CN105261770A - 一种新能源电解储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新能源电解储能系统，包括：可再生固体氧化物燃料电池、相变储能装置、新能源发电装置、功率适配器、燃料罐和水箱；所述可再生固体氧化物燃料电池作为该新能源电解储能系统的核心装置，用于高温电解制取燃料与燃料高温发电；该系统替代了传统制氢储能中的电解装置和燃料电池发电装置，简化了系统，从而降低了成本；有效实现了可再生固体氧化物燃料电池可靠稳定运行，提高了电解效率和精度，极大地优化新能源电解储能系统的能量综合利用效率。

Description

一种新能源电解储能系统

技术领域

本发明涉及能量转化与储能技术领域，具体涉及一种新能源电解储能系统。

背景技术

进入21世纪,随着能源、环境和气候变化，能源安全和环境保护提出了更高的标准和要求。首先，经济发展对电力需求的增加，而电力生产将消耗更多的化石能源。而可开采的化石能源是有限的，化石能源的枯竭成为了一个严峻的问题。再者，化石燃料的燃烧导致了大量污染物的排放，温室效应日益严重，一些地方的雾霾带来的环境问题也日益突出。从能源可持续发展和环境保护的角度出发，大力接纳新能源发电，推进能源战略转型是当务之急。然而新能源发电特别是风电和光伏发电具有随机性、间歇性等特点，接入的电网会带来电压波动、频率波动等电能质量问题，甚至可能影响到电网安全稳定运行，因此必须配合储能系统改善新能源发电的运行特性。

可再生能源逐渐由辅助能源转为主导能源，其中新型储能技术是可再生能源普及应用的核心技术，大规模储能技术目前主要包括三方面：一是物理储能(包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等)，抽水蓄能储能和压缩空气储能主要用于电力调峰和系统备用，然而其储能密度低，建设受地形制约，选址困难，投资大，建设周期长；飞轮储能适用于电网调频和电能质量保障，属于功率储能，能量密度比较低；二是电磁储能(包括超导储能、超级电容器储能等)，属于功率型储能，适用于短时间提供功率，不能长时间供电，多用于短期供电和提高电能质量；三是电化学储能(包括铅酸电池、锂电池、钒电池和钠流电池等),由于其使用方便、建设周期短等优点，成为了研究热点。有的地区为配合新能源入网建立了20MW的电化学电池储能的示范工程。然而这些化学电池都有各自的局限性：污染严重，特别是铅酸电池；能量密度较低；存在自放电现象，长时间储能会有电能的流失；充放电次数和充放电的深度成反比，其寿命和充放电循环次数及深度有关；价格相对昂贵，扩容一倍，造价会增加一倍以上。鉴于这些局限性，亟需寻找绿色无污染、能量密度高、放电次数无限制，寿命长以及对地理条件要求不高的新型储能技术以补充现有储能结构。氢储能被认为是极具潜力的未来新型大规模储能技术。氢储能是可持续、环保的长期储能技术，在能源危机以及环境不断恶化的背景下氢储氢受到了世界各国的关注。在氢储能系统应用方面，欧洲有多个配合新能源接入使用的氢储能系统的示范项目：为提升可再生能源消纳能力，德国推进PTG(PowertoGas)项目；为提高光伏发电利用率，满足晚高峰用电需求，法国科西嘉岛MYRTE项目实现了氢储能配合新能源接入的示范应用；为解决新能源高渗透率下的问题，意大利普利亚地区的INGRID项目计划配备39MWh的氢储能系统等。

CN200910090726.8号中国专利公布了一种太阳能发电系统及太阳能氢蓄能装置，所披露的氢储能装置包括设置有氢气集气室的电解槽，电解槽内的电极与太阳能发电设备输出的直流电连接，电解槽内的电解液在直流电的作用下产生氢气，氢气存储在与氢气集气室连通的氢气存储器内。

CN201210029959.9号中国专利公布了一种风力发电制氢储能供氢和后备发电装置，该装置包括风力发电机、电源变换制氢控制器、中高压电解水制氢机、储氢罐、氢发电装置、减压阀，风力发电机输出端与电源变换制氢控制器输入端联接，电源变换制氢控制器输出端接中高压电解水制氢机电源输入端，中高压电解水制氢机所产的氢气直接充入可承受同样压强的储氢罐，储氢罐出口通过管道接入氢发电装置供电给用户电器。CN201110441232.7号专利公布了一种新型高效的太阳能光伏-氢储能发电系统，该系统包括系统动力源太阳能光伏电池、功率分配器、直流负载和由电解槽、储氢罐、燃料电池组成的储能再发电装置。

现有技术公开的新能源电解储能系统一般存在效率低下的弊端，新能源电力-制氢-发电的整体效率一般低于40％,而且成本高昂，这无疑限制了新能源电力电解储能的大规模应用。新能源电解储能存在低效、高成本的商业化障碍主要是由于以下技术问题：1)电解装置的电解效率低；2)氢发电效率低；3)电解装置与发电装置为独立设备，分开运行；4)电解装置或发电装置采用Pt等贵金属作为催化剂。为此需要提供一种高效、低成本的新能源电解储能装置来解决现有技术的不足。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种新能源电解储能系统，替代了传统制氢储能中的电解装置和燃料电池发电装置，简化了系统，降低了经济成本。

本发明的目标是采用下述技术方案实现的：

一种新能源电解储能系统，包括：可再生固体氧化物燃料电池、相变储能装置、新能源发电装置、功率适配器、燃料罐和水箱；

所述可再生固体氧化物燃料电池作为该新能源电解储能系统的核心装置，用于高温电解制取燃料与燃料高温发电；所述新能源发电装置，用于将新能源和一次能源转化为电力；所述相变储能装置，用于管理该新能源电解储能系统运行中产生的热量；所述功率适配器，用于将新能源电力转化为适用于所述可再生固体氧化物燃料电池电解的直流电；所述燃料罐，用于储存可再生固体氧化物燃料电池电解制备的H₂、CO和CH₄燃料；所述水箱，用于为可再生固体氧化物燃料电池电解提供水源和收集可再生固体氧化物燃料电池发电产生的水，形成新能源电解储能系统的独立水源。

优选的，所述相变储能装置为所述可再生固体氧化物燃料电池的高温电解制取燃料，提供高温蒸汽和电解反应所需热能，以及收集可再生固体氧化物燃料电池高温发电产生的废热；

优选的，所述高温电解制取燃料具体包括：：

新能源电力经过电能调制，以变电压直流电的方式为可再生固体氧化物燃料电池供给用于高温蒸汽电解制取的H₂、CO和CH₄燃料；制取燃料的速率随着新能源电力功率而波动，当新能源电力功率增大时，电解电压增大，燃料制取速率增加；

在电解过程中，可再生固体氧化物燃料电池的燃料电极侧通入水蒸汽或者水蒸汽与CO₂的混合物进行电化学还原反应。

进一步地，所述水蒸汽由相变储能装置中的热能加热水箱中的液态水制得；

进一步地，其特征在于，所述燃料高温发电具体包括：

制得的湿燃料经过干燥冷凝脱水后进入燃料罐存储，冷凝水回收在水箱中，湿燃料中的废热回收于相变储能装置之中，电解过程中产生的氧气经过余热回收后直接排空；

当需要电力时，将制取的H₂、CO和CH₄燃料直接供给可再生固体氧化物燃料电池的燃料电极，并向可再生固体氧化物燃料电池的氧电极通入空气，由相变储能装置提供启动热量，将可再生固体氧化物燃料电池预热到一定温度后开始发电；

伴随发电的同时，燃料电极的产物水和废热，以及空气电极的废热分别回收到水箱和相变储能装置之中。

进一步地，所述新能源电解储能系统的控制策略包括：

(1)热管理控制策略：通过相变储能对新能源电解储能系统的热量进行管量；当可再生固体氧化物燃料电池电解制取燃料时，通过相变储能装置提供热量；当可再生固体氧化物燃料电池发电时，通过相变储能装置回收余热，同时相变储能装置中的热能通过新能源热来进行补充；

(2)可再生固体氧化物燃料电池控制策略：在储能过程中，新能源电解储能系统中的可再生固体氧化物燃料电池转入电解模式；在发电过程中，新能源电解储能系统中的可再生固体氧化物燃料电池转入发电模式；

(3)水管理控制策略：新能源电解储能系统中电解所需的水源通过可再生固体氧化物燃料电池发电回收的冷凝水进行补充。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1)本发明提供的可再生固体氧化物燃料电池具有电化学还原制取燃料和燃料高效发电的双功能，能替代传统制氢储能中的电解装置和燃料电池发电装置，简化了系统，降低了成本。

本发明提供的装置将传统的制氢储能电解装置低于70％的电解效率提高近至100％，，对新能源电力的损耗小，能以最大化地通过燃料化学能的方式储存新能源电力；另一方面可再生固体氧化物燃料电池的发电效率高达80％，能实现高效发电；可再生固体氧化物燃料电池使用全陶瓷材料结构，成本极为低廉；除能制H₂，还能制取CO、CH₄等多种燃料，与终端用户使用的能源兼容性好；

2)采用本发明提供的相变储能装置对新能源储能系统进行热管理，能实现可再生固体氧化物燃料电池的稳定可靠运行，极大地优化新能源电解储能系统的能量综合利用效率；

3)本发明提供了一种采用自给给足独立水源方案，有利于减小系统的日常维护。

附图说明

图1为本发明新能源电解储能系统结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如图1所示，一种新能源电解储能系统，包括：可再生固体氧化物燃料电池、相变储能装置、新能源发电装置、功率适配器、燃料罐和水箱；

所述可再生固体氧化物燃料电池作为该新能源电解储能系统的核心装置，用于高温电解制取燃料与燃料高温发电；所述新能源发电装置，如太阳能光伏电池、风力发电机，用于将新能源和一次能源转化为电力；所述相变储能装置，用于管理该新能源电解储能系统运行中产生的热量；所述功率适配器，用于将新能源电力转化为适用于所述可再生固体氧化物燃料电池电解的直流电；所述燃料罐，用于储存可再生固体氧化物燃料电池电解制备的H₂、CO和CH₄等燃料；所述水箱，用于为可再生固体氧化物燃料电池电解提供水源和收集可再生固体氧化物燃料电池发电产生的水，形成新能源电解储能系统的独立水源。

所述相变储能装置为所述可再生固体氧化物燃料电池的高温电解制取燃料，提供高温蒸汽和电解反应所需热能，以及收集可再生固体氧化物燃料电池高温发电产生的废热；

高温电解制取燃料具体包括：

新能源电力经过电能调制，以变电压直流电的方式为可再生固体氧化物燃料电池供给用于高温蒸汽电解制取的H₂、CO和CH₄燃料；制取燃料的速率随着新能源电力功率而波动，当新能源电力功率增大时，电解电压增大，燃料制取速率增加；

在电解过程中，可再生固体氧化物燃料电池的燃料电极侧通入水蒸汽或者水蒸汽与CO₂的混合物进行电化学还原反应。

所述水蒸汽由相变储能装置中的热能加热水箱中的液态水制得；

燃料高温发电具体包括：

制得的湿燃料经过干燥冷凝脱水后进入燃料罐存储，冷凝水回收在水箱中，湿燃料中的废热回收于相变储能装置之中，电解过程中产生的氧气经过余热回收后直接排空；

当需要电力时，将制取的H₂、CO和CH₄燃料直接供给可再生固体氧化物燃料电池的燃料电极，并向可再生固体氧化物燃料电池的氧电极通入空气，由相变储能装置提供启动热量，将可再生固体氧化物燃料电池预热到一定温度后开始发电；

伴随发电的同时，燃料电极的产物水和废热，以及空气电极的废热分别回收到水箱和相变储能装置之中。发出直流电的经过逆变后，可以上网或供给集团使用。

新能源电解储能系统的控制策略包括：

(1)热管理控制策略：通过相变储能对新能源电解储能系统的热量进行管量；当可再生固体氧化物燃料电池电解制取燃料时，通过相变储能装置提供热量；当可再生固体氧化物燃料电池发电时，通过相变储能装置回收余热，同时相变储能装置中的热能通过新能源热来进行补充；

(2)可再生固体氧化物燃料电池控制策略：在储能过程中，新能源电解储能系统中的可再生固体氧化物燃料电池转入电解模式；在发电过程中，新能源电解储能系统中的可再生固体氧化物燃料电池转入发电模式；

(3)水管理控制策略：新能源电解储能系统中电解所需的水源通过可再生固体氧化物燃料电池发电回收的冷凝水进行补充。

实施例：

采用100kW的可再生固体氧化物燃料电池、110kW(峰值)的太阳能光伏发电装置、DC/DC适配器、1000立方米燃料罐、容量为20kWh的相变储能装置、1立方米容积的水箱以及气动元件和电气元件集成为本发明新能源电解储能系统。110kW太阳能光伏发电装置电力经过DC/DC电能调变后输出100kW的直流电，并以变电压的方式供给可再生固体氧化物燃料电池进行高温蒸汽电解制取H₂、CO或CH₄等燃料，当日照变化时，制取燃料的速率也发生变化，日照越强燃料的产速越大。

同时，采用容量为20kWh的相变储能装置吸收太阳热进行储能，用于该新能源电解储能系统的热管理。通过相变储能对新能源储能系统的热量进行均衡管量，当可再生固体氧化物燃料电池电解制取燃料时，通过相变储能装置提供热量，当可再生固体氧化物燃料电池发电时，通过相变储能装置回收余热，同时相变储能装置中的热能通过新能源热来进行补充。可再生固体氧化物燃料电池控制策略：在储能过程中，新能源储能系统中的可再生固体氧化物燃料电池转入电解模式；在发电过程中，新能源系统中的可再生固体氧化物燃料电池转入发电模式。

在电解过程中，可再生固体氧化物燃料电池的燃料电极侧通入水蒸汽与CO₂的混合物进行电化学还原反应，水蒸汽由相变储能装置加热水箱中的液态水制得，同时相变储能装置为电解反应提供反应热。制得的湿燃料再经过干燥冷凝脱水后进入燃料罐存储，冷凝水回收在水箱中，湿燃料中的废热回收在相变储能装置之中，电解过程中产生的氧气经过余热回收后可直接排空；当需要电力时，将H₂、CO或CH₄等燃料直接供给可再生固体氧化物燃料电池的燃料电极，并向可再生固体氧化物燃料电池的氧电极通入空气，由相变储能装置提供启动热量，将可再生固体氧化物燃料电池预热到一定温度后开始发电。

伴随发电的同时，燃料电极的产物水和废热，以及空气电极的废热分别回收到水箱和相变储能装置之中。新能源电解储能系统中电解所需的水源通过可再生固体氧化物燃料电池发电回收的冷凝水进行补充。发出直流电的经过逆变为380V后直接上网利用。

该新能源储能系统的能量综合利用效率可达70％以上，成本为1万元/千瓦。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，这些变更、修改或者等同替换，其均在其申请待批的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种新能源电解储能系统，其特征在于，包括：可再生固体氧化物燃料电池、相变储能装置、新能源发电装置、功率适配器、燃料罐和水箱；

所述可再生固体氧化物燃料电池，用于高温电解制取燃料与燃料高温发电；所述新能源发电装置，用于将新能源和一次能源转化为电力；所述相变储能装置，用于管理该新能源电解储能系统运行中产生的热量；所述功率适配器，用于将新能源电力转化为适用于所述可再生固体氧化物燃料电池电解的直流电；所述燃料罐，用于储存可再生固体氧化物燃料电池电解制备的H₂、CO和CH₄燃料；所述水箱，用于为可再生固体氧化物燃料电池电解提供水源和收集可再生固体氧化物燃料电池发电产生的水，形成新能源电解储能系统的独立水源。

2.如权利要求1所述的一种新能源电解储能系统，其特征在于，所述相变储能装置为所述可再生固体氧化物燃料电池的高温电解制取燃料，提供高温蒸汽和电解反应所需热能，以及收集可再生固体氧化物燃料电池高温发电产生的废热。

3.如权利要求1所述的一种新能源电解储能系统，其特征在于，所述高温电解制取燃料具体包括：

新能源电力经过电能调制，以变电压直流电的方式为可再生固体氧化物燃料电池供给用于高温蒸汽电解制取的H₂、CO和CH₄燃料；制取燃料的速率随着新能源电力功率而波动，当新能源电力功率增大时，电解电压增大，燃料制取速率增加；

在电解过程中，可再生固体氧化物燃料电池的燃料电极侧通入水蒸汽或者水蒸汽与CO₂的混合物进行电化学还原反应。

4.如权利要求3所述的一种新能源电解储能系统，其特征在于，所述水蒸汽由相变储能装置中的热能加热水箱中的液态水制得。

5.如权利要求1-4任一所述的一种新能源电解储能系统，其特征在于，所述燃料高温发电具体包括：

制得的湿燃料经过干燥冷凝脱水后进入燃料罐存储，冷凝水回收在水箱中，湿燃料中的废热回收于相变储能装置之中，电解过程中产生的氧气经过余热回收后直接排空；

当需要电力时，将制取的H₂、CO和CH₄燃料直接供给可再生固体氧化物燃料电池的燃料电极，并向可再生固体氧化物燃料电池的氧电极通入空气，由相变储能装置提供启动热量，将可再生固体氧化物燃料电池预热到一定温度后开始发电；

伴随发电的同时，燃料电极的产物水和废热，以及空气电极的废热分别回收到水箱和相变储能装置之中。

6.如权利要求1-4任一所述的一种新能源电解储能系统，其特征在于，所述新能源电解储能系统的控制策略包括：

(1)热管理控制策略：通过相变储能对新能源电解储能系统的热量进行管量；当可再生固体氧化物燃料电池电解制取燃料时，通过相变储能装置提供热量；当可再生固体氧化物燃料电池发电时，通过相变储能装置回收余热，同时相变储能装置中的热能通过新能源热来进行补充；

(2)可再生固体氧化物燃料电池控制策略：在储能过程中，新能源电解储能系统中的可再生固体氧化物燃料电池转入电解模式；在发电过程中，新能源电解储能系统中的可再生固体氧化物燃料电池转入发电模式；

(3)水管理控制策略：新能源电解储能系统中电解所需的水源通过可再生固体氧化物燃料电池发电回收的冷凝水进行补充。