JP2006502335A - 水力発電からの水素の生成 - Google Patents
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Abstract
上側高度源流を下側高度引水から分離する基礎構造を含む大規模な水素生成のために構成されるタービン設備。基礎構造は、源流に隣接する入口と引水に隣接する出口との間で延びる水路を定める。ランナーは、基礎構造により回転可能に支持され、入口と出口の中間の水路内に配置され、水路を通して流れる水がヘッド差の結果としてランナーの回転を引き起こす。発電機は基礎構造により支持され、ランナーが回転するにつれて電力を発生する回転軸によりランナーと連結される。電解漕は、電力を受けて水素を生成するために発電機と電気的に連結される。制御系は、残留水素貯蔵容量を検知し、追加の水素を生じるためのタービンを操作するか、最高の経済的戻りを与える電力を実用送信システムに提供するかどうかを決定するため、経済的比較分析を行なうことができる。
Description
本発明は水力発電からの水素生成の分野に関するものである。特に、本発明は大規模な水力発電ダム設備から水素の高容量生成に関するものである。さらに、本発明は、水力発電ダム設備が水素生成モードで操作する時を決定するため、経済的分析を行なう技術に関するものである。
今日、生産される大部分のエネルギーは、石油、石炭、天然ガスのような化石燃料から得られる。しかしながら、これらのエネルギー源は全て、公害、期間的欠点、燃料を抽出する費用増加を含む重要な欠点がある。昔は、核融合電力がこれらの問題に対して解答を提供できると考えられていたが、まだ、判明していない。存在する核施設を操作する安全性に関する重大な関心があるのみならず、安全輸送や使用済燃料の長期貯蔵の重大な問題がある。
対照的に太陽、風および水素エネルギー系は全て、比較的に安全で信頼できる利点を提供する。さらに、これらのテクノロジーは実質的に無尽蔵である源から電力を引き出す共通の利点を有する。しかしながら、これらのテクノロジーは困難がないとは言えない。例えば、これらのテクノロジーでの困難さは、基礎をなすエネルギー源（すなわち、風、日光、水）が有効さにおいて周期的変動があり、例えば、太陽は隠れ、風は静まり、水レベルは干ばつの延長期間により低下するからである。他の困難さは、前記のエネルギー源を捕らえる最良の場所が、度々、エネルギーを使用する場所から遠方にあるからである。これは、特に、大規模な水力設備の場合である。
伝統的に、たいていの風、太陽および水力設備（特に、大規模、商業上の操作）は、発生されるエネルギーを使用される場所へ移送するために実用送電系に依存する。しかしながら、これは、経済的観点から、発生されるエネルギーの最も効率的な使用ではないかも知れない。周知のように、風力タービン発電機または水力タービン発電機を実用送電系に連結することは、発電機でのある種の束縛を負わせる。例えば、発電機の電力は実用送電系供給部と同期（すなわち、位相おいて）されねばならない。同期された発電機により、実用供給周波数に正確に合わせるため、タービンのロータ速度を制御することにより同期は達成される。発生されるエネルギーの担体として単に実用送電系に依存する他の束縛は、同時に、追加電力を発生するための余分な容量がある送電系の低需要があるかも知れないことである。これが起こる時、捕らえることができるエネルギーは簡単に消費される。この問題を克服するために種々のエネルギー貯蔵系（例えば、電池貯蔵器、ポンプされる水素エネルギー貯蔵器）を利用できるが、そのような系は設置費用が比較的に高価で、繰り返されるエネルギー変換により系自体の効率ロスを生じる。
最大規模の太陽発電設備、風力発電設備および水力発電設備は、使用される場所へエネルギーを移送するために単に実用送電系に依存しているが、いくつかの設備は他の手段を使用する。特に、水素を生成するために水を電解して太陽設備、風力設備、水力設備からの電気エネルギーを使用することが知られており、水素は、典型的には燃料電池内で燃焼または使用される場所に収集され、オフサイトに移送される（例えば、車両、鉄道、船またはパイプラインによる）。一例として、米国特許第５５９２０２８号は、移送オフサイトのため、水を水素および酸素に電解する単極直流（ＤＣ）発電機を利用する風力発電系を開示する。他の例として、米国特許第４９１０９６３号は、電解ユニットおよび液体水素および液体酸素を生じる低温冷却ユニットに電力を供給する電流を発生する太陽エネルギー収集系を開示する。水力発電分野で特定のものとして、米国特許第６１０４０９７号は、川流または大洋流内の設置のために設計される潜水水力発電タービンを開示する。潜水水力発電タービンは、ＡＣ発電機に連結されるタービンランナーを含む水素ガスの生成に必要な全てを収容する水密球形ハウジングと、ＡＣ電力からＤＣ電力を生じる電気変換器と、ＤＣ電力から水素ガスおよび酸素ガスを生じる電解漕とを含む。水素は水密ハウジング内に収集され、移送オフサイトのために陸上の貯蔵タンクにパイプで送られる。
太陽発電設備、風力発電設備、水力発電設備から発生されるエネルギーの坦体として水素を使用することは、エネルギーを運ぶ実用送電系を使用することによる束縛を回避するが、経済的観点から発生されるエネルギーの最大効率使用ではないかも知れない。周知のように、電気エネルギーの価格は変化する需要レベルや、季節変化および日中制約時間により連続的に変動する。同様に、水素の価格は変化する需要レベルや季節変化により影響される。このように、電力を実用送電系で運ぶよりむしろ、現場で水素を生じるため、発生された電気エネルギーを利用することが一層有利である時がある。他の時は逆も真であるかも知れない。
前記の観点において、大規模で連続的な水素生成ができる水力発電設備の必要性があるのが分かる。また、市場状況が変化するにつれて収益を最大にする操作モードで設備を操作する賢明な決定を容易にする情報を作業者に提供する水力発電設備の必要性もある。
米国特許第５５９２０２８号
米国特許第４９１０９６３号
米国特許第６１０４０９７号
本発明は、水力発電から水素の高容量生成を行なうことである。さらに、本発明は、発生される電力のために最高の経済的戻り価値を提供するモードを決定するため、タービン操作の異なるモード間で経済的比較分析を行なう新規な技術を提供することである。
本発明の実施例の第１観点によると、タービン設備は大規模な水素生成のために構成される。この設備は、上側高度源流を下側高度引水から分離する基礎構造を含む。基礎構造は、源流に隣接する入口と引水に隣接する出口との間で延びる水路を定める。ランナーは、基礎構造により回転可能に支持され、入口と出口の中間の水路内に配置され、水路を通して流れる水がヘッド差の結果としてランナーの回転を引き起こす。発電機は基礎構造により支持され、ランナーが回転するにつれて電力を発生する回転軸によりランナーと連結される。電解漕は、電力を受けて水素を生成するために発電機と電気的に連結される
本発明の実施例の別の観点によると、水力発電施設内で経済的比較分析を行なう方法が提供される。施設は電力を発生するために上流を通して水流を受けるタービン駆動発電ユニットを含む。施設は、発生される電力が第１エネルギー担体を使用して施設から移送される第１モードで操作でき、発生される電力が第２エネルギー担体を使用して施設から移送される第２モードで操作できる。この方法は、第１エネルギー担体が使用される時に、電気エネルギーのための第１経済的価値を計算し、第２エネルギー担体が使用される時に、電気エネルギーのための第２経済的価値を計算することから構成される。この方法は、さらに、より高い経済的価値と関連する操作モードを確認するために第１経済的価値を第２経済的価値と比較し、確認された操作モードでタービン施設を操作することから構成される。
発明の実施例のこれらの利点や特徴および他の利点や特徴は、類似の参照番号が類似の要素を確認するために使用される次の図面に関連して与えられる好ましい実施例の次の詳細な説明を考慮すると明白であろう。
本発明のいくつかの好ましい実施例を説明する前に、本発明は、以下に述べ、図面で図示される構成要素の配列の構造の細部に限定されないことに注意すべきである。本発明は、他の実施例で実施でき、種々の方法で実行できる。また、ここで採用される表現法や用語は詳細な説明を目的とするものであり、限定して考えてはならない。
今、図面に戻り、図１を参照すると、川１４にかかるダム１２と発電施設１６とを含む水力発電設備１０が全体的に図示される。図示の実施例では、施設１６は連続した３つのタービン発電ユニットを含み、各ユニットは全体として参照番号１８により示される。当業者により分かるように、施設１６は多数の発電ユニットまたは少数の発電ユニット１８を含むことができ、そのような発電ユニットは川１４の１つまたは両方の堤防２０、２２に隣接して設置できるか、堤防の間の種々の個所に設置できる。さらに、次の説明は例によるカプランタービンを参照するが、本発明は任意の特別なタービンユニット型式の出願に限定されない。例えば、施設１６に使用するために適切なカプランユニット以外の他のタービン型式は、フランシスタービン、ペルトンタービン、ターゴタービン、球形タービン、プロペラータービン、管状タービンおよびクロスフロータービンを含む。
各タービンユニット１８は、水が川１４の源流溜２４から引水側２６に向けてダム１２を通り流されるにつれて電力を発生するための図２において概要で図示する垂直カプランタービンのように一般的に知られた設計にできる。それで、ユニット１８はダム１２内に建設されるタービン支持上部構造２８を含む。上部構造２８はタービン３０のための軸方向支持体および半径方向支持体と、関連する発電機３２とを提供する。図示の発電ユニットでは、タービン３０は入口導管３４と可動水門ゲート３６の下流の川１４の流路内に配置される。タービン３０は垂直軸４０上に支持されて軸４０を駆動するために周辺に配置される多数の可動羽根４２を持つランナー３８と、水が源流２４から引水２６へ向けてダム１２を通り流れるにつれて回転する発電機３２とを含む。ユニット１８は、入口導管３４の上流で、大きい物体や破片がタービン３０に衝突し、またはタービンを損傷するのを防止するため、典型的には平行の離間バーから成るトラッシュラック４４を含む。トラッシュラック４４の上流で蓄積される破片を除去するため、機械的な洗浄系を上部構造２８の頂上に設けることもできる。選択的には、必要な時にトラッシュラック４４から破片を除去するため、施設１６では手動方法（例えば、くま手）を採用できる。
図２で図示される好ましい実施例では、ユニット１８は参照番号４６で全体的に示される制御系を含む。制御系４６は多数のセンサ５０、５２、５４、５６、５８、６０、６２と、アクチュエータ６４、６６、６７と、水ポンプ６８とを含み、それらの全ては適切なデータリンクによりコントローラ４８に接続される。ユニット１８の操作を制御し、水素の生成を監視するために制御系４６のセンサは一連の操作パラメータの検出を許容する。例えば、センサは、制御系４６が源流２４から引水２６への任意のヘッドまたは全てのヘッド、発電レベル、ユニット１８を通る流れ、キャビテーション、貯蔵系８８（以下に詳細に説明する。）内の水素の量（または％容量）を検知することを許容する。当業者であれば、他の操作パラメータを検知するために追加のセンサを採用できるのが分かるであろう。
前記のパラメータを直接的または間接的に測定するため、この技術では種々の選択的な方法が十分に知られているが、好ましい検知装置は次のものを含む。静止井戸型トランスジューサ５０、５２は、それぞれ、源流２４と引水２６の相対的高度または高さを測定する。そのような測定装置はダム１２を横切るヘッドの低下（すなわち、源流レベルと引水レベルとの間の高度差）を決定し、タービン３０内のキャビテーションの危険指示としてのタービンの潜水係数（y）を決定するために使用される。潜水レベルは、この分野で周知であるように、一般的に引水高度とタービン３０の基準高度との間の関数として決定される。 センサ５４は、タービン３０の上流のヘッドに比例した信号を提供し、源流２４と可動水門ゲート３６との間のヘッドロスを計算するために入口導管３４内の適切な個所に配置される圧力トランスジューサである。ユニット１８が比較的に短い入口導管３４を有するのであれば、センサ５４は、入口導管の近くに設置できる。参照番号５６は、ユニット１８を通る流れを指示する信号を発生するために入口導管３４内に配置されるセンサアセンブリーを表す。好ましい実施例では、ペック方法を含む選択的な方法に代えることができるけれども、流れは周知なウインターケネデイ方法により決定される。ユニット１８の吸出管７０内に設けられるセンサ５８は、圧力測定信号を発生し、タービン３０から引水２６へのロスを分離するセンサ５４に類似した圧力トランスジューサである。センサ６０は貯蔵系８８内の圧力測定値を発生する１以上の圧力トランスジューサであり、貯蔵器内の水素の量（または％容量）の指示を提供する。最後に、参照番号６２はユニット１８により発生される電力レベルを指示する連続信号提供する電力監視装置を表す。
上記のセンサに追加して、制御系４６には、典型的には、それぞれ、オリエンティングゲート３６、羽根４２、水入口遮断装置６９のためのアクチュエータアセンブリー６４、６６、６７が所要の位置に設けられる。アクチュエータアセンブリー６４、６６、６７はゲートや羽根の所要の運動を果たし、ユニット１８を通る流れに衝突する力に対して所要の位置にゲートや羽根を保持するために機械的リンクに接続される油圧シリンダまたは油圧モータを含むアセンブリーのような技術分野での任意の適切な型式のものでよい。さらに、アクチュエータアセンブリー６４、６６、６７は、ゲート３６、羽根４２、遮断装置６９の実際の位置を指示するフィードバック信号を提供するため、ポテンショメータ、線形可変差動変圧器等のようなセンサを含む。
図示の実施例では、遮断装置６９は入口導管３４を通る水流を閉鎖するために低下でき、水流を許容するために上昇できる垂直に作動されるドロップダウンゲートから成る。代わりに、遮断装置６９は、遮断装置が特に高ヘッド設備内での長い水圧管にとって利点がある１以上のバタフライ弁、停止ロック、球形弁またはレンズ弁から構成できる。他の変更として、水門ゲート３６の上流縁を接近して囲んで配置でき、タービン３０内の積極的な水流遮断を提供するために必要とし、または要求される時に低下するためにリングゲートを設置できる。タービン３０の始動中および停止中と同様にタービン３０を開放または修理する時に、当業者は、任意の、または、全ての前記遮断装置を使用できることを認めるであろう。
上記の概要で述べた種々のセンサからの信号はコントローラ４８に適用され、コントローラは、また、所要の方向でポジションゲート３６、羽根４２、弁６９を位置決めすることをアクチュエータアセンブリー６４、６６、６７に命令し、水ポンプ６８（以下に詳細に説明する。）の操作を調整する制御信号を発生するために役立つ。現在の好ましい実施例では、コントローラ４８は常駐記憶装置（以下に詳細に説明する。）内に格納される循環制御ルーチンを実行する適当に構成されるプログラマブルロジックコントローラを含む。さらに、コントローラ４８は施設１６内の他のタービンユニット１８にリンクされるのが都合がよい。それで、施設１６内の他のタービンユニット１８が比較可能に計装されている場所で、コントローラ４８は施設１６内の全ユニット１８の操作パラメータを指示する信号を受け、種々のユニット内での全ゲートおよび全羽根の操作を制御する。
操作において、施設１６は水がタービンユニット１８を通り流れることができることで電力を発生し、電線９０上で発生された電力を電解漕９２へ出力する。一実施例によると、発電機３２は交流（ＡＣ）発電機である。この場合、適切なＡＣ−ＤＣ電力変換器／フィルタ（図示しない）は、発電機３２からのＡＣ電力を電界漕９２に必要とされる直流（ＤＣ）に変換することが必要であろう。しかしながら、好ましい実施例によると、発電機３２はＤＣ発電機である。このことは電力変換器の必要性をなくし、それで、潜在的にタービン１８の複雑さおよび出費を減らす。当業者が分かるように、ＤＣ発電機は一般的に電界磁石を励起するための電界電流を与えるために使用される方法により分類される。それで、直巻発電機は電機子を直列の接続した電界を有し、分巻発電機は電機子を並列に接続した電界を有する。複巻発電機は直列の電界部分と並列の電界部分とを有する。分巻発電機および複巻発電機は変化する電気的負荷の下で比較的に一定電圧を送る利点を有する。直巻発電機は主に可変電圧で一定電流を供給するために使用される。前記型式の任意のＤＣは、この発明に関連して有利に使用できるが、発電機３２は複巻型式の発電機が好ましい。
発電機３２の型式や構造にかかわらず、ＤＣ電力は、水を水素および酸素の成分元素に分離するため電解漕９２（発電機３２から直接、または電力整流器通過後）に供給される。最も基本的レベルでは、電解漕９２は電解質により水溶液（導電率の特定レベルを持つ）に分離される２つの電極（陽極と陰極）から成る。ＤＣ発電機は２つの電極を介して印加されると、生じる電圧差は陽極に隣接する水を酸素、水素および電子に分解する。水素イオンは電解質を通して陰極の方向へ運動し、外部回路を通して陰極に同時に運動する電子と結合する。このことは、陰極で水素気泡を生成し、陽極で酸素気泡の生成を生じ、塩素（陽極で生成される）および金属イオン（陰極で生成される）のようなある種の他の副産物を生じる。
好ましい実施例によると、電解漕９２は液状電解質を利用する。液状電解質は、水酸化ナトリュウムや水酸化カリュウムのような強酸性溶液または強塩基性溶液（ある一定の導電率を有する）である。本発明の使用に適するユニットに基づく液状電解質の可能性のある構造は米国特許第４０７７８６３号に開示され、その全体内容は引用することで組み込まれる。この電解漕により、電解質は水溶液内では塩酸である。好ましくは、電解のために使用される水は液体ライン９４を介してポンプ６８により供給される濾過された川水である。ポンプ６８により供給される川水は、好ましくは、透明または清潔の特定レベルおよび／または導電率を持つ水を提供するため電解前に濾過系／条件系を通過する。当業者が分かるように、前記の特許に開示された電解漕は、実際には、本発明の使用に十分に適するいくつかの特徴を含む。例えば、電解漕は液状電解質を冷却するための内部冷却装置と、電解質残留物清浄を確実にする連続濾過マットと、液状電解質の連続循環を確実にする内部ポンプ（電解質の効率を増加する。）とにより水素の大規模な連続生成ができる。
液状電解質を使用する代わりとして、電解漕９２は、時々、陽子交換膜（「ＰＥＭ」）として引用される固形重合体電解質（「ＳＰＥ」）を使用できる。当業者が分かるように、ＳＰＥおよびＰＥＭは電子絶縁体であるが、水素イオンの優れた導体である。データに使用される材料はスルホン酸に付着されるテフロン（登録商標）と類似する過フッ化炭化水素重合体バックボーンを含む。酸性分子は重合体に固定され、「漏れ」出すことはできず、電解質ロスとの任意の関連を排除する。
２つの前記構造に加えて、電解漕のための数多くの構造が知られており、十分に等しく作動できまたは多分、本発明での大規模な水素生成のための良好であることを当業者は分かるであろう。さらに、また、１以上の電解漕を必要に応じて水素生成容量をさらに増加するために採用できることも理解するであろう。
電解漕９２の特別な型式や構造にかかわらず、ＤＣ電力が電極に印加されると、水分子は酸素や水素の組成元素に分解される。酸素や水素は、典型的には、それぞれ、陽極および陰極で気泡として現れる。これらの気泡は収集され、貯蔵系８８へ管で送られる。好ましい実施例によると、貯蔵系８８は、貯蔵系８８内に含まれる水素の量（または％容量）を指示する信号を与える関連するセンサ装置６０を含む。センサ装置６０は、貯蔵系８８内に含まれる酸素の量（または％容量）を指示する信号を与える。
好ましい実施例によると、電解漕９２は、好ましくは、濾過系／条件系／収集系９６を含む。電解処理が典型的は酸素や水素を発生するのみならず、また濾過および／または収集に望ましいある種の他の副産物を生産するので、濾過系９６が望ましい。例えば、電解質が水および塩化水素酸の混合物から成ると、電解の副産物の１つが塩素ガスになるであろう。この場合、塩素を周辺空気または川水内に通す環境関連のためのみならず、塩素が、それを捕らえる出費を正当化する固有値を持つので、塩素ガスを収集する系９６を採用することが望ましい。系９６は電解質の導電率を所要のレベルに変更することもできる。
今、図３、図４を参照すると、水力発電設備１１０および２１０が示され、説明されている。簡潔さのため、水力発電設備１１０および２１０の説明は、全体として上記の水力発電設備１０に関する相違点に限定される。簡便のために、水力発電設備１０の対応する要素と実質的に類似する水力発電設備１１０および２１０の要素は、同じ参照番号により識別されるが、それぞれ、「１」および「２」が前書きされる。
図３において、水力発電設備１１０は電解漕１９２と、貯蔵系１８８と、コントローラ１４８とを含む水力発電施設１１６から成る。水量発電施設１６と同様に、施設１１６はＤＣ電力を電解漕１９２に提供する１以上のタービン発電ユニット１１８を含み、それぞれ、別のラインを介して水素ガスおよび酸素ガスを貯蔵タンク１８８Ａおよび１８８Ｂに提供する。同様に、コントローラ１４８はタービン発電ユニット１１８および貯蔵系１８８からのフィードバック信号を監視する。図３では図示されていないが、コントローラ１４８は電解漕１９２（以下に詳細に説明する。）からのフィードバック信号も監視する。これらのフィードバック信号に基づき、コントローラ１４８は、必要に応じて電力および電解漕１９２に濾過水を供給する水ポンプの操作を調整するため、タービン発電機１１８の制御表面の位置（例えば、ゲートおよび／または羽根）を調整する。
当業者が分かるように、貯蔵タンク１１８Ａよび１１８Ｂは高圧ガス貯蔵容器にでき、できれば、ガスがタンクに入るように水素ガスおよび酸素ガスを加圧する積載コンプレッサーを含む。代わりに、別々のガスコンプレッサーを電解漕１９２と貯蔵系１８８の中間に使用できる。しかしながら、好ましい実施例によると、貯蔵タンク１１８Ａは水素を固形金属水素化物の結合形状で格納する商業上有効な金属水素化物貯蔵容器である。当業者にとって周知であるように、マグネシュウム−ニッケル、マグネシュウム−銅、鉄−チタン化合物のようなある種の金属水素化物合金は、発熱化学反応および吸熱化学反応を介して可逆的に水素を吸収できる。したがって、貯蔵タンク１１８Ａから熱を除去したり、熱を加えたりすることにより、金属水素化物が水素を吸収し、または、開放するようにできる。金属水素化物漕が使用される時、金属水素化物吸収体が損傷を受けない十分な品質にして水素を確保するため、水素を貯蔵タンク１８８Ａに供給する前に水素を洗浄することが望ましい（または、必要である）。
図４を参照すると、水力発電設備２１０は、実質的にほとんどの個所で設備１１０と同じである。例えば、設備２１０はＤＣ電力を電解漕２９２に与えるために１以上のタービン発電ユニット２１８を含む水力発電施設２１６から成り、電解漕は、それぞれ、貯蔵タンク２８８Ａおよび酸素貯蔵タンク２８８Ｂを含む貯蔵系２８８に流体接続される。さらに、施設２１６はタービン発電ユニット２１８および貯蔵系２８８からのフィードバック信号を受け、タービン発電ユニット２１８および貯蔵系２８８に制御信号を与えるコントローラ２４８を含む。
発電設備２１０は、主に、電解漕２９２と貯蔵系２８８との間に設置される液化設備２９８を含む点で施設１１０と異なる。液化設備２９８は、それぞれ、水素液化タンク２９８Ａと酸素液化タンク２９８Ｂとを含む。
この点において、ある種のフィードバック／制御データラインおよび電力供給ラインを施設２１６内に含むことができるが、図面での明白な主フィードバックループ構造、すなわち、ＤＣ電力を電解漕２９２に与える発電ユニット２１８により定義されるフィードバックループを不明瞭にすることを避けるために、図４（又は上記の図）では示されていない。電解漕は気体水素および気体酸素を液化設備２９８に与え、液化設備は液化水素および液化酸素を貯蔵タンク２８８Ａおよび２８８Ｂに与え、貯蔵タンクはフィードバック信号をコントローラ２４８に与え、コントローラはタービン発電ユニット２１８の出力を調整するためにフィードバック信号を使用する。好ましくは、施設内に存在する電力ラインの例が図４では示されていないが、タービン発電ユニット２１８と液化設備２９８との間で延びるラインがある。この電力ラインは電力をタービン発電ユニット２１８から液化設備２９８へ与え、任意の外部電源（例えば、施設２１６に対する外部電源）を排除する。図４では示されていないが、施設２１６内に存在できる電力供給ラインの他の例は、発電ユニット２１８と貯蔵系２８８との間にある。そのようなラインは、貯蔵系２８８が外部電力の必要性を避けるために電力設備（例えば、積載コンプレッサー、冷凍ユニット等）を含む時はいつでも有利であろう。なお、他の例として、データラインを電解漕２９２とコントローラ２４８との間および／または液化設備２９８とコントローラ２４８との間に設けることができる。当業者が分かるように、そのようなラインは、コントローラ２４８が図２で図示される設備や任意の積載構成要素を監視し、制御することを可能にする。
今、図５を参照すると、経済的比較分析を実行するためプログラムされる時、コントローラ４８（またはコントローラ１４８および／または２４８）内に自由に含まれるある種の機能回路の全体ブロック線図が説明される。図示の実施例では、コントローラ４８は通信リンク７２と、インターフェイス回路７４と、中央処理回路７６と、インターフェイス回路７８と、記憶回路８０と、監視回路８２と、費用計算回路８４とを含む。
通信リンク７２は、好ましくは、光ファイバーを基本にした広帯域ネットワークを含むが、代わりに高速モデムまたは他の電気通信装置を含むことができる。その形態にかかわらず、通信リンク７２（この場合）は、下記の経済的比較分析での使用のため、更新電気エネルギーのオンライン電源および水素価格のような外部データソースを中央処理回路７６に与える。
典型的には、適当な多重化回路、アナログ−デジタル変換回路および信号条件化回路を含むインターフェイス回路７４は、センサ５０−６２からの操作パラメータ信号と、アクチュエータアッセンブリー６４、６６、６７からのフィードバック信号とを受信し、これらの信号を中央処理回路７６に与える。同様に、典型的には、適当な信号条件化回路を含むインターフェイス回路７８は中央処理回路７６から制御信号を受信し、アクチュエータアッセンブリー６４、６６、６７（それぞれ、オリエンティングゲート３６、羽根４２および遮断弁６９の方向を制御するためのもの）および水ポンプ６８（濾過川水を電解漕９２に供給するためにもの）のような施設１６内の設備の対応するサーボ運動を命令する。図示されていないが、インターフェイス回路７４および／または７８は、濾過系９５および／または９６にも接続でき、中央処理回路７６は、種々のセンサからの信号または濾過系９５および／または９６からのフィードバック信号を受け、それらに命令信号を送る。
好ましい実施例によると、インターフェイス回路７８は、発電機３２からのリアルタイム電力、水素生成の現在の率（下記のように施設１６が現在、水素生成モードで操作していれば）および貯蔵漕内の水素の量（または％容量）のような操作条件を表示するため、中央処理回路７６からオペレータインターフェイス８６に制御信号を通信する。典型的には、施設１６のための制御ステーション（図示せず）内に設置されるコンピュータを含むオペレータインターフェイス８６は、水素貯蔵容量が限界に達し、または、水素生成率が予測外に低下するような時に、視覚警報または音響警報を表示し、または報知することもできる。
以下に詳細に説明する理由で、中央処理回路７６は記憶回路８０、水素監視回路８２、費用計算回路８４にもリンクされる。さらに、中央処理回路７６は施設１６の操作を制御するために記憶回路８０内に格納される循環制御ルーチンを実行する。
当業者により識別されるように、図５で表される機能回路は標準入出力回路、記憶回路、標準プログラマブルロジックコントローラ内のプログラミングコード、パーソナルコンピュータ、コンピュータワークステーション等により定義できる。例えば、この好ましい実施例では、中央処理回路７６は、施設１６に対して専用されるプログラマブルロジックコントローラの形態で、主制御ルーチンを実行する常駐記憶装置を備える。監視回路８２および費用計算回路８４は、好ましくは主制御ルーチンの部分であり、または、主制御ルーチンに改装される別々のソフトウエアモジュールから構成できる。
タービン発電ユニット１８により発生される電力の最良の経済的使用を決定するため、経済的比較分析を行なう本実施例の適用を説明する。好ましい実施例によると、コントローラ４８は次のようにしてこの比較分析を行なう。最初に、水素監視回路８２が水素貯蔵センサ６０からの信号を受け、追加の水素を貯蔵するため（追加の酸素または収集される塩素のような他の商業上有効な副産物を貯蔵するため）、電解処理の貯蔵系８８がどれ位の容量（例えば、リットル数）を決定する。この情報に基づいて、費用計算回路８４は、全容量を達成するために必要な水素（または収集される酸素または他の副産物）の量を生成するために要求されるであろう電力量（例えば、キロワット数）を見積もる。容量に対して貯蔵系８８を満たすために必要な電力量は、以下に説明するように記憶回路８０内に含まれる履歴データを基本にできる。
生じる情報は、実用送電システムに設置されるよりむしろ、発電機３２で発生される電力が水を成分元素（例えば、水素、酸素および電解の任意の他の商業上有効な副産物）に電解するために使用されるならば、どの位の収益を発生できるかの指示をコントローラ４８（それ故、プラントパーソネル）に与える。当業者が分かるように電解漕９２はＤＣ電力を必要とし、他方、実用送電システムはＡＣ電力を必要とする。結果として、発電機３２がＤＣ発電機であれば、実用送電システムのためのＡＣ電力を生成するためにインバータが必要になるであろう。発電機３２がＡＣ発電機であれば、電解漕９２のためのＤＣ電力を生成するために整流器が必要となるであろう。
水素、酸素および任意の他の商業上重要な副産物の経済的価値を、送電システムに電力を提供する価値と比較することにより、コントローラ４８は、実用送電システム供給モードより、むしろ、水素生成モード内で施設１６の１以上のタービン１８を操作することが好ましいか（経済的観点から）、逆が好ましいかどうかを決定できる。好ましい実施例によると、コントローラ４８は、２つのモードの組合せが収益最大観点から最も有利である時を決めることもできる。例えば、水素を生成するために使用されるよりも送電システムに設置される時に、発生される電力が大きいことを経済的比較が示す時に、この状態は存在するかもしれないが、送電システムに設置できない電気エネルギーを発生するために施設１６は過大な容量を持つという送電システムでの十分に低い需要が存在する。この状態では、コントローラ４８は、電解エネルギーを使用することにより過大な発電容量を「使い果たす」ために選択できる。
好ましい実施例によると、電力の経済的価値は過去の性能（例えば、過去数ヶ月の価値の平均であるかもしれない）から仮定でき、記憶回路８０内に格納されてる利用されたエネルギー価値に基づくか、通信リンク７２を通したオンラインソース（例えば、実利）からアクセスできる。同様に、水素、酸素および任意の他の商業上重要な副産物の経済的価値は、過去の性能から仮定できる利用市場価値に基づくか、代わりに、リンク７２を通したオンラインソースからアクセスできる。利用価値が平均の過去の性能に基づく所では、そのような平均価値は、必然的に、季節変化または他の要因による需要の変化から生じる電気エネルギー価格または水素価格の変化を反映するであろう。
好ましい実施例では、費用計算回路８４は電気エネルギーの利用エネルギー価値を考慮するのみならず、また、送電系に接続される時に同期速度でタービンを操作することから由来する抑制から生じる操作効率の減少を評価する（反対に、水素生成モードで操作する時は、そのような抑制は存在しない）。
当業者は、そのような性能ロスをどのようにして評価するかを知っているので、これらの調整の特別な詳細は、ここで論じる必要はない。
当業者は、そのような性能ロスをどのようにして評価するかを知っているので、これらの調整の特別な詳細は、ここで論じる必要はない。
好ましい実施例によると、施設１６が水素生成モードにある時、コントローラ４８は水素生成率および水素を生成するために使用される電気エネルギー量を連続的に監視し、この情報を記憶回路８０内に格納する。この格納作用の結果として、この情報は、経済的比較分析が行なわれる次回に有効となり、時が経つにつれて精度を改良する。
水力発電設備の上記の好ましい実施例および変更実施例は例示ことに注意することが重要である。この発明は特定の実施例に関連して説明されているが、ここで説明した主題の新規な教示および利点から実質的に逸脱することなく、数多くの変更ができることは、当業者にとって分かるであろう。例えば、上記の水素および酸素貯蔵系は、タービン設備から、生成物がさらに移送され、または、直接使用される他の個所へ延びるパイプライン分配系と組み合わせて使用でき、または、パイプライン分配系により置換して使用できる。したがって、そのような変更のもの、および全ての他のものは、本発明の範囲内に含まれる。他の代替物、変更、変形および省略物は、本発明の精神から逸脱しない好ましい実施例および他の例示的実施例の設計、操作条件および配列で行なうことができるであろう。
１０ 水力発電設備
１２ ダム
１４ 川
１６ 施設
１８ タービン
２０ 堤防
２２ 堤防
２４ 源流溜
２６ 引水
２８ 上部構造
３０ タービン
３２ 発電機
３４ 入口導管
３６ ゲート
３８ ランナー
４０ 垂直軸
４２ 可動羽根
４４ トラッシュラック
４６ 制御系
４８ コントローラ
５０ センサ
５２ センサ
５４ センサ
５６ センサ
５８ センサ
６０ センサ
６２ センサ
１２ ダム
１４ 川
１６ 施設
１８ タービン
２０ 堤防
２２ 堤防
２４ 源流溜
２６ 引水
２８ 上部構造
３０ タービン
３２ 発電機
３４ 入口導管
３６ ゲート
３８ ランナー
４０ 垂直軸
４２ 可動羽根
４４ トラッシュラック
４６ 制御系
４８ コントローラ
５０ センサ
５２ センサ
５４ センサ
５６ センサ
５８ センサ
６０ センサ
６２ センサ
Claims (33)
- 大規模な水素生成のために構成されるタービン設備において、上側高度源流を下側高度引水から分離し、源流に隣接する入口と引水に隣接する出口との間で延びる水路を定める基礎構造と、基礎構造により回転可能に支持され、入口と出口の中間の水路内に配置されるランナーとを備え、水路を通して流れる水がヘッド差の結果としてランナーの回転を引き起こし、基礎構造により支持され、ランナーが回転するにつれて電力を発生する回転軸によりランナーと連結される発電機と、電力を受けて水素を生成するために発電機と電気的に連結される電解漕とから成る前記タービン設備。
- 水路はヘッドカバーと、吐出リングと、吸出管とを含む静止ケーシングにより形成される請求項１に記載のタービン設備。
- 電解漕は水路の外側の配置される請求項１に記載のタービン設備。
- 発電機はＤＣ発電機である請求項１に記載のタービン設備。
- ＤＣ発電機は直巻発電機、分巻発電機、複巻発電機の内の１つである請求項４に記載のタービン設備。
- 発電機はＡＣ発電機であり、さらに、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換するために発電機と電解漕との間でＡＣ−ＤＣ電力変換器を含む請求項１に記載のタービン設備。
- さらに、連続的に水素を受け入れ、貯蔵するために電解漕に連結される水素貯蔵容器を含む請求項１に記載のタービン設備。
- 水素は気体形式、液体形式および固体形式で貯蔵される請求項７に記載のタービン設備。
- 水素は金属水素化物吸収体を使用して固体形式で貯蔵される請求項７に記載のタービン設備。
- さらに、貯蔵容器内に含まれる水素のレベルを指示する電気フィードバック信号を発生するセンサを含む請求項７に記載のタービン設備。
- タービンは水を電解漕に与えるための水ポンプを含み、さらに、電解漕への水の流れを調整するフィードバック信号に応答して水ポンプを制御するデジタルコントローラを含む請求項１０に記載のタービン設備。
- タービンは、タービンを通る水流を制御するための位置で調整可能な水制御要素を含み、さらに、電解漕への電力の供給を調整するためのフィードバック信号に応答して水制御要素の位置を調整するデジタルコントローラを含む請求項１０に記載のタービン設備。
- 水制御要素は、多数の可変ピッチ羽根、多数の水門ゲート、流量制御ゲート、遮断弁の内の１つである請求項１２に記載のタービン設備。
- 水制御要素は、水路の取入れ口に配置される遮断装置である請求項１２に記載のタービン設備。
- 遮断装置は、バタフライ弁、停止ロック、球形弁、レンズ弁およびリングゲートの内の１つである請求項１４に記載のタービン設備。
- 電解漕は少なくとも１つのガスを発生し、さらに、少なくとも１つのガスを液体形態に変換する液化設備を含む請求項１に記載のタービン設備。
- 少なくとも１つのガスは、水素、酸素および塩素から選択される請求項１６に記載のタービン設備。
- 電解漕は少なくとも１つのガスを発生し、さらに、少なくとも１つのガスから不純物を除去する濾過系を含む請求項１に記載のタービン設備。
- 少なくとも１つのガスは、水素、酸素および塩素から選択される請求項１８に記載のタービン設備。
- 電解漕は水素と少なくとも１つの追加生成物を発生し、さらに、タービン設備を囲む環境への追加生成物の解放を妨げるために追加生成物を捕らえる装置を含む請求項１に記載のタービン設備。
- さらに、追加生成物を捕らえる少なくとも１つの貯蔵装置を含む請求項２０に記載のタービン設備。
- 追加生成物は酸素および塩素の内の１つである請求項２０に記載のタービン設備。
- 水は源流および引水の内の１つから電解漕に与えられ、さらに、清浄要件のための電解前に、水を洗浄する濾過系を含む請求項１に記載のタービン設備。
- タービンは、反動タービンおよび衝動タービンの内の１つである請求項１に記載のタービン設備。
- タービンは、フランシスタービン、カプランタービン、球形タービン、プロペラータービン、管状タービン、ペルトンタービン、ターゴタービン、クロスフロータービンの内の１つである請求項１に記載のタービン設備。
- さらに、水素をタービン設備から遠隔個所へ運ぶ水素分配系を含む請求項１に記載のタービン設備。
- 水素分配系は気体パイプラインまたは液体パイプラインである請求項２６に記載のタービン設備。
- 水力発電施設内で経済的比較分析を行なう方法において、施設は電力を発生するために上流を通して水流を受けるタービン駆動発電ユニットを含み、施設は、発生される電力が第１エネルギー担体を使用して施設から移送される第１モードで操作でき、発生される電力が第２エネルギー担体を使用して施設から移送される第２モードで操作でき、第１エネルギー担体が使用される時に、電気エネルギーのための第１経済的価値を計算し、第２エネルギー担体が使用される時に、電気エネルギーのための第２経済的価値を計算し、より高い経済的価値と関連する操作モードを確認するために第１経済的価値を第２経済的価値と比較し、確認された操作モードでタービン施設を操作する前記方法。
- 施設は水素生成設備を含み、第１操作モードは発生される電力から水素を生じることを含む請求項２８に記載の方法。
- 施設は実用送電系と連結され、第２操作モードは実用高圧送信系で発生される電力を供給することを含む請求項２９に記載の方法。
- 第１エネルギー担体は水素であり、第２エネルギー担体は実用高圧送電系である請求項２８に記載の方法。
- 第１経済的価値および第２経済的価値の内の少なくとも１つは、過去の性能から由来する利用価値に基づいている請求項２８に記載の方法。
- 第１経済的価値および第２経済的価値の内の少なくとも１つは、通信リンクを介してリモートソースから得られる利用価値に基づいている請求項２８に記載の方法。
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