產生用于工廠設備的氧氣和氫氣的系統和方法
【專利摘要】本發明實施例提供一種系統，所述系統包括光電解系統，所述光電解系統具有太陽能收集器，所述太陽能收集器配置用于收集并聚集太陽輻射以加熱水、發電或者執行這兩者。所述系統還包括電解單元，所述電解單元配置用于至少使用所產生的電力來電解受熱水，以產生第一氣體混合物和第二氣體混合物。所述第一氣體混合物包括氧氣和蒸汽并且所述第二氣體混合物包括氫氣和蒸汽。所述系統進一步包括：第一裝置，所述第一裝置配置用于接收并使用所述第一氣體混合物；以及氫膜，所述氫膜配置用于接收所述氫氣和蒸汽混合物并將其分離成氫氣組分和蒸汽組分。
【專利說明】產生用于工廠設備的氧氣和氫氣的系統和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及工業廠房，例如動力發電廠。本發明涉及產生氧氣和氫氣以便在動力 發電廠，例如整體氣化聯合循環（IGCC)發電廠中消耗。
【背景技術】
[0002] 通常，整體氣化聯合循環（IGCC)發電廠通過使用氣化器將燃料源轉換成合成氣 (例如，一氧化碳和氫氣的混合物）。隨后可以將此合成氣產物提供到燃燒器，所述燃燒器 可以燃燒合成氣以驅動一個或多個渦輪機。典型的IGCC氣化器可以將燃料源（例如，煤 漿）與蒸汽和氧氣化合，以產生合成氣。空氣分離單元是IGCC發電廠的主要氧氣源。通常， IGCC發電廠可以操作一個或多個空氣分離單元，所述空氣分離單元可以在冷凍溫度下冷凝 壓縮空氣，以便分離空氣中的氮氣、氧氣和其他組分氣體。因此，這些空氣分離單元通常消 耗大量能量。此外，這些空氣分離單元可能在每日和每年中的較溫暖時期消耗更多能量來 冷凝和分離壓縮空氣。
[0003] 電解是使用施加電壓來斷裂一個或多個分子鍵的過程。例如，可以使用傳統電解 來通過施加直流電流分裂水分子，以便在陰極收集氫氣并且在陽極收集氧氣。但是，傳統的 液態水電解實質上低效（例如，由于競爭性內部反應）、消耗的能量（例如，直流電流）遠大 于理論上斷裂水分子中的氫鍵和氧鍵所需的能量。
【發明內容】
[0004] 以下概述了與本發明原始主張的權利要求范圍一致的一些實施例。這些實施例并 不意圖限制本發明的范圍，相反，這些實施例僅用于提供本發明的可能形式的簡要概述。實 際上，本發明可以包括可能與下述實施例類似或不同的各種形式。
[0005] 在一個實施例中，本發明提供一種系統，所述系統包括光電解系統，所述光電解系 統具有太陽能收集器，所述太陽能收集器配置用于收集并聚集太陽輻射以加熱水、發電或 者執行這兩者。所述系統還包括電解單元，所述電解單元配置用于使用至少所產生的電力 來電解受熱水，以產生第一氣體混合物和第二氣體混合物。所述第一氣體混合物包括氧氣 和蒸汽并且第二氣體混合物包括氫氣和蒸汽。所述系統進一步包括：第一裝置，所述第一裝 置配置用于接收并使用第一氣體混合物；以及氫膜，所述氫膜配置用于接收氫氣和蒸汽混 合物并將其分離成氫氣組分和蒸汽組分。
[0006] 在另一個實施例中，本發明提供一種方法，所述方法包括通過太陽能收集器收集 太陽輻射以及將所述太陽輻射分離成長波長組分和短波長組分。所述方法還包括：使用長 波長組分加熱水以提供受熱水；以及使用短波長組分產生電流。所述方法還包括向受熱水 施加至少所產生的電流以產生氧氣和蒸汽混合物以及氫氣和蒸汽混合物。所述方法進一步 包括將氧氣和蒸汽混合物輸送到氧燃燒反應器。
[0007] 在另一個實施例中，本發明提供一種系統，所述系統包括光電解系統，所述光電解 系統配置用于處理太陽輻射和水以提供氧氣和蒸汽流以及氫氣和蒸汽流。所述系統還包括 裝置，所述裝置配置用于將氫氣組分從氫氣和蒸汽流中分離并且將氫氣組分的至少一部分 轉換成用于光電解系統的電力。所述系統還包括控制器，所述控制器包括存儲器和處理器 并且配置用于控制所述光電解系統、所述裝置或者這兩者的運行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008] 在參考附圖閱讀以下詳細說明后，將更好地理解本發明的這些和其他特征、方面 和優點，在附圖中，類似的符號代表所有附圖中類似的部分，其中：
[0009] 圖1是示意圖，示出了根據本發明多個方面的光電解系統的實施例，所述光電解 系統提供氧氣/蒸汽流以及氫氣/蒸汽流，所述氧氣/蒸汽流以及氫氣/蒸汽流被輸送到 整體氣化聯合循環（IGCC)發電廠、化學制造廠和/或煉油廠；
[0010] 圖2是示意圖，示出了根據本發明多個方面的整體氣化聯合循環（IGCC)發電廠的 實施例，所述IGCC發電廠從光電解系統接收氧氣/蒸汽流以及氫氣/蒸汽流；
[0011] 圖3是根據本發明多個方面的流程圖，示出了光電解系統借以使用充足日照提供 氧氣/蒸汽流以及氫氣/蒸汽流的過程；以及
[0012] 圖4是根據本發明多個方面的流程圖，示出了光電解系統借以使用不充足日照提 供氧氣/蒸汽流以及氫氣/蒸汽流的過程。
【具體實施方式】
[0013] 下文將描述本發明的一個或多個具體實施例。為了準確描述這些實施例，說明書 中可以不描述實際實施方案的所有特征。應了解，在任何工程或設計項目中開發任何此類 實際實施方案時，均應當做出與實施方案特定相關的各種決定，以實現開發人員的特定目 標，例如，是否要遵守與系統相關以及與業務相關的約束，這些限制可能會因實施方案的不 同而有所不同。另外，應當了解，此類開發工作可能復雜而且耗時，但對所屬領域中受益于 本發明的普通技術人員而言，這將仍是設計、制造以及生產中的常規任務。
[0014] 介紹本發明的各個實施方案的元件時，冠詞"一個"、"一種"、"該"和"所述"意圖 表示存在一個或多個所述元件。術語"包括"、"包含"和"具有"旨在表示包括性含義，并且 表示除了所列元件外，可能還有其他元件。
[0015] 如上所述，電解通常包括向水施加直流電流（例如，在室溫下）以分別在電解系統 的陽極和陰極產生氧氣和氫氣。或者，特定水電解方法包括將水加熱到特定溫度，然后再施 加電解電流以便減少消耗的電流（即，提高電解過程的效率）。也就是說，例如，使用過熱蒸 汽（例如，約700°C以上溫度的H20)能夠減少在斷裂水分子中的氫氧鍵時消耗的能量（即， 直流電流）。此外，由于轉換效率通常小于100%，因此分別在陰極和陽極收集的氫氣和氧 氣可能與蒸汽混合。
[0016] 對于所公開的光電解系統，日照可能用作經濟有效型能源，為電解過程提供熱量 和/或電力。作為具體實例，光電解系統可以將日光分成長波長輻射（例如，紅外（IR)輻 射）和短波長輻射（例如，可見光輻射/紫外線輻射），然后使用長波長輻射來加熱水（例 如，從約700°C到1000°C )，再施加使用短波長輻射（例如，通過光電池）產生的直流電流。
[0017] 因此，本發明的實施例涉及使用光電解系統來產生單獨的氫氣/蒸汽流以及氧氣 /蒸汽流，將所述氫氣/蒸汽流以及氧氣/蒸汽流輸送到一個或多個附近設施（例如，IGCC 發電廠、煉油產、化學制造廠或類似設施）的各個部分中。例如，在一個實施例中，可以使 用太陽能光電解系統來產生氧氣/蒸汽流，所述氧氣/蒸汽流可以輸送到IGCC發電廠的 氣化器中。通過使用太陽輻射作為動力源來產生氧氣/蒸汽流，本發明的實施例能夠省去 傳統上在消耗大量能量成本的情況下向氣化器供應氧氣的空氣分離單元，從而提高了 IGCC 發電廠的整體效率。此外，如下詳述，就更好的溫度控制和/或反應物混合而言，太陽光電 解系統產生的氧氣/蒸汽流提供了良好的氧氣源，用于引入不同類型的反應器（例如，氣化 器、燃燒器、燃燒發動機或其他氧燃燒反應器）中。此外，此氧氣/蒸汽流可以與附近設施 的其他部件（例如，氣體處理單元、硫回收單元或類似部件）連通和/或集成，以進一步提 高效率。此外，所產生的氫氣/蒸汽流還可以輸送到各個化學反應器，或者可以分離，以便 可以存儲氫氣以供未來使用（例如，能量生產、煉油反應器、化學制造或類似應用）。
[0018] 鑒于上述內容，圖1示出了系統10的實施例，其中光電解系統12向多個附近設施 (例如，IGCC發電廠、煉油廠、化學制造廠或類似設施）的各個部分提供氧氣/蒸汽流以及 氫氣/蒸汽流。在圖示的系統10中，光電解系統12可以通常接收并使用太陽輻射14以將 水16轉換成氧氣/蒸汽流18以及氫氣/蒸汽流20。具體來說，光電解系統12可以包括太 陽能收集器22,所述太陽能收集器通常配置用于接收太陽輻射14并將其分成長波長（例 如，大于約750nm的波長）組分以及短波長組分（例如，小于約750nm的波長）。例如，太陽 能收集器22可以包括一個或多個太陽能集中器（例如，拋物面反射鏡或其他適當的反射表 面），其將接收到的太陽輻射的長波長組分和短波長組分分別導向到太陽能集中器24和光 伏太陽能電池18。此外，在特定實施例中，太陽能收集器22可以額外地使用一個或多個適 當安置的鏡子，所述鏡子對于特定波長或波長范圍具有選擇反射能力（例如，選擇性地反 射較長或短波長），以便適當地將接收到的輻射的不同組分導向到太陽能集中器24和光伏 太陽能電池18。
[0019] 因此，太陽能收集器22可以分離太陽輻射14的長波長（例如，IR)組分并且將此 組分導向到太陽能集中器24,所述太陽能集中器通常可以聚集接收到的長波長輻射以過加 熱水流（例如，在約l〇〇〇°C下），從而形成電解蒸汽。也就是說，太陽能集中器24大體上可 以包括熱交換部件，所述熱交換部件從供水系統16接收水并且使用從太陽能收集器22接 收的太陽輻射14的集中長波長組分來加熱（例如，過加熱）所述水。此外，應了解，例如， 可以使用來自附近工廠或設施（例如，IGCC發電廠或煉油廠）的一些部分（例如，熱回收 單元或熱交換器）的熱量來加熱輸送到太陽能集中器24的水。例如，在特定實施例中，太 陽能集中器24可以在供水系統16提供的水達到電解單元26之前，將其加熱到介于700°C 到1000°C之間。請注意，在本說明書中，術語"水"和"蒸汽"通常可以互換使用，以表示可 以處于液態或蒸汽形式的水或水流，具體取決于直接環境條件（例如，溫度和壓力）。
[0020] 此外，太陽能收集器22可以將短波長輻射（例如，可見光和/或紫外線輻射）導 向到一個或多個光電池 （photovoltaic cells) 28,光電池28可以將接收到的福射轉換成 直流電流。可以將此直流電流提供到電力系統31，電力系統31可以向電解單元26供應直 流電流，以便電解單元26的陰極和陽極可以分別產生氧氣/蒸汽流18和氫氣/蒸汽流20。 電力系統31可以大體上包括用于在光電解系統12各處接收、產生和輸送電力的多個部件。 例如，除了從光電池28接收的直流電流之外，在特定實施例中，電力系統31可以包括一個 或多個蒸汽渦輪機，所述蒸汽渦輪機可以接收蒸汽（例如，從太陽能集中器24或者從工廠 的其他部分），以便產生用于光電解系統12的電力。例如，在特定實施例中，附加地或替代 地，電力系統31可以連接到燃料源（例如，下述氫氣/蒸汽流的已分離氫氣部分），所述燃 料源可以用于（例如，使用燃燒器/燃氣渦輪機系統或燃燒發動機）產生電力。此外，在特 定實施例中，電力系統31可以連接到電力網33 (例如，工廠的電力網或者較大型區域電力 網），以便從電力網33接收電力或者向所述電力網提供電力。也就是說，在特定情況下，電 力系統31可以產生超出消耗量的額外電力，因此可以將此電力提供給電力網33以驅動電 力網33上的其他系統。在其他實施例中，電力系統31可以包括電池或類似的蓄電機構，所 述蓄電機構可以用于儲存電力系統31中的額外電力，直到其被電解單元26消耗。
[0021] 此外，圖示的系統10包括控制器25,所述控制器可以總體上控制光電解系統12的 運行。也就是說，圖示的控制器25包括處理器27,處理器27可以執行存儲在存儲器29中 的一個或多個指令，以便控制光電解系統12的多個運行參數。例如，在特定實施例中，控制 器25通常可以從與光電解系統12相關的一個或多個傳感器接收有關光電解系統12的部 件的狀態的信息。作為具體實例，控制器25可以就光的長波長和短波長接收有關太陽能收 集器22的當前太陽能攝入的信息。作為進一步實例，控制器25可以針對接收、產生和/或 向電解單元26和/或電力網33供電的時間控制電力系統31的運行（例如，基于電力系統 31的輸出和電力網33上的當前電價）。
[0022] 因此，控制器25可以基于用戶的指令或者基于從光電解系統12的部件和/或傳 感器接收的信息來調整光電解系統12的一個或多個運行參數。例如，基于太陽能收集器22 的當前太陽能攝入，控制器25可以調整從水源16流入太陽能集中器24中的水流速率。此 夕卜，在特定實施例中，控制器25可以直接控制（或者與其控制的另一個控制器交互）從光 電解系統12接收氧氣/蒸汽流18以及/或者氫氣/蒸汽流20的設施的各個部分。例如， 在特定實施例中，控制器25可以直接控制光電解系統12和氣化器30,以便可以控制氧氣/ 蒸汽流18的生產速率，從而與氣化器30對氧氣/蒸汽流18的消耗速率相匹配。
[0023] 因此，圖示的光電解系統12可以提供氧氣/蒸汽流18以及氫氣/蒸汽流20,所述 氧氣/蒸汽流以及氫氣/蒸汽流隨后被輸送到一個或多個附近設施（例如，IGCC發電廠、 煉油廠、化學制造產或類似設施）的各個部分中。例如，如下文參照圖2詳述，光電解系統 12可以向IGCC發電廠的氣化器30和/或氣體處理單元32 (例如，硫回收單元和/或碳捕 獲單元）提供氧氣/蒸汽流。但是，應了解到，可以將氧氣/蒸汽流18輸送到任何反應器 34 (例如，氧燃燒反應室），所述反應器可以消耗氧氣/蒸汽流18,以提供一種或多種產物 (例如，氧化物質和/或所產生的能量）。氧氣/蒸汽流18以及/或者氫氣蒸汽流20可以 擁有介于1 %與30 %之間的蒸汽。例如，在特定實施例中，氧氣/蒸汽流18以及/或者氫氣 蒸汽流20可以擁有介于約2%與20%之間、介于約3%與15%之間或者介于約5%與10% 之間的蒸汽。
[0024] 此外，應了解，光電解系統12通常可以提供使用水蒸氣稀釋的"按需供應式"氧氣 源，所述氧氣源可以提供合規性以及相對于其他氧氣制造系統的后勤優點，其中可以在現 場產生或隔離氧氣并且在使用之前以液體形式儲存所述氧氣。此外，就更好的溫度控制和 /或反應物混合而言，氧氣/蒸汽混合物可以提供相對于氧燃燒過程的額外優點。也就是 說，特定的傳統氧燃燒反應室包括單獨的入口，用于獨立地向氧燃燒反應提供氧氣和蒸汽， 其中蒸汽可以使過量熱能下沉，以使反應器的溫度分布更加均勻。因此，此蒸汽通常也可以 使反應器的性能更均勻（例如，在能量和/或產物輸出方面）。因此，通過將氧氣/蒸汽混 合物輸送到氧燃燒反應器，本發明的實施例提供了類似的溫度控制，同時還改進了反應物 混合，因為氧氣和水在與燃料接觸之前已預混合。
[0025] 此外，氫氣/蒸汽流20可以輸送到氫膜36,所述氫膜通常能夠將氫氣/蒸汽流20 中的氫氣組分與蒸汽組分分離。盡管回收的蒸汽可以返回到水源16中并再循環，但是氫氣 /蒸汽流20的已分離氫氣組分可以以多種方式用在多種設施（例如，IGCC工廠、煉油廠、 化學制造廠或類似的設施）的各處。例如，如下文參見圖4詳述，有些情況下，光電解系統 12的電力系統31可以使用其他電源（例如，蒸汽、燃料和/或電力網33提供的能量）來向 電解單元26提供電力（例如，直流電流），作為對光伏太陽能電池28提供的電力的附加或 替代。此外，在特定實施例中，電力系統31可以包括一個或多個氫燃料電池、燃燒器/渦輪 機、燃燒發動機，其可以接收氫氣/蒸汽流20中的氫氣組分的至少一部分，以便將其轉換成 用于電解單元26和/或設施的其他部分中的電力。例如，在特定情況下，當光伏太陽能電 池28產生的電力不足時（例如，在太陽輻射較少期間或光電解系統12的啟動期間），可以 使用包括消耗光電解系統12產生的氫氣的至少一部分的氫燃料電池的電力系統31來向電 解單元26提供額外的電力，作為對光伏太陽能電池28提供的電力的附加或替代。作為進 一步實例，電力系統31可以包括燃燒發動機驅動的發電機（例如，燃氣渦輪機驅動的發電 機），其消耗光電解系統12產生的氫氣的至少一部分（以及可能地氧氣/蒸汽流18的一部 分），以向電解單元26提供額外的電力（例如，在光電解系統12的啟動期間）。
[0026] 此外，在IGCC系統的環境中，如圖2中詳述，氫氣/蒸汽流20的氫氣組分可以提 供到與燃料源40化合以及/或者提供到燃燒器42 (例如，合成氣混合物的一部分）。此外， 在特定實施例中，氫氣/蒸汽流20的氫氣組分的至少一部分可以輸送到儲氫單元44中，以 使所儲存的氫氣可以用在設施內，或者甚至輸送到其他設施以供稍后使用。例如，在特定實 施例中，儲氫單元44可以包括用于儲存氫氣的一個或多個機構（例如，在氣瓶內的壓力下， 可逆吸附或物理吸附到多孔表面或凝膠之上或內部，或者其他合適的機構）。此外，對于特 定煉油廠和化學制造設施，氫氣/蒸汽流20的氫氣組分可以輸送到一個或多個反應器46， 所述反應器可以消耗氫氣以產生一種或多種化學產物。例如，煉油廠可以將氫氣/蒸汽流 22的氫氣組分輸送到還原室中，以在制造特定烴類產物期間還原不飽和碳鍵。此外，在特定 實施例中，氫氣組分可以提供到氧反應器（例如，燃燒器、熱氧化器或火炬），以便在燃燒過 程中還原從所存在的氮氣形成的NOx量。
[0027] -般來說，IGCC系統可以在氣化器內將燃料（例如，煤漿、天然氣、沼氣或其他合 適的燃料）與氧氣和蒸汽化合以產生合成氣（即，氫氣和一氧化碳的混合物），所述合成氣 隨后可以被燃燒器消耗以驅動渦輪機。對于傳統IGCC氣化器，可以通過空氣分離單元提供 氧氣，所述空氣分離單元通常使用冷凍劑來冷凝壓縮空氣。一旦壓縮空氣冷凝，空氣分離單 元即將氧氣與氮氣和其他大氣氣體分離。因此，傳統IGCC系統使用的空氣分離單元可能 在冷卻壓縮空氣以向氣化器提供氧氣時消耗大量能量，尤其是在每日的較溫暖期間（即， 日間）以及每年的較溫暖期間（即，春天和夏天）。此外，傳統IGCC氣化器和其他氧燃燒 反應器還可以包括單獨的接口（例如，氧氣和蒸汽入口），用于將氧氣和蒸汽引入到反應器 中。也就是說，由于空氣分離單元只能提供干燥氧氣流，因此這些傳統氣化器可能配備單獨 的接口（例如，入口），用于從IGCC發電廠的一些部分（例如，熱回收蒸汽發生單元）接收 蒸汽。
[0028] 相反地，圖2是示出了 IGCC系統60的實施例的示意圖，其中所述IGCC系統可以 在運行期間使用光電解系統12提供的氧氣/蒸汽流18以及/或者氫氣/蒸汽流20。圖 示的IGCC系統60通常在氣化器30內將來自原料40的燃料（例如，液體烴類燃料、生物燃 料、煤漿或其他適當的燃料源）與氧氣和蒸汽化合以產生原始合成氣。氣化器30產生的原 始合成氣隨后輸送到一個或多個氣體處理單元（例如，酸性氣體脫除單元61)，例如，所述 氣體處理單元可以將硫化氫氣體與原始合成氣分離。分離之外，清潔的合成氣輸送到燃燒 器42(例如，火炬或熱氧化器）以燃燒（例如，驅動渦輪機）。酸性氣體脫除單元61可以進 一步將分離的硫化氫氣流輸送到另一個氣體處理單元（例如，硫回收單元62)，所述氣體處 理單元可以使用氧氣流來大體回收從酸性氣體脫除單元61接收的硫化氫氣體中的硫。
[0029] 因此，作為對使用空氣分離單元的附加或替代，圖示的IGCC系統60在氣化器30、 燃燒器42和硫回收單元62內使用光電解系統12提供的氧氣/蒸汽混合物18。此外，對于 圖不的IGCC系統60,可以將同樣由光電解系統12產生的氫氣64(例如，氫氣/蒸汽流20 的氫氣組分64)與原料40混合并且/或者輸送到燃燒器42以提高IGCC系統60的效率。 此外，在特定實施例中，可以在氣化器30的啟動或熱維護期間將氫氣組分64的至少一部分 提供到氣化器30。此外，在特定實施例中，如果燃燒過程中存在氮氣（例如，來自原料40 和/或至少部分由空氣分離單元提供的氧氣中的氮污染的氮氣），可以將氫氣組分64的至 少一部分提供到燃燒器42,以便還原燃燒器42 (例如，火炬或熱氧化器）中可能產生的NOx 類。但是，應了解，對于僅通過光電解單元12將氧氣提供到燃燒器42的實施例（所述光電 解單元大體上提供無氮氧氣源）而言，燃燒器42中存在的氮氣量還可以大幅減少或完全去 除，以便于阻止NOx的形成。
[0030] 將光電解系統12用于IGCC系統60中有多個有點。也就是說，除了上述按需為多 個氧燃燒過程生產氧氣的后勤優點之外，并且除了氧氣/蒸汽混合物向多個氧燃燒過程提 供的反應物混合得到改進并且溫度控制得到改進之外，使用光電解系統12還提供了多個 額外的優點，例如反應器設計簡單以及能量成本和效率。例如，圖示的氣化器30可以相對 于傳統氣化器進行簡化。也就是說，氣化器30可以只包括單個接口（例如，單個噴射器或 單個噴射接口），用于提供混合的氧氣/蒸汽流18 (由光電解系統12供應），以便將來自原 料40的燃料轉換成合成氣以用于燃燒。此外，不同于空氣分離單元，IGCC系統60的光電解 系統12通常可以在日間（即，每日的較溫暖期間）在較高效率下運行。也就是說，由于光 電解系統12依賴于作為其主要能量輸入的太陽能，因此光電解系統12可以在每日的最溫 暖期間內效率最高（例如，當空氣分離單元的效率最低時）。因此，可以想象，在特定實施例 中，光電解系統12可以用于在每日的最溫暖期間內補充或替代分離分離單元供應的氧氣， 從而降低運行成本。
[0031] 圖3是示出了過程70的實施例的流程圖，其中可以在充足日照期間使用光電解系 統12生產并向附近設施（例如，IGCC發電廠、煉油廠、化學制造廠或類似設施）的各個部 分提供氧氣/蒸汽流18以及/或者氫氣/蒸汽流20。圖示的過程70始于光電解系統12 的太陽能收集器22收集太陽輻射并且將其分成（塊72)長波長輻射組分和短波長輻射組 分。例如，在一個實施例中，太陽能收集器22可以利用一個或多個具有選擇反射能力的計 量表來將波長在IR區域內的光（例如，大于約750nm的波長）導向到太陽能集中器24,以 便太陽能集中器24可以過加熱（塊74)水流。例如，在特定實施例中，太陽能收集器22可 以將波長大于約800nm、850nm或900nm的光導向到太陽能集中器24以加熱水流。在特定實 施例中，太陽能集中器24可以將水流過加熱到介于約700°C與1000°C之間的溫度。應認識 至IJ，盡管本說明書中使用術語"過加熱"來描述太陽能集中器24加熱水流的方式，但是在特 定情況下，太陽能集中器24可以將水加熱到遠小于700°C，例如大于約100°C的任意溫度。
[0032] 在圖示的過程70中，由于太陽能集中器24使用長波長輻射來過加熱水流，因此光 電解系統12可以將短波長輻射（例如，小于約750nm的波長）導向到一個或多個光伏太 陽能電池28以發電（塊76)。例如，在特定實施例中，太陽能收集器22可以將波長小于約 700nm、650nm或600nm的光導向到一個或多個光伏太陽能電池28以發電。隨后，電解單兀 26可以使用（塊78)所產生的電力來電解過熱的水流并且產生氫氣/蒸汽流20以及氧氣 /蒸汽流18。應了解，盡管處于較低效率下（S卩，電解單元26消耗的電力大于其在約700°C 以上的溫度下消耗的電力），電解單元26將繼續運轉以生產氧氣/蒸汽流18以及氫氣/蒸 汽流20,即使太陽能集中器24無法將水加熱到約700°C (例如，由于暫時云層覆蓋）。
[0033] 在圖示的過程70中，一旦電解單元26已生產出氧氣/蒸汽流18和氫氣/蒸汽流 20,流18和20可以輸送到一個或多個設施的多個部分以供使用。在圖示的過程70中，將 所產生的氧氣/蒸汽流18供應（塊80)到反應器（例如，氣化器30、燃燒器42或類似的 氧燃燒反應器）中。此外，可以使用氫膜36分離（塊82)氫氣/蒸汽流20的氫氣組分和 蒸汽組分。在其他實施例中，作為對氫膜36的附加或替代，可以使用氣體吸附分離系統、氣 體吸附分離系統或氣體干燥系統來分離氫氣/蒸汽流20的氫氣組分和蒸汽組分。分離后， 可以從氫氣/蒸汽流20的蒸汽組分再循環（塊84)水。此外，可以將氫氣/蒸汽流20的 氫氣組分供應（塊86)到儲氫單元或反應器（例如，燃燒器42、還原室、氫燃料電池系統） 中，以產生能量和/或一種或多種化學產物。
[0034] 相反，圖4是示出了過程90的實施例的流程圖，其中可以在不充足日照期間（例 如，傍晚或夜間）使用光電解系統12生產并向附近設施（例如，IGCC發電廠、煉油廠、化學 制造廠或類似設施）的各個部分提供氧氣/蒸汽流18以及/或者氫氣/蒸汽流20。圖示 的過程90始于太陽能集中器24使用（塊92)殘余的太陽熱來加熱來自水源16的水流。也 就是說，即使在太陽能收集器22不再接收太陽輻射之后，太陽能集中器24可以維持足夠溫 暖，以將來自水源16的水流加熱到一定程度。如上所述，電解單元26可以繼續運轉以生產 氧氣/蒸汽流18和氫氣/蒸汽流20,即使是在到達電解單元26的水溫遠低于700°C時（例 如，高于約l〇〇°C的溫度下）。例如，太陽能集中器24可以僅儲存充分的殘余熱以向電解單 元26提供介于約400°C到600°C之間的水流。在這些情況下，電解單元26用于電解水以生 產氧氣/蒸汽流18和氫氣/蒸汽流20所消耗的電力通常可能大于當將水加熱到700°C之 上時消耗的電力。
[0035] -旦使用太陽能集中器24中的殘余熱加熱水后，光電解系統12可以從存儲的氫 氣來產生（塊94)電力或使用電力網提供的電力，從而電解受熱的水。例如，光電解系統 12可以在日間使用作為能量輸入的太陽輻射排他地運行一段時間，此外，可以蓄積并儲存 所生產的氫氣/蒸汽流20的氫氣組分的至少一部分。之后，在不充足日照期間，電力系統 31并不排他地依賴光伏太陽能電池28來向電解單元26提供直流電流，而是可以部分地或 全部地使用替代能源（例如，來自太陽能集中器24的蒸汽能、來自氫氣蒸汽流20的氫氣組 分的化學能以及/或者來自電力網33的電力）驅動電解單元26。在特定實施例中，例如， 電力系統31可以使用燃燒發動機驅動的發電機（例如，燃氣渦輪機驅動的發電機）或氫燃 料電池來消耗氫氣儲存器44中儲存的氫氣，以產生用于驅動電解單元26的直流電流。此 夕卜，在特定實施例中，例如，如果提供給電力系統31的氫氣不足以向電解單元26供應直流 電流，電力系統31可以配置用于連接到電力網33并且使用該電力網提供的電力，從而驅動 電解單元26。
[0036] 已使用太陽能集中器24中的殘余熱加熱水流并且已產生和/或接收電力之后，電 解單元26可以使用（塊96)所產生和/或接收的電力來電解受熱水流，從而產生氧氣/蒸 汽流18和氫氣/蒸汽流20。接下來，在圖示的過程90中，氧氣/蒸汽流18和氫氣/蒸汽 流20可以輸送到一個或多個設施的各個部分以供使用。與圖3所示的過程70類似，在圖4 所示的過程90中，將所產生的氧氣/蒸汽流18供應（塊80)到反應器（例如，氣化器30、 燃燒器42或類似的氧燃燒反應器）中。此外，可以分離（塊82)氫氣/蒸汽流20的氫氣 組分和蒸汽組分（例如，使用氫膜36)，并且可以從氫氣/蒸汽流20的蒸汽組分再循環（塊 84)水。此外，可以將氫氣/蒸汽流20的氫氣組分供應（塊86)到儲氫單元或反應器（例 如，燃燒器42、還原室、氫燃料電池系統）以產生能量和/或一種或多種化學產物。
[0037] 本發明實施例的技術效果包括提高生產氧氣以操作氧燃燒反應器的設施（例如， IGCC發電廠、煉油廠、化學制造廠或類似設施）的效率并降低其運營成本，。通過使用太陽 輻射作為主要動力源來生產氧氣/蒸汽流，本發明實施例可以減少（或者完全消除）對空 氣分離單元的使用，其中空氣分離單元在傳統上用于在消耗大量能量成本的情況下向這些 氧燃燒反應器供應氧氣。此外，就更好的溫度控制和/或反應物混合而言，本說明書中公開 的光電解系統所生產的氧氣/蒸汽流提供了用于引入不同類型反應器（例如，氣化器、燃燒 器或其他氧燃燒反應器）中的良好氧氣源，并且支持使用簡化的反應器設計（例如，用于引 入氧氣和蒸汽的單個噴射口）。此外，此氧氣/蒸汽流可以用在附近設施的其他部件（例 如，硫回收單元或類似部件）內，以進一步提高效率。此外，所生產的氫氣/蒸汽流可以分 離并且氫氣可用于發電、儲存以供后續使用、用在燃燒器中進行NOx控制以及/或者輸送到 多個化學反應器中（例如，煉油反應器、化學制造反應器或類似反應器）。此外，由于所公 開的光電解系統依賴于作為其主要能量輸入的太陽能，因此光電解系統通常可以在每日和 每年的最溫暖（即，陽光充足）期間（例如，空氣分離單元的效率最低時）內以峰值效率運 行。
[0038] 本說明書使用了各種實例來公開本發明，包括最佳模式，同時也讓所屬領域的任 何技術人員能夠實踐本發明，包括制造并使用任何裝置或系統，以及實施所涵蓋的任何方 法。本發明的保護范圍由權利要求書界定，并可包含所屬領域的技術人員想出的其他實例。 如果其他此類實例的結構要素與權利要求書的字面意義相同，或如果此類實例包含的等效 結構要素與權利要求書的字面意義無實質差別，則此類實例也應在權利要求書的范圍內。
【權利要求】
1. 一種系統，所述系統包括： 光電解系統，所述光電解系統包括： 太陽能收集器，所述太陽能收集器配置用于收集并聚集太陽輻射以加熱水、發電或執 行這兩者；以及 電解單元，所述電解單元配置用于至少使用所產生的電力來電解受熱的水，從而產生 第一氣體混合物和第二氣體混合物，其中所述第一氣體混合物包括氧氣和蒸汽并且其中所 述第二氣體混合物包括氫氣和蒸汽； 第一裝置，所述第一裝置配置用于接收并使用所述第一氣體混合物；以及 氫膜，所述氫膜配置用于接收所述氫氣和蒸汽混合物并將所述氫氣和蒸汽混合物分離 成氫氣組分和蒸汽組分。
2. 根據權利要求1所述的系統，其中所述第一裝置包括氣化器或氧燃燒反應器。
3. 根據權利要求1所述的系統，其中所述第一裝置包括氣體處理單元，所述氣體處理 單元配置用于將一種或多種物質從整體氣化聯合循環（IGCC)設施、煉油廠、化學制造設施 或者其任意組合的氣流中脫除。
4. 根據權利要求1所述的系統，其包括第二裝置，所述第二裝置配置用于接收從所述 氫氣和蒸汽氣體混合物分離的所述氫氣組分。
5. 根據權利要求4所述的系統，其中所述第二裝置是儲氫罐、可逆氫吸附材料或者其 任何組合。
6. 根據權利要求4所述的系統，其中所述第二裝置包括氣化器或燃燒器。
7. 根據權利要求4所述的系統，其中所述第二裝置包括煉油廠反應器或化學制造反應 器。
8. 根據權利要求1所述的系統，其中所述太陽能收集器配置用于將太陽輻射分離為長 波長組分和短波長組分。
9. 根據權利要求8所述的系統，其中所述太陽能收集器配置用于將所述太陽輻射的所 述長波長組分導向到太陽能集中器，其中所述太陽能集中器配置用于使用所述太陽輻射的 所述長波長組分來加熱所述水。
10. 根據權利要求8所述的系統，其中所述太陽能收集器配置用于將所述太陽輻射的 所述短波長組分導向到一個或多個光電池，并且所述一個或多個光電池配置用于使用所述 太陽輻射的所述短波長組分來產生所述電力。
11. 根據權利要求1所述的系統，其包括替代電源，所述替代電源配置用于向所述電解 單元提供額外的電力，從而產生所述第一氣體混合物和第二氣體混合物。
12. 根據權利要求11所述的系統，其中所述替代電源配置用于接收所述第二氣體混合 物的至少一部分、所述受熱的水的一部分或者其組合，以產生用于所述電解單元的所述額 外的電力。
13. 根據權利要求1所述的系統，其中所述第一氣體混合物或第二氣體混合物包括介 于約5%與30%之間的蒸汽。
14. 一種方法，所述方法包括： 通過太陽能收集器收集太陽輻射； 將所述太陽輻射分離成長波長組分和短波長組分； 使用所述長波長組分加熱水以提供受熱的水； 使用所述短波長組分產生電流； 向所述受熱的水至少施加所產生的電流以產生氧氣和蒸汽混合物以及氫氣和蒸汽混 合物；以及 將所述氧氣和蒸汽混合物輸送到氧燃燒反應器。
15. 根據權利要求14所述的方法，其包括分離所述氫氣和蒸汽流的氫氣組分并且將其 輸送到氫氣儲存器、燃料電池、燃燒反應器、燃燒發動機或者其任意組合。
16. 根據權利要求15所述的方法，其包括使用所述燃料電池、所述燃燒反應器、燃燒發 動機或者其任意組合來向受熱的水流施加額外的電流。
17. 根據權利要求14所述的方法，其中加熱所述水包括在至少700°C的溫度下提供所 述受熱的水。
18. -種系統，所述系統包括： 光電解系統，所述光電解系統配置用于處理太陽輻射和水以提供氧氣和蒸汽流以及氫 氣和蒸汽流； 裝置，所述裝置配置用于將氫氣組分從所述氫氣和蒸汽流中分離并且將所述氫氣組分 的至少一部分轉換成用于所述光電解系統的電力； 控制器，所述控制器包括存儲器和處理器并且配置用于控制所述光電解系統、所述裝 置或者這兩者的運行。
19. 根據權利要求18所述的系統，其包括氧燃燒反應器，氣體處理單元或者這兩者，配 置用于從所述光電解系統接收所述氧氣和蒸汽流。
20. 根據權利要求19所述的系統，其中所述控制器配置用于控制所述氧燃燒反應器、 所述氣體處理單元或者這兩者的運行。
【文檔編號】C25B15/00GK104204303SQ201380017216
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月1日 優先權日:2012年3月26日
【發明者】J.P.奧彭黑姆 申請人:通用電氣公司