CN1703580A - 来自于水力发电的氢的制备 - Google Patents

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CN1703580A CNA2003801009319A CN200380100931A CN1703580A CN 1703580 A CN1703580 A CN 1703580A CN A2003801009319 A CNA2003801009319 A CN A2003801009319A CN 200380100931 A CN200380100931 A CN 200380100931A CN 1703580 A CN1703580 A CN 1703580A
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Abstract

一种被配置用来大规模制备氢的涡轮设备。所述设备包括：将高海拔上游水与低海拔下游水分开的基础结构。基础结构限定一条水道，所述水道在紧邻上游水的入口和紧邻下游水的出口之间延伸穿过基础结构。由所述基础旋转支撑的转子，所述转子设置在介于所述入口和出口之间的水道中，从而因水头差造成的流过所述水道的水导致所述转子的旋转。一发电机，所述发电机由所述地基支撑并且通过旋转轴连接到所述转子，用于当所述转子旋转时产生电能。一电解器，电连接到所述发电机，用于接收所述电能和制备氢。一控制系统能够检测剩余的氢存储能力并且执行经济比较分析，从而确定是操作所述涡轮以产生额外的氢还是将电能供应到公用电网能够提供最高的经济回报。

Description

来自于水力发电的氢的制备
技术领域
本发明涉及通过水力发电的电能制备氢的领域。更特别的是，本发明涉及通过大规模水力发电的大坝设备制备大量的氢。本发明进一步涉及一种技术，该技术用于执行经济分析，从而确定何时让水力发电的大坝设备以制备氢的模式运作。
背景技术
现今绝大多数的能源起源于化石燃料，诸如油、煤和天然气。但是，这些能源都具有严重的不足，这包括污染、周期性短缺和开采所述燃料的成本上升。尽管曾经认为核反应能量可为这些问题提供解决方案，但是尚未得到证实。不仅存在着对现有核系统的操作安全的极大担心，而且也存在着对消耗燃料的安全运输和长时间存储的严重问题。
通过对比，太阳能、风能和水力能源系统都可以提供相对安全和可靠的优势。而且，这些技术具有的共同优势在于，它们是从事实上不可能耗尽的来源获取能量的。但是，这并不是说这些技术是没有困难的。例如，这些技术的一个困难就是下述能量来源(诸如风，阳光和水)可能会发生可利用性的周期性摆动，诸如太阳可能发生日蚀、风可能减弱，以及水面由于延长的干旱周期而可能回落。另一个困难是用来采集上述能源的最佳地点通常远离要使用这些能源的地点。针对大规模水力发电设备而言的，这一点尤为突出。
通常，绝大多数的风力、太阳能和水力发电设备(特别是大规模、商业化运作)依靠公用电网将产生的能量传输到使用这些能量的地方。但是，从经济的角度上讲，这可能不是对所述产生能量的最有效率的使用方法。众所周知，将风力或水力驱动涡轮发电机连接到公用电网会对发电机施加某些限制。例如，所述发电机的能量输出必须与公用电网的供应同步(在相位上)。通过同步发电机，这是通过将涡轮的转子速度精确地控制成与电厂的供应频率相匹配来实现。仅仅依靠公共电网作为所产生能量的载体的另一限制在于，在有充足能力产生额外电能的同时，在电网上只有低的需求。当这种情况发生时，产生的能量可能会被简单地浪费掉。尽管各种能量存储系统(即电池存储或泵送的水力能量的存储)可以用来克服这个问题，但是这种系统安装相对较为昂贵并且因重复的能量转换导致它们自身效率的损失。
尽管大多数的大规模太阳能、风能和水力发电设备仅依靠公用电网将所述电能输送到要使用所述电能的地方，但是某些装置使用其它的方法。特别的，公知的是使用来自于太阳能、风力和水力发电设备的电能对水进行电解以产生氢，随后所产生的氢被收集起来并且被输送到他地(即通过车辆、火车、船支或管线)，在此处其通常被燃烧掉或被用于燃料电池。作为一个示例，美国专利No.5,592,028公开一种风力发电系统，其使用单极直流(“DC”)发生器将水电解成氢和氧，以用于输送到他地。作为另一个示例，美国专利No.4,910,963公开一种太阳能采集系统，其产生用于向一种电解装置和产生液态氢和氧的低温冷却装置提供电能的电流。特别是对水力发电领域来说，美国专利No.6,104,097公开一种用于设置在河流中或洋流中的潜水式水力涡轮。所述潜水式水力涡轮包括一不透水的球形壳体，其容纳着用于产生氢气所需的一切东西，包括连接到AC发生器的涡轮转子，从AC电能产生DC电能的电转换器，以及从DC电能产生氢气和氧气的电解器(electrolyzer)。所述氢被收集在不透水的壳体中并且经由管道送到岸上的存储罐以用于他地输送(transportation offsite)。
尽管使用氢作为从太阳、风力和水力设备产生的能量的载体，这避免了因使用公用电网输送该能量的上述限制，从经济的角度上讲，这也不是最有效率的对产生能量的使用方法。众所周识，因需求变化(因季节改变和每天时间的限制所导致的)，电能的价格是不断波动的。相似地是，氢的价格也受需求水平和季节变化的影响。同样地，有时在现场利用产生的电能来制备氢可以比将所述电能引导到公用电网上更有效，而在其它时间则可能相反。
以上述的观点来看，可以看出存在着对能够大规模连续进行制氢的水力发电设备的需要。也存在着对能向操作者提供信息的水力发电设备的需要，所述信息利于在使所述装置运行在随市场条件变化能最大化收益的运行模式方面做出智能决策的。
发明内容
本发明涉及通过水力发电的电能大量制备氢。本发明进一步涉及用于在涡轮不同操作模式之间执行一种经济比较分析的新颖技术，从而确定对所述产生电能来说提供了最高经济回报价值的模式。
根据本发明一个实施例的第一方面，一种被配置用来大规模制备氢的涡轮设备.所述设备包括：将高海拔上游水与低海拔下游水分开的基础结构。基础结构限定一条水道，所述水道在紧邻上游水的入口和紧邻下游水的出口之间延伸穿过基础结构。由所述基础旋转支撑的转子，所述转子设置在介于所述入口和出口之间水道中，从而因水头差造成的流过所述水道的水导致所述转子的旋转。一发电机，所述发电机由所述地基支撑并且通过旋转轴连接到所述转子，用于当所述转子旋转时产生电能。一电解器，电连接到所述发电机，用于接收所述电能和制备氢。
根据本发明一个实施例的另一个方面，提供一种在水力发电设备中进行经济比较分析的方法。所述设备包括涡轮驱动发电单元，其接收通过上游管线的水流以产生电能。所述设备能够以第一模式运行，在第一模式中所述产生的电能利用第一能量载体被输送远离该设备，并且能够以第二模式运行，在第二模式中，所述产生的电能利用第二能量载体被输送远离该设备。所述方法包括：计算在使用第一能量载体时电能的第一经济价值，计算在使用第二能量载体时电能的第二经济价值。所述方法还包括，将第一经济价值与第二经济价值进行比较从而确定与较高经济价值相关联的运行模式；以及以确定的模式运行所述涡轮设备。
本发明实施例的这些和其它益处和特征会通过下面结合所示附图示出的对其优选实施例的详细说明而变得更加显明，在全文中相同的附图标记指示相同的元件。
附图说明
图1是一示意性俯视图，其示出位于横跨在一段河流上的包括几个涡轮单元的涡轮发电装置；
图2是示出用于监视和调节氢和氧的制备的示例性手段的涡轮装置的图形表示；
图3是用于从水力发电制备氢和氧的一种系统的图形表示；
图4是用于从水力发电制备氢和氧的备选系统的图形表示；
图5是一控制系统中的一定功能电路的框图，所述控制系统是诸如示出在图2-4中任何一种用于监视和调节氢制备并且用于确定运行的经济优选模式的系统。
在详细解释本发明的几个优选实施例之前，应当注意的是，本发明不受限于下面说明或附图中所示的元件结构或配置的细节。本发明能够有其它的实施例并且能以各种方式进行实施。还应当注意的是，在这里所使用的措词和术语仅用于描述的目的，而不是出于限制的目的。
具体实施方式
现在转向附图并且参考图1，水力发电设备10被大致地示出，其包括跨过河流14的坝体12和发电装置16。在所示的实施例中，装置16包括一个有三个涡轮发电单元的系列，每个由附图标记18所标识。正如本领域技术人员所理解的是，装置16可以包括或多或少的发电单元18，并且这些单元可以安置在与河流14的一个或两岸20，22相邻的位置上，或者在岸之间的各位置处。而且，虽然下述说明以示例的方式涉及到Kaplan涡轮，但是本发明不受限于任何特定类型的涡轮单元应用。例如，除了Kaplan装置外，适于用在装置16中的涡轮的其它类型还包括Francis式(轴同辐流式)、水斗式(Pelton)、Turgo式、灯泡式、螺旋桨式(propeller)、管式(tubular)和双击式(crossflow)涡轮。
每个涡轮单元18可以是通常公知的设计，诸如示意性示出在图2中的垂直式Kaplan涡轮，其用于当允许水从河流14的上游水库24流经水坝12到达下游一侧26时产生电能。因此，装置18包括建在水坝12中的涡轮支撑上层结构28。上层结构28为涡轮30以及相关的发电机32提供轴向和径向支撑。在示出的发电单元中，涡轮30被设置在河流14的流动通道中，设置在入口管道34以及可移动的边门36的下游中。涡轮30包括支撑在垂直轴40上并且具有多个可移动叶片42的转子(runner)38，这些可移动叶片围绕转子的外周设置，用于随着从上流24到下游26的水的流动驱动轴40并因此驱动发电机32而旋转。单元18还包括入口管道34上游的废物架44，通常包括平行的、间隔开来的杆，用于防止大的物体和碎片污垢淤塞破坏涡轮30。机械清洁系统可设置在上层结构28的顶部，用于将堆积在废物架44上游的碎片清除。另外，装置16可用手动方法(例如耙子)在需要的时候将碎片从废物轨道44上清除。
在图2所示的优选实施例中，单元18包括由附图标记46所示的控制系统。控制系统46包括多个传感器50、52、54、56、58、60和62，致动器64、66和67以及水泵68，所述这些通过适当的数据连接而连接到控制器48。出于控制单元18的运作和监视氢制备的目的，控制系统46的传感器允许对一系列运作参数的监测。例如，所述传感器可以允许控制系统46监测从上游24到下游26的任何或全部的不等压头、发电水平、通过单元18的流动、气穴现象以及在存储系统88(如下详细所述)中氢的数量(或百分比容量)。本领域技术人员可以理解的是额外的传感器可以被用于检测其它的运行参数。
虽然用来直接或间接测量上述参数的各种备选方法在现有技术中是公知的，优选的检测装置包括下述部分。静水井型(stilling well-type)的变换器50和52分别测量上游24和下游26的相对海拔或者它们的高度。这种测量用于确定横跨水坝12的水头差(即上游水和下游水之间海拔上的差异)并且用于确定作为涡轮30中气穴现象风险指示的涡轮浸没参数 所述浸没水平通常以本领域中的公知方式作为下游海拔和涡轮30的参照海拔之间差异的函数来确定。传感器54是一压力变换器，其定位在入口管道34中的适合位置上，用于提供一个与涡轮30的上游水头成比例的信号，考虑上游水源24和门36之间的水头损失。如果单元18具有相对短的入口管道34，传感器54可以位于其入口附近。附图标记56代表定位在入口管道34中的传感器组件，用于产生通过单元18的流动的信号指示。在优选实施例中，流动是通过众所周知的Winter-Kennedy方法确定的，但包括Peck方法的其它方法可以替代该方法。设置在单元18的尾流管70中的传感器58是一压力传感器，其类似于传感器54来产生压力测量信号和隔绝从涡轮30到下游26的压力损失。传感器60是一个或多个在存储系统88中产生压力测量数据的压力变换器，这提供了对存储中的氢的数量(或百分比含量)的指示。最后，附图标记62代表电能监视器，其提供了对由单元18产生的电能水平的连续信号指示。
除了上面所述的传感器，控制系统46通常在希望的位置上包括分别用于定向门36、叶片42和水入口关闭装置69的致动器组件64、66和67。致动器组件64，66和67可以是现有技术中任何适合的类型，诸如包括液压缸或连接到机械连杆的电机的组件，用来抵抗通过单元18的撞击流动的力来实现门和叶片的希望运动以及将门和叶片保持在希望位置。而且，致动组件64、66和67还可以包括诸如电位计的传感器、线性可变差接变压器等，用于提供指示门36、叶片42和关闭装置69实际位置的反馈信号。
在示出的实施例中，关闭装置69包括垂直致动下降的门，其可以被降低以关闭通过入口管道34的水流并且可以被提升以允许水的流动。或者，关闭装置69可以包括一个或多个蝶形阀，止挡锁(stop locks)，球形阀或透镜阀，这些关闭装置对于在高水头设备中的长水道来说会是特别有优势的。作为另一个备选方案，一个环形门可以紧密地围绕边门36的上游边缘安装并且当需要或希望在涡轮30中提供正水流关闭时，将环形门落下。作为本领域的技术人员将会认识到，当检查或修理涡轮30时，以及在起动和关停涡轮30期间，可以使用上述关闭装置的任何一个或全部。
来自上面所概括的各种传感器的信号被应用于控制器48，其也产生控制信号用于指令致动组件64、66和67从而以希望的方向定位门36、叶片42和阀门69，并且用于调节水泵68的运行(正如下面详细所述的那样)。在所述优选实施例中，控制器48包括适当配置的可编程逻辑控制器，其用来执行存储在常驻内存中的循环控制程序(正如下面详细描述的那样)。而且，控制器48也优选地连接到装置16中的其它涡轮单元18。因此，在装置16中的其它单元18也同等地设置时，控制器48接收指示装置16中的所有单元18的运行参数的信号以及对在各种单元中的所有门和叶片的操作进行控制。
在操作中，装置16通过允许水流经涡轮单元18产生电能，并且将在电线90上产生的电能输出到电解设备92。根据一个实施例，发电机32是一交流(“AC”)发电机。在这种情况下，需要一个适合的AC到DC电能转换器/过滤器(未示出)用于将来自发电机32的AC电能转换成电解器92所需的直流(“DC”)电压，但是，根据一个优选实施例，发电机32是DC发电机。这消除了对电转换器的需要并且因此潜在地减少了涡轮18的复杂程度和成本。正如本领域技术人员可以了解的那样，DC发电机通常根据用于提供用来激励磁场的场电流的方法进行分类。因此，串联的发电机具有与电枢串联的场，而并联的发电机具有与电枢平行连接的场。复联的发电机具有部分串联的场和部分并联的场。并联和复联的发电机具有在变动电负载的情况下输送相对恒定电压的优势。所述串联发电机被主要地用于以变动的电压提供恒定的电流。尽管上述任何类型的DC发电机可以连同本发明一起使用，发电机32优选的是复联类型。
无论发电机32的类型和结构如何，DC电能被供应到电解器92(直接来自发电机32或者通过电整流器之后)，从而将水分离成它的两种构成元素，即氢和氧。在电解器92的最基本的程度，电解器92包括由水溶液(具有特定的导电率)中的电解液分隔开的两个电极(一个正极和一个负极)。当横跨两个电极提供DC电能时，造成电压差异导致邻近正极的水分子分解成氧、氢离子和电子。所述氢离子穿过电解液朝向负极移动并且与同时通过外部电路移向负极的所述电子组合。这应导致在负极处的氢气气泡的产生以及在正极处的氧气气泡的产生，并且产生了某些其它副产品，诸如氯(产生在正极)和金属离子(产生在负极)。
根据优选的实施例，电解器92利用液体电解液。所述液体电解液通常是强酸或诸如氢氧化钠或氢氧化钾的基本溶液(具有一定的导电率)。可能适于用在本发明中的基于液体电解液的一种可能结构被公开在美国专利No.4,077,863中，其全部内容结合于此作为参考。通过使用这种电解器，所述电解液是盐酸水溶液。优选地，用于电解的水是经由流体管线94通过泵68供应的经过过滤的河水。由泵68提供的河水在电解之前优选地穿过过滤/调节系统95，从而提供具有特定透明度或清洁度和/或导电率的水。正如现有技术人员会理解的是，上述发明中所公开的电解器包括多个特别适合于用在本发明中的特征。例如，由于用来冷却所述液体电解液的电解器内部冷却装置；不断地更换用于确保所述电解液洁净的过滤器垫以及用于确保所述液体电解液连续循环的内部泵(其增加了电解的效果)，所述电解器能够大规模连续制备氢。
作为使用液体电解液的替换，电解器92可以利用固体聚合体电解液(“SPE”)，其有时被指为质子交换薄膜(“PEM”)。正如本领域技术人员所理解的是，一个SPE或PEM是电子绝缘体，但其是氢离子的优秀导体。迄今常用的材料包括碳氟化合物聚合体骨架，类似于TEFLON，磺酸根附着在其上。所述酸分子被固定于聚合体并且“不会泄漏”出来，这就减少了任何对电解液损失的担扰。
除了上述两种电解器结构之外，本领域技术人员会理解的是，电解器的各种其它结构也是公知的并且可以同样工作得很好，或者也许对在本发明中的大规模氢制备来说，甚至会更好。而且，也可以理解的是，多于一个电解器可以被用来进一步按需增强氢的制备能力。
不论电解器92的特定类型和结构如何，当DC电源被应用于所述电极时，水分子会被分解成它们的构成元素，即氧和氢。所述氧和氢通常作为气泡分别出现在正极和负极，这些气泡随后被收集并且沿管子到达存储系统88。根据优选实施例，存储系统88包括相关的传感器装置60，其提供了对保持在存储系统88中的氢的数量(或百分比容量)的信号指示。传感器装置60也可以提供对保持在存储系统88中氧的数量(或百分比容量)的信号指示。
根据一个优选实施例，电解器92优选地包括过滤/调节/收集系统96。过滤系统96是所希望的，因为电解过程通常不但产生氧和氢，而且产生某些其它希望被过滤掉和/或被收集起来的副产品。例如，如果所述电解液包括水和盐酸的混合物，其中一种电解的副产品会是氯气。在这种情况下，所希望的是使用系统96来收集氯气，这不但是因为对将所述氯气排放到周围空气或河流的环境上的考虑，也是因为氯气所具有的固有价值，该价值也保证了收集它的花费。系统96也能够将所述电解液的传导率改变成希望的水平。
现在转到图3和图4，水力发电设备的两个备选的实施例110和120会被示出并进行描述。出于简化，水力发电设备110和120的说明将会被限制于其相对于与上述水力发电设备10的不同之处。出于方便的目的，基本上类似于水力发电设备10的相应元件的水力发电设备110和120的元件由相同的附图标记进行标识，但是前面分别加了“1”和“2”。
在图3中，水力发电设备110包括水力发电设备116，其包括电解器192，存储系统188和控制器148。说到水力发电设备16，设备116包括一个或多个涡轮发电单元118，其将DC电能供应到电解器192，电解器192随之将氢气和氧气经由分开的管线分别供应到存储罐188A和188B。类似地，控制器148监视来自于涡轮发电单元118和存储系统188的反馈信号。尽管未在图3中示出，控制器148也可以监视来自于电解器192的反馈信号(正如下面详细所述的那样)。基于这些反馈信号，控制器148调整涡轮发电机118的控制表面的位置(即所述门和/或叶片)，从而对电能的输出和水泵的操作进行调节，所述水泵向电解器192按需供应经过滤的水。
正如本领域技术人员所了解的那样，存储罐188A和188B可以是高压气体存储容器，可能包括内置的压缩机(on-board compressors)，用于对进入所述罐的氢气和氧气进行加压。或者，分开的气体压缩机可以用在电解器192和存储系统188之间。但是，根据优选的实施例，存储罐188A是在市场上可以购得的金属氢化物存储容器，所述存储容器以作为固体金属氢化物的结合形式存储所述氢。正如本领域技术人员所公知的那样，特定的金属氢化物合金，诸如镁-镍，镁-铜 铁-钛组合物能够经由放热和吸热化学反应可逆转地吸收氢。因此，通过向存储罐188A移除或添加热量，有可能引起金属氢化物合金或是吸收或是释放所述氢。当使用金属氢化物存储时，希望的是(或需要的是)，在将氢提供到存储罐188A之前清洁所述氢，从而确保所述氢有足够高的质量，使得所述金属氢化物吸收体不被破坏。
现在转到图4，水力发电设备210在大多数方面与装置110基本上相同。例如，装置210包括水力发电设备216，设备216包括一个或多个涡轮发电单元218，其将DC电能提供到电解器292，电解器292流体连接到存储系统288，所述存储系统包括分开的氢和氧存储罐288A和288B。而且，设备216包括控制器248，其配置成接收来自于涡轮发电单元218和存储系统288的反馈信号，并且向涡轮发电单元218和存储系统288提供控制信号。
水力发电设备210不同于装置110的主要之处在于其包括位于电解器292和存储系统288之间的液化装置298。液化装置298分别包括氢和氧液化罐298A和298B。
对于这一点值得注意的是一定的反馈/控制数据线以及电源线可以包括在设备216中，但是没有示出在图4中(或先前的附图中)，从而避免了对示出在附图中的主反馈回路结构造成模糊，即由向电解器292提供DC电能的发电单元218所限定的反馈回路，其中电解器292向液化装置298提供了气化的氢和氧，液化装置298向存储罐298A和298B提供了液态的氢和氧，存储罐向控制器248提供了反馈信号，控制器使用所述反馈信号来调节涡轮发电单元218的输出。优选地存在于装置216中但没有示出在图4中的电力线的一个实例是延伸在涡轮发电单元218和液化装置298之间的线。这条电力线将电能从涡轮发电单元218供应到液化装置298，这就消除了对任何外部电源的需求(即相对装置216的外部电源)。可能存在于装置216中但没有示出在图4中的供电线的另一个示例是位于发电单元218和存储系统288之间的线。只要存储系统288包括电力设备(诸如内置压缩机、制冷单元等)，这种线会具有优势，从而避免了对外部电源的需求。正如另一个例子，数据线可以设置在电解器292和控制器248之间，和/或设置在液化器298和控制器248之间。正如本领域技术人员会理解的是，这种线会允许控制器248监视并控制图2中所示的装置以及它们任何的内置构件。
现在参考附图5，将会对在编程进行经济比较分析时可选择地包括在控制器48(或控制器148和/或248)中的一定功能性电路的总体框图进行说明。在所示的实施例中，控制器48包括通讯连接72，接口电路74，中央处理电路76，接口电路78，存储电路80，监视电路82和成本电路84。
通讯连接(communications link)72优选地包括基于光纤的广域网，但是可替代地包括高速调制解调器或其它长途通讯装置。无论其形式如何，通讯连接72(当出现时)向中央处理电路76提供来自于外部数据源的数据，诸如最新电能和氢价格的在线数据源，以用在下述的经济比较分析中。
接口电路74，其通常包括适合的多路、模拟到数字转换和信号调制电路(signal conditioning circuitry)，接口电路74接收来自于传感器50-62的运行参数信号以及来自于致动组件64、66和67的反馈信号以及将这些信号应用于中央处理电路76。类似的是，接口电路78，其典型地包括适合的信号调制电路，接口电路78接收来自于中央处理电路76的控制信号以及指令装置16中的设备的相应伺服运动，诸如致动器组件64、66和67(分别用于控制门36、叶片42和关闭阀69的方向)和水泵68(用于将过滤的河水送入电解器92)。尽管没有示出在附图中，接口电路74和/或78也可以连接到过滤系统95和/或96，从而允许中央处理电路76接收来自于系统95和/或96的各种传感器或反馈信号，并将指令信号传送到这些系统。
根据一个优选的实施例，接口电路78将来自于中央处理电路76的控制信号传给操作者界面86从而显示操作条件，诸如从发电机32的实时电能输出、制备氢的当前速率(如果装置16目前运行在如下所述的氢产生模式中)和存储的氢的数量(或百分比含量)。操作者界面86，其典型地包括用于装置16的位于控制站(未示出)内的计算机监视器，操作者界面86也可以是显示或可视发声或听得见的警报，诸如当接近氢的存储能力极限或制备氢的速率意外地下降时。
出于下述详细的原因，中央处理电路76也连接到存储电路80，氢监视电路82以及成本电路84。在运行中，中央处理电路76执行存储在存储电路80中的循环控制程序，用于控制装置16的运作。
正如本领域技术人员所理解的那样，示出在图5中的功能电路可能由标准的可编程逻辑控制器、个人电脑、计算机工作站或类似物中的标准输入/输出电路、存储电路、程序指令所限定。例如，在目前优选的实施例中，呈专属于装置16的可编程逻辑控制器形式的中央处理电路76设置有用于执行主控制程序的内置内存。监视电路82和成本电路84是主控制程序的优选部分，或者可以包括可改装到(retrofitted to)主控制指令的独立软件模块。
本实施例的应用是执行经济比较分析，从而确定对由涡轮单元18所产生的电能的最佳经济利用，下面对这一应用将会进行说明。根据一个优选实施例，控制器48如下地执行这种比较分析。首先，氢监视电路82接收来自于氢存储传感器60的信号并确定存储系统88有多大容量(即多少立方升)可用于存储额外的氢(或者用于存储额外的氧或存储另一种电解过程的有市场价值的副产品，诸如被收集起来的氯)。基于这种信息，成本电路84估计产生为获得全部容量所需氢数量(被收集起来的氧或其它副产品)所要求的电能数量(即多少千瓦)。将存储系统88填充到其容限所需的电能数量可基于包含在存储电路80中的历史数据计算，如下文所述。
由此得到的信息为控制器48(以及工厂员工)提供一个指示，所述指示是关于如果由发电机32产生的电能用于将水电解成它的构成元素(即氢、氧和任何其它具有商业价值的电解副产品)而不是供应到公用电网的话可产生多少收入。正如本领域技术人员所理解的那样，电解器92需要DC电能，而电网需要同步的AC电能。结果，如果发电机32是一个DC发电机时，需要一个反用换流器从而产生用于电网的AC电能。类似的是，如果发电机32是AC发电机时，可能需要整流器以产生用于电解器92的DC电能。
通过将氢、氧和任何其它有商业重要性的副产品的经济价值与在电网上提供电能的经济价值进行比较，控制器48能够确定：是将操作装置16的一个或多个涡轮18在氢产生模式中、而不是电网供应模式工作更优选(从经济的角度)，还是反之更优选。根据一个优选的实施例，从收益最大化的角度，控制器48也能够确定何时两种模式的组合是最优选的。例如，有如下的一种情况可能存在，即当经济比较显示所产生电能的价值在其被放在电网上时比在其被用于产生氢时更大，可电网存在足够低的需求，装置16具有过量的能力从而产生无法被放在电网上的电能。在这种情况下，控制器48可能选择通过将所述能量用于电解来“用光”所述过剩的发电能力。
根据一个优选实施例，所述电能的经济价值是基于整体能量价值(unitized energy value)，这一点可以从过去的成绩进行假设(即可以是过去几个月的平均值)，并存储在存储电路80中，或者通过通讯连接72从在线数据源(即公用设施)访问取得。类似地是，氢、氧和其它商业重要副产品的经济价值是基于整体市场价值的，该整体市场价值可以从过去成绩估计出来，或，可替换地，通过连接72从在线数据源访问取得。当所述整体价值是基于对过去性能成绩的平均，这种平均值须反映因季节变化和其它因素导致的变化需求所造成的电能或者氢价格的任何变化。
在一优选实施例中，成本电路84不仅考虑电能的整体能源价值，而且也估计操作效率的下降，该下降是由连接到所述电网时来自于以同步速度操作涡轮的固有限制所导致的(与在以氢制备模式操作时没有这种限制的情况相反)。但是，由于本领域技术人员会知道如何估计这种执行损失，这些调整的具体细节无需在这里进行讨论。
根据优选的实施例，当装置16处于氢制备模式时，控制器48连续地监视氢制备的速率以及用来制备所述氢的电能的数量，并且将这种信息存储在存储电路80中。作为这种存储操作的结果，该信息在执行下一次的经济比较分析中是可获取的，随着时间这会提高精确性。
重要值得注意的是，上述水力发电设备的优选和可选实施例仅是示意性的。尽管本发明已经通过结合具体的实施例进行了说明，但是本领域技术人员将会认识到在没有离开这里所述主题的新颖的教导和优点的前提下，多种修改都是可能的。例如，上述的氢和氧存储系统可与管线分配系统结合使用，或者被管线分布系统替代，所述管线分布系统从涡轮设备延伸到另一地点，在该地点所述产品可以被进一步输送或被直接使用。因此，这些和所有其它这样的修改意在包括在本发明的范围之内。其它的替代、修改、改变和缺失可以在不背离本发明精神的前提下在所述设计、操作条件以及在优选的和其它示例性实施例的布置中实现。

Claims (33)

1、一种被配置用来大规模制备氢的涡轮设备，所述设备包括：
将高海拔上游水与低海拔下游水分开的基础结构，基础结构限定一条水道，所述水道在紧邻上游水的入口和紧邻下游水的出口之间延伸穿过基础结构；
由所述基础旋转支撑的转子，所述转子设置在介于所述入口和出口之间水道中，从而因水头差造成的流过所述水道的水导致所述转子的旋转；
发电机，所述发电机由所述地基支撑并且通过旋转轴连接到所述转子，用于当所述转子旋转时产生电能；以及
电解器，电连接到所述发电机，用于接收所述电能和制备氢。
2、根据权利要求1所述的涡轮设备，其中，所述水道是由包括头盖、排出环和尾流管的静止壳体所形成的。
3、根据权利要求1所述的涡轮设备，其中，所述电解器位于所述水道的外侧。
4、根据权利要求1所述的涡轮设备，其中，所述发电机是DC发电机。
5、根据权利要求4所述的涡轮设备，其中，所述DC发电机是串联发电机、并联发电机和复联发电机的其中之一。
6、根据权利要求1所述的涡轮设备，其中，所述发电机是AC发电机，所述设备进一步包括位于所述发电机和所述电解器之间的AC到DC电能转换器，用于将电能从AC电能转换成DC电能。
7、根据权利要求1所述的涡轮设备，其中，还进一步包括连接到所述电解器的氢存储容器，用于连续地接收和存储所述氢。
8、根据权利要求7所述的涡轮设备，其中，所述氢以气态、液态和固态中的一种被存储。
9、根据权利要求7所述的涡轮设备，其中，所述氢使用金属氢化物吸收剂以固态形式存储。
10、根据权利要求7所述的涡轮设备，其中，进一步包括一传感器，其用于产生电反馈信号，该信号指示了包含在所述存储容器中的氢的水平。
11、根据权利要求10所述的涡轮设备，其中，所述涡轮包括用于向电解器提供水的水泵，所述设备还包括数字控制器，所述数字控制器用于对应于所述反馈信号控制所述水泵，从而调节流向所述电解器的水流。
12、根据权利要求10所述的涡轮设备，其中，所述涡轮包括水控制元件，其位置可以调整从而控制通过涡轮的水流，所述设备还包括数字控制器，所述数字控制器用于对应于所述反馈信号调整水控制元件的位置，从而调节供应到所述电解器的电能。
13、根据权利要求12所述的涡轮设备，其中，所述水控制元件是多种变间距叶片，多个边门(wicket)，流动控制门和关闭阀的其中之一。
14、根据权利要求12所述的涡轮设备，其中，所述水控制元件是位于所述水道入口部分中的关闭装置。
15、根据权利要求14所述的涡轮设备，其中，所述关闭装置是蝶形阀，止挡锁，球形阀，透镜阀和环形门的其中之一。
16、根据权利要求1所述的涡轮设备，其中，所述电解器产生至少一种气体，所述设备还包括用于将至少一种气体转换成液体的液化设备。
17、根据权利要求16所述的涡轮设备，其中，所述至少一种气体是从氢，氧和氯中所选择的。
18、根据权利要求1所述的涡轮设备，其中，所述电解器产生至少一种气体，所述设备还包括用于将不纯物从至少一种气体中去除的过滤系统。
19、根据权利要求18所述的涡轮设备，其中，所述至少一种气体是从氢，氧和氯中所选择的。
20、根据权利要求1所述的涡轮设备，其中，所述电解器产生氢和至少一种额外的产品，所述设备还包括用于收集所述产品、从而防止它释放到涡轮设备周围环境中的装置。
21、根据权利要求20所述的涡轮设备，其中，还包括至少一种用于收集所述产品的存储装置。
22、根据权利要求20所述的涡轮设备，其中，所述产品是氧气和氯气的其中之一。
23、根据权利要求1所述的涡轮设备，其中，水从上游水和下游水其中之一被提供到电解器，所述涡轮设备进一步包括为了达到清洁要求在进行电解之前用于清洁水的过滤系统。
24、根据权利要求1所述的涡轮设备，其中，所述涡轮是反作用涡轮和冲击式涡轮的其中之一。
25、根据权利要求1所述的涡轮设备，其中，所述涡轮是轴同辐流式(Francis式)、水斗式(Pelton)、Turgo式、灯泡式、螺旋桨式(propeller)、管式(tubular)和双击式(crossflow)涡轮的其中之一。
26、根据权利要求1所述的涡轮设备，其中，还包括用于将氢从涡轮设备输送到远处位置的氢分配系统。
27、根据权利要求26所述的涡轮设备，其中，所述氢分配系统是气体或液体管线。
28、一种在水力发电设备中进行经济比较分析的方法，所述设备包括涡轮驱动发电单元，其接收通过上游管线的水流以产生电能，所述设备能够以第一模式运行，在第一模式中所述产生的电能利用第一能量载体被输送远离该设备，并且能够以第二模式运行，在第二模式中，所述产生的电能利用第二能量载体被输送远离该设备，所述方法包括：
计算在使用第一能量载体时电能的第一经济价值；
计算在使用第二能量载体时电能的第二经济价值；
将第一经济价值与第二经济价值进行比较从而确定与较高经济价值相关联的运行模式；以及
以确定的运行模式运行所述涡轮设备。
29、根据权利要求28所述的方法，其中，所述设备包括氢产生设备，第一运行模式涉及从产生的电能制备氢。
30、根据权利要求29所述的方法，其中，所述设备连接到公用电网，且第二运行模式涉及将产生的电能供应到所述公用电网。
31、根据权利要求28所述的方法，其中，所述第一能量载体是氢，以及第二能量载体是公用电网。
32、根据权利要求28所述的方法，其中，第一和第二经济价值的至少其中之一是基于从过去成绩导出的整体价值。
33、根据权利要求28所述的方法，其中，第一和第二经济价值的至少其中之一是基于经由通讯连接从远处数据源获得的整体价值。
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