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TW202219324A - 電解裝置 - Google Patents

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TW202219324A
TW202219324A TW110111292A TW110111292A TW202219324A TW 202219324 A TW202219324 A TW 202219324A TW 110111292 A TW110111292 A TW 110111292A TW 110111292 A TW110111292 A TW 110111292A TW 202219324 A TW202219324 A TW 202219324A
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艾瑞克 葛羅登達爾
摩根斯 倫德
詹 堤史泰德
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丹麥商西門子歌美颯再生能源公司
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Abstract

本發明描述一種電解裝置(1)，其包括複數個電解單元(11U)，其中每一電解單元(11U)包括一電解槽(11)與一AC-DC電力轉換器(110)，其構造成提供用於電解槽(11)的DC電力(U DC, I DC)；複數個電解總成(11A)，其中每一電解總成(11A)包括多個電解單元(11U)；至少一個風力渦輪機(10)，其包括具有多個電樞繞組(10W)的一發電機(10G)，其中每一電樞繞組(10W)提供AC電力至一電解總成(11A)；及一轉換器單元控制器(11C)，其構造成基於一發電機(10G)的電力輸出調整該電解單元(11U)的該AC-DC電力轉換器(110)。本發明進一步描述一種操作此一電解裝置的方法。

Description

電解裝置
本發明描述一種電解裝置及操作電解裝置的方法。
電解槽利用電力將元素從自然發生物質中分離。例如可自水中分離出氫與氧。二氧化碳的電解轉換可用以產生各種市售產品，諸如甲烷或乙烯。
電解需要DC電壓與電流。但電解廠一般係以AC電網電力供電。因此，整體電解效率係由各個變壓階段決定，例如電解廠的降壓及AC-DC轉換。
因環保考量，期望利用再生能源而非石化燃料。風能在供電上日益廣泛，許多離岸風場的電力正被饋入電網中。亦即因額外變壓階段而進一步降低整體電解效率，例如在風力渦輪機等級的AC-DC-AC轉換、在風力渦輪機等級的升壓變壓、在風場等級的升壓變壓、在配電網路等級的降壓變壓。
另一需考量的面向在於風電的變動本質。在低風力或暴風雨情況下，風場可能無法足額供電。在此等期間，供應至電解設施的電力可能源於非再生能源。
因而本發明之一目的在於提供更具能源效率的施行電解方式。
此目的係藉由請求項1的電解裝置及請求項13的電解裝置之操作方法達成。
依據本發明，電解裝置包括複數個電解單元，其中每一電解單元包括一電解槽與一AC-DC電力轉換器，其構造成提供用於電解槽的DC電力；複數個電解總成，其中每一電解總成包括多個電解單元；至少一個風力渦輪機，其包括具有多個電樞繞組的一發電機，其中每一電樞繞組提供AC電力至一電解總成；及一轉換器單元控制器，其構造成基於一發電機的電力輸出調整該電解單元的該AC-DC電力轉換器。
本發明之內文中所用的電解單元已知可包括一個以上電解槽。其中由同一電源驅動兩個以上電解槽的裝置一般稱之為「電解堆」。以下所用的術語「電解槽」、「槽」、「電解堆」與「堆」可互換。
應理解在本發明之內文中，電解裝置的風力渦輪機專用於施行電解，亦即任何由該風力渦輪機產生的電力基本上將專用於驅動電解單元。換言之，本發明的電解裝置的風力渦輪機非用於習知售電，僅供「局部」耗電之用。雖然本發明的電解裝置的風力渦輪機所生電力基本上將專用於驅動電解單元，應知風力渦輪機所生電力中相當低的分數(fraction)將用於供電給風力渦輪機的各組件，諸如冷卻系統、空調系統、風力渦輪機控制器等。
本發明的電解設備的一優點在於可個別控制AC-DC電力轉換器而以最佳方式配送可用電力。發電機的電力輸出可由風力渦輪機控制器(WTC)或風場控制器決定，前揭控制器可依此通知轉換器單元控制器。例如特定數量的電解槽可依可用電力(繼而可大部分依風速)在全容量下操作，而讓所有其他槽「關閉」；所有電解槽都可在全容量的一分數下操作；一些電解槽可在全容量下操作而其他在部分容量下操作等。按此方式可最佳化電解裝置的效率。
依據本發明，操作此電解裝置的方法包括以下步驟：操作一風力渦輪機的發電機以於其一個以上的電樞繞組中產生AC電力；及基於該所產生的AC電力，調整連接至該等繞組的電解總成的電解單元的AC-DC電力轉換器。
本發明的方法的一優點在於可非常有效率地使用可用風能。相當容易決定在特定風力條件下的風力渦輪機可產生多少電力，及本方法利用此資訊決定最佳可用電力分配。
本發明的特別有利的實施例與特徵係由附屬請求項給出，揭示如以下所述。不同請求項類別的特徵可適當組合以形成本文中未描述的進一步實施例。
以下術語「電解單元」與「單元」可互換使用。類似地，術語「電解總成」與「總成」可互換使用。
電解需要夠高的DC電流。在本發明的一較佳實施例中，電解單元的AC-DC電力轉換器包括一DC電流控制器，其構造成控制對應電解堆中的電流密度，其決定電催化轉換速度。在本發明的一特別較佳實施例中，電解單元的AC-DC電力轉換器構造成調整DC電力至電解單元的電解槽的額定容量的任何百分比。依據本發明，藉由轉換器單元控制器控制AC-DC電力轉換器。轉換器單元控制器發出控制信號至電解單元的AC-DC電力轉換器。每一AC-DC電力轉換器接收特定待操作的電解單元的額定容量百分比的信號，例如100%、50%、25%、0%等。
本發明的電解裝置可以任何適合尺度實現。唯一重要的限制在於發電機繞組須能提供充分電力，以使電解單元的AC-DC電力轉換器可傳送所需的分解電位。考慮到這一限制，應當理解即使是相對小型的風力渦輪機亦可用以驅動數個小容量電解單元或總成。然而，在不以任何方式限制本發明的情況下，以下可假定本發明的電解裝置的風力渦輪機係目前風場中最常用的水平軸風力渦輪機型。此風力渦輪機可具有約數兆瓦的額定電力輸出，且可驅動多個高容量電解單元供大規模電解之用。本發明的電解裝置可以任何數量的專用風力渦輪機達成，例如可以採用專用於施行電解的多個風力渦輪機的風場構造實現之。
依據本發明，每一風力渦輪機具有數個平行的獨立繞組。其中每一者可驅動一個別的電解總成。在本發明的一較佳實施例中，風力渦輪機的發電機包括至少兩個電樞繞組。例如一個8 MW的風力渦輪機可建構成具有兩個繞組、四個繞組或任何較佳數量的繞組。
電解總成可包括單一電解單元。在此實現中，電力轉換器的DC輸出可能需受限以避免超過電解單元容量。因此，在本發明的一較佳實施例中，每一電解總成包括數個電解單元，其總容量基本上匹配可由對應發電機繞組提供的電力。在例如雙繞組的8 MW風力渦輪機的情況下，電解總成可包括四個單元，其中每一單元具有2 MW電解槽/堆。
風力渦輪機在其額定電力下操作時可驅動所有負載，亦即可驅動所有的電解總成。在低風條件下，風力渦輪機將以低於其額定電力下操作且可能無法提供足額電力以驅動所有電解總成。本發明方法的一較佳實施例包括以下步驟：判定風力渦輪機的發電機的電力輸出；由可得電力選擇待驅動的多個電解單元；及調整所選電解單元的AC-DC電力轉換器，例如藉由發出控制信號至對應的AC-DC電力轉換器以增加DC電力至每一單元的100%額定容量。
其餘單元不啟動，例如藉由發出控制信號至對應的AC-DC電力轉換器以降低DC電力至0。這些單元之後在例如風速增加時可恢復電解轉換處理。
在本發明的一進一步較佳實施例中，電解裝置包括每一電樞繞組與其電解總成之間的開關，及經構造成啟動開關的開關控制器。開關可能因各種因素而打開，例如為了降低無載損耗或隔離受損部件，例如隔離故障電力轉換器或故障電解單元，以將系統僅限制於操作性組件。
在本發明的一較佳實施例中，電解槽建構成施行水之電催化轉換為氫與氧。本發明的方法可應用於大規模有效的氫的生產，其具有各種商業用途，例如驅動燃料槽。
水電解需要將水純化以移除雜質如鹽。因此，在利用離岸風力渦輪機實現本發明的電解裝置時，進一步包括將海水去鹽的去鹽模組。去鹽模組可實現為多階急驟蒸餾模組、多效能蒸餾模組、真空蒸壓蒸餾模組等，且可包括進一步組件，用以使去鹽水純化與去離子。接著此去鹽模組的輸出係適於饋入電解堆的純化水。
在一替代較佳實施例中，可實現電解槽以施行二氧化碳氣體之電催化轉換為氣體如甲烷、乙烯、乙烷等。
為了供電給提供電解單元輸入(純化H 2O、CO 2氣體等)的設備及供電給其他輔助風力渦輪機設備，本發明的電解裝置亦可包括專用的電源供應器，例如額外風力渦輪機，用於以習知方式產生電力。但在本發明的一較佳實施例中，由發電機產生的部分電力可用以視需要供電給此類設備，風力渦輪機的其餘電力則用以驅動電解總成。
在本發明的電解裝置的一實施例中，電解總成的電解單元可施行同類電解(例如純化水電解為H 2與O 2)，且可均具相同容量；此外，電解總成可基本上全部相同。但此實施例非屬必要，本發明的電解裝置可以任何可實行的電解單元構造實現，例如混合利用不同容量及/或不同類型的電解。
圖1-3係顯示簡化的方塊圖，用以例示本發明的電解裝置1。如圖3所示，電解裝置1可包括數個離岸風力渦輪機10。圖1顯示了一個這樣的風力渦輪機的發電機10G，例如，具有兩個繞組10W的8MW發電機10G。當風力渦輪機以其額定輸出運行時，每一繞組10W可因而產生高達4 MW的AC電力。
每一繞組10W藉由開關S連接至電解總成11A。開關係由開關控制器SC控制。
共同包含電解總成11A的組件統由以虛線繪製的邊界矩形標示。每一電解總成11A包括數個電解單元11U，其每一者具有一AC-DC電力轉換器110與一電解槽11或堆11。總括為電解單元11U的組件統由圖式下部的邊界矩形標示(以點線描繪)。
轉換器單元控制器11C發出控制信號110C用於每一AC-DC電力轉換器110。用於電力轉換器110的控制信號110C指定提供至對應槽11的額定電力的分數(fraction)。轉換器單元控制器11C可接收來自風力渦輪機控制器或類似者的資料D(例如正產生的額定電量)，以決定可在電解總成11A間分配的可用電力。每一AC-DC電力轉換器110係在由自轉換器單元控制器11C接收的控制信號110C決定之位準，將AC輸入轉換為DC電壓UDC與DC電流IDC。
電解堆11被饋送輸入材料11_in，其輸出11_out可為一個以上產物。例如水電解可以添加適當電解質的純化水11_in為之，在此情況下的輸出11_out為氫H 2及/或氧O 2。
在任一時間可操作的電解堆11的數量將依可用電力而定，此繼而依風速而定。圖2顯示具兩個繞組10W的發電機10G的簡化實施例，其中每一繞組驅動一電解總成11A，且每一電解總成11A包括兩個電解單元11U。該兩電解總成標示為11A:1與11A:2；第一電解總成11A:1的兩個電解單元標示為11U:1a與11U:1b；及第二電解總成11A:2的兩個電解單元標示為11U:2a與11U:2b。可用電力可於電解單元間被分配，從而達成最佳利用。下表係例示示範性分配：
電力 11A:1 11U:1a 11U:1b 11A:2 11U:2a 11U:2b
100% 50 25 25 50 25 25
60% 36 20 16 24 12 12
40% 40 20 20 0 0 0
20% 20 20 0 0 0 0
在100%容量下，發電機的電力輸出平均分配於兩電解總成。在全載發電機電力下，每一電解單元11U由25%的可用電力驅動。
第二列係例示一情況，在該情況下風速下降使得發電機的電力輸出降至60%。在此分配可用電力，使得第一電解總成11A:1係以全電力的36%驅動，而第二電解總成11A:2係以全電力的24%驅動。第一電解總成11A:1的電解單元11U:1a與11U:1b係分別以全電力的20%與16%驅動，而第二電解總成11A:2的電解單元11U:2a與11U:2b係各以全電力的12%驅動。
第三列係例示一情況，在該情況下風速進一步下降使得發電機的電力輸出降至40%。此電力係以單一繞組產生。在此例如藉由打開對應開關或發出適當控制信號至轉換器單元控制器而「移除」第二電解總成11A:2。可用電力專指第一電解總成11A:1且其電解單元11U:1a與11U:1b係分別以20%與20%的全電力驅動。
表格的第四列係例示一情況，在該情況下風速再進一步下降使得發電機電力輸出降至20%。又，此電力亦係以單一繞組產生且第二電解總成11A:2保持斷開連接。可用電力專指第一電解總成11A:1，但僅足以有效驅動單一電解單元11U:1a。另一電解單元11U:1b未被驅動。
圖3顯示本發明的電解裝置1的進一步實施例。本圖式在此標示數個風力渦輪機10，例如在一風場構造中。電解總成11A的統整輸出11_out饋送至管線15中，例如用以傳輸氫至岸上設施的加壓氫管線中。
雖然已以較佳實施例及其變化形式揭示本發明，將了解可在不背離本發明的範疇下進行多個額外修改與變化。例如風力渦輪機發電機可具有單一繞組，其提供電力至單一電解總成。在此實現中，可在具有足以驅動整個電解總成的風能時施行電解。
為簡明之故，已知遍及本申請案所示「一(a)」或「一(an)」並不排除複數，且「包括」並不排除其他步驟或元素。所述「單元」或「模組」並不排除採用一個以上單元或模組。
1:電解裝置 10:離岸風力渦輪機 10G:發電機 10W:繞組 11:電解槽/堆 11A:電解總成 11A:1:電解總成 11A:2:電解總成 11C:轉換器單元控制器 11_in:輸入材料 11_out:輸出 11U:電解單元 11U_1a:電解單元 11U_1b:電解單元 11U_2a:電解單元 11U_2b:電解單元 15:管線 110:AC-DC電力轉換器 110C:控制信號 D:資料 S:開關 SC:開關控制器
自以下詳述併同隨附圖將可明瞭本發明的其他目的與特徵。但應理解圖式僅係供圖解之用，並無限制本發明之意。
圖1-3顯示本發明的電解裝置的實施例。
圖式中類似代號係指全文中的類似物件。圖式中的物件無需按比例繪示。
1:電解裝置
10G:發電機
10W:繞組
11:電解槽/堆
11A:電解總成
11C:轉換器單元控制器
11_in:輸入材料
11_out:輸出
11U:電解單元
110:AC-DC電力轉換器
110C:控制信號
D:資料
S:開關
SC:開關控制

Claims (15)

  1. 一種電解裝置(1)，其包括 複數個電解單元(11U)，其中每一電解單元(11U)包括一電解槽(11)與一AC-DC電力轉換器(110)，其構造成提供用於電解槽(11)的DC電力(U DC, I DC)； 複數個電解總成(11A)，其中每一電解總成(11A)包括多個電解單元(11U)； 至少一個風力渦輪機(10)，其包括具有多個電樞繞組(10W)的一發電機(10G)，其中每一電樞繞組(10W)提供AC電力至一電解總成(11A)；及 一轉換器單元控制器(11C)，其構造成基於一發電機(10G)的電力輸出控制該電解單元(11U)的該AC-DC電力轉換器(110)。
  2. 如請求項1之電解裝置，其中該AC-DC電力轉換器(110)構造成提供該對應電解槽(11)的該額定DC電力的一百分比。
  3. 如請求項1或2之電解裝置，其中該轉換器單元控制器(11C)構造成調整該電解單元(11U)的該AC-DC電力轉換器(110)以分配可用電力於最佳數量的電解單元(11U)。
  4. 如請求項1至3中任一項之電解裝置，其中一電解單元(11U)的該AC-DC電力轉換器(110)係一DC電流控制器(111)，其構造成控制該電解單元(11U)的電流密度。
  5. 如請求項1至4中任一項之電解裝置，其包括每一電樞繞組(10W)與其電解總成(11A)之間的一開關(S)，及構造成啟動該等開關(S)的一開關控制器(SC)。
  6. 如請求項1至5中任一項之電解裝置，其中每一電解總成(11A)包括至少兩個電解單元(11U)。
  7. 如請求項1至6中任一項之電解裝置，其中一電解槽(11)經建構以施行水的電催化轉換為氫與氧。
  8. 如請求項1至7中任一項之電解裝置，其包括一去鹽模組，其構造成將海水去鹽以獲得用於電解槽(11)的水。
  9. 如請求項1至8中任一項之電解裝置，其中一電解槽(11)經建構以施行二氧化碳的電催化轉換為一進一步氣體。
  10. 如請求項1至9中任一項之電解裝置，其中該發電機(10G)包括至少兩個電樞繞組(10W)。
  11. 如請求項1至10中任一項之電解裝置，其中該風力渦輪機(10)的該發電機(10G)進一步構造成提供電力至該電解裝置(1)的一進一步組件。
  12. 如請求項1至11中任一項之電解裝置，其包括複數個風力渦輪機(10)。
  13. 一種操作如請求項1至12中任一項之電解裝置(1)的方法，其包括以下步驟： 操作一風力渦輪機的發電機(10G)以於其一個以上的電樞繞組(10W)中產生AC電力，及基於該所產生的AC電力， 調整連接至該等繞組(10W)的電解總成(11A)的電解單元(11U)的AC-DC電力轉換器(110)。
  14. 如請求項13之方法，其包括以下步驟： 判定一風力渦輪機(10)的該發電機(10G)的電力輸出； 由可得電力選擇待驅動的多個電解單元(11U)；及 調整所選的該等電解單元(11U)的該AC-DC電力轉換器(110)。
  15. 如請求項13或14之方法，其包括打開一電樞繞組(10W)與其電解總成(11A)之間的一開關(S)以絕緣一故障組件(110, 11U)的步驟。
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