相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求2015年1月21日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第62/106056號(hào)、發(fā)明名稱為“由水生成氫氣和氧氣的太陽能系統(tǒng)和方法”的權(quán)益。以上引用申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過引用并入而無需免責(zé)聲明。

背景技術(shù)：

a.技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一般涉及用于由水生成氫氣和氧氣的太陽能系統(tǒng)。具體地，本發(fā)明涉及利用連接至發(fā)電機(jī)單元和電解單元的太陽能渦輪單元的系統(tǒng)。

b.相關(guān)技術(shù)說明

氫氣(h2)是有價(jià)值的產(chǎn)品并用作石油、化學(xué)、能源和半導(dǎo)體工業(yè)中的原料。例如，氫氣用于烴的加工(例如加氫裂化、加氫脫烷基化和加氫脫硫工藝)、氨的生產(chǎn)、甲醇的生產(chǎn)、多種化學(xué)工藝(例如加氫反應(yīng))和作為冷卻劑。氫氣可以作為化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)的副產(chǎn)品回收或從化石燃料的生產(chǎn)中分離。生產(chǎn)氫氣的常規(guī)方法包括天然氣的蒸汽重整、水的熱化學(xué)分解和水的電解。作為水裂解產(chǎn)物的氫氣生產(chǎn)為能源領(lǐng)域、環(huán)境和化學(xué)工業(yè)提供了巨大的潛在利益。這些工藝的問題是它們可以從化學(xué)反應(yīng)或從消耗源自化石燃料的電生成大量二氧化碳(co2)。例如在蒸汽重整反應(yīng)中，如反應(yīng)式(i)所示，當(dāng)使用過量的水時(shí)，co2可以作為反應(yīng)產(chǎn)物生成。

ch4+2h2o→co2+4h2(i)

如反應(yīng)式(ii)所示，生成氫氣的其他工藝需要通過燃燒化石燃料生成co2的電能。

ch4+2o2→co2+2h2o(ii)

二氧化碳被政府機(jī)構(gòu)認(rèn)為是由人類活動(dòng)產(chǎn)生的主要溫室氣體，二氧化碳的排放被許多政府機(jī)構(gòu)管制。

常規(guī)的系統(tǒng)和方法試圖通過使用太陽能來減少二氧化碳產(chǎn)生。美國(guó)專利申請(qǐng)公開第20130234069號(hào)描述了太陽能接收器，其生成用于電解單元的電，然后使用電解過程排出的熱量作為在能量循環(huán)其他地方使用的工作流體的熱源。fan等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公開第20120171588號(hào)描述了使用太陽能以驅(qū)動(dòng)重整/水裂解區(qū)。然而，這些系統(tǒng)不是自給型的，具有依賴基于碳的原料或燃料以滿足其系統(tǒng)能量需求的缺點(diǎn)。

發(fā)明概述

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)以最小量二氧化碳生成來產(chǎn)生能源(即，低二氧化碳排放量)的問題的解決方案。具體地，該解決方案在于能夠在電解水以生成氫氣和氧氣期間避免使用化石燃料作為電源。水裂解的化學(xué)反應(yīng)如反應(yīng)式(iii)所示。

2h2o→2h2+o2(iii)

值得注意的是，本發(fā)明能夠升高水的溫度和壓力，然后可以將其用在電解單元中。通過升高水的溫度和壓力，降低了水裂解反應(yīng)所需要的全部電能，在某些方面，這可能以使用來自太陽能或內(nèi)部熱量損耗的額外熱量輸入為代價(jià)。使用連接至太陽能渦輪單元的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，該太陽能渦輪單元能夠驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)單元并向電解單元提供蒸汽。這可以在水裂解反應(yīng)期間不使用化石燃料且不產(chǎn)生二氧化碳而完成(參見以上反應(yīng)式(iii)并對(duì)比反應(yīng)式(i)和(ii))。

在本發(fā)明的一個(gè)具體方面，描述了用于由水生成氫氣和氧氣的太陽能系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以包括(a)電解單元，其被配置為由水生成氫氣和氧氣，(b)第一發(fā)電機(jī)單元，其被配置為向電解單元提供電；(c)太陽能渦輪單元，其被配置為驅(qū)動(dòng)第一發(fā)電機(jī)單元并向蒸汽進(jìn)料口提供蒸汽。在具體的方面，系統(tǒng)包括空氣供給單元，其向電解單元的析氧側(cè)提供壓縮空氣以維持出口氣流低于純氧?？諝夤┙o單元的非限制性實(shí)例為空氣壓縮機(jī)。電解單元可以包括蒸汽進(jìn)料口和用于氫氣或氧氣或二者的至少第一產(chǎn)物出口。在優(yōu)選的方面，氫氣和氧氣作為單獨(dú)的氣流經(jīng)由兩個(gè)產(chǎn)物出口排出電解單元。氧氣可以經(jīng)由第二產(chǎn)物出口排出，氫氣可以經(jīng)由第一產(chǎn)物出口排出。在具體的方面，排出第二產(chǎn)物出口的氣流為含有氧氣和空氣的富氧氣流。太陽能渦輪單元可以包括(i)連接至第一發(fā)電機(jī)單元并配置為向其提供軸功的第一渦輪；(ii)連接至電解單元的蒸汽進(jìn)料口并配置為裝水的蒸汽生成單元；(iii)配置為生成熱量并向蒸汽生成單元提供熱量的太陽能單元。在本發(fā)明的一些方面，太陽能單元被配置為生成熱量并向渦輪工作流體提供熱量。蒸汽生成單元產(chǎn)生的蒸汽可以包括加壓蒸汽。值得注意的是，在水裂解反應(yīng)中不產(chǎn)生二氧化碳(參見反應(yīng)式(iii))，從而在該系統(tǒng)使用時(shí)減少或避免了二氧化碳產(chǎn)生。所產(chǎn)生的氫氣、氧氣或二者可以各自用于下游化學(xué)工藝中。在優(yōu)選的方面，所產(chǎn)生的氫氣和氧氣均用于下游化學(xué)工藝中。在本發(fā)明的一些方面，該系統(tǒng)還可以包括連接至電解單元的產(chǎn)物冷卻單元，其配置為接收所產(chǎn)生的氫氣或氧氣或二者，并使其降溫。在優(yōu)選的方面，該系統(tǒng)還可以包括連接至電解單元的產(chǎn)物冷卻單元，其配置為接收所產(chǎn)生的氫氣和氧氣，并使其降溫。該產(chǎn)物冷卻單元可以包括(i)連接至第二發(fā)電機(jī)單元并配置為向第二發(fā)電機(jī)單元提供能量的第二渦輪，其中該第二渦輪被配置為接收所產(chǎn)生的氫氣或氧氣或二者；(ii)連接至蒸汽生成單元并配置為向蒸汽生成單元傳遞由產(chǎn)物冷卻單元所產(chǎn)生的熱量的熱傳遞單元。第二發(fā)電機(jī)單元可以被配置為向電解單元提供電。在一些方面，產(chǎn)物冷卻單元包括連接至第二發(fā)電機(jī)單元或第三發(fā)電機(jī)單元并配置為向其提供能量的第三渦輪，其中第三渦輪被配置為接收所產(chǎn)生的氫氣或氧氣或二者，其中第三發(fā)電機(jī)單元被配置為向電解單元提供電。

在本發(fā)明的一些方面，太陽能渦輪單元可以包括(i)連接至第一發(fā)電機(jī)單元并配置為向其提供軸功的第一渦輪；(ii)連接至電解單元的蒸汽進(jìn)料口的蒸汽生成單元；(iii)配置為生成熱量并向蒸汽生成單元提供熱量的太陽能單元；(iv)冷凝器。蒸汽生成單元可以包括鍋爐，其被配置為裝水并產(chǎn)生蒸汽。鍋爐可以連接至第一渦輪，并被配置為將鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽轉(zhuǎn)移至第一渦輪。第一渦輪可以連接至冷凝器，并被配置為將蒸汽從渦輪轉(zhuǎn)移至冷凝器。冷凝器可以被配置為使由渦輪轉(zhuǎn)移的蒸汽冷凝為液體，且連接至鍋爐并配置為將液體轉(zhuǎn)移至鍋爐。

在本發(fā)明的一些方面，太陽能渦輪單元為閉環(huán)氣體渦輪單元，其可以包括：(i)連接至第一發(fā)電機(jī)單元并配置為向其提供軸功的第一渦輪；(ii)連接至電解單元的蒸汽進(jìn)料口的蒸汽生成單元；(iii)配置為生成熱量并向由蒸汽生成單元產(chǎn)生的冷卻流體(例如氣體)提供熱量的太陽能單元。蒸汽生成單元可以包括連接至第一渦輪的第一熱交換器，以接收來自第一渦輪的加熱流體。在第一熱交換器中，熱量可以從加熱流體轉(zhuǎn)移至水以產(chǎn)生蒸汽和冷卻流體。熱交換器還可以連接至壓縮機(jī)并配置為將冷卻流體轉(zhuǎn)移至壓縮機(jī)。壓縮機(jī)可以連接至第二熱交換器，其配置為用太陽能單元產(chǎn)生的熱量加熱冷卻流體。第二熱交換器可以連接至第一渦輪以將加熱流體轉(zhuǎn)移至第一渦輪。在本發(fā)明的一些方面，閉環(huán)氣體渦輪單元包括背壓式蒸汽渦輪單元，其連接至第一熱交換器并配置為接收來自第一熱交換器的熱量。背壓式蒸汽渦輪可以包括第四渦輪，其連接至第一發(fā)電機(jī)單元并配置為向其提供軸功。在本發(fā)明的一些實(shí)例中，第一渦輪和第四渦輪彼此串聯(lián)設(shè)置。在本發(fā)明的其他方面，背壓式蒸汽渦輪單元可以包括連接至第四發(fā)電機(jī)單元并配置為向其提供能量的第四渦輪，其中第四發(fā)電機(jī)單元被配置為向電解單元提供電。

描述了使用貫穿本說明書描述的系統(tǒng)由水生成氫氣和氧氣的方法。該方法可以包括使水經(jīng)受足以產(chǎn)生氫氣和氧氣的電解條件，優(yōu)選其作為單獨(dú)的氣流。氫氣可以與氧氣分離?？梢詫錃?、氧氣或二者提供至一個(gè)或更多個(gè)存儲(chǔ)單元、化學(xué)工藝單元、運(yùn)輸單元或其任意組合。

在本發(fā)明的情況下，描述了二十一(21)個(gè)實(shí)施方式。實(shí)施方式1包括用于由水生成氫氣和氧氣的太陽能系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以包括(a)配置為由水產(chǎn)生氫氣和氧氣的電解單元，電解單元可以包括蒸汽進(jìn)料口和用于氫氣、氧氣或二者的至少第一產(chǎn)物出口；(b)配置為向電解單元提供電的第一發(fā)電機(jī)單元；和(c)配置為驅(qū)動(dòng)第一發(fā)電機(jī)單元并向蒸汽進(jìn)料口提供蒸汽的太陽能渦輪單元，該太陽能渦輪單元包括(i)連接至第一發(fā)電機(jī)單元并配置為向其提供軸功的第一渦輪；(ii)連接至電解單元的蒸汽進(jìn)料口并配置為裝水的蒸汽生成單元；(iii)配置為生成熱量并向蒸汽生成單元提供熱量的太陽能單元。實(shí)施方式2是實(shí)施方式1的系統(tǒng)，其還包括連接至電解單元的產(chǎn)物冷卻單元，其配置為接收所產(chǎn)生的氫氣或氧氣或優(yōu)選地二者，并使其降溫。實(shí)施方式3是實(shí)施方式2的系統(tǒng)，其中產(chǎn)物冷卻單元包括(i)連接至第二發(fā)電機(jī)單元并配置為向第二發(fā)電機(jī)單元提供能量的第二渦輪，其中該第二渦輪配置為接收所產(chǎn)生的氫氣或氧氣或優(yōu)選地二者；(ii)連接至蒸汽生成單元并配置為向蒸汽生成單元轉(zhuǎn)移由產(chǎn)物冷卻單元產(chǎn)生的熱量的傳熱單元。實(shí)施方式4是實(shí)施方式3的系統(tǒng)，其中第二發(fā)電機(jī)單元配置為向電解單元提供電。實(shí)施方式5是實(shí)施方式4的系統(tǒng)，其中產(chǎn)物冷卻單元包括連接至第二發(fā)電機(jī)單元或第三發(fā)電機(jī)單元并配置為向其提供能量的第三渦輪，其中第三渦輪配置為接收所產(chǎn)生的氫氣或氧氣或優(yōu)選地二者，其中第三發(fā)電機(jī)單元配置為向電解單元提供電。實(shí)施方式6是實(shí)施方式1至5中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中太陽能渦輪單元可以包括(i)連接至第一發(fā)電機(jī)單元并向其提供軸功的第一渦輪；(ii)連接至電解單元的蒸汽進(jìn)料口的蒸汽生成單元，其中該蒸汽生成單元包括配置為裝水并產(chǎn)生蒸汽的鍋爐；(iii)配置為生成熱量并向鍋爐提供熱量的太陽能單元；(iv)冷凝器；其中鍋爐連接至第一渦輪并配置為將蒸汽由鍋爐轉(zhuǎn)移至第一渦輪，其中第一渦輪連接至冷凝器并配置為將蒸汽從渦輪轉(zhuǎn)移至冷凝器，其中冷凝器配置為將由渦輪轉(zhuǎn)移的蒸汽冷凝為液體，其中冷凝器連接至鍋爐并配置為將液體轉(zhuǎn)移至鍋爐。實(shí)施方式7是實(shí)施方式1至5中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中太陽能渦輪單元為閉環(huán)氣體渦輪單元，其包括(i)連接至第一發(fā)電機(jī)單元并配置為向其提供軸功的第一渦輪；(ii)連接至電解單元的蒸汽進(jìn)料口的蒸汽生成單元，其中蒸汽生成單元可以包括連接至第一渦輪的第一熱交換器以接收來自第一渦輪的加熱流體，其中在第一熱交換器中，熱量從加熱流體轉(zhuǎn)移至水以產(chǎn)生蒸汽和冷卻流體；(iii)配置為生成熱量并向冷卻流體提供熱量的太陽能單元；其中熱交換器連接至壓縮機(jī)并配置為將冷卻流體轉(zhuǎn)移至壓縮機(jī)，其中壓縮機(jī)連接至第二熱交換器，第二熱交換器配置為用由太陽能單元產(chǎn)生的熱量加熱冷卻流體，其中第二熱交換器連接至第一渦輪以將加熱流體轉(zhuǎn)移至第一渦輪。實(shí)施方式8是實(shí)施方式7的系統(tǒng)，其還包括背壓式蒸汽渦輪單元。實(shí)施方式9是實(shí)施方式8的系統(tǒng)，其中背壓式蒸汽渦輪連接至第一熱交換器并配置為接收來自熱交換器的蒸汽。實(shí)施方式10是實(shí)施方式9的系統(tǒng)，其中背壓式蒸汽渦輪單元可以包括第四渦輪，其連接至第一發(fā)電機(jī)單元并配置為向其提供軸功。實(shí)施方式11是實(shí)施方式9的系統(tǒng)，其中背壓式蒸汽渦輪單元可以包括連接至第四發(fā)電機(jī)單元并配置為向其提供能量的第四渦輪，其中第四發(fā)電機(jī)單元配置為向電解單元提供電。實(shí)施方式12是實(shí)施方式1至11中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中由蒸汽生成單元產(chǎn)生的蒸汽為加壓蒸汽。實(shí)施方式13是實(shí)施方式1至12中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)在使用期間不產(chǎn)生二氧化碳。實(shí)施方式14是實(shí)施方式1至13中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中所產(chǎn)生的氫氣或所產(chǎn)生的氧氣或二者各自用于下游化學(xué)工藝。實(shí)施方式15是實(shí)施方式1至14中任一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中電解單元可以包括至少兩個(gè)產(chǎn)物出口，其中第一產(chǎn)物出口用于氫氣，第二產(chǎn)物出口用于氧氣。實(shí)施方式16是實(shí)施方式15的系統(tǒng)，其還可以包括連接至電解單元的空氣供給，其中空氣供給向電解單元的析氧側(cè)提供空氣以使得氧氣和空氣的混合物從第二出口產(chǎn)生。

實(shí)施方式17是用實(shí)施方式1至16中任一項(xiàng)的系統(tǒng)由水生成氫氣和氧氣的方法。該方法可以包括使水經(jīng)受足以產(chǎn)生氫氣和氧氣的電解條件。實(shí)施方式18是實(shí)施方式17的方法，其還包括將氫氣提供至一個(gè)或更多個(gè)存儲(chǔ)單元、化學(xué)工藝單元、運(yùn)輸單元或其任意組合。實(shí)施方式19是實(shí)施方式17至18中任一項(xiàng)的方法，其還包括將氧氣提供至一個(gè)或更多個(gè)存儲(chǔ)單元、化學(xué)工藝單元、運(yùn)輸單元或其任意組合。實(shí)施方式20是實(shí)施方式17至19中任一項(xiàng)的方法，其中所產(chǎn)生的氫氣或所產(chǎn)生的氧氣或二者各自用于下游化學(xué)工藝。實(shí)施方式21是實(shí)施方式17至20中任一項(xiàng)的方法，其中該系統(tǒng)不產(chǎn)生二氧化碳。實(shí)施方式22是實(shí)施方式17至21中任一項(xiàng)的方法，其中水為由蒸汽生成單元產(chǎn)生的蒸汽形式。

以下內(nèi)容包括在本說明書全文中使用的各種術(shù)語和短語的定義。

術(shù)語“連接”指在一個(gè)或更多個(gè)物體或組件之間的直接連接或間接連接(例如一個(gè)或更多個(gè)中間連接)，其不一定是機(jī)械地連接；“連接”的兩個(gè)物體可以彼此成為整體。

術(shù)語“流體”指以氣相、液相或其混合物存在并且能夠流動(dòng)的物質(zhì)或化合物混合物。流體的非限制性實(shí)例包括空氣、液體二氧化碳、氣體二氧化碳、水、蒸汽或其混合物。

術(shù)語“約”或“大約”定義為如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的接近于，并且在一個(gè)非限制性實(shí)施方式中該術(shù)語定義為在10％以內(nèi)，優(yōu)選在5％以內(nèi)，更優(yōu)選在1％以內(nèi)，最優(yōu)選在0.5％以內(nèi)。

術(shù)語“基本上”及其變體定義為如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的大部分但不必全部為指定事物，在一個(gè)非限制性實(shí)施方式中，基本上涉及在10％以內(nèi)、在5％以內(nèi)、在1％以內(nèi)或在0.5％以內(nèi)的范圍。

術(shù)語“抑制”或“減少”或“阻止”或“避免”或這些術(shù)語的任何變體在權(quán)利要求和/或說明書中使用時(shí)，包括為了實(shí)現(xiàn)期望結(jié)果的任何可測(cè)量減少或完全抑制。

作為本說明書和/或權(quán)利要求中所使用的術(shù)語，術(shù)語“有效的”表示適于實(shí)現(xiàn)希望的、期望的或預(yù)期的結(jié)果。

當(dāng)在權(quán)利要求或說明書中與術(shù)語“包含”一起使用時(shí)，要素前面不使用數(shù)量詞可以表示“一個(gè)”，但是其也符合“一個(gè)或更多個(gè)”、“至少一個(gè)”和“一個(gè)或多于一個(gè)”的意思。

詞語“包含”、“具有”、“包括”或“含有”是包括性的或開放式的，并且不排除附加的、未列舉的要素或方法步驟。

本發(fā)明的系統(tǒng)可以“包含”在貫穿本說明書所公開的特定成分、組分、組合物等，“基本上由其構(gòu)成”或“由其構(gòu)成”。關(guān)于過渡性短語“基本上由……構(gòu)成”，在一個(gè)非限制性方面，本發(fā)明系統(tǒng)的基本和新的特征為其使用太陽能，并在系統(tǒng)使用時(shí)減少產(chǎn)生的二氧化碳量。

本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)通過以下附圖、詳細(xì)描述和實(shí)施例會(huì)變得明顯。然而，應(yīng)理解，在表明本發(fā)明的具體實(shí)施方式時(shí)，附圖、詳細(xì)描述和實(shí)施例僅以舉例說明的方式給出并不表示限制。另外，預(yù)期通過該詳細(xì)描述，本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的變化和修改對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)變得明顯。

附圖說明

圖1a和b為本發(fā)明用于由水生成氫氣和氧氣的太陽能系統(tǒng)的示意圖。

圖2為本發(fā)明太陽能渦輪單元的示意圖。

圖3為本發(fā)明包括冷卻單元的太陽能系統(tǒng)的示意圖。

圖4為本發(fā)明包括鍋爐和冷凝器的太陽能渦輪單元的示意圖。

圖5為本發(fā)明包括閉環(huán)氣體渦輪單元的太陽能渦輪單元的示意圖。

圖6為本發(fā)明包括彼此串聯(lián)設(shè)置的閉環(huán)氣體渦輪單元和背壓式蒸汽渦輪單元的太陽能渦輪單元的示意圖。

圖7為本發(fā)明包括彼此并聯(lián)設(shè)置的閉環(huán)氣體渦輪單元、背壓式蒸汽渦輪單元和第四發(fā)電機(jī)單元的太陽能渦輪單元的示意圖。

圖8為本發(fā)明包括閉環(huán)氣體渦輪單元的太陽能渦輪單元的示意圖。

本發(fā)明的具體實(shí)施方式通過附圖中實(shí)施例的方式示出并在此詳細(xì)描述，但是本發(fā)明容易獲得各種修改和替換形式。附圖不是按比例的。應(yīng)理解附圖和對(duì)于附圖的詳細(xì)描述不旨在將本發(fā)明限制為特定的公開形式，而相反地，本發(fā)明覆蓋全部落入如所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的修改、等價(jià)物和替代物。

發(fā)明詳述

現(xiàn)有的水裂解系統(tǒng)需要大量的電能。大部分電能由化石燃料的燃燒產(chǎn)生，其產(chǎn)生二氧化碳，已知的溫室氣體。相比之下，本發(fā)明依托反應(yīng)式(iii)的水裂解反應(yīng)減少或限制二氧化碳產(chǎn)生。該發(fā)現(xiàn)在于組合太陽能、熱回收和蒸汽生成以產(chǎn)生足夠的熱量和電以驅(qū)動(dòng)電解單元。相比使用在環(huán)境溫度或接近環(huán)境溫度下進(jìn)料為水的電解單元所需要的電能，電解單元中使用蒸汽減少了用于水分解反應(yīng)所需的電能。

在以下章節(jié)中參考圖1至7更詳細(xì)地討論本發(fā)明的這些和其它非限制性方面。在圖1至7中使用開放箭頭描述機(jī)械能或熱能。使用直線和閉合箭頭描述質(zhì)量流。使用虛線和閉合箭頭描述電能。應(yīng)理解進(jìn)口、出口、閥和連接件是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。

a.由水生成氫氣和氧氣的太陽能系統(tǒng)

圖1a和圖1b為描述本發(fā)明太陽能系統(tǒng)的示意圖。太陽能系統(tǒng)100可以包括電解單元102、第一發(fā)電機(jī)單元104和太陽能渦輪單元106。在太陽能渦輪單元106中生成的蒸汽進(jìn)料108可以排出太陽能渦輪單元106并進(jìn)入電解單元102。在電解單元102中使用蒸汽代替水相比于室溫電解水裂解條件降低了電解水裂解反應(yīng)所需的電能量。蒸汽進(jìn)料可以在1巴至10巴或10巴的壓力下輸送至電解單元102。在電解單元102中，蒸汽裂解為氫氣和氧氣。電解單元102可以為高蒸汽溫度的電解單元。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，電解單元102可以為固體氧化物電解系統(tǒng)，其使用一種或更多種固體電解質(zhì)，例如氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯、氧化鈧穩(wěn)定的氧化鋯、基于二氧化鈰的電解質(zhì)、或鎵酸鑭材料。足以將水裂解成氫氣和氧氣的電解條件可以包括50℃至1000℃、250℃至950℃、或600℃至900℃的溫度和0.1mpa至1mpa的壓力。氫氣流110可以排出電解單元102并用于下游化學(xué)工藝、運(yùn)輸單元。氧氣流112可以排出電解單元102并用于下游化學(xué)工藝和/或運(yùn)輸單元。氫氣流和/或氧氣流還可以被儲(chǔ)存、運(yùn)輸或銷售。電解單元102能夠?qū)?0摩爾％至90摩爾％的水轉(zhuǎn)化成氫氣和氧氣。在一些實(shí)施方式中，在水裂解期間生成的氫氣和氧氣可以收集在電解單元102中的氫氣收集器和氧氣收集器中。收集器可以分別向下游單元、運(yùn)輸單元、存儲(chǔ)單元等提供氫氣或氧氣。

如圖1b所示，空氣供給單元114連接至電解單元102?？諝夤┙o單元114可以向電解單元的析氧側(cè)提供空氣流116(例如壓縮空氣)以維持出口氣流低于純氧。進(jìn)入電解單元102的空氣可以是壓縮空氣。在一些實(shí)施方式中，排出電解單元的氧氣流112是具有至少10體積％至90體積％的氧氣、50體積％至80體積％的氧氣、或60體積％至70體積％的氧氣的富氧氣流。

在圖1a和圖1b中，第一發(fā)電機(jī)單元104連接至電解單元102和太陽能渦輪單元106。太陽能渦輪單元106可以包括第一渦輪。第一渦輪可以是一個(gè)或更多個(gè)太陽能氣體渦輪、蒸汽渦輪、背壓式蒸汽渦輪或其任意組合。太陽能渦輪單元中的渦輪生成提供至第一發(fā)電機(jī)單元104的機(jī)械能(軸功)。第一發(fā)電機(jī)單元104使用機(jī)械能以生成電能并將電能118提供至電解單元102。參考圖2，系統(tǒng)200描述了包括蒸汽渦輪的由水制造氫氣和氧氣的系統(tǒng)。太陽能渦輪單元106可以包括第一渦輪200、太陽能熱量收集單元202和蒸汽生成單元204。第一渦輪200可以提供機(jī)械能120至第一發(fā)電機(jī)104。在圖2中，第一渦輪200是蒸汽渦輪。如貫穿說明書所描述的，太陽能熱量收集單元202可以生成熱量208并向蒸汽生成單元204提供熱量208。太陽能熱量收集單元202可以是高溫太陽能收集器，其包括用于太陽光收集的反射鏡和/或透鏡系統(tǒng)(例如太陽能轉(zhuǎn)化場(chǎng))，并且能夠提供足夠的熱量以在20巴至200巴的壓力下將水加熱至300℃至1000℃，或在1巴至20巴的壓力下將空氣加熱至約720℃至1350℃的溫度。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，太陽能收集器是計(jì)算機(jī)控制的反射鏡(例如定日鏡)，其根據(jù)一天中太陽方向的變化調(diào)整其自身的方向。如貫穿本說明書所描述的，蒸汽發(fā)電機(jī)204連接至第一渦輪200。例如，當(dāng)?shù)谝粶u輪200為蒸汽渦輪時(shí)，蒸汽發(fā)電機(jī)204可以生成蒸汽進(jìn)料210和蒸汽進(jìn)料108。蒸汽進(jìn)料210可以提供至第一渦輪，其生成機(jī)械能120并降低蒸汽流212的壓力。在蒸汽生成單元204中，水214進(jìn)入蒸汽生成單元204中并且可以被加壓和/或加熱以產(chǎn)生蒸汽進(jìn)料210。

b.具有冷卻單元的太陽能系統(tǒng)

在本發(fā)明的一些方面，本發(fā)明的太陽能系統(tǒng)可以包括冷卻單元。圖3描述了具有太陽能渦輪單元106和連接至冷卻單元302的電解單元102的太陽能系統(tǒng)300的示意圖。冷卻單元302可以包括第二渦輪304、第二發(fā)電機(jī)單元306、第三渦輪308、第三發(fā)電機(jī)單元310和傳熱單元312。在本發(fā)明的另一方面，將壓縮空氣流116進(jìn)料至電解單元(參見例如圖1b)，壓縮空氣流116用于吹掃電解單元一個(gè)電極所產(chǎn)生的氧氣以產(chǎn)生富氧氣流112。在系統(tǒng)300中，氫氣流110可以在800℃至1000℃的溫度和1巴至10巴的壓力下排出電解單元102，并在第二渦輪304中膨脹。氫氣流110在第二渦輪304中的膨脹生成機(jī)械能316和熱氫氣流318。生成的機(jī)械能316提供至第二發(fā)電機(jī)單元306，其產(chǎn)生提供至電解單元102的電能。電能320可以用于驅(qū)動(dòng)電解單元102或其他設(shè)備例如空氣供給單元114。熱氫氣流118可以排出第二渦輪304并在傳熱單元312中經(jīng)歷熱交換以形成冷卻氫氣流322和回收熱能324。回收熱能324可以轉(zhuǎn)移至蒸汽生成單元106。類似地，富氧氣流112可以排出具有800℃至1000℃的溫度和10巴的壓力的電解單元102，并在第三渦輪308中膨脹。氧氣在第三渦輪308中的膨脹生成機(jī)械能326和熱富氧氣流328。生成的機(jī)械能326提供至第三發(fā)電機(jī)單元310，其產(chǎn)生電能330。電能330可以用于驅(qū)動(dòng)電解單元102或其他設(shè)備。在一些實(shí)施方式中，電能320和電能330可以從相同進(jìn)口進(jìn)入電解單元。應(yīng)理解電能可以經(jīng)由一個(gè)或更多個(gè)進(jìn)口連接至電解單元。熱富氧氣流318可以排出第三渦輪308并在傳熱單元312中經(jīng)歷熱交換以形成冷卻氧氣流332和回收熱能324’。由熱回收單元312回收的熱能324’可以轉(zhuǎn)移至蒸汽生成單元106。如圖3所示，回收的熱能324’與回收的熱能324合并，然而應(yīng)理解熱能324’可以單獨(dú)提供至蒸汽生成單元106。冷卻氫氣流322和冷卻富氧氣流可以具有處于或接近環(huán)境溫度的最終溫度，例如20℃至30℃、或25℃的溫度。盡管傳熱單元312顯示為一個(gè)單元，可以需要多于一個(gè)單元以維持用于傳熱足夠的溫度差。例如，傳熱單元312可以包括一個(gè)或更多個(gè)熱交換器，每個(gè)熱交換器用熱氫氣流318和熱氧氣流328進(jìn)行熱交換以產(chǎn)生冷卻氫氣流322和冷卻富氧氣流332，或者多個(gè)熱交換單元串聯(lián)或并聯(lián)排布。冷卻氫氣流314可以用于下游化學(xué)工藝、儲(chǔ)存、運(yùn)輸或銷售。冷卻氧氣流318可以用于下游化學(xué)工藝和/或運(yùn)輸單元、儲(chǔ)存、運(yùn)輸或銷售。所產(chǎn)生的電能320和330可以與電能118組合用于驅(qū)動(dòng)電解單元102，或用于驅(qū)動(dòng)其他需要電能的設(shè)備。

c.具有太陽能蒸汽渦輪單元的太陽能系統(tǒng)

在本發(fā)明的一些方面，太陽能系統(tǒng)400包括將熱量轉(zhuǎn)化為電能的第一渦輪。參考圖4，太陽能渦輪單元106可以包括第一渦輪200、太陽能單元202、鍋爐402、冷凝器404和泵406。在系統(tǒng)400中，第一渦輪200為蒸汽動(dòng)力渦輪。太陽能單元202可以為用于太陽光收集的高溫太陽能收集器，其能夠提供充足的熱量以在20巴至200巴的壓力下將鍋爐402中的水加熱至300℃至600℃。泵406將水蒸氣408從冷凝器404泵送至鍋爐402。泵406對(duì)水蒸氣408加壓以使其作為高壓水蒸汽410進(jìn)入鍋爐402。在鍋爐402中，通過太陽熱能208和任選地通過熱能322(例如參見圖3所描述的熱回收系統(tǒng))加熱高壓水蒸汽410至使水蒸發(fā)形成蒸汽的溫度，蒸汽作為蒸汽進(jìn)料210和蒸汽進(jìn)料108提供至其他單元。在優(yōu)選的方面，生成的蒸汽是高壓蒸汽。鍋爐402可以是任何常規(guī)的太陽能鍋爐。在一些實(shí)例中，鍋爐402可以為串聯(lián)的鍋爐，例如第一鍋爐將泵送的水轉(zhuǎn)化為飽和蒸汽，然后第二鍋爐將蒸汽加熱至超過其飽和溫度以產(chǎn)生過熱蒸汽。

蒸汽進(jìn)料的一部分，蒸汽進(jìn)料210可以排出鍋爐402并進(jìn)入第一渦輪200。第一渦輪200使蒸汽210膨脹以生成機(jī)械能120和低壓膨脹蒸汽212。機(jī)械能(軸功)120可以提供至第一發(fā)電機(jī)104，其生成電能118并向電解單元102供應(yīng)電能118。膨脹蒸汽212可以排出第一渦輪200并進(jìn)入冷凝器404。在冷凝器404中，在恒壓下冷卻膨脹蒸汽212以使蒸汽冷凝為水。在一些實(shí)施方式中，使蒸汽212冷卻至產(chǎn)生飽和蒸汽的溫度和壓力。所生成蒸汽的一部分，蒸汽進(jìn)料108排出鍋爐402并進(jìn)入電解單元202。提供至電解單元102的蒸汽量可以通過閥412控制。如圖4所示，無需使用化石燃料而提供驅(qū)動(dòng)電解單元102所需的全部熱量和電能，從而在使用期間不生成二氧化碳。在一些實(shí)施方式中，不使用冷卻單元302。

d.具有太陽能氣體渦輪單元的太陽能系統(tǒng)

在本發(fā)明的一些方面，太陽能渦輪單元106包括使用適當(dāng)工作流體例如空氣或二氧化碳的太陽能氣體渦輪。圖5描述了太陽能系統(tǒng)500的示意圖，該太陽能系統(tǒng)500包括與第一發(fā)電機(jī)104組合的第一渦輪200、電解單元102、太陽能單元202、蒸汽生成單元204和冷卻單元302。如圖5所示，第一渦輪200為氣體渦輪。第一渦輪200向發(fā)電機(jī)104提供機(jī)械能，發(fā)電機(jī)104產(chǎn)生供給至電解單元102的電能118。如貫穿本說明書所描述的，電解單元102產(chǎn)生氫氣流110和富氧氣流112。例如富氧氣流是壓縮空氣流116和在電解單元102中生成的氧氣的混合物。如前所述，所生成的氫氣流110和/或富氧氣流112通過渦輪304和308膨脹，膨脹氣體在其經(jīng)過傳熱單元312時(shí)進(jìn)行熱交換。從傳熱單元312回收的熱量324、324’可以被轉(zhuǎn)移至蒸汽生成單元204，并用作在系統(tǒng)500中生成蒸汽的熱源。

在系統(tǒng)500中，太陽能單元106包括第一渦輪200、蒸汽生成單元204和太陽能單元202。蒸汽生成單元204可以為熱回收蒸汽生成單元，其能夠從多于一個(gè)熱源回收熱量并產(chǎn)生蒸汽。蒸汽生成單元204可以包括用以向電解單元102提供充足蒸汽(例如高壓蒸汽)所需要的任意泵和/或水進(jìn)口和出口。如圖5所示，蒸汽生成單元204包括第一熱交換器502，其從第一渦輪200接收加熱流體504(例如加熱空氣或二氧化碳)。加熱流體504可以用作第一熱交換器502中的工作流體以提供用于由水生成蒸汽的熱量。盡管只有一個(gè)熱交換器顯示在蒸汽生成單元204中，一個(gè)或更多個(gè)熱交換器可以用于維持足夠的熱交換。例如，蒸汽生成單元204可以具有一個(gè)或更多個(gè)殼式熱交換器或管式熱交換器。在蒸汽生成單元204中生成的蒸汽208排出并進(jìn)入電解單元102，其在此經(jīng)受足以將蒸汽電分解為氫氣和氧氣的條件。

部分冷卻流體506排出熱交換器502，進(jìn)入壓縮機(jī)508。在壓縮機(jī)508中，使部分冷卻流體506壓縮以形成圧縮流體510。圧縮流體510以1巴至20巴的壓力排出壓縮機(jī)508，進(jìn)入第二熱交換器單元512。進(jìn)入第二熱交換器單元512時(shí)，壓縮空氣可以具有約250℃至300℃的溫度。第二熱交換器單元512可以包括一個(gè)或更多個(gè)熱交換器。如圖5所示，第二熱交換器單元512包括三個(gè)熱交換器514、516和518。熱交換器514、516和518連接至太陽能單元202。太陽能單元202可以包括多個(gè)太陽能收集器、反射鏡和透鏡，其以接近500℃至大于1000℃的足夠高溫度收集太陽能熱量，并向每個(gè)熱交換器514、516和518提供熱量。太陽能單元202能夠向熱交換器514、516和518提供期望量的熱量。例如，在圧縮流體510經(jīng)過熱交換器514、516和518時(shí)，圧縮流體在每個(gè)熱交換器中被逐漸加熱直至圧縮流體的溫度為在1巴至20巴的壓力下約720℃至1350℃。熱圧縮流體520排出熱交換器單元514并進(jìn)入第一渦輪200。在第一渦輪200中，熱壓縮空氣520充分膨脹以生成提供至第一發(fā)電機(jī)104和壓縮機(jī)508的機(jī)械能120。熱排出氣流504排出第一渦輪200并進(jìn)入熱交換器502以繼續(xù)熱動(dòng)力循環(huán)。如圖5所示，第一熱交換器502、壓縮機(jī)508、熱交換器514和第一渦輪200的組合可以繼續(xù)閉合的布雷登循環(huán)；然而可以使用其他熱動(dòng)力熱量回收循環(huán)。在一些實(shí)施方式中，部分或全部圧縮流體510可以處于不需要熱交換器單元512的足夠溫度下，因此圧縮流體蒸汽510’可以被直接輸送至第一渦輪200。部分圧縮流體510的流量可以通過閥522調(diào)節(jié)。所描述的用于系統(tǒng)500的太陽能渦輪單元106提供了熱有效的“綠色”系統(tǒng)以產(chǎn)生電解水所需的能量，同時(shí)具有最少的或沒有二氧化碳生成。

e.結(jié)合太陽能的循環(huán)系統(tǒng)

在一些實(shí)施方式中，結(jié)合太陽能的系統(tǒng)可以用于生成用于電解單元102的蒸汽和電流。圖6和圖7描述了結(jié)合太陽能的循環(huán)氣流系統(tǒng)600的示意圖。系統(tǒng)600包括圖5描述的太陽能渦輪系統(tǒng)結(jié)合背壓式蒸汽渦輪602的特征。參考圖6，背壓式蒸汽渦輪602用于向第一發(fā)電機(jī)單元104提供額外的機(jī)械能。背壓式蒸汽渦輪602接收來自蒸汽生成單元204的蒸汽進(jìn)料604。如貫穿本說明書所描述的，蒸汽進(jìn)料604可以在蒸汽生成單元204中生成。蒸汽進(jìn)料604在背壓式蒸汽渦輪602中膨脹生成可以被提供至發(fā)電機(jī)單元104的額外機(jī)械能606。膨脹蒸汽流608排出背壓式蒸汽渦輪602并進(jìn)入電解單元102，用作生成氫氣和氧氣的熱水源。在一些實(shí)施方式中，膨脹蒸汽流608與進(jìn)入電解單元102的蒸汽進(jìn)料108混合。

參考圖7，太陽能系統(tǒng)700包括背壓式蒸汽渦輪702和第四發(fā)電機(jī)單元704，其結(jié)合了太陽能熱量生成單元106、第一發(fā)電機(jī)單元104、電解單元102和冷卻單元300。背壓式蒸汽渦輪702向第四發(fā)電機(jī)單元704提供機(jī)械能，然后生成用于電解單元102的電能706。蒸汽進(jìn)料108的部分，蒸汽進(jìn)料708用于背壓式蒸汽渦輪702中。蒸汽進(jìn)料708在蒸汽生成單元204中膨脹以產(chǎn)生機(jī)械能710和熱膨脹蒸汽712，其可以用作電解單元102中的水源。如圖7所示，在進(jìn)入電解單元102之前，熱膨脹蒸汽712與蒸汽進(jìn)料108合并。應(yīng)理解熱膨脹蒸汽712可以直接提供給電解單元。在一些實(shí)施方式中，在圖6和圖7所描述的系統(tǒng)600和系統(tǒng)700中不使用冷卻單元302。在圖6和圖7中描述的組合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)提供熱有效的、新的“綠色”系統(tǒng)以產(chǎn)生水裂解反應(yīng)所需要的能量而不生成二氧化碳排放。

f.制備氫氣和氧氣的方法

使用貫穿本發(fā)明所描述的系統(tǒng)100至系統(tǒng)700可以由水產(chǎn)生氫氣和氧氣。在一個(gè)非限制性方法中，可以由太陽能渦輪單元106向電解單元102提供蒸汽形式的水。使用本說明書章節(jié)c至e所描述的系統(tǒng)400至系統(tǒng)700可以產(chǎn)生蒸汽。在電解單元102中，使蒸汽經(jīng)受足以生成氫氣和氧氣的條件。在一些實(shí)施方式中，氫氣和氧氣可以在電解單元102中被分別收集和/或作為一種氣流收集并在連接至電解單元的單元中分離?？梢詫錃?、氧氣或二者提供至一個(gè)或更多個(gè)存儲(chǔ)單元、化學(xué)工藝單元、運(yùn)輸單元或其任意組合。由于在系統(tǒng)100至系統(tǒng)700中不使用化石燃料生成電并且不使用基于碳的原料，該系統(tǒng)生成最少的二氧化碳或不生成二氧化碳。

在方法中使用適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱?或熱電偶可以使系統(tǒng)100至系統(tǒng)700自動(dòng)化以獲取數(shù)據(jù)。獲取的數(shù)據(jù)可以被傳送至一個(gè)或更多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以包括組件例如cpu或具有相關(guān)可機(jī)讀介質(zhì)或制品的應(yīng)用程序，其可以存儲(chǔ)指令或一組指令，如果由機(jī)器執(zhí)行，該指令或一組指令可使機(jī)器執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法和/或操作。例如，從傳感器和/或熱電偶輸入數(shù)據(jù)時(shí)，可以控制流體流量、打開或關(guān)閉與各種渦輪、壓縮機(jī)、熱交換器、發(fā)電機(jī)、電解單元等的進(jìn)口和出口相關(guān)聯(lián)的閥。這種機(jī)器可以包括例如任何適當(dāng)?shù)倪^程平臺(tái)、計(jì)算平臺(tái)、計(jì)算裝置、過程裝置、計(jì)算系統(tǒng)、過程系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、處理器等，并可以使用任何適當(dāng)?shù)挠布?或軟件的組合來執(zhí)行?？蓹C(jī)讀介質(zhì)或制品可以包括，例如任何適當(dāng)類型的記憶單元、記憶裝置、記憶制品、記憶介質(zhì)、存儲(chǔ)裝置、存儲(chǔ)制品、存儲(chǔ)制品和/或存儲(chǔ)單元，例如存儲(chǔ)器、可移動(dòng)介質(zhì)或不可移動(dòng)介質(zhì)、可擦除介質(zhì)或不可擦除介質(zhì)、可寫入介質(zhì)或可擦寫介質(zhì)、數(shù)碼介質(zhì)或模擬介質(zhì)、硬盤、軟盤、光盤只讀存儲(chǔ)器(cd-rom)、可刻錄光盤(cd-r)、可擦寫光盤(cd-rw)、光盤、磁性介質(zhì)、磁光介質(zhì)、可移動(dòng)記憶卡或光盤、不同類型的數(shù)字通用光盤(dvd)、磁帶、盒式磁帶等。指令可以包括任何適當(dāng)類型的代碼，例如源代碼、編譯代碼、翻譯代碼、可執(zhí)行代碼、靜態(tài)代碼、動(dòng)態(tài)代碼等。指令可以使用任何適當(dāng)?shù)母呒?jí)編程語言、低級(jí)編程語言、面向?qū)ο笮途幊陶Z言、視覺編程語言、編譯編程語言和/或翻譯編程語言，例如c、c++、java、basic、perl、matlab、pascal、visualbasic、匯編語言、機(jī)器代碼等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還可以包括顯示裝置例如顯示器、字母數(shù)字輸入裝置例如鍵盤以及直接輸入裝置例如鼠標(biāo)。

實(shí)施例

本發(fā)明通過具體的實(shí)施例會(huì)更加詳細(xì)地描述。以下實(shí)施例僅為了說明目的提供，不旨在以任何方式限制本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)容易地識(shí)別出可以變化或修改而產(chǎn)生基本相同結(jié)果的各種非關(guān)鍵性參數(shù)。

預(yù)示性實(shí)施例1：

(證明具有太陽能氣體渦輪單元的太陽能系統(tǒng)效率的計(jì)算)

以下參考圖8給出了證明本發(fā)明效率和益處的計(jì)算。圖8為本發(fā)明包括閉環(huán)氣體渦輪單元的太陽能渦輪單元的示意圖，并且為圖5的簡(jiǎn)化示意圖。

總計(jì)214.82kwh太陽能通過太陽能單元202收集。在連接至太陽能單元202的熱交換器514、516和518中，那些太陽能進(jìn)一步轉(zhuǎn)移至工作流體?？紤]到熱交換器中50％的效率，流體520攜帶的熱能為：

214.82kwh×50％＝120.91kwh(iv)

流體520進(jìn)入第一渦輪200，其中熱壓縮空氣520充分膨脹以生成機(jī)械能120。假定80％的氣體渦輪效率，在氣流120中的能量總量可以計(jì)算為：

120.91kwh×80％＝96.73kwh(v)

向第一發(fā)電機(jī)104和壓縮機(jī)508分別以85％至15％的比例提供氣流120中的機(jī)械能。于是，提供至第一發(fā)電機(jī)104的機(jī)械能為：

96.73kwh×85％＝82.22kwh(vi)

通常發(fā)電機(jī)具有約90％的效率。因此，產(chǎn)生的電能118為：

82.22kwh×90％＝74kwh(vii)

電能118最終進(jìn)入電解單元102。對(duì)于最簡(jiǎn)單的情況，假定氣流108中的18kg水直接進(jìn)入電解單元102。使用水和電能，在電解單元102中產(chǎn)生氫氣和氧氣。使用氫氣的低熱值(lhv)33.31kwh/kg、90％的電解效率計(jì)算所生成的氫氣量：

74kwh×90％/33.31kwh/kg＝2kg(viii)

最終，所生成的氧氣量可以基于反應(yīng)式(iii)給出的水裂解化學(xué)反應(yīng)和每種化學(xué)成分的分子量來定量：

(2kg/.2g/mol)×0.5×32g/mol＝16kg(ix)

總之，該實(shí)施例通過使用本發(fā)明的方法，將總計(jì)214.82kwh太陽能和18kg水用于產(chǎn)生2kg氫氣和16kg氧氣。注意在整個(gè)過程中不形成二氧化碳。作為簡(jiǎn)單的對(duì)比，如果使用水的熱化學(xué)裂解產(chǎn)生相同量的氫氣和氧氣，其中能量供給不是太陽能而是天然氣的化石燃料，那么將生成約117磅co2；如果能量供應(yīng)為汽油，那么將生成約157磅co2；如果能量供應(yīng)為煤(褐煤)，那么將生成約215磅co2。