电池的氢气通过电化学反应来生产电力，作为副产物与热量一起生产液态水。
10.根据权利要求1所述的基于势能的发电系统，还包括供给管，从所述第一贮存池向所述小型水力发电单元供水。
11.根据权利要求10所述的基于势能的发电系统，其特征在于，所述供给管包括用于调节落下的水量的第二控制阀。
12.根据权利要求1或4所述的基于势能的发电系统，其特征在于，所述小型水力发电单元利用降落的水的势能将产生的电力的一部分传送至所述电网，且回收所述产生的电力的另外一部分并经过电力转换而供给至所述电解装置中以利用。
13.根据权利要求1或6或11所述的基于势能的发电系统，其特征在于，具备所述第二控制阀，以便根据所述第一贮存池或所述第二贮存池的有效贮存空间的确保与否，并通过直接从所述地上取水源向所述小型水力发电单元供水来实现势能发电，或者将贮存在所述第一贮存池的水降落至所述小型水力发电单元来实现利用最大势能的发电。
14.根据权利要求1或2所述的基于势能的发电系统，其特征在于，利用另外的所述氧气输送管道将由所述电解装置电解而生成的氧气贮存在所述氧气贮罐中后以利用。
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