CN113529118A - 电解装置 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种电解装置（1），包括：多个电解单元（11U），其中每个电解单元（11U）包括电解池（11）以及被配置成针对该电解池（11）提供DC功率（UDC，IDC）的AC‑DC功率转换器（110）；多个电解组装件（11A），其中每个电解组装件（11A）包括多个电解单元（11U）；至少一个风力涡轮机（10），包括具有多个电枢绕组（10W）的发电机（10G），其中每个电枢绕组（10W）向一个电解组装件（11A）提供AC功率；以及转换器单元控制器（11C），其被配置成基于发电机（10G）的功率输出来调节电解单元（11U）的AC‑DC功率转换器（110）。本发明进一步描述了一种操作这种电解装置的方法。
Description
技术领域
本发明描述了一种电解装置、以及一种操作电解装置的方法。
背景技术
电解池（electrolytic cell）使用电力（electricity）从自然存在的物质中分离元素。例如，可以从水中分离出来氢气和氧气。二氧化碳的电解转换可以用于生产各种商业产品，诸如甲烷或乙烯。
电解需要DC电压和电流。然而，电解厂（electrolytic plant）一般由AC电网的电力来供电。因此，电解的总效率由电解厂处的各种变换阶段（例如，降压（step-down）变换和AC-DC转换）来确定。
出于环境原因，使用可再生能源来代替化石燃料是合期望的。风能作为电源正变得越来越普遍，并且来自许多海上风电场的电力正被馈送到电网中。这意味着，附加的变换阶段（例如，风力涡轮机级别下的AC-DC-AC转换、风力涡轮机级别下的升压变换、风力发电场级别下的升压转换、配电网络级别下的降压变换）进一步降低了电解的总效率。
要考虑的另一个方面是风力的波动性质。在低风速或风暴条件下，风力发电场可能无法输送足够的功率。在这种时间期间，输送到电解设施的电力可能源自于不可再生源。
因此，本发明的目的是要提供一种用于执行电解的更高能效的方式。
该目的通过权利要求1的电解装置、以及通过权利要求13的操作这种电解装置的方法来实现。
发明内容
根据本发明，该电解装置包括：多个电解单元，其中每个电解单元包括电解池以及被配置成针对该电解池提供DC功率的AC-DC功率转换器；多个电解组装件，其中每个电解组装件包括多个电解单元；至少一个风力涡轮机，包括具有多个电枢绕组的发电机，其中每个电枢绕组向一个电解组装件提供AC功率；以及转换器单元控制器，其被配置成基于发电机的功率输出来调节电解单元的AC-DC功率转换器。
如在本发明的上下文中使用的，电解单元可以理解为包括一个或多个电解池。其中两个或更多个电解池由公共电源驱动的装置一般被称为“电解堆”。在下文中，术语“电解池”、“池”、“电解堆”和“ 堆”可以互换地使用。
在本发明的上下文中，应理解的是，电解装置的风力涡轮机专用于执行电解，即，由该风力涡轮机生成的任何电功率将基本上专门用于驱动电解单元。换句话说，本发明电解装置的风力涡轮机不用于销售电力的常规目的，并且电力仅用于“本地”消耗。虽然由本发明电解装置的风力涡轮机生成的电功率将基本上专门用于驱动电解单元，但是应理解的是，由风力涡轮机生成的电功率的相对小的一小部分将用于向风力涡轮机的各种组件（诸如，冷却系统、空调系统、风力涡轮机控制器）等供电。
本发明电解装置的优点是AC-DC功率转换器可以被单独控制，以便以最佳方式来分配可用功率。发电机的功率输出可以由风力涡轮机控制器（WTC）或发电场控制器来确定，该风力涡轮机控制器（WTC）或发电场控制器可以相应地通知转换器单元控制器。例如，取决于可用功率（其进而可能在很大程度上取决于风速），特定数量的电解池可以以全容量进行操作，从而让所有其他的池“关闭”；所有电解池可以以全容量的一小部分进行操作；一些电解池可以以全容量进行操作，而其他电解池以部分容量进行操作等等。以此方式，可以优化电解装置的效率。
根据本发明，操作这种电解装置的方法包括以下步骤：操作风力涡轮机的发电机以在其一个或多个电枢绕组中生成AC功率，并且基于所生成的AC功率，调节连接到那些绕组的电解组装件的电解单元的AC-DC功率转换器。
本发明方法的优点是可以非常高效地使用可用的风能。确定在特定风力条件下风力涡轮机能生成多少功率是相对容易的，并且该信息被本方法用来确定可用功率的最佳分配。
从属权利要求给出了本发明的特别有利的实施例和特征，如以下描述中所揭示的。不同权利要求类别的特征可以适当地组合，以给出本文中没有描述的进一步实施例。
在下文中，术语“电解单元”和“单元”可以互换地使用。类似地，术语“电解组装件”和“组装件”可以互换地使用。
电解需要足够高的DC电流。在本发明的优选实施例中，电解单元的AC-DC功率转换器包括DC电流控制器，该DC电流控制器被配置成控制对应电解堆中的电流密度，该电流密度确定了电催化转换速度。在本发明的特别优选的实施例中，电解单元的AC-DC功率转换器被配置成将DC功率调节到该电解单元的电解池的额定容量的任何百分比。根据本发明，AC-DC功率转换器由转换器单元控制器来控制。转换器单元控制器向电解单元的AC-DC功率转换器发出控制信号。每个AC-DC功率转换器接收如下信号：该信号指定了其电解单元要以其操作的额定容量的百分比，例如以100%、以50%、以25%、以0%等。
本发明电解装置可以以任何合适的规模来实现。唯一重要的约束是发电机绕组必须能够提供足够的功率，以使得电解单元的AC-DC功率转换器能够输送所需的分解电势（decomposition potential）。考虑到这一约束，应理解的是，即使是相对较小类型的风力涡轮机也可以用于驱动若干个小容量的电解单元或组装件。然而，在不以任何方式约束本发明的情况下，在下文中可以假设，本发明电解装置的风力涡轮机是当今风力发电场中最常用类型的水平轴风力涡轮机。这种风力涡轮机可以具有几兆瓦数量级的额定功率输出，并且可以驱动多个高容量电解单元以用于大规模电解。本发明电解装置可以利用任何数量的专用风力涡轮机，例如，它可以在使用专用于执行电解的多个风力涡轮机的风力发电场配置中实现。
根据本发明，每个风力涡轮机具有若干个并行的独立绕组。这些中的每一个可以驱动单独的电解组装件。在本发明的优选实施例中，风力涡轮机的发电机包括至少两个电枢绕组。例如，8 MW风力涡轮机可以构造成具有两个绕组、四个绕组或任何优选数量的绕组。
一种电解组装件可以包括单个电解单元。在这种实现中，为了不超过电解单元的容量，可能需要限制功率转换器的DC输出。因此，在本发明的优选实施例中，每个电解组装件包括多个电解单元，该多个电解单元具有基本上与对应发电机绕组所能提供的功率相匹配的总容量。例如，在双绕组8 MW风力涡轮机的情况下，电解组装件可以包括四个单元，每个单元具有2 MW的电解池/堆。
当风力涡轮机以其额定功率操作时，它能够驱动所有负载，即，它可以驱动所有的电解组装件。在较低的风力条件下，风力涡轮机将在其额定功率以下进行操作，并且可能无法提供足够的功率来驱动所有电解组装件。本发明方法的优选实施例包括以下步骤：确定风力涡轮机的发电机的功率输出；选择将由可用功率驱动的多个电解单元；以及调节所选电解单元的AC-DC功率转换器，例如通过向对应的AC-DC功率转换器发出控制信号以将DC功率增加到每个单元的额定容量的100%。
其余单元是不活动的，例如通过向对应的AC-DC功率转换器发出控制信号以将DC功率降低到零。这些单元可以稍后恢复电解转换的过程，例如当风速增加时。
在本发明的进一步优选实施例中，该电解装置包括：在每个电枢绕组与其电解组装件之间的开关、以及被配置成致动开关的开关控制器。出于各种原因，例如为了减少空载损耗、或者为了隔离有缺陷的组件（例如，为了隔离有故障的功率转换器或有故障的电解单元），开关可能需要被断开，以便将该系统仅限制于可操作的组件。
在本发明的优选实施例中，电解池被构造成执行水到氢气和氧气的电催化转换。本发明的方法可以被应用于氢气的大规模高效生产，氢气具有各种商业用途，例如为燃料池供电。
水的电解需要对水进行净化，以去除诸如盐之类的污染物。因此，当使用海上风力涡轮机来实现本发明电解装置时，其进一步包括用于使海水脱盐的脱盐模块。脱盐模块可以实现为多级闪速蒸馏模块、多效蒸馏模块、真空蒸汽压缩蒸馏模块等，并且可以包括用于对脱盐后的水进行净化和去离子化的另外组件。这种脱盐模块的输出是适于馈送给电解堆的净化后的水。
在替代的优选实施例中，可以实现电解池，以执行大气二氧化碳到诸如甲烷、乙烯、乙烷等之类的气体的电催化转换。
为了对向电解单元提供输入（净化后的H2O、大气CO2等）的设备进行供电、以及为了对其他辅助风力涡轮机设备进行供电，本发明电解装置还可以包括专用电源，诸如以常规方式用于生成电力的附加风力涡轮机。然而，在本发明的优选实施例中，由发电机产生的一部分电功率可以用于根据需要向这种设备供电，而该风力涡轮机的剩余电功率用于驱动电解组装件。
在本发明电解装置的一个实施例中，电解组装件的电解单元可以执行相同类型的电解（例如，净化后的水到H2和O2），并且可能全部具有相同的容量；此外，电解组装件可以全部基本上相同。然而，这种实施例不是一种要求，并且本发明电解装置可以用任何可行的电解单元配置来实现，例如利用不同容量和/或不同类型的电解的混合。
附图说明
从结合附图考虑的以下详细描述中，本发明的其他目的和特征将变得明显。然而，应理解的是，附图仅仅是为了说明的目的而设计的，而不是作为对本发明的限制的定义。
图1-3示出了本发明电解装置的实施例。
在示图中，相似的数字始终指代相似的对象。示图中的对象不一定按比例绘制。
具体实施方式
图1-3示出了简化的框图，以说明本发明电解装置1。如图3中所示，电解装置1可以包括若干个海上风力涡轮机10。图1示出了一个这种风力涡轮机的发电机10G，例如具有两个绕组10W的8 MW发电机10G。因此，当风力涡轮机正在以其额定输出运行时，每个绕组10W可以生成高达4 MW的AC功率。
每个绕组10W借助于开关S连接到电解组装件11A。开关由开关控制器SC来控制。
一起构成电解组装件11A的组件共同地由用虚线绘制的边界矩形来指示。每个电解组装件11A包括多个电解单元11U，每个电解单元具有AC-DC功率转换器110和电解池11或堆11。一起构成电解单元11U的组件共同地由该示图的下部处的边界矩形（用虚线绘制）来指示。
转换器单元控制器11C发出针对每个AC-DC功率转换器110的控制信号110C。针对功率转换器110的控制信号110C指定要提供给对应池11的额定功率的小部分。转换器单元控制器11C可以从风力涡轮机控制器或类似装置接收数据D（例如，正在生成的额定功率的量），以便确定可以在电解组装件11A之间分配的可用功率。每个AC-DC功率转换器110将AC输入转换成由其从转换器单元控制器11C接收到的控制信号110C所确定的水平下的DC电压UDC和DC电流IDC。
电解堆11被馈送有输入材料11_in，并且其输出11_out可以是一种或多种产品。例如，在添加了合适电解质的情况下，可以对净化后的水11_in进行水电解，并且在这种情况下，输出11_out是氢气H2和/或氧气O2。
在任一时间处可以可操作的电解堆11的数量将取决于可用功率，可用功率进而取决于风速。图2示出了具有发电机10G的简化实施例，发电机10G具有两个绕组10W，每个绕组驱动电解组装件11A，并且每个电解组装件11A包括两个电解单元11U。这两个电解组装件标记为11A:1和11A:2；第一电解组装件11A:1的两个电解单元标记为11U:1a和11U:1b；第二电解组装件11A:2的两个电解单元标记为11U:2a和11U:2b。可用功率可以在电解单元当中分配，使得实现最佳利用。下表说明了示例性分配：
在100%容量下，发电机的功率输出均匀地分配在两个电解组装件上。在全发电机功率下，每个电解单元11U由可用功率的25%来驱动。
第二行说明了其中风速下降使得发电机功率输出降低到60%的情形。在此处，可用功率被分配成使得第一电解组装件11A:1由全功率的36%来驱动，而第二电解组装件11A:2由全功率的24%来驱动。第一电解组装件11A:1的电解单元11U:1a和11U:1b分别以全功率的20%和16%来驱动，而第二电解组装件11A:2的电解单元11U:2a和11U:2b均以全功率的12%来驱动。
第三行说明了其中风速甚至进一步下降使得发电机功率输出降低到40%的情形。该功率是在单个绕组中生成的。在此处，第二电解组装件11A:2被“移除”，例如通过断开对应的开关、或通过向转换器单元控制器发出适当的控制信号。可用功率专用于第一电解组装件11A:1，并且其电解单元11U:1a和11U:1b分别以全功率的20%和20%来驱动。
该表的第四行说明了其中风速甚至进一步下降使得发电机功率输出降低到20%的情形。同样，该功率是在单个绕组中生成的，并且第二电解组装件11A:2保持断开。可用功率专用于第一电解组装件11A:1，但是仅仅足以高效地驱动单个电解单元11U:1a。另一个电解单元11U:1b未被驱动。
图3示出了本发明电解装置1的进一步的实施例。在此处，该示图指示了例如在风力发电场配置中的若干个风力涡轮机10。电解组装件11A的集合输出11_out被馈送到管道15中，例如用于将氢气运输到岸上设施的加压氢气管道。
尽管已经以优选实施例以及其上的变型的形式公开了本发明，但是将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行许多附加的修改和变化。例如，风力涡轮发电机可以具有向单个电解组装件提供功率的单个绕组。在这种实现中，当有足够的风能来驱动完整的电解组装件时，可以执行电解。
为了清楚起见，应理解的是，遍及本申请对“一”或“一个”的使用不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。对“单元”或“模块”的提及并不排除对多于一个单元或模块的使用。
Claims (15)
1.一种电解装置（1），包括
- 多个电解单元（11U），其中每个电解单元（11U）包括电解池（11）以及被配置成针对该电解池（11）提供DC功率（UDC，IDC）的AC-DC功率转换器（110）；
- 多个电解组装件（11A），其中每个电解组装件（11A）包括多个电解单元（11U）；
- 至少一个风力涡轮机（10），包括具有多个电枢绕组（10W）的发电机（10G），其中每个电枢绕组（10W）向一个电解组装件（11A）提供AC功率；以及
- 转换器单元控制器（11C），其被配置成基于发电机（10G）的功率输出来控制电解单元（11U）的AC-DC功率转换器（110）。
2.根据权利要求1所述的电解装置，其中AC-DC功率转换器（110）被配置成提供对应电解池（11）的额定DC功率的百分比。
3.根据权利要求1或2所述的电解装置，其中转换器单元控制器（11C）被配置成调节电解单元（11U）的AC-DC功率转换器（110），以将可用功率分配在最佳数量的电解单元（11U）上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，其中电解单元（11U）的AC-DC功率转换器（110）是被配置成控制电解单元（11U）的电流密度的DC电流控制器（111）。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，包括：在每个电枢绕组（10W）与其电解组装件（11A）之间的开关（S）、以及被配置成致动所述开关（S）的开关控制器（SC）。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，其中每个电解组装件（11A）包括至少两个电解单元（11U）。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，其中电解池（11）被构造成执行水到氢气和氧气的电催化转换。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，包括脱盐模块，所述脱盐模块被配置成使海水脱盐以获得用于电解池（11）的水。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，其中电解池（11）被构造成执行二氧化碳到另外气体的电催化转换。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，其中发电机（10G）包括至少两个电枢绕组（10W）。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，其中风力涡轮机（10）的发电机（10G）进一步被配置成向电解装置（1）的另外组件提供功率。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电解装置，包括多个风力涡轮机（10）。
13.一种操作根据权利要求1至12中任一项所述的电解装置（1）的方法，包括以下步骤：
- 操作风力涡轮机（10）的发电机（10G）以在其一个或多个电枢绕组（10W）中生成AC功率，并且基于所生成的AC功率，
- 调节连接到那些绕组（10W）的电解组装件（11A）的电解单元（11U）的AC-DC功率转换器（110）。
14.根据权利要求13所述的方法，包括以下步骤：
- 确定风力涡轮机（10）的发电机（10G）的功率输出；
- 选择要由可用功率驱动的多个电解单元（11U）；以及
- 调节所选电解单元（11U）的AC-DC功率转换器（110）。
15.根据权利要求13或14所述的方法，包括以下步骤：断开电枢绕组（10W）与其电解组装件（11A）之间的开关（S）以隔离有故障的组件（110，11U）。
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