KR20170088932A - Solar powered systems and methods for generating hydrogen gas and oxygen gas from water - Google Patents
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Abstract
태양광 발전 시스템과 물에서 수소 가스와 산소 가스를 생성하는 방법에 대해 설명한다. 물로부터 수소 가스와 산소 가스를 발생시키는 태양광 발전 시스템은 전기 분해 유닛, 제 1 발전기 유닛 및 태양광 발전 터빈 유닛을 포함한다. 전기 분해 유닛은 제 1 발전기 유닛에 의해 전력이 공급된다. 태양광 발전 터빈 유닛은 제 1 발전기 유닛을 구동시키고 증기를 전기 분해 유닛 공급하도록 구성된다. 태양광 발전 터빈 유닛은 제 1 발전기 유닛에 축 작업을 제공하도록 결합되고 구성된 제 1 터빈, 전기 분해 장치의 증기 공급 입구에 결합되고 물을 유지하도록 구성된 증기 발생 유닛이며; 상기 증기 발생 유닛에 열을 발생시키고 제공하도록 구성된 태양광 유닛을 포함한다.Describes how to generate hydrogen gas and oxygen gas from solar power systems and water. A solar power generation system for generating hydrogen gas and oxygen gas from water includes an electrolysis unit, a first generator unit, and a solar power generation turbine unit. The electrolysis unit is powered by the first generator unit. The solar power generation turbine unit is configured to drive the first generator unit and supply the steam to the electrolysis unit. The solar power generation turbine unit comprises a first turbine coupled and configured to provide axial work to the first generator unit, a steam generating unit coupled to the steam supply inlet of the electrolysis unit and configured to hold water; And a solar unit configured to generate and provide heat to the steam generating unit.
Description
본 출원은 2015년 1월 21일 출원된 "물로부터 수소 가스 및 산소 가스를 생성하기 위한 태양광 발전 시스템 및 방법"이라는 명칭의 미국 가출원 제62 / 106,056호에 대한 이익을 주장한다. 참조된 출원의 전체 내용은 참고 문헌으로서 본 문헌에 통합된다. This application claims the benefit of U. S. Provisional Application No. 62 / 106,056 entitled " PV System and Method for Producing Hydrogen Gas and Oxygen Gas from Water, " filed on January 21, 2015. The entire contents of the referenced applications are incorporated herein by reference.
본 발명은 일반적으로 물로부터 수소 가스 및 산소 가스를 발생시키는 태양 광 발전 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 발전기 및 전기분해 유닛에 결합된 태양광 터빈 유닛을 이용하는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates generally to a solar power generation system for generating hydrogen gas and oxygen gas from water. In particular, the invention relates to a system using a solar turbine unit coupled to a generator and an electrolysis unit.
수소(H2)가스는 귀중한 제품이며 석유, 화학, 에너지 및 반도체 산업의 공급 원료로 사용된다. 예를 들어, 수소는 탄화수소의 처리(예을 들어, 수소 첨가 분해, 수소화 알킬화 및 수소화 탈황 공정), 암모니아의 생산, 메탄올의 생산, 다양한 화학 공정(예를 들면, 수소화 반응) 및 냉각제로 사용된다. 수소 가스는 화학적 또는 생물학적 반응의 부산물로 회수되거나 화석 연료의 생산으로부터 분리될 수 있다. 수소를 생산하는 종래의 방법은 천연가스의 수증기 개질, 물의 열 화학적 분열 및 물의 전기 분해를 포함한다. 물 분리의 산물인 수소 생산은 에너지 분야, 환경 및 화학 산업에 막대한 잠재적 이익을 제공한다. 이러한 공정은 화학 반응 또는 화석 연료로 인한 전기 소모로 대량의 이산화탄소(CO2)를 생성할 수 있다는 문제점을 가지고 있다. 예를 들어, 수증기 개질 반응에서, 이산화탄소(CO2)는 식 (Ⅰ)에 나타낸 바와 같이 과량의 물이 사용될 때 반응 생성물로서 생성될 수 있다.Hydrogen (H 2 ) gas is a valuable product and is used as a feedstock for the petroleum, chemical, energy and semiconductor industries. For example, hydrogen is used as a treatment for hydrocarbons (e.g., hydrocracking, hydrogenation alkylation, and hydrodesulfurization processes), the production of ammonia, the production of methanol, various chemical processes (e.g., hydrogenation reactions) and coolants. Hydrogen gas can be recovered as a by-product of chemical or biological reactions or can be separated from the production of fossil fuels. Conventional methods of producing hydrogen include steam reforming of natural gas, thermochemical cleavage of water and electrolysis of water. Hydrogen production, a product of water separation, offers enormous potential benefits to the energy sector, the environment and the chemical industry. This process has the problem of generating a large amount of carbon dioxide (CO 2 ) due to chemical reaction or electricity consumption due to fossil fuel. For example, in a steam reforming reaction, carbon dioxide (CO 2 ) can be produced as a reaction product when excess water is used, as shown in equation (I).
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 (I)CH 4 + 2H 2 O? CO 2 + 4H 2 (I)
수소를 발생시키는 다른 공정은 식(II)에 예시된 바와 같이 화석 연료의 연소를 통해 이산화탄소(CO2)를 발생시키는 전기 에너지를 필요로 한다.Another process for generating hydrogen requires electrical energy to generate carbon dioxide (CO 2 ) through the combustion of fossil fuels as illustrated in equation (II).
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (II) CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (II)
이산화탄소는 정부 기관에 의해 인간 활동을 통해 생산되는 주요 온실 가스로 인식되며 이산화탄소의 배출은 많은 정부 기관에 의해 규제된다. 종래의 시스템 및 방법은 태양 에너지의 사용을 통해 이산화탄소 생성을 감소시키려고 시도한다. 미국특허 출원공보 제20130234069호에는 전기 분해 유닛을 위한 전기를 발생시키는 태양광 수신기가 개시되어 있으며, 전기 분해 공정에서 배출된 열을 작동 사이클의 다른 곳에서 사용할 수 있도록 작동 유체의 열원으로 사용한다. 미국특허 출원공보 제20120171588호에는 개질 / 물 분해 블록에 동력을 공급하기 위해 태양 에너지를 사용하는 방법을 개시한다. 이러한 시스템은 자급 자족 할 수는 없지만 시스템의 에너지 요구 사항을 충족시키기 위해 탄소 기반 공급 원료 또는 연료에 의존해야 한다.Carbon dioxide is recognized as a major greenhouse gas produced by human activities by government agencies, and emissions of carbon dioxide are regulated by many government agencies. Conventional systems and methods attempt to reduce carbon dioxide production through the use of solar energy. U.S. Patent Application Publication No. 20130234069 discloses a photovoltaic receiver for generating electricity for an electrolysis unit and uses the heat discharged from the electrolysis process as a heat source for the working fluid for use elsewhere in the operating cycle. U.S. Patent Application Publication No. 20120171588 discloses a method of using solar energy to power a reforming / water splitting block. While these systems are not self-supporting, they must rely on carbon-based feedstocks or fuels to meet the energy requirements of the system.
최소량의 이산화탄소 생성(즉, 낮은 이산화탄소 발자국)으로 에너지를 생산하는 문제에 대한 해결책이 발견되었다. 특히, 이 방법은 수소와 산소를 생성하기 위해 물을 전기분해 하는 동안 전기를 소스로 사용하여 화석 연료의 사용을 제거하는 능력이 있다.A solution has been found for the problem of producing energy with a minimal amount of carbon dioxide production (i.e., low CO2 footprint). In particular, this method has the ability to remove the use of fossil fuels by using electricity as a source during the electrolysis of water to produce hydrogen and oxygen.
본 발명은 물로부터 수소 가스 및 산소 가스를 생성하는 태양광 발전 시스템 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a solar power generation system and method for generating hydrogen gas and oxygen gas from water.
최소량의 이산화탄소 생성(즉, 낮은 이산화탄소 발자국)으로 에너지를 생산하는 문제에 대한 해결책이 발견되었다. 특히, 이 방법은 수소와 산소를 생성하기 위해 물을 전기분해 하는 동안 전기를 소스로 사용하여 화석 연료의 사용을 제거하는 능력이 있다. 수분 분해의 화학 반응은 식(III)과 같다.A solution has been found for the problem of producing energy with a minimal amount of carbon dioxide production (i.e., low CO2 footprint). In particular, this method has the ability to remove the use of fossil fuels by using electricity as a source during the electrolysis of water to produce hydrogen and oxygen. The chemical reaction of water degradation is shown in equation (III).
2H2O → 2H2 + O2 (III)2H2O → 2H2 + O2 (III)
특히, 본 발명은 물의 온도 및 압력을 상승시킬 수 있으며, 이는 전기 분해 유닛에서 사용될 수 있다. 수온 및 압력을 상승시킴으로써, 물 분리 반응에 필요한 전체적인 전기 에너지가 감소되고, 이는 특정예에서, 태양 에너지 또는 내부 열 소실로부터의 추가적인 열 입력을 희생시키면서 감소 될 수 있다. 전기 에너지는 발전기 유닛을 구동시키고 전기 분해 유닛에 증기를 제공할 수 있는 태양광 발전 터빈 유닛에 결합된 발전기를 사용하여 생성된다. 이것은 화석 연료를 사용하지 않고 수분 분해 반응(위의 식 (III) 참조) 및 식 (I) 및 (II)과 비교할 때 이산화탄소를 생성하지 않고 수행 할 수 있다.In particular, the present invention can raise the temperature and pressure of water, which can be used in an electrolysis unit. By raising water temperature and pressure, the overall electrical energy required for the water separation reaction is reduced, which in certain instances can be reduced at the expense of additional heat input from solar energy or internal heat dissipation. Electrical energy is generated using a generator coupled to a solar power turbine unit that can drive the generator unit and provide steam to the electrolysis unit. This can be done without producing fossil fuels and without generating carbon dioxide when compared to the hydrolysis reaction (see equation (III) above) and equations (I) and (II).
본 발명의 일 측면에 의하면, 물로부터 수소 가스 및 산소 가스를 발생시키기 위한 태양광 발전 시스템이 설명된다. 상기 시스템은 (a) 물로부터 수소 가스 및 산소 가스를 생성하도록 구성된 전기 분해 유닛, (b) 전기 분해 유닛에 전기를 공급하도록 구성된 제 1 발전기 유닛 및 (c) 상기 제 1 발전기 유닛을 구동시키고 상기 증기 공급 입구에 증기를 공급하도록 형성된 태양광 발전 터빈 유닛을 포함한다. According to an aspect of the present invention, a solar power generation system for generating hydrogen gas and oxygen gas from water is described. (A) an electrolysis unit configured to produce hydrogen gas and oxygen gas from water, (b) a first generator unit configured to supply electricity to the electrolysis unit, and (c) a second generator unit configured to drive the first generator unit And a solar power generation turbine unit configured to supply steam to the steam supply inlet.
일 측면에 의하면, 시스템은 압축 공기를 전기 분해 유닛의 산소 방출면에 공급하여 출구 스트림에서 순수한 산소보다 적은 양을 유지시키는 공기 공급 유닛을 포함한다. 공기 공급 유닛의 비제한적인 예는 공기 압축기일 수 있다. 전기 분해 유닛은 증기 공급 입구 및 수소 가스 또는 산소 가스 또는 둘 모두에 대한 적어도 제 1 생성물 출구를 포함할 수 있다. 바람직한 측면에서, 수소 가스 및 산소 가스는 2 개의 생성물 출구를 통해 분리된 스트림으로 전기 분해 유닛에서 배출될 수 있다. 산소 가스는 제 2 생성물 출구를 통과할 수 있고 수소 가스는 제 1 생성물 배출구를 통해 배출될 수 있다. 일 측면에서, 제 2 생성물 배출구로부터 유출되는 스트림은 산소 및 공기를 포함하며 산소가 풍부한 스트림이다.According to one aspect, the system includes an air supply unit that supplies compressed air to the oxygen release surface of the electrolysis unit to maintain an amount less than pure oxygen in the outlet stream. A non-limiting example of an air supply unit may be an air compressor. The electrolysis unit may comprise a vapor feed inlet and at least a first product outlet for hydrogen gas or oxygen gas or both. In a preferred aspect, the hydrogen gas and the oxygen gas can be discharged from the electrolysis unit into a separate stream through the two product outlets. The oxygen gas can pass through the second product outlet and the hydrogen gas can be discharged through the first product outlet. In one aspect, the stream flowing out of the second product outlet is an oxygen-rich stream comprising oxygen and air.
태양광 발전 터빈 유닛은 (i) 제 1 발전기 유닛에 샤프트 작업을 제공하도록 결합되고 형성된 제 1 터빈; (ⅱ) 전기 분해 유닛의 증기 공급 입구에 결합되고 물을 보유하도록 형성된 증기 발생 유닛; 및 (iii) 증기 발생 유닛에 열을 발생시키어 제공하도록 형성된 태양광 유닛을 포함한다. 본 발명의 일 측면에서, 태양광 유닛은 터빈의 작동 유체를 발생시키고 열을 제공하도록 구성된다. 증기 발생 유닛에 의해 생성된 증기는 가압 증기를 포함할 수 있다. 특히, 이산화탄소는 수분 분해 반응(수식 (Ⅲ) 참조)에서 생성되지 않아, 시스템이 사용될 때 이산화탄소 생성을 감소 시키거나 제거할 수 있다. 생성된 수소 가스, 산소 가스 또는 이들 모두는 각각 다운스트림 화학 공정에서 사용될 수 있다. 바람직한 측면에서, 생성된 수소 가스 및 산소 가스는 모두 다운스트림 화학 공정에서 사용될 수 있다.A solar power turbine unit comprises (i) a first turbine coupled and configured to provide a shaft operation to a first generator unit; (Ii) a vapor generating unit coupled to the vapor supply inlet of the electrolysis unit and configured to hold water; And (iii) a solar unit formed to generate and provide heat to the vapor generating unit. In one aspect of the invention, the solar unit is configured to generate working fluid and provide heat to the turbine. The steam produced by the steam generating unit may comprise pressurized steam. In particular, carbon dioxide is not produced in the hydrolysis reaction (see formula (III)), so that the production of carbon dioxide can be reduced or eliminated when the system is used. The resulting hydrogen gas, oxygen gas or both may be used in downstream chemical processes, respectively. In a preferred aspect, both the hydrogen gas and the oxygen gas produced can be used in a downstream chemical process.
본 발명의 일측면에서, 시스템은 또한 전해 유닛에 결합되고 생성된 수소 가스 또는 산소 가스 또는 둘 모두의 온도를 수용 및 감소시키도록 구성된 생성물 냉각 유닛을 포함할 수 있다. 바람직한 측면에서, 시스템은 또한, 전기 분해 유닛에 결합되고 생성된 수소 가스 및 산소 가스의 온도를 수용 및 감소시키도록 형성된 생성물 냉각 유닛을 포함할 수 있다. 생성물 냉각 유닛은 (i) 생성된 수소 가스 또는 산소 가스, 또는 양자 모두를 수용하도록 구성된 제 2 발전기 유닛에 전력을 제공하도록 결합된 제 2 터빈; 및 (ii) 상기 생성물 냉각 유닛으로부터 발생된 열을 상기 증기 발전기 유닛으로 전달하도록 결합되고 상기 증기 생성기 유닛에 전달되는 열전달 유닛을 포함한다. 제 2 발전기 유닛은 전기 분해 유닛에 전기를 공급하도록 형성될 수 있다. 일부 측면에서, 생성물 냉각 유닛은 제 2 발전기 유닛 또는 제 3 발전기 유닛에 전력을 공급하도록 구성되고 제 3 터빈을 포함하며, 제 3 터빈은 생성된 수소 가스 또는 산소 가스, 또는 양자 모두를 수용하도록 형성되며, 상기 제 3 발전기 유닛은 상기 전기 분해 유닛에 전기를 제공하도록 형성될 수 있다. In one aspect of the invention, the system may also include a product cooling unit coupled to the electrolytic unit and configured to receive and reduce the temperature of the generated hydrogen gas or oxygen gas, or both. In a preferred aspect, the system may also include a product cooling unit coupled to the electrolysis unit and configured to receive and reduce the temperature of the generated hydrogen gas and oxygen gas. The product cooling unit includes (i) a second turbine coupled to provide power to a second generator unit configured to receive the generated hydrogen gas or oxygen gas, or both; And (ii) a heat transfer unit coupled to transfer heat generated from the product cooling unit to the steam generator unit and delivered to the steam generator unit. The second generator unit may be configured to supply electricity to the electrolysis unit. In some aspects, the product cooling unit is configured to supply power to the second or third generator unit and includes a third turbine, wherein the third turbine is configured to receive the generated hydrogen gas or oxygen gas, or both And the third generator unit may be configured to provide electricity to the electrolysis unit.
본 발명의 일부 측면에서, 태양광 발전 터빈 유닛은 (i) 제 1 발전기 유닛에 샤프트 작업을 제공하도록 결합된 제 1 터빈; (ii) 전기 분해 유닛의 증기 공급 입구에 결합된 증기 발생 유닛, (iii) 증기 발생 유닛에 열을 생성 및 제공하도록 형성된 태양광 유닛; 및 (iv) 응축기를 포함한다. 증기 발생 유닛은 물을 보유하고 증기를 생성하도록 형성된 보일러를 포함할 수 있다. 보일러는 제 1 터빈에 연결될 수 있고, 생성된 증기를 보일러에서 제 1 터빈으로 이송하도록 형성될 수 있다. 제 1 터빈은 응축기에 연결될 수 있고 터빈으로부터 응축기로 증기를 전달하도록 형성될 수 있다. 응축기는 터빈으로부터 전달된 증기를 액체로 응축시키도록 형성될 수 있으며, 액체에 연결되어 액체를 보일러로 이송하도록 형성될 수 있다.In some aspects of the invention, a solar power turbine unit includes (i) a first turbine coupled to provide a shaft operation to a first generator unit; (ii) a vapor generating unit coupled to the vapor supply inlet of the electrolysis unit, (iii) a solar unit configured to generate and provide heat to the vapor generating unit; And (iv) a condenser. The steam generating unit may include a boiler configured to hold water and produce steam. The boiler may be connected to the first turbine and may be configured to transfer the generated steam from the boiler to the first turbine. The first turbine may be connected to the condenser and may be configured to transfer steam from the turbine to the condenser. The condenser may be configured to condense the vapor delivered from the turbine into a liquid, and may be configured to be connected to the liquid to transfer the liquid to the boiler.
본 발명의 몇몇 측면에서, 태양광 발전 터빈 유닛은 (i) 제 1 발전기 유닛에 샤프트 작동을 제공하도록 결합된 제 1 터빈; (ii) 전기 분해 유닛의 증기 공급 입구에 결합된 증기 발생 유닛, 및 (iii) 증기 발생 유닛으로부터 생성된 냉각 유체(예를 들어, 가스)에 열을 생성 및 제공하도록 구성된 태양광 유닛을 포함한다. 증기 발생 유닛은 제 1 터빈으로부터 가열된 유체를 수용하기 위해 제 1 터빈에 결합된 제 1 열교환기를 포함할 수 있다. 열은 제 1 열교환기에서 가열된 유체로부터 물로 전달되어 증기 및 냉각된 유체를 생성할 수 있다. 열교환기는 또한 압축기에 결합될 수 있고 냉각된 유체를 압축기로 전달하도록 형성될 수 있다. 압축기는 태양광 유닛에 의해 생성된 열로 냉각된 유체를 가열하도록 형성된 제 2 열교환기에 결합될 수 있다. 제 2 열교환기는 가열된 유체를 제 1 터빈으로 전달하기 위해 제 1 터빈에 연결될 수 있다.In some aspects of the invention, a solar power turbine unit includes (i) a first turbine coupled to provide shaft operation to a first generator unit; (ii) a vapor generating unit coupled to the vapor supply inlet of the electrolysis unit, and (iii) a solar unit configured to generate and provide heat to a cooling fluid (e.g., gas) generated from the vapor generating unit . The steam generating unit may include a first heat exchanger coupled to the first turbine to receive the heated fluid from the first turbine. The heat may be transferred from the heated fluid in the first heat exchanger to water to produce a vapor and a cooled fluid. The heat exchanger may also be coupled to the compressor and configured to deliver the cooled fluid to the compressor. The compressor may be coupled to a second heat exchanger formed to heat the heat-cooled fluid generated by the solar unit. The second heat exchanger may be connected to the first turbine to deliver the heated fluid to the first turbine.
본 발명의 몇몇 측면에서, 폐루프 가스 터빈 유닛은 제 1 열에 결합되고 제 1 열교환기로부터 열을 수용하도록 구성된 배압 증기 터빈 유닛을 포함한다. 배압 증기 터빈은 샤프트 작업을 제 1 발전기 유닛에 결합되어 제공하도록 형성된 제 4 터빈을 포함할 수 있다. 본 발명의 몇몇 경우들에서, 제 1 터빈 및 제 4 터빈은 일련의 다른 터빈에 설치된다. 본 발명의 다른 측면에서, 배압 증기 터빈 유닛은 제 4 발전기 유닛에 전기를 공급하도록 형성된 제 4 발전기 유닛에 전력을 제공하도록 결합된 제 4 터빈을 포함 할 수 있다.In some aspects of the invention, the closed-loop gas turbine unit includes a backpressure steam turbine unit coupled to the first column and configured to receive heat from the first heat exchanger. The backpressure steam turbine may include a fourth turbine configured to provide a shaft operation coupled to the first generator unit. In some instances of the invention, the first turbine and the fourth turbine are installed in a series of other turbines. In another aspect of the invention, the backpressure steam turbine unit may include a fourth turbine coupled to provide power to a fourth generator unit configured to supply electricity to the fourth generator unit.
본 명세서 전반에 걸쳐 기술된 시스템을 사용하여 물로부터 수소 가스 및 산소 가스를 생성하는 방법이 설명된다. 상기 방법은 수소 가스 및 산소 가스를 생성하기에 충분한 물을 바람직하게는 별도의 스트림으로 전해 조건을 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 수소 가스는 산소 가스로부터 분리 될 수 있다. 수소 가스, 산소 가스 또는 이들 모두는 하나 이상의 저장 유닛, 화학 처리 유닛, 운송 유닛 또는 이들의 임의의 조합에 제공 될 수 있다.A method for generating hydrogen gas and oxygen gas from water using a system described throughout this disclosure is described. The method may include treating the electrolysis conditions with water, preferably a separate stream, sufficient to produce hydrogen gas and oxygen gas. The hydrogen gas can be separated from the oxygen gas. Hydrogen gas, oxygen gas, or both may be provided in one or more storage units, chemical processing units, transport units, or any combination thereof.
본 발명과 관련하여, 21개의 실시예가 설명된다.In the context of the present invention, twenty-one embodiments are described.
실시예1은 물로부터 수소 가스 및 산소 가스를 발생시키기 위한 태양광 발전 시스템을 포함한다.Example 1 includes a solar power generation system for generating hydrogen gas and oxygen gas from water.
상기 시스템은 (a) 물로부터 수소 가스 및 산소 가스를 생성하도록 형성된 전기 분해 유닛을 포함할 수 있으며, 상기 전기 분해 유닛은 수소 공급물 유입구 및 수소 가스, 산소 가스 또는 둘 모두를 위한 적어도 제 1 생성물 배출구를 포함 할 수 있으며; (b) 상기 전기 분해 유닛에 전기를 공급하도록 구성된 제 1 발전기 유닛; 및 (c) 상기 제 1 발전기 유닛을 구동시키고 상기 증기 공급 입구에 증기를 공급하도록 형성된 태양광 발전 터빈 유닛을 포함하며, (i) 제 1 발전기 유닛에 샤프트 작업을 제공하도록 결합되고 형성된 제 1 터빈; (ⅱ) 전기 분해 유닛의 증기 공급 입구에 결합되고 물을 보유하도록 구성된 증기 발생 유닛; 및 (iii) 증기 발생 유닛에 열을 발생시키고 제공하도록 형성된 태양광 유닛을 포함한다.The system may comprise (a) an electrolysis unit configured to produce hydrogen gas and oxygen gas from water, the electrolysis unit comprising at least a first product for the hydrogen feed inlet and hydrogen gas, oxygen gas, An outlet; (b) a first generator unit configured to supply electricity to the electrolysis unit; And (c) a solar power generation turbine unit configured to drive the first generator unit and supply steam to the steam supply inlet, the turbine unit comprising: (i) a first turbine unit coupled and configured to provide a shaft operation to the first generator unit, ; (Ii) a steam generating unit coupled to the steam supply inlet of the electrolysis unit and configured to hold water; And (iii) a solar unit formed to generate and provide heat to the vapor generating unit.
실시예2는 실시예1의 시스템에서, 상기 전기 분해 유닛에 결합되고 상기 생성된 수소 가스 또는 산소 가스 또는 바람직하게는 양자의 온도를 수용 및 감소시키도록 구성된 생성물 냉각 유닛을 더 포함할 수 있다. Embodiment 2 may further comprise, in the system of
실시예3은 실시예2의 시스템에서, 상기 생성물 냉각 유닛은 (i) 제 2 발전기 유닛에 전력을 제공하도록 결합되고 상기 제 2 발전기 유닛에 전력을 공급하도록 형성된 제 2 터빈을 포함하고, 상기 제 2 터빈은 상기 생성된 수소 가스 또는 산소 가스 또는 바람직하게는 양자를 수용하도록 구성되며; 및 (ii) 상기 생성물 냉각 유닛으로부터 발생된 열을 상기 증기 발생 유닛으로 전달하도록 결합되고 상기 증기 발생 유닛에 전달되는 열전달 유닛을 포함한다.Embodiment 3 In the system of Embodiment 2, the product cooling unit comprises (i) a second turbine coupled to provide power to the second generator unit and configured to supply power to the second generator unit, 2 turbine is configured to receive the generated hydrogen gas or oxygen gas, or preferably both; And (ii) a heat transfer unit coupled to transfer heat generated from the product cooling unit to the steam generation unit and transferred to the steam generation unit.
실시예4는 실시예3의 시스템에서, 상기 제 2 발전기 유닛은 전기 분해 유닛에 전기를 제공하도록 형성될 수 있다. Embodiment 4 In the system of Embodiment 3, the second generator unit may be configured to provide electricity to the electrolysis unit.
실시예5는 실시예4의 시스템에서, 상기 생성물 냉각 유닛은 상기 제 2 발전기 유닛 또는 제 3 발전기 유닛에 전력을 제공하도록 결합되고 상기 제 2 발전기 유닛에 전력을 제공하도록 형성된 제 3 터빈을 포함하고, 상기 제 3 터빈은 생성된 수소 가스 또는 산소 가스 또는 바람직하게는 양자 모두를 수용하도록 형성되며, 상기 제 3 발전기 유닛은 전기 분해 유닛에 전기를 공급하도록 형성될 수 있다.Embodiment 5 In the system of Embodiment 4, the product cooling unit includes a third turbine coupled to provide power to the second or third generator unit and configured to provide power to the second generator unit , The third turbine is configured to receive the generated hydrogen gas or oxygen gas, or both, and the third generator unit may be configured to supply electricity to the electrolysis unit.
실시예6은 실시예 1 내지 5 중 어느 하나의 시스템에 있어서, 상기 태양광 발전 터빈 유닛은 (i) 상기 제 1 발전기 유닛에 샤프트 작업을 제공하도록 결합되고 상기 제 1 발전기 유닛에 샤프트 작업을 제공하도록 형성된 제 1 터빈; (ii) 전기 분해 유닛의 증기 공급 입구에 결합된 증기 발생 유닛을 포함하고, 상기 증기 발생 유닛은 물을 보유하고 증기를 생성하도록 형성된 보일러; (iii) 보일러에 열을 발생시키고 제공하도록 구성된 태양광 유닛; 및 (iv) 응축기을 포함하고, 상기 보일러는 상기 제 1 터빈에 결합되고 상기 보일러로부터 상기 제 1 터빈으로 증기를 전달하도록 구성되며, 상기 제 1 터빈은 상기 응축기에 결합되고 상기 터빈으로부터 상기 응축기로 증기를 전달하도록 형성되며, 상기 응축기는 터빈으로부터 전달된 증기를 액체로 응축하도록 구성되며, 상기 응축기는 상기 액체를 상기 보일러로 이송하도록 결합되고 상기 액체를 상기 보일러로 이송하도록 형성될 수 있다. Embodiment 6 In a system of any of embodiments 1-5, the solar power generation turbine unit comprises (i) a shaft assembly coupled to provide a shaft operation to the first generator unit and to provide a shaft operation to the first generator unit A first turbine configured to rotate the first turbine; (ii) a steam generation unit coupled to the steam supply inlet of the electrolysis unit, the steam generation unit comprising: a boiler configured to hold water and produce steam; (iii) a solar unit configured to generate and provide heat to the boiler; And (iv) a condenser, wherein the boiler is coupled to the first turbine and configured to transfer steam from the boiler to the first turbine, wherein the first turbine is coupled to the condenser and the steam from the turbine to the condenser Wherein the condenser is configured to condense the vapor delivered from the turbine into a liquid, the condenser being adapted to deliver the liquid to the boiler and to transfer the liquid to the boiler.
실시예7은 실시예 1 내지 5 중 어느 하나의 시스템에 있어서, 상기 태양광 발전 터빈 유닛은 폐루프 가스 터빗유닛이고, (i) 상기 제 1 발전기 유닛에 샤프트 작업을 제공하도록 결합되고 상기 샤프트 작업을 제공하도록 형성된 제 1 터빈; (ii) 전기 분해 유닛의 증기 공급 입구에 결합된 증기 발생 유닛을 포함하고, 상기 증기 발생 유닛은 상기 제 1 터빈에 결합되어 상기 제 1 터빈으로부터 가열된 유체를 수용하는 제 1 열교환기를 포함하고, 상기 열은 제 1 열교환기에서 가열된 유체로부터 물로 전달되어 증기 및 냉각된 유체를 생성하고; 및 (iii) 냉각된 유체에 열을 발생시키고 제공하도록 형성된 태양광 유닛과; 상기 열교환기는 압축기에 결합되고 상기 냉각된 유체를 상기 압축기로 전달하도록 형성되며, 상기 압축기는 상기 태양광 유닛에 의해 생성된 열로 상기 냉각된 유체를 가열하도록 형성된 제 2 열교환기에 결합되고, 상기 제 2 열교환기는 상기 제 1 터빈에 결합되어 상기 가열된 유체를 상기 제 1 터빈으로 전달한다.Embodiment 7 is a system as in any of the embodiments 1-5, wherein the solar power generation turbine unit is a closed loop gas turbit unit and is (i) coupled to provide a shaft operation to the first generator unit, A first turbine configured to provide a first turbine; (ii) a steam generating unit coupled to the steam supply inlet of the electrolysis unit, the steam generating unit including a first heat exchanger coupled to the first turbine and receiving a fluid heated from the first turbine, The heat being transferred from the heated fluid in the first heat exchanger to water to produce a vapor and a cooled fluid; And (iii) a solar light unit configured to generate and provide heat to the cooled fluid; Wherein the heat exchanger is coupled to a compressor and is configured to deliver the cooled fluid to the compressor, wherein the compressor is coupled to a second heat exchanger configured to heat the cooled fluid with heat generated by the solar light unit, A heat exchanger is coupled to the first turbine to transfer the heated fluid to the first turbine.
실시예8은 실시예7의 시스템에 있어서, 배압 증기 터빈 유닛을 더 포함한다. Example 8 further comprises a backpressure steam turbine unit in the system of the seventh embodiment.
실시예9는 실시예8의 시스템에 있어서, 상기 배압 증기 터빈은 상기 제 1 열교환기에 결합되고 상기 열교환기로부터 증기를 수용하도록 구성될 수 있다. Embodiment 9 In the system of Embodiment 8, the backpressure steam turbine may be coupled to the first heat exchanger and configured to receive steam from the heat exchanger.
실시예10은 실시예9의 시스템에 있어서, 상기 배압 증기 터빈 유닛은 샤프트 작업을 상기 제 1 발전기 유닛에 제공하도록 결합된 제 4 터빈을 포함 할 수 있다.Embodiment 10 In the system of Embodiment 9, the back pressure steam turbine unit may include a fourth turbine coupled to provide a shaft operation to the first generator unit.
실시예11은 실시예9의 시스템에 있어서, 상기 배압 증기 터빈 유닛은 제 4 발전기 유닛에 결합되어 상기 제 4 발전기 유닛에 전력을 제공하도록 형성된 제 4 터빈을 포함할 수 있으며, 상기 제 4 발전기 유닛은 상기 전기 분해 유닛에 전기를 공급하도록 형성될 수 있다.Embodiment 11 is the system of embodiment 9 wherein the backpressure steam turbine unit may comprise a fourth turbine coupled to the fourth generator unit and configured to provide power to the fourth generator unit, May be configured to supply electricity to the electrolysis unit.
실시예12는 실시예 1 내지 11 중 어느 하나의 시스템에 있어서, 상기 증기 발생 유닛에서 생성된 상기 증기은 가압된 증기일 수 있다. Embodiment 12: The system of any one of embodiments 1-11, wherein the steam generated in the steam generating unit may be pressurized steam.
실시예13은 실시예 1 내지 12 중 어느 하나의 시스템에 있어서, 상기 시스템의 사용 중에는 이산화탄소를 생성하지 않을 수 있다. Embodiment 13: The system of any one of embodiments 1-12, wherein no carbon dioxide is produced during use of the system.
실시예14은 실시예 1 내지 13 중 어느 하나의 시스템에 있어서, 생성된 상기 수소 가스 또는 생성된 상기 산소 가스 또는 이들 모두는 다운스트림 화학 공정에서 각각 사용될 수 있다. Example 14 is any of the systems of Examples 1-13, wherein the hydrogen gas produced or the oxygen gas produced or both can be used in a downstream chemical process, respectively.
실시예15는 실시예 1 내지 14 중 어느 하나의 시스템에 있어서, 상기 전기 분해 유닛은 2 개 이상의 생성물 출구를 포함할 수 있으며, 상기 제 1 생성물 출구는 수소 가스 용이고 제 2 생성물 출구는 산소 가스 용일 수 있다. Example 15 is a system according to any of the
실시예16은 실시예15의 시스템에 있어서, 상기 전기 분해 유닛에 결합된 공기 공급부를 더 포함할 수 있으며, 상기 공기 공급부는 상기 전기 분해 유닛의 산소 방출면에 공기를 제공하여 산소와 공기의 혼합물이 상기 제 2 출구로부터 생성되도록 할 수 있다.Example 16 In the system of the fifteenth embodiment, the air supply unit may further include an air supply unit coupled to the electrolysis unit, wherein the air supply unit supplies air to the oxygen release surface of the electrolysis unit, May be generated from the second outlet.
실시예17은 실시예 1 내지 16 중 어느 하나의 시스템으로 물에서 수소 가스 및 산소 가스를 생성하는 방법일 수 있다. 상기 방법은 수소 가스 및 산소 가스를 생성하기에 충분한 물을 전기 분해 조건에 적용시키는 단계를 포함 할 수 있다.Example 17 can be a method for producing hydrogen gas and oxygen gas in water by any one of the systems of Examples 1 to 16. The method may comprise applying sufficient water to electrolysis conditions to produce hydrogen gas and oxygen gas.
실시예18은 실시예17의 방법에 있어서, 하나 이상의 저장 유닛, 화학 처리 유닛, 운송 유닛 또는 이들의 임의의 조합에 수소 가스를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. Example 18 can further comprise the step of providing hydrogen gas to the one or more storage units, the chemical treatment unit, the transport unit or any combination thereof in the method of embodiment 17. [
실시예19는 실시예17 또는 18의 방법에 있어서, 하나 이상의 저장 유닛, 화학 처리 유닛, 운송 유닛 또는 이들의 임의의 조합에 산소 가스를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.Example 19 can further comprise the step of providing oxygen gas to the one or more storage units, the chemical treatment unit, the transfer unit, or any combination thereof in the method of embodiment 17 or 18.
실시예20은 실시예17 내지 19 중 어느 한 방법에 있어서, 생성된 수소 가스 또는 생성된 산소 가스 또는 이들 모두는 다운스트림 화학 공정에서 각각 사용될 수 있다.Example 20 is a process according to any one of embodiments 17-19, wherein the hydrogen gas produced or the oxygen gas produced, or both, can be used in a downstream chemical process, respectively.
실시예21은 실시예17 내지 20 중 어느 한 방법에 있어서, 이산화탄소는 시스템에 의해 생성되지 않을 수 있다.Example 21 is any of the methods of Examples 17-20 wherein carbon dioxide may not be produced by the system.
실시예 22는 실시예17 내지 21 중 어느 한 방법에 있어서, 상기 물은 상기 증기 발생 유닛에 의해 생성된 증기의 형태일 수 있다.Embodiment 22: The method of any one of embodiments 17-21, wherein the water may be in the form of steam generated by the steam generating unit.
본 발명은 물의 온도 및 압력을 상승시킬 수 있으며, 이는 전기 분해 유닛에서 사용될 수 있다. 수온 및 압력을 상승시킴으로써, 물 분리 반응에 필요한 전체적인 전기 에너지가 감소되고, 이는 특정예에서, 태양 에너지 또는 내부 열 소실로부터의 추가적인 열 입력을 희생시키면서 감소 될 수 있다. 전기 에너지는 발전기 유닛을 구동시키고 전기 분해 유닛에 증기를 제공 할 수 있는 태양광 발전 터빈 유닛에 결합된 발전기를 사용하여 생성된다. 이것은 화석 연료를 사용하지 않고 수분 분해 반응(위의 식 (III) 참조) 및 식 (I) 및 (II)과 비교할 때 이산화탄소를 생성하지 않고 수행 할 수 있다.The present invention can raise the temperature and pressure of water, which can be used in an electrolysis unit. By raising water temperature and pressure, the overall electrical energy required for the water separation reaction is reduced, which in certain instances can be reduced at the expense of additional heat input from solar energy or internal heat dissipation. Electrical energy is generated using a generator coupled to a solar power turbine unit that can drive the generator unit and provide steam to the electrolysis unit. This can be done without producing fossil fuels and without generating carbon dioxide when compared to the hydrolysis reaction (see equation (III) above) and equations (I) and (II).
도 1a 및 도 1b는 물로부터 수소 가스 및 산소 가스를 발생시키는 본 발명의 태양광 발전 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 태양광 발전 터빈 유닛의 개략도이다.
도 3은 냉각 유닛을 포함하는 본 발명의 태양광 발전 시스템의 개략도이다.
도 4는 보일러 및 응축기를 포함하는 본 발명의 태양광 발전 터빈 유닛의 개략도이다.
도 5는 폐루프 가스 터빈 유닛을 포함하는 본 발명의 태양광 발전 터빈 유닛의 개략도이다.
도 6은 서로 직렬로 설정된 폐루프 가스 터빈 유닛 및 배압 증기 터빈 유닛을 포함하는 본 발명의 태양광 발전 터빈 유닛의 개략도이다.
도 7은 폐루프 가스 터빈 유닛 및 배압 증기 터빈 유닛 및 서로 평행하게 배열된 제 4 발전기 유닛을 포함하는 본 발명의 태양광 발전 터빈 유닛의 개략도이다.
도 8은 폐루프 가스 터빈 유닛을 포함하는 본 발명의 태양광 발전 터빈 유닛의 개략도이다.
본 발명은 다양한 변형 및 대안적인 형태가 가능하며, 그 특정 실시예는 도면의 예로서 도시되며 여기에 상세히 설명 될 것이다. 도면은 축척이 맞지 않을 수 있다. 도면들 및 그에 대한 상세한 설명은 본 발명을 개시된 특정 형태로 한정하려는 의도가 아니며, 그러나 반대로 본 발명의 목적은 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 모든 변경, 등가물 및 대안을 포함하는 것이다.Figures 1A and 1B are schematic diagrams of a solar power generation system of the present invention for generating hydrogen gas and oxygen gas from water.
2 is a schematic view of a solar power generation turbine unit of the present invention.
3 is a schematic diagram of a solar power generation system of the present invention including a cooling unit.
4 is a schematic diagram of a solar power generation turbine unit of the present invention including a boiler and a condenser.
5 is a schematic view of a solar power generation turbine unit of the present invention including a closed-loop gas turbine unit.
Figure 6 is a schematic diagram of a solar power generation turbine unit of the present invention including a closed-loop gas turbine unit and a backpressure steam turbine unit set in series with each other.
7 is a schematic diagram of a solar power generation turbine unit of the present invention including a closed-loop gas turbine unit and a back-pressure steam turbine unit and a fourth generator unit arranged in parallel with each other.
8 is a schematic diagram of a solar power generation turbine unit of the present invention including a closed-loop gas turbine unit.
The invention is susceptible to various modifications and alternative forms, of which specific embodiments are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. The drawings may not scale. The drawings and detailed description are not intended to limit the invention to the particular forms disclosed, but on the contrary, the intention is to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. .
다음은 본 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 다양한 용어 및 구문의 정의를 포함한다.The following includes definitions of various terms and phrases used throughout this specification.
"결합된"이라는 용어는 하나 이상의 객체 또는 구성 요소 사이의 직접 연결 또는 간접 연결(예: 하나 이상의 중간 연결)을 의미하며 반드시 기계적일 필요는 없다. "결합된"두 항목은 서로 하나가 될 수 있다.The term "coupled" means a direct or indirect connection (e.g., one or more intermediate connections) between one or more objects or components and is not necessarily mechanical. The two items "combined" can be one.
용어 "유체"는 기상, 액상 또는 이들의 혼합물 중에 존재하고 유동 할 수있는 화합물 또는 화합물의 혼합물을 지칭한다. 유체의 비 제한적인 예는 공기, 액체 이산화탄소, 기체 이산화탄소, 물, 증기 또는 이들의 혼합물을 포함한다.The term "fluid" refers to a compound or mixture of compounds that may be present and flowing in a gas, liquid, or mixture thereof. Non-limiting examples of fluids include air, liquid carbon dioxide, gaseous carbon dioxide, water, steam, or mixtures thereof.
용어 "약(about)" 또는 "대략(approximately)"은 당업자에 의해 이해되는 것에 가깝게 정의되며, 하나의 비한정적인 실시예에서 용어는 10 % 이내, 바람직하게는 5 % 이내, 더욱 바람직하게는 1 % 이내, 가장 바람직하게는 0.5 % 이내이다.The term " about "or" approximately "is defined as being close to that understood by one of ordinary skill in the art, and in one non-limiting embodiment the term is within 10%, preferably within 5% 1%, and most preferably within 0.5%.
용어 "실질적으로(substantially)" 및 그 변형은 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 지정되는 것이 전부이지만 반드시 필수적인 것으로 한정되지 않으며 하나의 비 한정적인 실시예에서 실질적으로 10 % 이내, 5 % 이내, 1 % 이내, 또는 0.5 % 이내이다. The term "substantially" and variations thereof are intended to be all that is specified, as understood by one of ordinary skill in the art, but are not necessarily essential, and in one non-limiting embodiment, substantially within 10%, within 5% , Or within 0.5%.
청구 범위 및/또는 명세서에 사용된 "억제(inhibiting)" 또는 "감소(reducing)" 또는 "예방(preventing)" 또는 "회피(avoiding)"또는 이 용어의 변형은 원하는 결과를 얻기 위한 측정 가능한 감소 또는 완전한 억제를 포함한다.Quot; inhibiting " or "reducing" or " preventing "or " avoiding ", or variations thereof, as used in the claims and / Or complete inhibition.
명세서 및/또는 청구 범위에서 사용되는 용어 "유효(effective)"는 원하는, 예상된 또는 의도된 결과를 달성하기에 적절함을 의미한다.The term "effective" as used in the specification and / or claims means that it is appropriate to achieve a desired, expected or intended result.
청구범위 또는 명세서에서 "포함하는(comprising)"이라는 용어와 함께 사용되는 경우 "하나의(a)"또는 "하나의(an)"이라는 용어의 사용은 "하나(one)"를 의미 할 수도 있지만 "하나 또는 그 이상의(one or more)", "적어도 하나(at least one)" 및 "하나 이상(one or more than one)"을 의미할 수도 있다.The use of the terms "a" or "an" when used in conjunction with the term "comprising" in the claims or specification may mean "one" May mean "one or more," " at least one, "and " one or more than one.
"포함하는(comprising)" ("포함하다(comprise)" 및 "포함한다(comprises)"와 같은 "포함하는(comprising)"의 임의의 형태), "구비하는" ("구비하다(have)" 및 "구비하다(has)"과 같은 "구비하는(having)"의 임의의 형태), "포함하는(including)" ("포함하다(includes)" 및 "포함한다(include)"와 같은 "포함하는(including)"의 임의의 형태) 또는 "구비하는(containing)" ("구비하다(contains)" 및 "포함한다(contain)"와 같은 "구비하는(containing)"의 임의의 형태) 단어는 포괄적이거나 제한이 없으며 언급되지 않은 추가요소 또는 방법 단계를 제외하지 않는다. &Quot; comprising, " " comprising, "" comprising, " " comprising, " (Including any form of " having ", such as " including ", such as " (Including any form of "including" such as "containing" or "containing" as used herein) and the word "containing" It does not exclude additional elements or method steps that are inclusive, unrestricted and not mentioned.
본 발명의 시스템은 본 명세서 전반에 걸쳐 개시된 특정 성분, 성분, 조성물 등을 "포함"하거나 "본질적으로 구성된다" 또는 "포함한다". 하나의 비한정적인 측면에서 "본질적으로 이루어진" 전이 단계와 관련하여, 본 발명의 시스템의 기본적이고 새로운 특성은 태양 에너지의 사용 및 시스템이 존재할 때 생성되는 감소 된 양의 이산화탄소 용도일 수 있다. The system of the present invention "comprises," " comprises, "or " comprises" certain components, ingredients, compositions, In connection with the "inherently made" transition step in one non-limiting aspect, the basic and novel characteristics of the system of the present invention may be the use of solar energy and the reduced amount of carbon dioxide application produced when the system is present.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점은 다음의 도면, 상세한 설명 및 실시 예로부터 명백해질 것이다. 그러나, 본 발명의 특정 실시예를 나타내는 도면, 상세한 설명 및 실시예는 단지 설명을 위한 것이며 제한적인 것은 아니다. 또한, 본 발명의 사상 및 범위내의 변경 및 수정이 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이라는 것이 고려된다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following drawings, detailed description and embodiments. It should be understood, however, that the drawings, detailed description, and examples illustrating specific embodiments of the invention are provided by way of illustration only and not by way of limitation. It is also contemplated that changes and modifications within the spirit and scope of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the detailed description.
현재 이용 가능한 물 분리 시스템은 상당량의 전기 에너지를 필요로 한다. 대부분의 전기 에너지는 알려진 온실 가스인 이산화탄소를 생산하는 화석 연료의 연소에 의해 생성된다. 비교하여, 본 발명은 식(III)의 물 분해 반응에 의존하여 감소된 또는 제한된 이산화탄소 생성을 허용한다. 본 발명의 발견은 전기 분해 장치에 전력을 공급하기에 충분한 열과 전기를 생산하기 위해 태양광 발전, 열회수 및 증기 발생의 조합에 있다. 전기 분해 유닛에서 증기의 사용은 물이 공급된 주위 온도에서 또는 그 근처에서 작동하는 전기 분해 유닛을 사용할 때 요구되는 전기 에너지와 비교하여 물 분해 반응에 필요한 전기 에너지를 감소시킨다.Currently available water separation systems require a significant amount of electrical energy. Most electrical energy is generated by the combustion of fossil fuels, which produce carbon dioxide, a known greenhouse gas. In comparison, the present invention allows reduced or limited carbon dioxide production depending on the water decomposition reaction of formula (III). The discovery of the present invention is a combination of solar power generation, heat recovery and steam generation to produce sufficient heat and electricity to power the electrolysis apparatus. The use of steam in the electrolysis unit reduces the electrical energy required for the water splitting reaction compared to the electrical energy required when using the electrolysis unit operating at or near the ambient temperature at which water is supplied.
본 발명의 이들 및 다른 비제한적인 측면은 하기 섹션에서 도 1 내지 도 7을 참조하여 더 상세하게 논의된다. 또한, 도 1 내지 도 7에서 기계적 또는 열 에너지는 열린 머리 화살표가 있는 선을 사용하여 표시된다. 질량 흐름은 선과 닫힌 머리 화살표로 표시된다. 전력은 점선과 닫힌 머리 화살표로 표시된다. 입구, 출구, 밸브 및 커넥터는 당업자에게 공지되어 있음을 이해해야 한다.These and other non-limiting aspects of the present invention are discussed in greater detail in the following sections with reference to Figures 1-7. Also, in Figs. 1-7, the mechanical or thermal energy is indicated using a line with an open-headed arrow. The mass flow is indicated by a line and a closed head arrow. The power is indicated by a dotted line and a closed head arrow. It is to be understood that the inlet, outlet, valves and connectors are well known to those skilled in the art.
A. 물에서 수소 가스 및 산소 가스 생성을 위한 태양광 발전 시스템A. Photovoltaic power generation system for generating hydrogen gas and oxygen gas from water
도 1a와 1b는 현재 개발한 태양광 발전 시스템을 나타낸 도면이다. 태양광 발전 시스템(100)은 전기 분해 유닛(102), 제 1 발전기 유닛(104)과 태양광 발전 터빈 유닛(106)을 포함한다. 증기 공급기(108)는 태양광 발전 터빈 유닛(106) 안에서 태양광 발전 터빈 유닛(106)으로 배출하고 전기 분해 유닛(102)으로 들어올 수 있다. 전기 분해 유닛(102)속의 물 대신 증기 사용은 상온에서의 전해수 분할 조건에 비해 전해수 분할 반응에 필요한 전기 에너지의 총량을 낮쳐준다. 증기 공급기는 1 내지 10 bar 또는 10 bar의 압력으로 전기 분해 유닛(102)으로 전달될 수 있다. 전기 분해 유닛(102)에서, 증기는 수소 가스와 산소 가스로 분리된다. 전기 분해 유닛(102)는 고열 증기 전기 분해 장치가 될 수 있다. 바람직한 실시예에서. 전기 분해 유닛(102)은 하나 이상의 물질 예를 들어, 안정된 이트리아 지르코니아(yttria-stabilised zirconia), 안정된 스칸디아 지르코니아(scandia stabilized zirconia), 세리아계 전해질(ceria-based electrolytes) 또는 란탄 갈레이트 물질(lanthanum gallate materials)과 고체 전해질 사용으로 고체 산화물 전기 분해 시스템이 될 수 있다. 물을 수소와 산소로 분리하기에 충분한 전기 분해 조건들에는 50 내지 1000°C, 250 내지 950°C 또는 600 내지 900°C와 0.1 내지 1 MPa의 압력을 포함할 수 있다. 수소 가스 스트림(110)은 전기 분해 유닛(102)을 빠져나와 다운스트림 화학 공정, 이송 유닛으로 사용될 수 있다. 산소 가스 스트림(112)은 전기 분해 유닛(102)을 빠져나올 수 있으며 다운스트림 화학 공정 및 또는 이송 유닛으로 사용될 수 있다. 또한, 수소 가스 스트림 및 또는 산소 가스 스트림은 저장, 이송 또는 판매될 수 있다. 전기 분해 장치(102)는 50 내지 90 몰(mol)%의 물을 수소 가스와 산소 가스로 전환 가능하다. 일부 실시예에서는, 물 분해 중에 생성된 수소 가스 및 산소 가스는 전기 분해 유닛(102)의 수소 수집기 및 산소 수집기에서 모아질 수 있다. 수집기들은 수소 가스나 산소 가스를 다운스트림 유닛, 이송 유닛, 저장 유닛 또는 관련된 장치에 각각 제공할 수 있다. FIGS. 1A and 1B are views showing a solar power generation system that is currently being developed. The solar
도 1b와 같이, 공기 공급 유닛(114)은 전기 분해 유닛(102)에 결합된다. 공기 공급 유닛(114)은 출구 스트림에서 순수한 산소보다 적은 양을 유지하도록 전기 분해 장치의 산소 발생을 공기 스트림(116)(예, 압축 공기)에 제공할 수 있다. 전기 분해 유닛(102)에 유입되는 공기는 압축될 수 있다. 일부 실시예에서는, 전기 분해 유닛(102)에서 나가는 산소 스트림(112)은 최소 10 내지 90 볼륨(vol)%의 산소, 50 내지 80 볼륨(vol)%의 산소 또는 60 내지 70 볼륨(vol)%의 산소를 갖는 산소가 풍부한 스트림이다.1B, the
도 1a와 1b에서, 제 1 발전기 유닛(104)은 전기 분해 유닛(102) 및 태양광 발전 터빈 유닛(106)과 결합된다. 태양광 발전 터빈 유닛(106)은 제 1 터빈을 포함할 수 있다. 제 1 터빈은 하나 이상의 태양광 발전 가스 터빈, 증기 터빈들, 역압 증기 터빈들 또는 어떤 임의적인 조합도 가능하다. 태양광 발전 터빈 장치의 터빈들은 기계 에너지를 발생시키며(축 작업), 이는 제 1 발전기 유닛(104)에 공급된다. 제 1 발전기 유닛(104)은 기계 에너지를 사용하여 전기 에너지(118)를 생성하여 전기 분해 유닛(102)에 제공한다. 도 2를 참조하면, 시스템(200)은 증기 터빈을 통합하는 물로부터 수소와 산소 가스를 제조하는 시스템을 설명한다. 태양광 발전 터빈 유닛(106)은 제 1 터빈(200), 태양광 집열 유닛(202), 증기 발전 유닛(204)을 포함한다. 제 1 터빈(200)은 기계 에너지(120)를 제 1 발전기 유닛(104)에 제공한다. 도 2에서, 제 1 터빈(200)은 증기 터빈이다. 태양광 집열 유닛(202)은 본 설명서 전반에 걸쳐 기술된 바와 같이 증기 발전 유닛(204)에 열(208)을 생성하고 제공할 수 있다. 태양광 집열 유닛(202)은 햇빛을 모으고 20 내지 200bar의 압력이나 공기에서 300 내지 1000 ℃ 또는 1 내지 20 bar에서 약 720 내지 1350 ℃의 온도로 물을 데울 충분한 열을 제공하기 위한 거울 및 또는 렌즈 시스템(예를 들어, 태양광 팜)을 포함하는 고온 태양광 집열기일 수 있다. 바람직한 실시예에서는, 태양광 집열기는 하루 동안 태양 광선의 변화하는 방향에 따라 스스로 움직이는 컴퓨터 제어 거울(예, 헬리오스탯(heliostats))이다. 증기 발전 유닛(204)은 본 설명서 전반에 걸쳐 기술된 바와 같이 제 1 터빈(200)과 결합된다. 예를 들어, 제 1 터빈(200)이 증기 터빈 일 때, 증기 발전 유닛(204)은 증기 공급기(210) 및 증기 공급기(108)를 생성할 수 있다. 증기 공급기(210)는 기계 에너지(120) 및 감압 증기 스트림(212)을 생성하여 제 1 터빈에 제공할 수 있다. 증기 발전 유닛(204)에서 물(214)은 증기 발전 유닛(204)으로 들어가고 가압 및/또는 가열되어 증기 공급기(210)를 생성할 수 있다.In Figures 1A and 1B, the
B. 냉각 유닛을 가지는 태양광 발전 시스템 B. Photovoltaic system with cooling unit
본 발명의 몇몇 측면에서, 본 발명의 태양광 발전 시스템은 냉각 유닛을 포함할 수 있다. 도 3은 냉각 유닛(302)에 결합된 태양광 발전 터빈 유닛(106) 및 전기 분해 유닛(102)을 갖는 태양광 발전 시스템(300)의 개략도를 나타낸다. 냉각 유닛(302)은 제 2 터빈(304), 제 2 발전기 유닛(306), 제 3 터빈(308), 제 3 발전기 유닛(310), 열전달 유닛(312)을 포함한다. 본 발명의 다른 측면으로, 전기 분해 유닛은 전기 분해 유닛의 전극들 중 하나에서 생성된 산소를 스위핑하는데 사용되는 압축 공기 스트림(116)(예, 도 1B 참조)과 함께 공급되어 산소가 풍부한 가스 스트림(112)을 생성한다. 시스템(300)에서, 수소 가스 스트림(110)은 800 내지 1000°C 의 온도 및 1 내지 10 bar의 압력에서 전기 분해 유닛(102)을 빠져나와 제 2 터빈(304)에서 팽창될 수 있다. 제 2 터빈(304)에서의 수소 가스 스트림(110)의 팽창은 기계 에너지(316)와 고온 수소 가스 스트림(318)을 생성한다. 생성된 기계 에너지(316)는 전기 분해 유닛(102)에 제공되는 전기 에너지(320)를 생성하는 제 2 발전기 유닛(306)에 제공된다. 전기 에너지(320)는 전기 분해 유닛(102) 또는 예를 들어 공기 공급 유닛(114)과 같은 다른 장치에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. 고온 수소 가스 스트림(118)은 제 2 터빈(304)을 빠져나와 냉각된 수소 기체 스트림(322)과 회수된 열 에너지(324)를 형성하기 위해 열전달 유닛(312)에서 열을 교환하여 받을 수 있다. 회수된 열 에너지(324)는 증기 발전 유닛(106)으로 전달될 수 있다. 마찬가지로, 산소가 풍부한 가스 스트림(112)은 800 내지 1000℃의 온도와 10bar의 압력을 가지는 전기 분해 유닛(102)을 빠져나와 제 3 터빈(308)에서 팽창될 수 있다. 제 3 터빈(308)에서 산소의 팽창은 기계 에너지(326)와 고열의 산소가 풍부한 가스 스트림(328)을 발전시킨다. 생성된 기계 에너지(326)는 전력(330)을 생산하는 제 3 발전기 유닛(310)에 제공될 수 있다. 전력(330)은 전기 분해 유닛(102)이나 다른 장비에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전력(320)과 전력(330)은 동일한 입구에서 전기 분해 유닛에 들어갈 수 있다. 전력은 하나 이상의 입구를 통해 전기 분해 유닛에 연결될 수 있다. 고온의 산소가 풍부한 가스 스트림(318)은 제 3 터빈(308)을 빠져나와 냉각된 산소 가스 스트림(332)과 회수된 열 에너지(324')를 형성하도록 열전달 유닛(312)에서 열을 교환하여 받을 수 있다. 열 회수 유닛(312)으로부터 회수된 열 에너지(324')는 증기 발생 유닛(106)으로 전달될 수 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 회수된 열 에너지(324')는 회수된 열 에너지(324)와 결합되지만, 열 에너지(324')는 증기 발생 유닛(106)에 별도로 제공될 수 있음을 알아야 한다. 냉각된 수소 가스 스트림(322)과 냉각된 산소가 풍부한 가스 스트림은 상온이나 그 부근의 최종 온도를 가질 수 있으며, 예를 들어, 20 내지 30℃ 또는 25℃의 온도를 가질 수 있다. 열전달 유닛(312)은 하나의 장치로 묘사되어 있지만, 하나 이상의 장치가 열 전달을 위한 충분한 온도차이를 유지하는데 필요할 수 있다. 예를 들어, 열전달 유닛(312)은 냉각된 수소 스트림(322)과 냉각된 산소가 풍부한 스트림(332)을 생성하기 위해 고온 수소 스트림(318)과 고온 산소 스트림(328)과 열 교환을 수행하는 하나 이상의 열교환기를 직렬이나 병렬로 결합된 구성을 포함할 수 있다. 냉각된 수소 가스 스트림(314)은 다운스트림 화학 공정, 저장, 운반 또는 판매에 사용될 수 있다. 냉각된 산소 가스 스트림(318)은 다운스트림 화학 공정과 또는 운반 장치, 저장, 운반 또는 판매에 사용될 수 있다. 생성된 전기 에너지(320, 330)는 전기 에너지(118)와 결합된 전기 분해 유닛(102)에 전력을 공급하거나 전기 에너지를 필요로 하는 다른 장비에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다.In some aspects of the invention, the solar power generation system of the present invention may include a cooling unit. 3 shows a schematic diagram of a solar
C. 태양광 발전 스팀 터빈 유닛을 포함하는 태양광 발전 시스템C. Photovoltaic power generation system including a photovoltaic steam turbine unit
본 발명의 일부 측면에서, 태양광 발전 시스템(400)은 열을 전력으로 변환시키는 제 1 터빈을 포함한다. 도 4를 참조하면, 태양광 발전 터빈 유닛(106)은 제 1 터빈(200), 태양광 유닛(202), 보일러(402), 응축기(404), 펌프(406)를 포함한다. 태양광 유닛(202)은 보일러(402) 내의 물을 20 내지 200bar의 압력에서 300 내지 600℃로 가열하기에 충분한 열을 제공할 수 있는 햇빛 수집을 위한 고온 태양광 수집기가 될 수 있다. 펌프(406)는 응축기(404)로부터 수증기(408)를 보일러(402)로 끌어올린다. 펌프(406)는 고압 수증기(410)를 보일러(402)로 들어가도록 수증기(408)를 가압한다. 보일러(402)에서, 고압 수증기(410)는 태양광 에너지(208)에 의해 가열되며, 선택적으로 열 에너지(322)(예, 도 3에 설명된 열 회수 시스템 참조)로 물을 증발시켜 증기 공급기(210)와 증기 공급기(108)로부터 다른 장치들에 제공될 수 있다. 바람직한 측면에서, 발생된 증기는 고압 증기이다. 보일러(402)는 임의의 통상적인 태양 보일러이다. 일부 예에서, 보일러(402)는 제 1 보일러가 끌어올린 물을 포화된 증기로 전환시킨 후 제 2 보일러가 포화 온도를 초과하여 증기를 가열하여 과열 증기를 생성하는 경우와 같은 보일러이다. In some aspects of the invention, the solar
증기 공급기의 일부분인 증기 공급기(210)는 보일러(402)를 나와 제 1 터빈(200)으로 들어갈 수 있다. 제 1 터빈(200)은 증기(210)를 팽창시켜 기계 에너지(120)와 저압으로 팽창된 증기(212)를 발생시킨다. 전기 에너지(118)를 생성하여 전기 분해 유닛(102)에 공급하는 제 1 발전기 유닛(104)에 기계 에너지(샤프트 워크(shart work))(120)가 제공될 수 있다. 팽창된 증기(212)는 제 1 터빈(200)을 나가고 응축기(404)로 들어갈 수 있다. 응축기(404)에서, 팽창된 증기(212)는 일정한 압력에서 냉각되어 수증기를 응축시킨다. 일부 실시예에서, 증기(212)는 포화 증기를 생성하기 위한 온도와 압력으로 냉각된다. 발생된 스팀 증기 공급기(108)의 일부는 보일러(402)를 나와 전기 분해 유닛(202)으로 들어간다. 전기 분해 유닛(102)에 제공된 증기의 양은 밸브(412)에 의해 조절될 수 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, 화석 연료를 사용하지 않고 전기 분해 유닛(102)을 작동시키기 위해 필요한 모든 열과 전기 에너지가 제공되므로, 사용 중에 이산화탄소가 발생하지 않는다. 몇몇 실시예는, 냉각 유닛(302)이 사용되지 않을 수 있다. A
D. 태양광 발전 가스 터빈 유닛을 가지는 태양광 발전 시스템D. Photovoltaic Power Generation System with Solar Power Gas Turbine Unit
본 발명의 일부 측면들에서, 태양광 발전 터빈 유닛(106)은 공기 또는 이산화탄소와 같은 적절한 작동 유동체를 사용하는 태양광 발전 가스 터빈을 포함한다. 도 5에는 태양광 발전 시스템(500)에 제 1 발전기 유닛(104), 전기 분해 유닛(102), 태양광 유닛(202), 증기 발생 유닛(204), 냉각 유닛(302)과 결합된 제 1터빈(200)을 포함한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 제 1 터빈(200)은 가스 터빈이다. 제 1 터빈(200)은 전기 분해 유닛(102)에 공급되는 전력(118)을 생성하는 발전기(104)에 기계 에너지(120)를 제공한다. 전기 분해 유닛(102)은 본 설명서 전반에 걸쳐 기술된 바와 같이 수소 가스 스트림(110)과 산소가 풍부한 가스 스트림(112)을 생성한다. 예를 들어, 산소가 풍부한 가스 스트림은 압축 공기 스트림(116)과 전기 분해 유닛(102)에서 생성된 산소의 혼합물이다. 전술한 바와 같이, 생성된 수소 가스 스트림(110)과 또는 산소가 풍부한 가스 스트림(112)은 터빈(304, 308)을 통해 팽창되고, 팽창된 가스는 열전달 유닛(312)을 통과할 때 열을 교환하여 받는다. 열전달 유닛(312)으로부터 회수된 열(324, 324')은 증기 발생 유닛(204)으로 전달될 수 있고 시스템(500)에서 증기 발생시 열원으로서 사용될 수 있다.In some aspects of the invention, the solar
시스템(500)에서, 태양광 유닛(106)은 제 1 터빈(200), 증기 발생 유닛(204), 태양광 유닛(202)들을 포함한다. 증기 발생 유닛(204)은 하나 이상의 공급원으로부터 열을 회수하고 증기를 생성할 수 있는 열 회수 증기 발생 장치로 제공될 수 있다. 증기 발생 유닛(204)은 충분한 증기(예, 고압 증기)를 전기 분해 유닛(102)에 제공하는데 필요한 임의의 펌프 또는 물 유입구와 배출구를 포함할 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 증기 발생 유닛(204)은 제 1 터빈(200)으로부터 가열된 유동체(504)(예, 가열된 공기 또는 이산화탄소)를 수용하는 제 1 열교환기(502)를 포함한다. 가열된 유동체(504)는 제 1 열교환기(502)에서 작동 유동체로서 사용되어 물로부터의 증기 발생을 위한 열을 제공할 수 있다. 비록 하나의 열교환기만이 증기 발생 유닛(204)에 나타나 있지만, 하나 이상의 열교환기를 사용하여 충분한 열 교환을 유지할 수 있다. 예를 들어, 증기 발생 유닛(204)은 하나 이상의 쉘 및 튜브 열교환기를 가질 수 있다. 증기 발생 유닛(204)에서 생성된 증기(208)는 빠져나와 전기 분해 유닛(102)에 유입되고, 전기 분해 유닛(102)은 증기를 수소 및 산소로 전해하여 해리시키기에 충분한 상태로 놓는다.In the system 500, the
부분적으로 냉각된 유체(506)는 열교환기(502)를 빠져나와 압축기(508)로 들어간다. 압축기(508)에서 부분적으로 냉각된 유체(506)는 압축되어 압축 유체(510)를 형성한다. 압축 유체(510)는 1 내지 20bar 압력에서 압축기(508)를 빠져나와 제 2 열 교환 유닛(512)에 진입한다. 압축 공기는 제 2 열 교환 유닛(512)에 진입 할 때 약 250 내지 300℃의 온도를 가질 수 있다. 제 2 열 교환 유닛(512)은 하나 이상의 열교환기를 포함할 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 제 2 열 교환 유닛(512)은 3개의 열교환기(514, 516, 518)를 포함한다. 열교환기(514, 516, 518)는 태양광 유닛(202)에 결합된다. 태양광 유닛들(202)은 500 내지 1000℃를 초과하는 충분히 높은 온도에서 태양광을 수집하여 열교환기들(514, 516, 518) 각각에 열을 제공하는 다수의 태양광 집열기, 거울, 렌즈를 포함할 수 있다. 태양광 유닛(202)은 열교환기(514, 516, 518)에 원하는 양의 열을 제공할 수 있다. 예를 들어, 압축 유체(510)가 열교환기(514, 516, 518)를 통과함에 따라, 압축 유체의 온도가 1 내지 20bar의 압력에서 약 720 내지 1350℃가 될 때까지 각 열교환기에서 압축 유체가 점진적으로 가열될 수 있다. 고온 압축 유체(520)는 열 교환 유닛(514)을 나가서 제 1 터빈(200)으로 들어간다. 제 1 터빈(200)에서, 고온 압축 공기(520)는 제 1 발전기 유닛(104)과 압축기(508)에 제공되는 기계 에너지(120)를 생성하도록 충분히 팽창된다. 고온 배기 스트림(504)은 제 1 터빈(200)을 나가고 열역학 순환을 계속하기 위해 열교환기(502)로 들어간다. 도 5에 도시한 바와 같이, 제 1 열교환기(502), 압축기(508), 열교환기(514), 제 1 터빈(200)의 조합은 닫힌 브레이튼 순환을 구성할 수 있다. 그러나 이는 다른 열역학 열 회수 순환에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 압축 유체(510)의 일부 또는 전부는 열 교환 유닛(512)이 필요하지 않은 충분한 온도일 수 있고, 따라서 압축 유체 스트림(510')은 제 1 터빈(200)으로 직접 보내질 수 있다. 압축 유체(510)의 일부분은 밸브(522)에 의해 조절될 수 있다. 시스템(500)에 대해 기술된 태양광 발전 터빈 유닛(106)은 최소의 이산화탄소 배출량으로 물의 전기 분해에 필요한 에너지를 열로써 생산하는 효율적인 "그린(green)"시스템을 제공한다. The partially cooled
E. 태양광 발전 복합 사이클 시스템E. Photovoltaic Combined Cycle System
일부 실시예에서, 태양광 발전 복합 사이클 시스템은 전기 분해 유닛(102)에 대한 증기와 전기를 생성하는데 사용될 수 있다. 도 6 및 7은 태양광 발전 복합 사이클 시스템(600)을 개략적으로 나타낸다. 시스템(600)은 증기 터빈(602)이 역압 증기 터빈(602)과 조합한 도 5에 설명한 태양광 발전 터빈 시스템의 특징을 포함한다. 도 6을 참조하면, 역압 증기 터빈(602)은 제 1 발전기 유닛(104)에 추가적인 기계 에너지를 제공하는데 사용된다. 역압 증기 터빈(602)은 증기 발생 유닛(204)으로부터 증기 공급기(604)를 수용한다. 증기 공급기(604)는 본 설명서 전반에 걸쳐 기술된 바와 같이 증기 발생 유닛(204)에서 생성될 수 있다. 역압 증기 터빈(602)에서 증기 공급기(604)의 팽창은 제 1 발전기 유닛(104)에 제공될 수 있는 추가적인 기계 에너지(606)를 생성한다. 팽창된 증기 스트림(608)은 역압 증기 터빈(602)을 나가서 수소와 산소의 생성시 가열된 물의 공급원으로 사용되는 전기 분해 유닛(102)에 들어간다. 일부 실시예에서, 팽창된 증기 스트림(608)은 전기 분해 유닛(102)에 유입되는 증기 공급기(108)와 혼합된다. 일부 실시예에서, 팽창된 증기 스트림(608)은 전기 분해 유닛(102)에 유입되는 증기 공급기(108)와 혼합된다.In some embodiments, the solar power combined cycle system may be used to generate steam and electricity for the
도 7을 참조하면, 태양광 발전 시스템(700)은 태양광 발전 유닛(106), 제 1 발전기 유닛(104), 전기 분해 유닛(102), 냉각 유닛(300)와 결합하여 역압 증기 터빈(702)과 제 4 발전기 유닛(704)을 포함한다. 역압 증기 터빈(702)은 제 4 발전기 유닛(704)에 기계 에너지를 제공하고, 제 4 발전기 유닛(704)은 전기 분해 유닛(102)을 위한 전기 에너지(706)를 생성한다. 증기 공급기(108)의 일부인 증기 공급기(708)는 역압 증기 터빈(702)에서 사용된다. 증기 공급 장치(708)는 증기 발생 유닛(204)에서 팽창되어 전기 분해 유닛(102)에서 물 공급원으로 사용될 수 있는 기계 에너지(710)와 고온 팽창된 증기(712)를 생성한다. 도 7에 도시한 바와 같이, 고온 팽창된 증기(712)는 전기 분해 유닛(102)에 들어가기 전에 증기 공급기(108)와 결합된다. 고온 팽창된 증기(712)가 전기 분해 유닛에 직접 제공될 수 있음을 이해해야한다. 일부 실시예에서, 냉각 유닛(302)은 도 6 및 7에 설명되어 있듯 시스템(600, 700)에서 사용되지 않을 수 있다. 도 6 및 7에서 설명한 복합 순환 동력 시스템은 이산화탄소 배출을 일으키지 않고 수분 분해 반응에 필요한 에너지를 생산하는 열 효율이 뛰어난 새로운 "그린(green)"시스템을 제공한다.7, a solar
F. 수소 가스 및 산소 가스 제조 방법F. Method of producing hydrogen gas and oxygen gas
수소 가스 및 산소 가스는 본 설명서 전반에 걸쳐 기술된 시스템(100 내지 700)을 사용하여 물로부터 생산될 수 있다. 하나의 비제한적인 방법에서, 증기 형태의 물은 태양광 발전 터빈 유닛(106)으로부터 전기 분해 유닛(102)으로 제공될 수 있다. 증기는 본 설명서의 섹션 C-E에 기술된 시스템(400 내지 700)을 사용하여 생산될 수 있다. 전기 분해 유닛(102)에서, 증기는 수소 및 산소를 발생시키기에 충분한 상태에 놓인다. 일부 실시예에서, 수소 및 산소는 전기 분해 유닛(102)에서 개별적으로 수집될 수 있고 또는 하나의 가스 스트림으로서 수집될 수 있으며 전기 분해 유닛에 결합된 유닛에서 분리될 수 있다. 수소 가스, 산소 가스 또는 양쪽 모두 하나 이상의 저장 유닛, 화학 처리 유닛, 운반 유닛 또는 이들의 임의의 조합에 제공될 수 있다. 시스템(100 내지 700)에서 전기를 생성하기 위해 화석 연료가 사용되지 않았고 탄소 기반 공급 원료가 사용되지 않았기 때문에, 이 시스템은 최소한의 이산화탄소를 생성한다.Hydrogen and oxygen gases may be produced from water using the systems (100 to 700) described throughout this document. In one non-limiting method, water in the form of vapor may be provided to the
시스템(100 내지 700)은 프로세스 동안 자료를 획득하기 위해 적절한 센서와 또는 열전대로 자동화될 수 있다. 획득된 자료는 하나 이상의 컴퓨터 시스템에 전송될 수 있다. 컴퓨터 시스템은 CPU들 또는 어플리케이션과 연관된 기계 판독 가능 매체 또는 어플리케이션을 포함할 수 있으며, 이는 지시나 지시 묶음을 저장할 수 있으며, 기계에 의해 실행되는 경우, 기계로 하여금 방법과 또는 동작을 본 발명의 방법에 따라 수행하게 할 수 있다. 예를 들어, 센서 또는 열전대로부터의 자료의 입력 시, 유체의 흐름, 다양한 터빈, 압축기, 열교환기, 발전기, 전기 분해 유닛 등에 대한 입구 및 출구와 관련된 밸브의 개폐는 통제되어야 한다. 이러한 기계는 예를 들어 임의의 적절한 프로세싱 플랫폼, 컴퓨팅 플랫폼, 컴퓨팅 디바이스, 프로세싱 디바이스, 컴퓨팅 시스템, 프로세싱 시스템, 컴퓨터, 프로세서 등을 포함할 수 있으며 하드웨어 또는 소프트웨어의 임의의 적합한 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 기계-판독 가능 매체 또는 기사는 예를 들어 임의의 적합한 유형의 메모리 유닛, 메모리 디바이스, 메모리 기사, 메모리 매체, 저장 디바이스, 저장 기사, 저장 매체 또는 저장 유닛, 예를 들어 메모리, 이동식 또는 비 이동식 미디어, 삭제 가능 또는 삭제 불가능 미디어, 기록 가능 또는 재기록 가능 미디어, 디지털 또는 아날로그 미디어, 하드 디스크, 플로피 디스크, 저장만 가능 컴팩트 디스크(CD-ROM), 기록 가능 컴팩트 디스크(CD-R), 재기록 가능 컴팩트 디스크(CD-RW), CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory), CD-R (Compact Disk Recordable), 광 디스크, 자기 매체, 광 자기 매체, 탈착 가능한 메모리 카드 또는 디스크, 다양한 형태의 디지털 다기능 디스크(DVD), 테이프, 카세트 등으로 구현될 수 있다. 지시는 소스 코드, 번역된 코드, 해석된 코드, 실행 가능한 코드, 정적 코드, 동적 코드 등과 같은 임의의 적합한 유형의 코드를 포함할 수 있다. 명령어는 C, C++, Java, BASIC, Perl, Matlab, Pascal, Visual BASIC, 어셈블리 언어 기계 코드 등이 포함된 것과 같은 적절한 고수준, 저수준, 객체 지향, 시각적, 번역 또는 해석 프로그래밍 언어를 사용하여 구현될 수 있다. 컴퓨터 시스템은 모니터와 같은 디스플레이 장치, 키보드와 같은 영, 숫자 입력 장치 및 마우스와 같은 방향 입력 장치를 더 포함 할 수 있다.The systems 100-700 may be automated with appropriate sensors or thermocouples to acquire data during the process. The acquired data may be transmitted to one or more computer systems. A computer system may include a machine-readable medium or application associated with a CPU or an application that may store instructions or bundles of instructions and, if executed by a machine, cause the machine to perform a method and / . ≪ / RTI > For example, when entering data from sensors or thermocouples, the opening and closing of valves associated with the inlet and outlet of fluid flow, various turbines, compressors, heat exchangers, generators, electrolysis units, etc., should be controlled. Such a machine may include any suitable processing platform, computing platform, computing device, processing device, computing system, processing system, computer, processor, and the like, and may be implemented using any suitable combination of hardware or software have. A machine-readable medium or article may be, for example, any suitable type of memory unit, memory device, memory article, memory medium, storage device, storage article, storage medium or storage unit such as memory, removable or non- , Removable or non-removable media, digital or analog media, hard disk, floppy disk, storage only Compact disk (CD-ROM), recordable compact disk (CD-R), rewritable compact A compact disk read only memory (CD-ROM), a compact disk recordable (CD-R), an optical disk, a magnetic medium, a magnetooptical medium, a detachable memory card or disk, various types of digital versatile disks (DVD), tape, cassette, or the like. The instructions may include any suitable type of code, such as source code, translated code, interpreted code, executable code, static code, dynamic code, and the like. The instructions can be implemented using any appropriate high-level, low-level, object-oriented, visual, translation, or interpretive programming language, such as those containing C, C ++, Java, BASIC, Perl, Matlab, Pascal, Visual BASIC, have. The computer system may further include a display device such as a monitor, a directional input device such as a zero, a numeric input device such as a keyboard, and a mouse.
실시예Example
본 발명은 특정한 실시예에 의해 보다 상세히 설명될 것이다. 하기 실시예는 단지 설명적인 목적을 위해 제공되는 것이며, 본 발명을 어떤 방식으로든 제한하려는 것은 아니다. 당업자는 본질적으로 동일한 결과를 산출하기 위해 변경 또는 변형될 수 있는 다양하고 중요하지 않은 매개 변수들을 쉽게 인식 할 것이다.The invention will be explained in more detail by means of specific embodiments. The following examples are provided for illustrative purposes only and are not intended to limit the invention in any way. Those skilled in the art will readily recognize a variety of non-critical parameters that may be altered or modified to yield essentially the same result.
실시예1Example 1
(태양광 발전 가스 터빈 유닛을 포함하는 태양광 발전 시스템의 효율성을 보여주는 계산)(Calculation showing the efficiency of a PV system including a photovoltaic gas turbine unit)
본 발명의 효능 및 이점을 입증하기 위한 계산은 하기에서 도 8을 참조하여 제시된다. 도 8은 도 5를 간략히 표시한 도면으로, 폐루프 가스 터빈 유닛이 포함된 본 발명의 태양광 발전 터빈 유닛을 보여주는 개략도이다. Calculation to demonstrate the efficacy and benefits of the present invention is presented below with reference to FIG. Fig. 8 is a schematic view of Fig. 5 showing a solar power generation turbine unit of the present invention including a closed-loop gas turbine unit; Fig.
총 214.82kWh의 태양 에너지가 태양광 유닛(202)에 의해 수집된다. 태양광 유닛들(202)에 결합된 열교환기들(514, 516, 518)에서, 이들 태양 에너지는 작동 유체로 추가로 전달된다. 열 교환기에서 50% 효율을 고려하면, 유동체(520)에 의해 운반되는 열 에너지는 다음과 같다:A total of 214.82 kWh of solar energy is collected by the
214.82kWh × 50% = 120.91kWh (IV) 214.82 kWh x 50% = 120.91 kWh (IV)
유체(520)는 제 1 터빈(200)에 진입하고, 여기서 고온 압축 공기(520)는 기계 에너지(120)를 생성하도록 충분히 팽창된다. 가스 터빈 효율의 80%를 가정하면, 스트림(120)의 총 에너지량은 다음과 같이 계산할 수 있다:
120.91kWh × 80% = 96.73 kWh (V) 120.91 kWh x 80% = 96.73 kWh (V)
스트림(120)의 기계 에너지는 각각 85%에서 15%의 비율로 제 1 발전기 유닛(104)과 압축기(508)에 제공된다. 이에 따라, 제 1 발전기 유닛(104)에 제공된 기계 에너지는 다음과 같다:The mechanical energy of the
96.73kWh × 85% = 82.22 kWh (VI) 96.73 kWh x 85% = 82.22 kWh (VI)
통상적으로, 전기 발전기는 약 90%의 효율을 갖는다. 따라서, 생성된 전력(118)은 다음과 같다:Typically, an electric generator has an efficiency of about 90%. Thus, the generated
82.22kWh × 90% = 74 kWh (VII) 82.22 kWh x 90% = 74 kWh (VII)
전력(118)은 최종적으로 전기 분해 유닛(102)으로 들어간다. 가장 단순한 경우에 있어서, 스트림(108) 내의 18kg의 물이 전기 분해 유닛(102)으로 직접 유입된다고 가정한다. 물과 전력으로, 전기 분해 유닛(102)에서 수소와 산소 가스가 생성된다. 수소의 낮은 발열량 값(LHV), 33.31 kWh/kg과 전기 분해의 90%를 사용하여 생성된 수소의 양을 계산한다:The
74kWh × 90% / 33.31 kWh/kg = 2 kg (VIII) 74 kWh x 90% / 33.31 kWh / kg = 2 kg (VIII)
마지막으로, 생성된 산소의 양은 식(III)에서 주어진 물 분열의 화학 반응과 각 화학 성분의 분자량에 기초하여 정량화 될 수 있다:Finally, the amount of oxygen produced can be quantified based on the chemical reaction of the water splitting given in equation (III) and the molecular weight of each chemical component:
(2kg /.2g/mol) × 0.5 × 32g/mol = 16 kg (IX) (2 kg / 0.2 g / mol) x 0.5 x 32 g / mol = 16 kg (IX)
본 실시예를 요약하면, 본 발명의 방법을 사용함으로써 총 214.82kWh의 태양 에너지 및 18kg의 물이 2kg의 수소 가스와 16kg의 산소 가스를 생성하는데 사용된다. 전체 공정에서 형성된 이산화탄소는 없다는 점에 유의한다. 간단한 비교로, 우리가 물의 열 화학 분할을 사용하여 동일한 양의 수소와 산소 가스를 생산한다면, 에너지 공급은 태양광이 아닌 자연가스의 화석 연료일 것이며, 약 117파운드의 이산화탄소가 생성될 것이다; 에너지 공급이 가솔린이라면 약 157파운드의 이산화탄소가 생성될 것이다; 에너지 공급이 석탄(갈탄)이라면, 약 215파운드의 이산화탄소가 생성될 것이다.Summarizing this embodiment, using the method of the present invention, a total of 214.82 kWh of solar energy and 18 kg of water are used to produce 2 kg of hydrogen gas and 16 kg of oxygen gas. Note that there is no carbon dioxide formed in the entire process. In a simple comparison, if we produce the same amount of hydrogen and oxygen gas using thermochemical splitting of water, the energy supply will be fossil fuels of natural gas, not sunlight, and will produce about 117 pounds of carbon dioxide; If the energy supply is gasoline, about 157 pounds of carbon dioxide will be generated; If the energy supply is coal (lignite), about 215 pounds of carbon dioxide will be generated.
Claims (20)
증기 공급 입구 및 수소 가스, 산소 가스 또는 양자 모두를 위한 적어도 하나의 제 1 생성물 출구를 포함하며 물로부터 수소 가스 및 산소 가스를 생성하도록 형성된 전기 분해 유닛과;
상기 전기 분해 유닛에 전기를 공급하도록 형성된 제 1 발전기 유닛과; 그리고
상기 제 1 발전기 유닛을 구동시키고, 상기 증기 공급 입구에 증기를 공급하도록 형성된 태양광 발전 터빈 유닛을 포함하고,
상기 태양광 발전 터빈 유닛은,
(i) 상기 제 1 발전기 유닛에 결합되고, 상기 제 1 발전기 유닛에 샤프트 작업을 제공하도록 형성된 제 1 터빈과;
(ⅱ) 상기 전기 분해 유닛의 상기 증기 공급 입구에 결합되고 물을 보유하도록 형성된 증기 발생 유닛과; 그리고
(iii) 상기 증기 발생 유닛에 열을 발생시키고 제공하도록 형성된 태양광 유닛을 포함하는 태양광 발전 시스템. 1. A solar power generation system for generating hydrogen gas and oxygen gas from water,
An electrolysis unit configured to generate a hydrogen gas and an oxygen gas from water, the gas comprising an at least one first product outlet for a steam feed inlet and a hydrogen gas, an oxygen gas, or both;
A first generator unit configured to supply electricity to the electrolysis unit; And
And a solar power generation turbine unit configured to drive the first generator unit and supply steam to the steam supply inlet,
The solar power generation turbine unit includes:
(i) a first turbine coupled to the first generator unit, the first turbine configured to provide a shaft operation to the first generator unit;
(Ii) a vapor generating unit coupled to the vapor supply inlet of the electrolysis unit and configured to hold water; And
(iii) a solar unit configured to generate and provide heat to the steam generating unit.
상기 전기 분해 유닛에 결합되고 생성된 수소 가스 또는 산소 가스 또는 바람직하게는 양자 모두의 온도를 수용 및 감소시키도록 형성된 생성물 냉각 유닛을 더 포함하는 태양광 발전 시스템. The method according to claim 1,
Further comprising a product cooling unit coupled to the electrolysis unit and configured to receive and reduce the temperature of the generated hydrogen gas or oxygen gas, or preferably both.
상기 생성물 냉각 유닛은,
(i) 제 2 발전기 유닛에 결합되고, 상기 제 2 발전기 유닛에 전력을 제공하도록 형성된 제 2 터빈과;
(ii) 상기 증기 발생 유닛에 결합되고, 상기 생성물 냉각 유닛으로부터 생성된 열을 상기 증기 발생 유닛으로 전달하도록 형성된 열전달 유닛을 포함하되,
상기 제 2 터빈은 상기 생성된 수소 가스 또는 산소 가스 또는 바람직하게는 양자 모두를 수용하도록 형성되는 태양광 발전 시스템. 3. The method of claim 2,
The product cooling unit includes:
(i) a second turbine coupled to the second generator unit, the second turbine configured to provide power to the second generator unit;
(ii) a heat transfer unit coupled to the steam generating unit and configured to transfer heat generated from the product cooling unit to the steam generating unit,
Wherein the second turbine is configured to receive the generated hydrogen gas or oxygen gas, or both.
상기 제 2 발전기 유닛은 상기 전기 분해 유닛에 전기를 공급하도록 형성된 태양광 발전 시스템. The method of claim 3,
And the second generator unit is configured to supply electricity to the electrolysis unit.
상기 생성물 냉각 유닛은 상기 제 2 발전기 유닛 또는 제 3 발전기 유닛에 결합되고, 상기 제 2 발전기 유닛 또는 상기 제 3 발전기 유닛에 전력을 제공하도록 형성된 제 3 터빈을 포함하며,
상기 제 3 터빈은 상기 생성된 수소 가스 또는 산소 가스 또는 바람직하게는 양자 모두를 수용하도록 형성되며,
상기 제 3 발전기 유닛은 상기 전기 분해 유닛에 전기를 공급하도록 형성된 태양광 발전 시스템. 5. The method of claim 4,
The product cooling unit includes a third turbine coupled to the second generator unit or the third generator unit and configured to provide power to the second generator unit or the third generator unit,
The third turbine is configured to receive the generated hydrogen gas or oxygen gas, or both,
And the third generator unit is configured to supply electricity to the electrolysis unit.
상기 태양광 발전 터빈 유닛은,
(ⅰ) 상기 제 1 발전기 유닛에 결합되고, 상기 제 1 발전기 유닛에 샤프트 작업을 제공하도록 형성된 제 1 터빈과;
(ii) 물을 보유하고 증기를 생성하도록 형성된 보일러를 포함하고, 상기 전기 분해 유닛의 상기 증기 공급 입구에 결합된 상기 증기 발생 유닛과;
(iii) 상기 보일러에 열을 발생시키며 제공하도록 형성된 태양광 유닛과 그리고
(iv) 응축기를 포함하며,
상기 보일러는 상기 제 1 터빈에 연결되고 상기 보일러로부터 상기 제 1 터빈으로 증기를 전달하도록 형성되며,
상기 제 1 터빈은 상기 응축기에 연결되고 상기 제 1 터빈으로부터 상기 응축기로 증기를 전달하도록 형성되며,
상기 응축기는 상기 터빈으로부터 전달된 증기를 액체로 응축하도록 형성되며,
상기 응축기는 상기 보일러에 결합되어, 상기 액체를 상기 보일러로 이송하도록 형성되는 태양광 발전 시스템. The method according to claim 1,
The solar power generation turbine unit includes:
(I) a first turbine coupled to the first generator unit, the first turbine configured to provide a shaft operation to the first generator unit;
(ii) said steam generating unit including a boiler configured to hold water and produce steam, said steam generating unit coupled to said steam supply inlet of said electrolysis unit;
(iii) a solar unit configured to generate and provide heat to the boiler; and
(iv) a condenser,
The boiler being connected to the first turbine and configured to transfer steam from the boiler to the first turbine,
The first turbine being connected to the condenser and being configured to transfer steam from the first turbine to the condenser,
The condenser being configured to condense the vapor delivered from the turbine into a liquid,
Wherein the condenser is coupled to the boiler and is configured to transfer the liquid to the boiler.
상기 태양광 발전 터빈 유닛은 폐루프 가스 터빈 유닛이며,
상기 폐루프 가스 터빈 유닛은,
(ⅰ) 상기 제 1 발전기 유닛에 결합되고, 상기 제 1 발전기 유닛에 샤프트 작업을 제공하도록 형성되는 제 1 터빈과;
(ii) 상기 제 1 터빈에 결합되어, 상기 제 1 터빈으로부터 가열된 유체를 수용하는 제 1 열교환기를 포함하고, 상기 전기 분해 유닛의 상기 증기 공급 입구에 결합되는 증기 발생 유닛 - 이 때, 상기 제 1 열교환기에서 가열된 유체로부터 열이 물로 전달되어 증기 및 냉각된 유체를 생성함 - 과;
(iii) 상기 냉각된 유체에 열을 발생시키고 제공하도록 형성된 태양광 유닛을; 포함하고,
상기 제 1 열교환기는 압축기에 결합되고, 상기 냉각된 유체를 상기 압축기로 전달하도록 형성되며,
상기 압축기는 상기 태양광 유닛에 의해 생성된 열로 상기 냉각된 유체를 가열하도록 형성된 제 2 열교환기에 연결되고,
상기 제 2 열교환기는 상기 가열된 유체를 상기 제 1 터빈으로 전달하도록 상기 제 1 터빈에 결합되는 태양광 발전 시스템. The method according to claim 1,
The solar power generation turbine unit is a closed-loop gas turbine unit,
The closed-loop gas turbine unit includes:
(I) a first turbine coupled to the first generator unit and configured to provide a shaft operation to the first generator unit;
(ii) a steam generating unit coupled to the first turbine and including a first heat exchanger for receiving a fluid heated from the first turbine, the steam generating unit being coupled to the steam supply inlet of the electrolysis unit, 1 Heat is transferred from the heated fluid in the heat exchanger to water to produce vapor and cooled fluid;
(iii) a solar unit configured to generate and provide heat to the cooled fluid; Including,
The first heat exchanger being coupled to a compressor and configured to transfer the cooled fluid to the compressor,
The compressor being connected to a second heat exchanger formed to heat the cooled fluid with heat generated by the solar unit,
And the second heat exchanger is coupled to the first turbine to transfer the heated fluid to the first turbine.
상기 태양광 발전 시스템은 배압 증기 터빈 유닛을 더 포함하며,
상기 배압 증기 터빈 유닛은 상기 제 1 열교환기에 결합되고, 상기 열교환기로부터 증기를 수용하도록 형성되는 태양광 발전 시스템. 8. The method of claim 7,
The solar power generation system further includes a back pressure steam turbine unit,
Wherein the back pressure steam turbine unit is coupled to the first heat exchanger and is configured to receive steam from the heat exchanger.
상기 배압 증기 터빈 유닛은 상기 제 1 발전기 유닛에 결합되고, 상기 제 1 발전기 유닛에 샤트프 작업을 제공하도록 형성되는 제 4 터빈을 포함하는 태양광 발전 시스템. 9. The method of claim 8,
Wherein said back pressure steam turbine unit comprises a fourth turbine coupled to said first generator unit and configured to provide a shutoff operation to said first generator unit.
상기 배압 증기 터빈 유닛은 제 4 발전기 유닛에 결합되고, 상기 제 4 발전기 유닛에 전력을 제공하도록 형성된 제 4 터빈을 포함하며,
상기 제 4 발전기 유닛은 상기 전기 분해 유닛에 전기를 공급하도록 형성되는 태양광 발전 시스템. 9. The method of claim 8,
The back pressure steam turbine unit includes a fourth turbine coupled to the fourth generator unit and configured to provide power to the fourth generator unit,
And the fourth generator unit is configured to supply electricity to the electrolysis unit.
상기 증기 발생 유닛에 의해 생성된 증기는 가압 증기인 태양광 발전 시스템. The method according to claim 1,
Wherein the steam generated by the steam generating unit is pressurized steam.
상기 태양광 발전 시스템은 사용 중에 이산화탄소를 생성하지 않는 태양광 발전 시스템. The method according to claim 1,
The solar power generation system does not produce carbon dioxide during use.
생성된 수소 가스 또는 생성된 산소 가스 또는 이들 모두는 다운스트림 화학 공정에 각각 사용되는 태양광 발전 시스템. The method according to claim 1,
Wherein the generated hydrogen gas or the generated oxygen gas or both are each used in a downstream chemical process.
상기 전기 분해 유닛은 2 개 이상의 생성물 출구를 포함하고, 상기 제 1 생성물 출구는 수소 기체용이며, 제 2 생성물 출구는 산소 기체용인 태양광 발전 시스템. The method according to claim 1,
Wherein the electrolysis unit comprises two or more product outlets, the first product outlet is for hydrogen gas, and the second product outlet is for oxygen gas.
상기 태양광 발전 시스템은 상기 전기 분해 유닛에 결합된 공기 공급부를 더 포함하며,
상기 공기 공급부는 상기 전기 분해 유닛의 산소 방출면에 공기를 제공하여 산소와 공기의 혼합물이 상기 제 2 출구로부터 생성되도록 하는 태양광 발전 시스템. 15. The method of claim 14,
The solar power generation system further comprises an air supply unit coupled to the electrolysis unit,
Wherein the air supply unit provides air to the oxygen release surface of the electrolysis unit to produce a mixture of oxygen and air from the second outlet.
상기 방법은 물을 수소 가스 및 산소 가스를 생성하기에 충분한 전해 조건으로 처리하는 단계를 포함하는 방법. A method of generating hydrogen gas and oxygen gas from water using the solar power generation system of claim 1,
The method comprising treating the water with sufficient electrolysis conditions to produce hydrogen gas and oxygen gas.
상기 방법은 하나 이상의 저장 유닛, 화학 처리 유닛, 운송 유닛, 또는 이들의 임의의 조합에 수소 가스를 제공하는 단계 및 / 또는 하나 이상의 저장 유닛, 화학 처리 유닛, 수송 유닛 또는 이들의 임의의 조합에 산소 가스를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.17. The method of claim 16,
The method may include providing hydrogen gas to one or more storage units, a chemical treatment unit, a transport unit, or any combination thereof, and / or providing hydrogen gas to one or more of the storage unit, chemical treatment unit, Further comprising the step of providing a gas.
상기 생성된 수소 가스 또는 생성된 산소 가스 또는 이들 모두는 다운스트림 화학 공정에 각각 사용되는 방법. 17. The method of claim 16,
Wherein the generated hydrogen gas or generated oxygen gas or both are each used in a downstream chemical process.
이산화탄소는 상기 태양광 발전 시스템에 의해 생성되지 않는 방법.17. The method of claim 16,
Wherein carbon dioxide is not produced by said solar power generation system.
상기 물은 상기 증기 발생 유닛에 의해 생성된 증기의 형태인 방법.17. The method of claim 16,
Wherein the water is in the form of steam produced by the steam generating unit.
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