用于模块化电解槽组件的方法和控制系统与流程

本发明涉及针对具有电气和机械部件的复杂系统而设计的过程控制领域。更具体地，本发明涉及用于管理与可变电源(例如可再生能源)连接的电解设备的控制系统。

背景技术：

1、现代发电是各种技术的复杂组合。可调度的发电，例如热能来源的煤炭和天然气发电或水力发电，可以通过太阳能(光伏和/或太阳能-热)或风能等不可调度的发电补充。按照定义，这些不可调度的能源是间歇性的，相对于当地即时的气候条件、一天的时间和一年的时间呈现变化的功率输出。

2、为了持续继续减少对环境的可能影响，发电机正在向更高水平的可再生能源发电迈进，并减少或逐步淘汰传统化石燃料能源的使用。与可调度发电相比，不可调度发电源，如太阳能，由于其利用来自环境的能源的方法的性质，表现出更大的电力供应间歇性。由于这些原因，在没有“负荷稳定”储存系统在发电机和用户之间进行缓冲以调节供应并确保一致的电力供应间时，对于基础负荷电力依靠可再生能源是不切实际的。

3、此外，提供“离网”无碳电力系统的工作越来越依赖于本地的太阳能发电系统来提供可再生能源供应。

4、传统上采用电化学电池来提供可变发电源的负荷稳定。电化学电池的缺点包括投资成本高、获得新电池原材料对环境的影响、与可燃材料的燃烧或催化相比能量密度低以及与大型电池组操作相关的重大安全问题。因此，越来越广泛地使用替代的能量储存技术，例如氢气储存。氢气储存技术提供了传统电化学电池的环保替代方案。

5、有多种方法从各种原料产生氢气。与本发明相关的方法是电解水。通过水电解产生氢气的方法是成熟的。工业规模的水电解设备广泛可得，而且技术成熟。

6、稳定不可调度能量发电机的可变性质的一种方案是以简单、可靠且有效的方式将它们与氢气产生/储存系统(例如上述电解设备)连接。氢气产生系统作为不可调度能源的缓冲，当供应超过需求时吸收多余的能量，并将多余的能量转化为氢气。相反，当电能需求超过供应时，可以处理氢气而产生电力(例如通过燃料电池)，从而提供负荷。这种基于氢气的缓冲系统可以以环保的方式为最终用户提供一致、可靠的电力。

7、用于产生氢气的电解系统(如上所述)对每个电解槽的输入电压是敏感的，影响产生的气体的纯度和生产效率。欠电压条件(当略微不足的电压已经施加到电解槽时)期间的操作导致“污染的”氢气产生，其中可能会产生不想要的氧气，影响氢气产品流的纯度。过电压条件(当施加到电解槽的电压显著超过所需的启用电压时)由于槽内部加热导致槽效率较差。

8、不可调度的能源，例如太阳能，具有不断变化的输出，并且在没有干预的情况下无法提供电解系统有效运行所需的稳定电压。因此，持续需要使用与不可调度发电源结合的缓冲器。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于电解槽的模块化系统的分阶段操作的控制系统，通过确保这种系统中的槽所需的最佳总电压与可变输入电压(例如由太阳能和风力发电系统等不可调度的发电系统提供的可变输入电压)一致地匹配，从而实现可靠且高效的操作。

2、本发明的一个方面是一种用于操作包括多个电解槽的电解槽系统的方法。根据本发明这一方面的方法包括测量由电源产生的电压并将所测电压与最佳电解槽电压进行比较的方法。最佳电解槽电压包括多个电解槽之一的操作电压和与电源电连接的多个电解槽的数量的乘积。当所测电压超过最佳电解槽电压时，将至少一个额外的电解槽与电源连接。当所测电压低于最佳电解槽电压时，将至少一个电解槽与电源断开。

3、一些实施例还包括，当所测电压超过最佳电解槽电压时，将至少一个额外的电解槽与电解质溶液源和产生气体总管(header)液压连接。当所测电压低于最佳电解槽电压时，将至少一个电解槽与电解质溶液源和产生气体总管断开。

4、一些实施例还包括，当所测电压超过最佳电解槽电压时，将至少一个额外的电解槽与废物管线或补充气体产品管线液压连接预定时间段，然后将至少一个额外的电解槽与产生气体总管连接。

5、一些实施例还包括，当所测电压超过最佳电解槽电压小于连接至少一个额外的电解槽的量时，对电能储存装置进行充电，当所测电压低于最佳电解槽电压小于断开至少一个电解槽的量时，对电能储存装置进行放电。

6、在一些实施例中，电源是可变输出电源。

7、在一些实施例中，电源包括光伏发电机、太阳能发电机和风力发电机中的至少一种。

8、根据本发明另一方面与可变输出电源一同使用的能量储存系统包括多个电解槽，每个电解槽包括电解质溶液进口、可操作以将每个电解槽的氢气出口与产品气体管线连接的阀门以及可操作以将槽与可变输出电源电连接的开关。电压测量电路与可变输出电源连接。控制器与电压测量电路、阀门和开关信号通信。控制器布置为计算响应所测电压和最佳电压之间的差值而启用或停用的多个电解槽的数量。控制器布置为响应所测电压而操作待启用或停用所述数量的多个电解槽的开关和阀门。

9、在一些实施例中，控制器布置为操作阀门以将所述数量的正启用的电解槽的每个的氢气出口与废气管线或补充气体产品管线连接预定时间段，然后操作阀门以将所述数量的电解槽的每个的氢气出口与产品气体管线连接。

10、一些实施例还包括与可变输出电源和电负荷电连接的电能储存装置。电能储存装置与多个电解槽电连接，其中当所测电压超过最佳电解槽电压小于控制器操作而连接至少一个额外的电解槽的预定差值时，对电能储存装置进行充电。当所测电压低于最佳电解槽电压小于控制器操作而断开至少一个电解槽的量时，对电能储存装置进行放电。

11、在一些实施例中，电能储存装置包括电池或电容器。

12、在一些实施例中，电池包括电化学电池。

13、其他方面和可能的优点将从下面的说明和权利要求显而易见。

技术特征：

1.一种用于操作包括多个电解槽的电解槽系统的方法，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：当所测电压超过最佳电解槽电压时，将至少一个额外的电解槽与废物管线或补充气体产品管线液压连接预定时间段，然后将至少一个额外的电解槽与产生气体总管连接。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：当所测电压超过最佳电解槽电压小于将至少一个额外的电解槽与电源连接的量时，对电能储存装置进行充电，当所测电压低于最佳电解槽电压小于将至少一个电解槽与电源断开的量时，对电能储存装置进行放电。

5.根据权利要求1所述的方法，其中电源是可变输出电源。

6.根据权利要求5所述的方法，其中电源包括光伏发电机、太阳能发电机和风力发电机中的至少一种。

7.一种用于与可变输出电源一起使用的能量储存系统，包括：

8.根据权利要求7所述的系统，其中控制器布置为操作阀门以将所述数量的正启用的电解槽的每个的氢气出口与废气管线或补充气体产品管线连接预定时间段，然后操作阀门以将所述数量的电解槽的每个的氢气出口与产品气体管线连接。

9.根据权利要求8所述的系统，进一步包括与可变输出电源和电负荷电连接的电能储存装置，电能储存装置与多个电解槽电连接，其中当所测电压超过最佳电解槽电压小于控制器操作而连接至少一个额外的电解槽的预定差值时，对电能储存装置进行充电，当所测电压低于最佳电解槽电压小于控制器操作而断开至少一个电解槽的量时，对电能储存装置进行放电。

10.根据权利要求9所述的系统，其中电能储存装置包括电池或电容器。

11.根据权利要求10所述的系统，其中电池包括电化学电池。

技术总结一种用于在可变输入电压条件(例如来自可再生能源的那些)下操作模块化电解槽组件的控制系统，通过降低槽的欠电势和过电势优化操作。响应可用电势和启用槽所需的最佳电势，中断或恢复槽或槽组的能量供应和电解质流动。技术研发人员：M·洛莫斯,R·斯卡尔罗内受保护的技术使用者：DUG科技（澳大利亚）私人有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/23