CN104630815A - 光伏制氢系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏制氢系统，包括至少一个光伏制氢装置和能够与所述光伏制氢装置进行无线通信的汇聚节点，并且各所述光伏制氢装置包括：光伏组件、直流转换组件、电解槽以及无线传感组件；无线传感组件包括用于采集所述光伏制氢装置的状态数据的传感器模块、用于根据所述状态数据控制所述光伏制氢装置的工作状态的控制器，以及用于将所述状态数据通过无线网络发送给所述汇聚节点的无线通信模块。通过各光伏制氢装置的无线传感组件采集现场状态数据，使得系统过程监测数据更准确、更完整，无线传感组件与汇聚节点可以通过无线网络进行通信，从而实现光伏制氢装置阵列的网络化管理和状态数据的实时监控，提高系统的转换效率。

Description

光伏制氢系统

技术领域

本发明涉及能源管理领域，尤其涉及一种光伏制氢系统。

背景技术

目前，能源紧缺已经成为了制约工业发展的主要因素，因此，寻找能够替代石化能源的可再生能源显得尤为重要。

在目前已经被研究和应用的清洁能源中，氢能具有热值高、能量密度大、能量转换过程无污染、用途广泛、在宇宙中储量巨大等优点，被认为是最理想的替代能源之一。但是，由于地球上的氢元素主要以碳氢化合物和水两种形式存在，氢能的获得通常只有碳氢化合物分解和电解水两种方式，这使得氢气制备过程需要消耗大量的电能，属于一种高能耗的生产工艺。

另一方面，太阳能作为另一种清洁能源，具有取之不尽、用之不竭的特点，并且目前的光热转换效率超过了40％，光伏转换效率也达到了26％。因此，采用光伏效应产生的电能制氢，再将氢气存储后作为氢能进行二次利用，这也是制备和存储清洁新能源的有效途径之一。但是，目前难以提高光伏转换效率，进而难以提高光伏制氢系统的工作效率。

发明内容

技术问题

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，如何能够提高光伏制氢系统的工作效率以尽量降低光伏制氢的能耗。

解决方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种光伏制氢系统，包括至少一个光伏制氢装置和能够与所述光伏制氢装置进行无线通信的汇聚节点，并且各所述光伏制氢装置包括：

光伏组件，用于将接收到的太阳能转换成电能；

直流转换组件，与所述光伏组件连接，用于将所述光伏组件输出的电能转换为电解电压；

电解槽，与所述直流转换组件连接，所述直流转换组件向所述电解槽提供所述电解电压，以将所述电解槽中的水电解得到氢气和氧气；

无线传感组件，其包括用于采集所述光伏制氢装置的状态数据的传感器模块、用于根据所述状态数据控制所述光伏制氢装置的工作状态的控制器，以及用于将所述状态数据通过无线网络发送给所述汇聚节点的无线通信模块。

对于上述光伏制氢系统，在一种可能的实现方式中，所述无线传感组件还包括：电源管理模块，与所述光伏组件连接，用于将所述光伏组件输出的电能转换为第一电源电压和第二电源电压，其中所述第一电源电压用于为所述传感器模块供电，所述第二电源电压用于为所述控制器供电。

对于上述光伏制氢系统，在一种可能的实现方式中，所述光伏制氢装置还包括：存储器，用于存储所述状态数据。

对于上述光伏制氢系统，在一种可能的实现方式中，还包括：终端设备，与所述汇聚节点通信，用于从所述汇聚节点接收各所述光伏制氢装置的状态数据，并通过所述汇聚节点向各所述光伏制氢装置发送控制命令。

对于上述光伏制氢系统，在一种可能的实现方式中，所述传感器模块包括：水位传感器，设置于所述电解槽中，用于检测所述电解槽的水位；

所述控制器被配置为：在所述水位传感器检测到所述电解槽的水位高于水位阈值时，控制所述直流转换组件将所述光伏组件输出的电能转换为电解电压，并将所述电解电压输出至所述电解槽。

对于上述光伏制氢系统，在一种可能的实现方式中，所述控制器还被配置为：在所述水位传感器检测到所述电解槽的水位低于所述水位阈值时，通过无线通信模块向所述汇聚节点发送报警信号，由所述汇聚节点根据所述报警信号向终端设备发送报警信息。

对于上述光伏制氢系统，在一种可能的实现方式中，

所述传感器模块还包括：

电压采样电路，用于检测所述光伏组件和/或所述直流转换组件的电压参数；

电流采样电路，用于检测所述光伏组件和/或所述直流转换组件的电流参数；

所述控制器还被配置为：根据所述电压参数和/或所述电流参数，控制所述光伏组件和/或所述直流转换组件的运行状态。

对于上述光伏制氢系统，在一种可能的实现方式中，所述传感器模块还包括：气压传感器，设置于所述电解槽中，用于检测所述电解槽的阴极气压和/或阳极气压；

所述控制器还被配置为：根据所述气压传感器检测到的所述阴极气压和/或所述阳极气压，控制所述电解槽与储气罐之间的管道上电磁阀打开或关闭。

对于上述光伏制氢系统，在一种可能的实现方式中，所述传感器模块还包括：

气体流量计，设置于所述电解槽与储气罐之间的管道上，用于检测流经所述电解槽与储气罐之间的管道中气体的流量。

对于上述光伏制氢系统，在一种可能的实现方式中，所述储气罐的进口端设置有加压泵。

有益效果

本实施例的光伏制氢系统，通过各光伏制氢装置的无线传感组件采集现场状态数据，使得系统过程监测数据更准确、更完整，无线传感组件与汇聚节点可以通过无线网络进行通信，从而实现光伏制氢装置阵列的网络化管理和状态数据的实时监控，提高系统的转换效率，能够克服现有分布式制氢系统转换效率低、状态数据无反馈、制备过程不可控等问题。

进一步地，本实施例的光伏制氢系统分布式阵列布局使得系统更安全、拓展性更强，通过远程的终端设备，可以实现系统的网络化管理，使得系统信息高度集成，控制更智能，操作更简便，便于远程操控。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。

图1示出本发明一实施例的光伏制氢系统的拓扑结构图；

图2示出本发明一实施例的光伏制氢系统的结构示意图；

图3示出本发明一实施例的光伏制氢系统的无线传感组件的结构框图；

图4示出本发明另一实施例的光伏制氢系统的无线传感组件的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

实施例1

图1示出根据本发明一实施例的光伏制氢系统的拓扑结构图。如图1所示，该光伏制氢系统主要包括：至少一个光伏制氢装置11和能够与所述光伏制氢装置11进行无线通信的汇聚节点13。

具体而言，如图1所示，由N个光伏制氢装置11可以组成分布式光伏制氢装置阵列，N优选为大于等于3的整数。阵列中的每个光伏制氢装置都可以与汇聚节点13通过无线网络通信，将光伏制氢装置的状态数据通过汇聚节点13发送给终端设备15。

进一步地，如图2所示，各光伏制氢装置11可以包括：

光伏组件21，用于将接收到的太阳能转换成电能；

直流转换组件23例如直流-直流(DC-DC)电路，与所述光伏组件21连接，用于将所述光伏组件21输出的电能转换为电解电压；

电解槽25，与所述直流转换组件23连接，所述直流转换组件23向所述电解槽25提供所述电解电压，以将所述电解槽25中的水电解得到氢气和氧气；

无线传感组件27，如图3所示，无线传感组件27可以包括用于采集所述光伏制氢装置11的状态数据的传感器模块31、用于根据所述状态数据控制所述光伏制氢装置11的工作状态的控制器33，以及用于将所述状态数据通过无线网络发送给所述汇聚节点13的无线通信模块35。

具体而言，每个光伏制氢装置带有独立的光伏组件21、直流转换组件23(DC-DC电路)、微型电解槽25和无线传感组件27。其中光伏组件21将太阳能转换成电能后，电解槽25再用电能电解水得到高纯的氢气和氧气。并且，无线传感组件27可以采集光伏制氢装置11的状态数据和组建无线通信网络，每个光伏制氢装置11的无线传感组件27可以与终端设备15相连的汇聚节点13通信。无线传感组件27和汇聚节点13带有射频收发模块，能够建立无线网络，并实现光伏制氢装置11的状态数据的无线网络传输。汇聚节点13可以通过串行方式与终端设备15相连。所述终端设备15可以为笔记本电脑、服务器和工业计算机等。终端设备15运行的软件能够显示阵列的各个光伏制氢装置的工作状态，便于统一管理、维护和监控，实现对光伏制氢系统的智能控制。

举例而言，光伏组件21可以采用高转换效率的单晶硅电池片例如SUN-220光伏组件，正常工作时稳定输出电压为18～24V。光伏组件21安装在面向阳光一面，可以确保接收充足的太阳光，并且结合DC-DC电路，可以实现光伏组件21的最大功率跟踪，尽可能提高太阳能的转换效率。

直流转换组件23(DC-DC电路)可以采用双向降压变换电路，包括两只开关管控制两路Buck电路，有效抑制由于电解槽负载产生的电流纹波，相比于单相降压变换电路而言，双相降压变换电路可以选择容值更小的固态电容来延长DC-DC电路的使用寿命，可控性更强。

无线传感组件27可以采用CC2530芯片设计，CC2530芯片包括2.4GHzIEEE802.15.4兼容无线收发器和标准的增强型8051CPU。其中，无线收发器辅助外围电阻、电容、电感和射频天线可以构成无线通信模块35，实现无线局域网的建立；8051CPU可以实现控制器和存储器等功能，例如：8051CPU具有20个I/O端口，具有8KB的RAM以及256KB闪存，可以实现外部设备的可编程控制，具有超低功耗工作模式。CC2530芯片仅是一种示例，也可以采用MCU+CC2420、CC2430、CC2431、CC2531、CC2533、LPR2430、MCU+nRF905、MCU+nRF2401等方式实现无线传感组件27的无线通信、控制、存储等功能。

在一种可能的实现方式中，该光伏制氢系统还可以包括终端设备15，与所述汇聚节点13串口通信，用于从所述汇聚节点13接收各所述光伏制氢装置11的状态数据，并通过所述汇聚节点13向各所述光伏制氢装置11发送控制命令。

本实施例的光伏制氢系统，通过各光伏制氢装置的无线传感组件采集现场状态数据，使得系统过程监测数据更准确、更完整，无线传感组件与汇聚节点可以通过无线网络进行通信，从而实现光伏制氢装置阵列的网络化管理和状态数据的实时监控，提高系统的转换效率，能够克服现有分布式制氢系统转换效率低、状态数据无反馈、制备过程不可控等问题。

进一步地，本实施例的光伏制氢系统分布式阵列布局使得系统更安全、拓展性更强，通过远程的终端设备，可以实现系统的网络化管理，使得系统信息高度集成，控制更智能，操作更简便，便于远程操控。

实施例2

图4示出根据本发明另一实施例的光伏制氢系统的无线传感组件的结构示意图。图4中标号与图1至图3相同的部件具有相同的功能，为简明起见，省略对这些部件的详细说明。

如图4所示，与上述实施例的主要区别在于，无线传感组件27还包括：电源管理模块37，与所述光伏组件21连接，用于将所述光伏组件21输出的电能转换为第一电源电压和第二电源电压，其中所述第一电源电压用于为所述传感器模块31供电，所述第二电源电压用于为所述控制器33供电。通过电源管理模块37，可以利用光伏组件21转换的电能为光伏制氢装置11的各种传感器和CC2530芯片供电，无需外接电源。

在一种可能的实现方式中，传感器模块31可以包括以下传感器中的任意一种或多种：

水位传感器311，设置于电解槽25中，用于检测电解槽25的水位；

电压采样电路312，用于检测光伏组件21和/或直流转换组件23的电压参数；

电流采样电路313，用于检测光伏组件21和/或直流转换组件23的电流参数；

气压传感器314，设置于电解槽25中，用于检测电解槽25的阴极气压和/或阳极气压；

气体流量计315，设置于电解槽25与储气罐(如图2中的储氢罐28和储氧罐29)之间的管道26上，用于检测流经电解槽25与储气罐之间的管道26中气体的流量。

举例而言，电流采样电路313可以采用ZCT101型直流电流互感器，电压采样电路312可以采用电阻分压电路，水位传感器311可以采用WL400型水位传感器，气压传感器314可以采用ST-33型压力传感器，氢气和氧气输送管道开关可以采用PSV-5型电磁阀控制，检测氢气和氧气流量的气体流量计315可以采用DFM型多参数质量流量计测量。

在一种可能的实现方式中，控制器33被配置为：在水位传感器311检测到电解槽25的水位高于水位阈值时，控制直流转换组件23将光伏组件21输出的电能转换为电解电压，并将所述电解电压输出至所述电解槽25。

在一种可能的实现方式中，控制器33还被配置为：在水位传感器311检测到电解槽25的水位低于水位阈值时，通过无线通信模块35向所述汇聚节点13发送报警信号，由所述汇聚节点13根据所述报警信号向终端设备15发送报警信息。

在一种可能的实现方式中，控制器33还被配置为：根据电压采样电路312采集的电压参数和/或根据电流采样电路313采集的电流参数，控制光伏组件21和/或直流转换组件23的运行状态。

在一种可能的实现方式中，控制器33还被配置为：根据气压传感器314检测到的电解槽25的阴极气压和/或阳极气压，控制电解槽25与储气罐之间的管道上电磁阀261打开或关闭。

其中，本发明实施例中的储气罐包括储氢罐28和储氧罐29，可以将多个光伏制氢装置11的电解槽产生的氢气保存在一个储氢罐28，氧气保存在一个储氧罐29。储氢罐28和储氧罐29的具体数目可以根据实际应用需要进行设置，本发明实施例不进行限定。每个光伏制氢装置11的氢气输出管道可以通过流量计和电磁阀与储氢罐28相连，每个光伏制氢装置的氧气输出管道通过流量计和电磁阀与储氧罐29相连；一般地，储氢罐28和储氧罐29的进口端可以设置加压泵。储氢罐28和储氧罐29制备的氢气和氧气可以直接作为工业原料，也可以作为燃料电池原料，也可以作为家用照明和生活用燃气，具有广阔的应用领域。

此外，与终端设备15连接的汇聚节点13可以采用如CC2530芯片的设计，实现无线局域网数据传输；终端设备15可为笔记本电脑或工业计算机等设备，终端设备15与汇聚节点13可以通过串口方式连接。

在一种可能的实现方式中，该光伏制氢系统还可以包括存储器，用于存储上述各种传感器所采集的状态数据，即水位、电流参数、电压参数、气压、流量等。存储器可以设置于各光伏制氢装置的内部，例如：利用CC2530芯片的8051CPU实现存储器的功能，或者也可以独立设置存储器。

以下参见图1至图4，说明本发明光伏制氢系统的工作过程的一个示例：

首先，光伏制氢装置11中的光伏组件21接收到太阳光，将太阳能转换成电能，如18～24V的直流电压。

接着，将该电能用于给无线传感组件27供电，无线传感组件27内置的电源管理模块37将18～24V的直流电压降低为6V和3.3V的直流电压，其中，6V直流电压主要用于给传感器模块31供电，3.3V直流电压主要用于给无线通信模块35如CC2530芯片供电。

然后，当CC2530芯片获得电源供电后，通过水位传感器311检测微型电解槽的水位，如果微型电解槽25的水位偏离安全水位，可以直接控制进水口阀门进行补充，在控制无效的情况下则通过终端设备发出报警信息；如果微型电解槽25的水位为安全水位，则通过CC2530芯片内置的控制器8051CPU控制DC-DC电路的开关管，从而在DC-DC电路的输出端得到稳定的直流电压如2V输出，并通过电压采样电路312采集DC-DC电路输出端的电压，通过电流采样电路313如直流电流互感器采集DC-DC电路的输入端和输出端的电流，并将上述电压和电流参数存储在CC2530芯片的存储器39中。

然后，当DC-DC电路得到稳定的2V直流输出后，微型电解槽25开始工作，从阴极和阳极分别产生氢气和氧气，通过气压传感器314检测电解槽25阴极和阳极的气压，当压强达到设定值时，CC2530芯片内置的8051CPU控制电磁阀261开启，向主输送管道26输送氢气和氧气，并通过气体流量计315检测氢气和氧气的流量，存储在CC2530芯片的存储器39中。

此外，当太阳光比较弱而不足以驱动整个光伏制氢装置11工作时，无线传感组件27首先通过开关管截止，使得DC-DC电路无电压输出，再检测微型电解槽25的阴极和阳极的气压，当气压值低于某个安全值时，关闭电磁阀261，系统处于待机状态，所述状态数据通过汇聚节点13传输给终端设备15，并在终端设备15实时显示各光伏制氢装置11的状态数据。

本实施例的光伏制氢系统主要由分布式光伏制氢阵列和连接了汇聚节点的远程终端构成，阵列中的光伏制氢装置11采用光伏电池组件将太阳能转换成电能，然后通过无线传感组件27内嵌的CPU控制DC-DC电路，实现18～24V到2V的降压，输出端连接独立的微型电解槽25，电解槽25将水电解成氢气和氧气，分别从阴极和阳极析出，阴极的氢气通过电磁阀261和输氢管与储氢罐28相连，阳极的氧气通过电磁阀261和输氧管与储氧罐29相连，实现太阳能到氢能的转换，实现清洁能源的二次存储和利用。

上述工作过程的控制功能可以由无线传感组件27内嵌的8051CPU实现，具体而言，8051CPU可以产生DC-DC开关管控制信号以及控制电磁阀261的开关，还可以控制传感器模块31检测光伏组件21的输出电压和电流，检测DC-DC电路的输出电压和电流，检测微型电解槽25的水位高度，检测微型电解槽25相连接的氢气管道和氧气管道的气体压强，检测输氢管和输氧管的气体流量，从而监控光伏制氢装置的所有环节的基本参数。

上述状态数据可以先存储在无线传感组件27内嵌的RAM中，定时通过无线网络发送给汇聚节点13，并通过汇聚节点13连接的终端设备15显示光伏制氢装置阵列中每个光伏制氢装置11的状态数据。并且，终端设备15具有远程控制功能，可以通过汇聚节点13将控制指令发送给无线传感组件27，实现现场远程控制。

本实施例的光伏制氢系统的光电转换效率高；通过双相降压变换电路可以有效降低电流纹波，提高氢气制备的稳定度；微型电解槽安装方便，电解水效率高，气体收集方便；无线传感组件集成度高，可以实现现场状态数据的精确采样和开关量的精确控制，采用CC2530芯片集成的无线收发器组成的无线传感网，具有性能稳定、网络健壮、结构灵活、操作简便等优点，可扩展性强；远程的终端设备具有显示直观、操作方便、信息完整、交互性好等优点。此外，本实施例的光伏制氢系统为太阳能的二次转换、存储和利用提供了新的途径，采用分布式阵列的组合形式，其中，无线传感组件可以将阵列中所有光伏制氢装置的网络相互连接，有利于实现信息的综合、集中管理与控制，可以广泛应用于工业制氢等领域。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光伏制氢系统，其特征在于，包括至少一个光伏制氢装置和能够与所述光伏制氢装置进行无线通信的汇聚节点，并且各所述光伏制氢装置包括：

光伏组件，用于将接收到的太阳能转换成电能；

直流转换组件，与所述光伏组件连接，用于将所述光伏组件输出的电能转换为电解电压；

电解槽，与所述直流转换组件连接，所述直流转换组件向所述电解槽提供所述电解电压，以将所述电解槽中的水电解得到氢气和氧气；

无线传感组件，其包括用于采集所述光伏制氢装置的状态数据的传感器模块、用于根据所述状态数据控制所述光伏制氢装置的工作状态的控制器，以及用于将所述状态数据通过无线网络发送给所述汇聚节点的无线通信模块。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线传感组件还包括：电源管理模块，与所述光伏组件连接，用于将所述光伏组件输出的电能转换为第一电源电压和第二电源电压，其中所述第一电源电压用于为所述传感器模块供电，所述第二电源电压用于为所述控制器供电。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光伏制氢装置还包括：

存储器，用于存储所述状态数据。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

终端设备，与所述汇聚节点通信，用于从所述汇聚节点接收各所述光伏制氢装置的状态数据，并通过所述汇聚节点向各所述光伏制氢装置发送控制命令。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，

所述传感器模块包括：水位传感器，设置于所述电解槽中，用于检测所述电解槽的水位；

所述控制器被配置为：在所述水位传感器检测到所述电解槽的水位高于水位阈值时，控制所述直流转换组件将所述光伏组件输出的电能转换为电解电压，并将所述电解电压输出至所述电解槽。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制器还被配置为：在所述水位传感器检测到所述电解槽的水位低于所述水位阈值时，通过无线通信模块向所述汇聚节点发送报警信号，由所述汇聚节点根据所述报警信号向终端设备发送报警信息。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述传感器模块还包括：

电压采样电路，用于检测所述光伏组件和/或所述直流转换组件的电压参数；

电流采样电路，用于检测所述光伏组件和/或所述直流转换组件的电流参数；

所述控制器还被配置为：根据所述电压参数和/或所述电流参数，控制所述光伏组件和/或所述直流转换组件的运行状态。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述传感器模块还包括：气压传感器，设置于所述电解槽中，用于检测所述电解槽的阴极气压和/或阳极气压；

所述控制器还被配置为：根据所述气压传感器检测到的所述阴极气压和/或所述阳极气压控制所述电解槽与储气罐之间的管道上电磁阀打开或关闭。

9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述传感器模块还包括：

气体流量计，设置于所述电解槽与储气罐之间的管道上，用于检测流经所述电解槽与储气罐之间的管道中气体的流量。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述储气罐的进口端设置有加压泵。