專利名稱：通過可再生能的一體化全面生產實現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展的系統(tǒng)和方法
通過可再生能的一體化全面生產實現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展的系統(tǒng)和方法相關申請的交叉引用本申請要求2010年2月13日提交的標題為“FULL SPECTRUM ENERGY ANDRESOURCE INDEPENDENCE”的美國臨時申請?zhí)?1/304，403,2010年2月17日提交的標題為 “ELECTROLYTIC CELL AND METHOD OF USE THEREOF” 的美國專利申請?zhí)?12/707，651、2010 年 2 月 17 日提交的標題為 “ELECTROLYTIC CELL AND METHOD OF USE THEREOF” 的PCT 申請?zhí)?PCT/US10/24497、2010 年 2 月 17 日提交的標題為“APPARATUS AND METHOD FORCONTROLLING NUCLEAT I ON DURING ELECTROLYSIS” 的美國專利申請?zhí)?12/707，653、2010 年2 月 17 日提交的標題為 “APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING NUCLEAT I ON DURINGELECTROLYSISIApct 申請?zhí)?PCT/US10/24498、2010 年 2 月 17 日提交的標題為“APPARATUSAND METHOD FOR GAS CAPTURE DURING ELECTROLYSIS” 的美國專利申請?zhí)?12/707，656、2010年 2 月 17 日提交的標題為 “APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING NUCLEAT I ONDURING ELECTROLYSIS” 的 PCT 申請?zhí)?PCT/US10/24499 和 2009 年 8 月 27 日提交的標題 為 “ELECTROLYZER AND ENERGY INDEPENDENCE TECHNOLOGIES” 的美國臨時專利申請?zhí)?1/237,476的優(yōu)先權和權益。這些申請各自通過引用全文并入本文中。
背景技術：
用于產生電的可再生資源常常是斷續(xù)的。太陽能只在日間才有且日間太陽能集中潛能隨季節(jié)變化。風能是高度變化的。落水隨季節(jié)變化并受長期干旱的影響。生物質隨季節(jié)而異并受干旱的影響。住宅的需求變化很大，包括日常的、季節(jié)性的和偶然的能量消耗率。在世界各地，由于缺乏節(jié)能或節(jié)電的實用方式，故可由水電廠、風電場、生物質轉化和太陽能收集器提供的能量往往被忽視或浪費，直至其被需要。不斷增長的世界人口對能量的需求已達到所需的石油和其他化石資源超出所能產出的地步。城市因燃燒化石燃料而遭受煙霧和全球氣候變化。此外，日益增長的需求已帶動了氫、氧、碳及可通過原料如水、生物質廢棄物或源自生物廢棄物的有機酸的熱化學或電解解離提供的其他產品的開發(fā)。舉例來說，全球氫市場超過400億美圓，包括制氨、精煉廠、化學制造和食物加工。燃料、金屬、非金屬和其他高價值化學品的電化學生產因電價高昂、電解器效率低下、維護成本高及對能量密集型操作(例如壓縮泵送所產生的氣體至所需的傳輸、儲存和使用壓力)的煩人需要而受到限制。出版物如“Hydrogen Production From Water ByMeans of Chemical Cycles”，Glandt, Eduardo D.,和 Myers, Allan L. , Department ofChemical and Biochemical Engineering, University of Pennsylvania, Philadelphia,PA 19174, Industrial Engineering Chemical Process Development, Vol. 15, No. I,1976 ；^Hydrogen As A Future Fuel ”，Gregory, D. P. , Institute of Gas Technology ;和“Adsorption Science and Technology，，Proceedings of the Second Pacific BasinConference on Adsorption Science and Technology Brisbane, Australia,14-18 May2000, D. Do Duong, Duong D. Do,投稿人 Duong D. Do, World Scientific 出版，2000 ；ISBN9810242638，9789810242633中已記錄和并入為提供減少這些問題的技術所作的努力。允許氫和氧混合的電解器具有自燃或爆炸的潛在危險。包括利用昂貴的半透膜來分離產生氣體的電極的低壓和高壓電解器在內的努力均未能提供成本有效的制氫并因被雜質中毒而易于退化和失效。甚至在利用膜分離的情況下，由于高壓氧和氫的混合，故也存在膜破裂和起火或爆炸的潛在危險?！┦惺垭娊馄魇褂冒嘿F的多孔電極，其間為僅引導氫離子的電解質質子交換膜(PEM)(參見 Proton Energy Company 和 Electrolyzer Company (Canada))。由于極化損失、氣體聚集以及可到達電極和PEM電解質的界面的水的離解可用的電極面積的減少，故這將限制電極效率。除受限的電極效率外，還存在其他難點問題，包括因氧和氫出口間的壓差而致的膜破裂；因補充水中的雜質而致的膜中毒；因污染物或膜的輕微過熱而致的不可逆膜退化；膜在不使用時干透時的膜退化或破裂；及因被一種或多種誘因如濃差電池形成、催化劑與體電極材料間的伽伐尼電池以及接地回路所腐蝕而致的膜界面處電極的退化。電極和PEM材料的層疊將提供反應的反應物或產物的內建滯流，從而導致運行效率低下。PEM電化學電池需要昂貴的膜材料、表面活性劑和催化劑。PEM電池容易中毒、過熱、溢流或干透并因膜滲漏或破裂而引起操作危險。除效率低下外，伴隨這類系統(tǒng)的問題還包括寄生損失、電極或催化劑和膜昂貴、能量轉化效率低、維護成本高及運轉成本高。一些情況下需要壓縮機或更昂貴的膜系統(tǒng)來對氫和氧及電解的其他產物加壓。最后提到的問題的必然結果是不可接受的維護需要、高的修理費用和相當大的拆撤成本。因此，本發(fā)明的一些實施方案的目的是提供通過可再生能的一體化全面生產實現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展的系統(tǒng)和方法，其可包括使用電化學或電解電池實現(xiàn)氣體(包括加壓的氫和氧)的分離生產的用途及使用其實現(xiàn)氣體的分離生產的方法，所述系統(tǒng)和方法能耐受運行的雜質和產物并可以可逆地解決伴隨上述現(xiàn)有方法的一個或多個問題。

發(fā)明內容
在本發(fā)明的一個實施方案中，提供了一種用于使用可再生能源提供能量供給的方法，所述方法包括提供可再生能的第一源，其中所述可再生能的第一源是斷續(xù)的或者不提供足夠量的能量；自所述可再生能的第一源向電解器提供能量以通過電解產生載能體；可選擇地逆轉電解器以用作燃料電池；和向電解器提供載能體以產生能量。在另一實施方案中，提供了一種用于使用可再生能資源提供基本上連續(xù)的能量供給的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括可再生能的第一源；與所述可再生能的第一源相連以產生載能體的電解器，其中所述電解器被構造為可以可選擇地逆轉運行以用作使用所述載能體作為燃料的燃料電池；與所述電解器相連以自所述電解器接收載能體或向所述電解器提供載能體的載能體儲存器；和與所述可再生能的第一源和所述電解器相連以自所述可再生能的第一源和所述電解器選擇性地接收能量及選擇性地提供來自所述可再生能的第一源和所述 電解器的能量的能量儲存器。在又一實施方案中，提供了一種用于使用可再生能資源提供基本上連續(xù)的能量供給的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括可再生能的第一源；與所述可再生能的第一源相連以產生甲烷的電解器，其中所述電解器被構造為可以可選擇地逆轉運行以用作燃料電池；與所述電解器相連以自所述電解器接收甲烷或向所述電解器提供甲烷的甲烷儲存器；和與所述可再生能的第一源和所述電解器相連以自所述可再生能的第一源和所述電解器選擇性地接收能量及選擇性地提供來自所述可再生能的第一源和所述電解器的能量的能量儲存器。通過下面的詳細描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)勢將變得顯而易見。但應理解，這里的詳細描述和示出本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的具體實施例僅通過示例的方式給出，因為通過該詳細描述，本發(fā)明的精神和范圍內的各種變化和修改對于本領域技術人員來說將是顯而易見的。


圖IA為框圖，示出了根據(jù)本公開的方面的一體化能量、農商和工業(yè)可持續(xù)經(jīng) 濟發(fā)展的系統(tǒng)。圖IB為框圖，示出了根據(jù)本公開的方面的可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展的一體化生產的系統(tǒng)。圖IC為示意圖，示出了根據(jù)本公開的方面的可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展的一體化生產的基于陸地的系統(tǒng)。圖ID為示意圖，示出了根據(jù)本公開的方面的可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展的一體化生產的基于海洋的系統(tǒng)。圖I示意性地示出了按本發(fā)明的原理運行的一個系統(tǒng)的某些部件。圖2提供了按本發(fā)明運行的一個實施方案的系統(tǒng)部件的部分縱截面。圖3提供了按本發(fā)明運行的一個實施方案的系統(tǒng)部件的部分縱截面。圖4示意性地示出了按本發(fā)明的原理運行的一個系統(tǒng)的一體化部件。圖5示出了圖4的系統(tǒng)的一個實施方案的剖面圖。圖6示出了圖4的系統(tǒng)的另一實施方案的剖面圖。圖7示意性地示出了按本發(fā)明的原理運行的一個實施方案。圖8示出了圖7的實施方案的詳圖。圖9示出了實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的目的的過程詳圖。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的過程操作。圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的目的的過程。圖12示意性地示出了本發(fā)明的實施方案。圖IB示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的電解電池。圖2B示出了圖I的實施方案的一部分的放大視圖。圖3B示出了圖2的實施方案的一個變型。圖4B示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的電解電池。圖5B示出了圖4的電解電池的一部分的替代實施方案的放大視圖。圖6B示出了用于可逆燃料電池中的螺旋電極的橫截面。圖7B示出了用于將有機原料如通過光合作用所產生的那些轉化為甲烷、氫和/或二氧化碳的系統(tǒng)。圖SB示出了用于將有機原料如通過光合作用所產生的那些轉化為甲烷、氫和/或二氧化碳的系統(tǒng)。
圖9B示出了用于將有機原料如通過光合作用所產生的那些轉化為甲烷、氫和/或二氧化碳的系統(tǒng)。圖IOB示出了根據(jù)本公開的一個實施方案的用于制造電極的方法。
具體實施例方式本申請通過引用全文并入2004年11月9日提交的標題為“MULTIFUEL STORAGE,METERING AND IGNITION SYSTEM”的美國臨時專利申請?zhí)?0/626，021 (代理人案號69545-8013US)和2009年2月17日提交的標題為“FULL SPECTRUM ENERGY”的美國臨時專利申請?zhí)?1/153，253(代理人案號69545-8001US)的主題。本申請還通過引用全文并入如下與此同時于2010年8月16日提交的標題為“METHODS AND APPARATUSES FORDETECTION OF PROPERTIES OF FLUID CONVEYANCE SYSTEMS”(代理人案號69545-8003US)、 “COMPREHENSIVE COST MODELING OF AUTOGENOUS SYSTEMS AND PROCESSES FOR THEPRODUCTION OF ENERGY, MATERIAL RESOURCES AND NUTRIENT REGMES” (代理人案號 69545-8025US)、“ELECTROLYTIC CELL AND METHOD OF USE THEREOF”(代理人案號69545-8026US)、“SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED PRODUCTIONOF RENEWABLE ENERGY, MATERIALS RESOURCES, AND NUTRIENT REGMES”(代理人案號 69545-8040US)、“SUSTAINABLE E⑶NOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED FULLSPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLE MATERIAL RESOURCES”(代理人案號69545-8042US)、“METHOD AND SYSTEM FOR INCREASING THE EFFICIENCY OF SUPPLEMENTED OCEAN THERMALENERGY CONVERSION(SOTEC) ”(代理人案號 69545-8044US)、“GAS HYDRATE CONVERSIONSYSTEM FOR HARVESTING HYDROCARBON HYDRATE DEPOSITS”(代理人案號 69545-8045US)、“APPARATUSES AND METHODS FOR STORING AND/OR FILTERING A SUBSTANCE”(代理人案號69545-8046US)、“ENERGY SYSTEM FOR DWELLING SUPPORT”(代理人案號 69545-8047US)、“ENERGY CONVERSION ASSEMBLIES AND ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE”(代理人案號 69545-8048US)和 “INTERNALLY REINFORCED STRUCTURAL COMPOSITES ANDASSOCIATED METHODS OF MANUFACTURING” (69545-8049US)的每個美國專利申請的主題。為完全理解獲得根據(jù)本發(fā)明的上述細節(jié)及其他優(yōu)勢和目的的方式，下面將結合其具體實施方案對本發(fā)明給予更詳細的描述。圖IA示出了全面一體化生產系統(tǒng)100，其由三個互相關聯(lián)的系統(tǒng)組成，包括用于可再生能生產和材料資源提取的全面能量園200、用于可再生養(yǎng)分(人、動物和植物營養(yǎng))和能量原料生產(生物質、生物廢棄物和生物燃料)的全面農商網(wǎng)絡300及用于可持續(xù)材料資源生產和零排放制造的全面工業(yè)園400。圖IA示出了系統(tǒng)100，其為系統(tǒng)200、300和400的綜合體，以實現(xiàn)能量、材料和信息在這些系統(tǒng)之間的交換。系統(tǒng)100綜合體、特別是系統(tǒng)200內的方法利用多個以熱學方式連接的互相關聯(lián)的熱力發(fā)動機的熱力學性質，這些熱力發(fā)動機以熱學方式連接形成熱力學整體系統(tǒng)以有效地用作非常大的熱力發(fā)動機，所述非常大的熱力發(fā)動機能取得有利的提高的生產能力和效率。在系統(tǒng)100內，系統(tǒng)200專用于在太陽熱、地熱、海洋熱和發(fā)動機熱源之間取得協(xié)同聯(lián)接以提高特定位置處總的可用的可再生能量輸出以及向系統(tǒng)300和400提供能量和所提取的材料資源。
全面能量園200以熱學方式連接以有效地用作單個大的熱力發(fā)動機，使用以兩階段或更多階段加熱的工作流體，所述單個大的熱力發(fā)動機的系統(tǒng)和子系統(tǒng)互相關聯(lián)以建立能量級聯(lián)。通過使工作流體在太陽熱源、地熱源、發(fā)動機熱源和其他熱源之間系統(tǒng)地移動以取得級聯(lián)效應從而優(yōu)化工作流體的熱力學性質(例如溫度、壓力、純度、相移和能量轉化效率)，系統(tǒng)200總的可用的可再生能量輸出得到增加。一個階段的能量輸出被再投入到另一個階段的關鍵過程中，以便以再生或自生的方式運行，使得運行效率和經(jīng)濟性提高。全面能量園200的作用包括可再生能源如太陽、風、流水、地熱、生物質和內燃機之間動能、熱能和輻射能形式的采集、轉化和儲存，以在系統(tǒng)之間建立自生或再生能量級聯(lián)，從而產生累積和協(xié)同的好處，這樣的好處不能通過單單采集、轉化和儲存任何一種可再生能源獲得。自生或再生能量的方法在系統(tǒng)200、300和400中實施。另外，系統(tǒng)200還用于用于系統(tǒng)300和400中的眾多化學品的材料資源提取。例如，熱化學再生被用作提取碳作為系統(tǒng)400處耐用品的后續(xù)制造生產的原材料(提取可在系統(tǒng)200、300和400中進行)的措施。再例如，熱化學再生也可被用作提取氮和痕量礦物以供用于系統(tǒng)300中的植物肥料的后續(xù)制造生產的方式。另外，系統(tǒng)200還用于生物廢棄物、生物質和生物燃料轉化，通 常以在系統(tǒng)200、300和400處獲得生物甲烷氣和/或氫氣儲存、輸送和按需作為內燃機和/或燃料電池的燃料使用以進行發(fā)電和/或輸電。對太陽熱、地熱、海洋熱和發(fā)動機熱源的操縱為系統(tǒng)10在各種位置氣候區(qū)域處的設施以及基于陸地和基于海洋的設施提供高度適應的一體化平臺。提高位置適應性的工程因此將顯著提高可再生能采集的總利用率，并因此為地方、區(qū)域、國家和全球經(jīng)濟提供經(jīng)濟上可行的解決方案。系統(tǒng)300處的食物生產既可安置在陸地場所又可安置在海洋場所。作物農場、牲畜農場、大牧場、豬肉和雞肉的工業(yè)生產設施、淡水漁業(yè)、海洋漁業(yè)、奶牛場等可被聯(lián)接到系統(tǒng)200作為系統(tǒng)200中產生的能量的消費者，但繼而產生廢副產品，這些廢副產品被引向系統(tǒng)200以轉化為可再生能和可再生的材料資源。另外，系統(tǒng)300旨在提高這類生物燃料作物如藻類、柳枝稷等作物的能量原料生產，以提高基于光合作用的能量采集的可行性。用于水制取、凈化和保持的方法和裝置被用在生產系統(tǒng)200、300和400中的每一個中。但這些是系統(tǒng)300的重要組成部分，以滿足食物生產中對大量水的需要以及克服文獻記載的因常規(guī)食物生產操作所致的水浪費和水污染而無可持續(xù)性的問題。系統(tǒng)一體化將提高“可持續(xù)性”能力——定義為使用可再生方法的能量、材料資源和養(yǎng)分的產量的增加，以避免天然資源的耗盡及減少或消除破壞性的環(huán)境影響，如作為生產的副產物的污染和毒物排放。可持續(xù)性需要對于后代人的長期福利(而不僅僅是當前的消費者的即刻的短期好處)而言可行的能量、材料和食物的生產方法。系統(tǒng)一體化可實現(xiàn)生產能力的提高，從而實現(xiàn)“經(jīng)濟可擴容性”一定義為能量、材料和食物產量的顯著提高，這種提高由復制眾多綜合安裝場所以及通過大大提高的對各種氣候區(qū)域的適應性(即通過適應溫帶、熱帶和北極氣候的不同資源特性而適應性地采集可再生能)而增大可用場所的數(shù)量的能力達到。需要這樣的經(jīng)濟可擴容性來增加地球的承載能力，從而支持不斷的快速人口增長和發(fā)展中國家快速增長的能量需求。為成功使用，這樣的生產方法和場所必須是立即可用的，且同使用常規(guī)化石燃料和/或核能源比較起來，必須是能量、材料和食物生產的現(xiàn)有生產措施的經(jīng)濟上可行的替代物。
系統(tǒng)一體化還可實現(xiàn)能量生產200、材料生產400和食物生產300的零排放和零浪費方法，其中系統(tǒng)300中產生的有機廢棄物將被系統(tǒng)性地導入系統(tǒng)200中存在的生物質、生物廢棄物和生物燃料轉化系統(tǒng)中，而不是被燃燒、掩埋或傾倒在填埋場、蓄水層、溪流、海洋中或是作為污染物排放到大氣中；系統(tǒng)200中的能量和材料資源提取被轉到系統(tǒng)400以產生耐用品；系統(tǒng)200中的能量和材料資源提取還被轉到系統(tǒng)300以為陸地和海洋上的人類、動物和植物生命產生養(yǎng)分。系統(tǒng)一體化將創(chuàng)建單個經(jīng)濟生產單元，這樣的經(jīng)濟生產單元有意識地將能量生產與食物生產和材料資源生產以這些生產作為相互依賴的整體運行的方式聯(lián)接起來。所述全面一體化生產系統(tǒng)因此適于安裝在其中目前不存在相應的可再生能基礎設施或者其中制造能力缺乏、失業(yè)是常態(tài)或者其中食物生產不足、貧窮和營養(yǎng)不良是常態(tài)的場所或居群中。引入這種一體化的經(jīng)濟生產方法的目標是實現(xiàn)提高國內生產總值(GDP)并隨同⑶P提高生活質量、及系統(tǒng)性地創(chuàng)造工作機會并隨同有意義的就業(yè)而改善生活質量。
此外，系統(tǒng)一體化將創(chuàng)建單個經(jīng)濟生產單元，這樣的經(jīng)濟生產單元有意識地將廢棄物管理與能量轉化操作聯(lián)接起來，以便其作為相互依賴的整體運行，從而中斷將導致污染和環(huán)境質量下降的燃燒、掩埋和傾倒掉的常規(guī)的廢棄物操作。所述全面一體化生產系統(tǒng)引入可持續(xù)的廢棄物-能量轉化的使用作為貫穿整個系統(tǒng)的一體化操作。該一體化系統(tǒng)的目標是保護自然環(huán)境、保存有限的自然資源、減少傳染性疾病及減少土地、水和空氣污染(包括減少推動氣候變化的溫室氣體如甲烷和C02)。所述全面一體化生產系統(tǒng)100提供了達到“生態(tài)工業(yè)”的措施，在“生態(tài)工業(yè)”中，人-系統(tǒng)生產環(huán)境模仿自然生態(tài)系統(tǒng)其中在系統(tǒng)和廢棄物之間的能量和材料流以閉環(huán)方式成為新過程的輸入，而整個系統(tǒng)對太陽(太陽熱)、地球(地熱)、海洋(海洋熱)和生物質轉化(發(fā)動機熱)系統(tǒng)所提供的可再生可持續(xù)能量開放。圖IB為框圖，示出了可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展的全面一體化生產系統(tǒng)100，其包括能量(例如電和燃料)的生產，同時包括養(yǎng)分(例如用于人、動物或植物營養(yǎng)的產品)的生產和材料資源(例如氫和碳)的生產。系統(tǒng)100由一體化并相互依賴的子系統(tǒng)組成，所述系統(tǒng)100具有自生級聯(lián)能量轉化的適應性控制，其捕集和再投入各個子系統(tǒng)的一些或全部能量、物質和/或副產物。因此，系統(tǒng)100的不斷運行得以持續(xù)，而僅需引入極少的外部能量或材料資源或者無需引入外部能量或材料資源。系統(tǒng)100為生態(tài)工業(yè)的一個實例，其將促進可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展，例如利用可再生能、生產食物及生產材料資源，這樣的能量、食物和材料資源產量高于使用常規(guī)技術可獲得的，此外還有其他好處。全面能量園200使從可再生源210(例如太陽、風、流水、地熱、排出熱)捕集能量的方法與從可再生原料220 (例如生物廢棄物320、生物質310)產生能量的方法以及生產材料資源(例如氫230、碳240、其他材料資源如痕量礦物250、純水260)的方法相協(xié)作。能量用自生級聯(lián)能量轉化的適應性控制方法儲存、回收和輸送，所述方法在能量生產中產生倍增效應。在能量采集和生產過程中，材料資源(例如氫和碳)從可再生能的生產中使用的生物廢棄物和生物質原料中提取。全面能量園200儲存、回收、輸送、監(jiān)測和控制所述能量以及所述資源以在能量、材料資源和養(yǎng)分的生產中獲得提高的效率。所產生的能量210、220中的一些被提供給全面農商網(wǎng)絡300。所產生的能量210、220中的一些被提供給全面工業(yè)園400。所產生的能量210、220中的一些被提供給全面能量園200。所產生的能量201、220中的一些被提供給外部接受者和/或加到國家電網(wǎng)和/或國家天然氣管道。全面農商網(wǎng)絡300接收全面能量園200所產生的可再生能，以為農業(yè)、畜牧業(yè)和漁業(yè)子系統(tǒng)的運行提供動力。這包括用于農場設備、車輛、小船和輪船的可再生燃料以及用于光、熱和機械設備的電等。全面農商網(wǎng)絡300接收全面能量園200所產生的材料資源和副產品如其他材料資源(例如痕量礦物250)及純水260，以富集農業(yè)、畜牧業(yè)和漁業(yè)子系統(tǒng)中的養(yǎng)分并提高植物作物340和動物作物350的生產中的效率。全面農商網(wǎng)絡300采集能量原料并將其供應給全面能量園200以用在可再生能的生產中。合適的原料包括生物質310 (例如作物廢材)、生物廢棄物320 (例如污水、農業(yè)廢水、肉類加工廢棄物、漁場排出物)、生物燃料原料330 (例如藻類、柳枝稷)等。
全面工業(yè)園400使用全面能量園200所產生的可再生能，以為可持續(xù)材料資源生產和零排放制造的運行提供動力。這包括用于內燃機(例如固定式發(fā)動機、車載式)的可再生燃料和用于光、熱、機械設備的電等。全面工業(yè)園400投入自全面能量園200接收的材料資源230、240和副產品250，以產生其他材料資源(例如設計碳420和工業(yè)金剛石430)。全面工業(yè)園400使用自全面能量園200接收的材料資源和副產品以制造產品如基于碳的綠色能量機器410，包括太陽熱裝置410、風輪機410、水輪機410、電解器410、內燃機和發(fā)電機410、汽車、輪船和卡車部件440、半導體450、納米技術產品460、農業(yè)和漁業(yè)設備470 等。全面工業(yè)園400向全面能量園200和全面農商網(wǎng)絡300提供這些產品和副產品中的一些或全部。全面能量園200使用全面工業(yè)園400所生產和提供的太陽熱裝置410、風輪機410、水輪機410、電解器410、內燃機和發(fā)電機410等，以產生可再生能。全面農商網(wǎng)絡300使用全面工業(yè)園400所生產和提供的內燃機和發(fā)電機410、農業(yè)和漁業(yè)設備470及其他裝置，以產生養(yǎng)分。全面一體化生產系統(tǒng)100所產生的能量為所有子系統(tǒng)提供動力，包括再投入能量以推動可再生能的進一步生產。同時，系統(tǒng)100中所產生的產品和副產品中的一些或全部被投入所有子系統(tǒng)的運行中。同時，系統(tǒng)100所產生的廢棄物被捕集并用作所有子系統(tǒng)的運行的原料。一體化并相互依賴的子系統(tǒng)采用適應性控制來管理自生級聯(lián)能量轉化和材料資源的自生再生。因此，所述系統(tǒng)不斷地向子系統(tǒng)(能量園、農商網(wǎng)絡、工業(yè)園)的不同的源和過程中再投入可再生能、可持續(xù)材料資源和其他副產品。這樣，系統(tǒng)100可利用比用常規(guī)措施可獲得的量要大的自系統(tǒng)內各種資源所供應的能量和資源。這種工業(yè)共生在自系統(tǒng)內的可再生原料和副產品源采集的各種資源和能量的量上產生倍增效應，從而增加價值，降低成本并改善環(huán)境，此外還有其他好處。圖IC為全面一體化生產系統(tǒng)100的不意圖，不出了基于陸地的系統(tǒng)的各種不例性功能區(qū)；圖ID為全面一體化生產系統(tǒng)100的示意圖，示出了基于海洋的系統(tǒng)的各種示例性功能區(qū)。所示系統(tǒng)包括具有級聯(lián)能量轉化適應性控制和材料資源自生再生及養(yǎng)分生產的陸上或海洋上一體化生產系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括出于自可再生源采集和/或生成能量及自可再生原料采集材料資源的目的的功能區(qū)，所述功能區(qū)儲存、回收、輸送、監(jiān)測和控制能量和材料資源以在能量、材料資源和養(yǎng)分的生產中獲得提高的效率。下表I進一步闡述了伴隨所示功能區(qū)的示例性輸出、系統(tǒng)和措施。表I :全面一體化生產系統(tǒng)功能區(qū)
權利要求
1.一種用于使用可再生能源提供能量供給的方法，所述方法包括 提供可再生能的第一源，其中所述可再生能的第一源是斷續(xù)的或者不提供足夠量的能量; 自所述可再生能的第一源向電解器提供能量以通過電解產生載能體； 可選擇地逆轉所述電解器以用作燃料電池；和 向所述電解器提供所述載能體以產生能量。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述可再生能的第一源為太陽能，所述逆轉所述電解器以用作燃料電池和向所述電解器提供載能體以產生能量的步驟在當所述可再生能的第一源不能充分得到時進行。
3.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述可再生能的第一源選自太陽、風、流水、能量的有機或地熱源。
4.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述載能體包含氫。
5.根據(jù)權利要求I所述的方法,其中所述載能體包含基于碳的材料。
6.根據(jù)權利要求I所述的方法,其中所述載能體包含基于氮的材料。
7.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述載能體包含氨。
8.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述載能體包含烴。
9.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述可再生能的第一源、所述電解器或所述載能體自第一熱源接收補充的熱。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中所述第一熱源選自地熱、太陽或其他熱力發(fā)動機。
11.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中所述第一熱源包含可再生能的第二源。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述可再生能的第二源包含地質地層。
13.根據(jù)權利要求I所述的方法，所述方法還包括在將所述載能體提供給所述電解器之前儲存所述載能體的步驟。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述儲存所述載能體的步驟包括將所述載能體儲存在地質地層中。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述將所述載能體儲存在地質地層中的步驟還包括所述載能體自所述地質地層接收補充的熱。
16.根據(jù)權利要求I所述的方法，所述方法還包括 提供被構造以捕獲來自膨脹的功的膨脹器，其中所述膨脹器與所述電解器或所述載能體儲存器相連； 在壓力下向所述膨脹器提供所述載能體；和 捕獲來自所述載能體的膨脹的功。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中在捕獲來自所述載能體的膨脹的功之前，所述載能體儲存器向所述載能體傳熱。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述載能體儲存器包括地質地層。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中所述載能體的能量值在載能體儲存過程中增加。
20.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中所述載能體的能量值在載能體儲存過程中通過自所述地質地層向所述載能體加熱而增加。
21.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中所述載能體的能量值在載能體儲存過程中通過自所述地質地層向所述載能體加烴或其他具有能量值的化合物而增加。
22.根據(jù)權利要求I所述的方法，所述方法還包括向所述電解器提供有機材料的源以電解所述有機材料。
23.根據(jù)權利要求22所述的方法，其中所述有機材料的源包含生物質或生物廢棄物。
24.一種用于使用可再生能資源提供基本上連續(xù)的能量供給的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 可再生能的第一源； 電解器，所述電解器與所述可再生能的第一源相連以產生載能體，其中所述電解器被構造為可以可選擇地逆轉運行以用作使用所述載能體作為燃料的燃料電池； 載能體儲存器，所述載能體儲存器與所述電解器相連以自所述電解器接收所述載能體或向所述電解器提供所述載能體；和 能量儲存器，所述能量儲存器與所述可再生能的第一源和所述電解器相連以自所述可再生能的第一源和所述電解器選擇性地接收能量及選擇性地提供來自所述可再生能的第一源和所述電解器的能量。
25.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述可再生能的第一源選自太陽、風、流水、能量的有機和地熱源。
26.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述載能體包含氫。
27.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述載能體包含基于碳的材料。
28.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述載能體包含烴。
29.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述載能體包含基于氮的材料。
30.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述載能體包含氨。
31.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述可再生能的第一源、所述電解器或所述載能體中的至少一種被構造為自第一熱源接收補充的熱。
32.根據(jù)權利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述第一熱源包括所述可再生能的第一源或所述電解器。
33.根據(jù)權利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述第一熱源選自地熱、太陽或其他熱力發(fā)動機。
34.根據(jù)權利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述第一熱源包含地質地層。
根據(jù)權利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述第一熱源包含可再生能的第二源。
35.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述載能體儲存器被構造為向所述載能體傳熱。
36.根據(jù)權利要求35所述的系統(tǒng)，其中所述載能體儲存器被構造為使得所述載能體的能量值在載能體儲存過程中增加。
37.根據(jù)權利要求36所述的系統(tǒng)，其中所述載能體儲存器被構造為使得通過在載能體儲存過程中向所述載能體加熱而使所述載能體的能量值在載能體儲存過程中增加。
38.根據(jù)權利要求37所述的系統(tǒng)，其中所述載能體儲存器包括地質地層。
39.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括膨脹器，所述膨脹器被構造以捕獲來自所述載能體的膨脹的功，其中所述膨脹器與所述電解器或所述載能體儲存器相連。
40.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括膨脹器，所述膨脹器被構造以自所述載能體的膨脹產生能量，其中所述膨脹器與所述電解器或所述載能體儲存器相連。
41.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括有機材料的源，其中所述有機材料的源與所述電解器相連以電解所述有機材料。
42.根據(jù)權利要求39所述的系統(tǒng)，其中所述有機材料的源包含生物質或生物廢棄物。
43.一種用于使用可再生能資源提供基本上連續(xù)的能量供給的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 可再生能的第一源； 電解器，所述電解與所述可再生能的第一源相連以產生甲烷，其中所述電解器被構造為可以可選擇地逆轉運行以用作燃料電池； 甲烷儲存器，所述甲烷儲存器與所述電解器相連以自所述電解器接收所述甲烷或向所述電解器提供所述甲烷；和 能量儲存器，所述能量儲存器與所述可再生能的第一源和所述電解器相連以自所述可再生能的第一源和所述電解器選擇性地接收能量及選擇性地提供來自所述可再生能的第一源和所述電解器的能量。
全文摘要
在本發(fā)明的一個實施方案中，提供了一種用于使用可再生能源提供能量供給的方法，所述方法包括提供可再生能的第一源，其中所述可再生能的第一源是斷續(xù)的或者不提供足夠量的能量；自所述可再生能的第一源向電解器提供能量以通過電解產生載能體；可選擇地逆轉電解器以用作燃料電池；和向電解器提供載能體以產生能量。
文檔編號F24J2/42GK102713280SQ201080048875
公開日2012年10月3日 申請日期2010年8月16日 優(yōu)先權日2009年8月27日
發(fā)明者羅伊·E·麥卡利斯特 申請人:麥卡利斯特技術有限責任公司