CN105429173A - 一种基于燃料电池与风能的分布式能源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于燃料电池与风能的分布式电源系统。风资源充足时，风力发电系统的叶片在风力作用下高速旋转，通过电机将风能转换为电能，在用电高峰期直接供电；电机同时连接至N个并列的电解槽，在用电低谷将电能用于电解水，电解水产生的氢气和氧气经压缩后分别储存；风资源匮乏时，储氢罐和储氧罐为燃料电池提供氢气和氧气进行发电；燃料电池产生的热水回流至电解槽内，燃料电池内换热出来的热空气可在燃料电池工作时替代传统的电加热装置对叶片进行加热，防止叶片结冰。通过合理布置总能系统，使大规模风电能够方便可靠的并入常规电网，同时使额定风速下，风力发电系统的有效输出功率由96％提高至98％以上，具有显著的社会经济效益。
Description
技术领域
本发明属于新能源发电技术领域，特别涉及一种基于燃料电池与风能的分布式电源系统。
背景技术
风能作为应对新世纪气候变化和能源危机双重挑战的重要手段，是目前商业化程度最高的清洁能源之一，具有良好的产业基础，明显的经济性优势，而且不存在其他可再生能源的资源约束，也不会对环境造成大的影响。但风能具有区域性、间歇性、利用小时数低等缺点，一旦并入电网，将给电网带来稳定性和安全性的冲击。为了实现电网内大规模间歇性清洁能源并网发电的可持续发展和协调、安全、可靠、高效运行，大规模储能技术是解决间歇性清洁能源并网发电所带来一系列问题的有效途径之一。氢能是一种清洁无污染能源载体，其中氢制备是应用基础，氢的安全存储和运输是应用的关键，燃料电池是氢能应用的主要途径之一。
发明内容
为了实现燃料电池系统与风能系统的高效耦合，本发明提供了一种基于燃料电池与风能的分布式电源系统。
一种基于燃料电池与风能联合发电系统，包括风力发电系统1和电解水系统3，所述风力发电系统1包括叶片1-1和电机，叶片1-1通过芯轴与电机相连，电机连接至负载11，叶片1-1在风力作用下高速旋转，通过电机将风能转换为电能；所述电解水系统3包括并列的N个电解槽3-1，所述N个电解槽3-1并联连接至电机，且与负载11相并联，N路补水管道2分别通入N个电解槽3-1内，用于补充水源；电解槽3-1的阳极区通过第二压缩机5与储氧罐7连通，储氧罐7通过压力阀8连通至燃料电池10的阴极，为燃料电池10提供氧源；电解槽3-1的阴极区通过第一压缩机4与储氢罐6连通，储氢罐6通过压力阀8连通至燃料电池10的阳极，为燃料电池10提供氢源；燃料电池10连接至负载11，燃料电池10的热水出口与热水回路9连通，热水回路9连通至电解槽3-1内，将产生的热水循环至电解槽3-1；
所述燃料电池10的内壁上设有换热区，换热区不与燃料电池10内部的燃料电池堆相通，其内部设置散热片12以提高换热效率；换热区的一端连通至进风管道，进风管道与鼓风机13相连，鼓风机13将环境空气通过进风管道输送至换热区，对燃料电池10进行散热，换热区的另一端连接排风管道，排风管道连通至叶片加热装置14，所述叶片加热装置14的上侧排列1至多排风口；燃料电池10工作时，换热出来的热空气流通至叶片加热装置14，从叶片加热装置14的风口向上吹，替代电加热装置对叶片1-1进行加热。
优选地，为保证电解槽3-1的电解效率，对并联的N个电解槽3-1的运行台数实施控制，设定单台电解槽3-1容量为Q，电机容量为P，则启动的电解槽3-1的台数为n≤P/Q，取整数。
优选地，所述叶片加热装置14的上侧距离叶片1-1外端的最小距离为0.5m。
风资源充足时，在用电负荷高峰，通过风力发电系统1直接供电；在用电低谷，通过电解槽系统3将风能转化为氢能进行储存；风资源匮乏时，储氢罐6与储氧罐7里的纯氢和纯氧供给燃料电池10进行发电和供电。
本发明的有益效果为：
本发明提供的一种基于燃料电池与风能联合发电系统，将风力发电系统与燃料电池发电系统通过电解水系统有机结合在一起，以氢氧联合循环为核心，充分利用了水电解制氢与氢气燃烧循环使用性好、清洁无污染的特点，将系统与风能进行耦合，合理布置总能系统，可有效解决风力发电的随机性和波动性等问题，减少风电输出功率波动性对大电网的影响，使大规模风电能够方便可靠的并入常规电网，实现风电的“即插即用”；同时使额定风速下，风力发电系统的有效输出功率，即输出至负载的功率由96％提高至98％以上，具有显著的社会经济效益。
附图说明
图1为本发明一种基于燃料电池与风能的分布式电源系统；
标号说明：1-风力发电系统，1-1-叶片，2-补水管道，3-电解水系统，3-1-电解槽，4-第一压缩机，5-第二压缩机，6-储氢罐，7-储氧罐，8-压力阀，9-热水回路，10-燃料电池，11-负载，12-散热片，13-鼓风机，14-叶片加热装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
如图1所示一种基于燃料电池与风能的分布式电源系统，包括风力发电系统1，电解水系统3和燃料电池10。所述风力发电系统1包括叶片1-1和电机，叶片1-1通过芯轴与电机相连，电机连接至负载11，叶片1-1在风力作用下高速旋转，通过电机将风能转换为电能。
所述电解水系统3包括并列的N个电解槽3-1，所述N个电解槽3-1并联连接至电机，且与负载11相并联。N路补水管道2分别通入N个电解槽3-1内，用于补充水源。电解槽3-1的阳极区通过第二压缩机5与储氧罐7连通，储氧罐7通过压力阀8连通至燃料电池10的阴极，为燃料电池10提供氧源；电解槽3-1的阴极区通过第一压缩机4与储氢罐6连通，储氢罐6通过压力阀8连通至燃料电池10的阳极，为燃料电池10提供氢源；燃料电池10连接至负载11，燃料电池10的热水出口与热水回路9连通，热水回路9通至电解槽3-1内，将产生的热水循环至电解槽3-1。
所述燃料电池10的内壁上设有换热区，换热区不与燃料电池10内部的燃料电池堆相通，其内部设置散热片12以提高换热效率。换热区的一端连通至进风管道，进风管道与鼓风机13相连，鼓风机13将环境空气通过进风管道输送至换热区，对燃料电池10进行散热。换热区的另一端连接排风管道，排风管道连通至叶片加热装置14，所述叶片加热装置14的上侧开设1至多排风口。在燃料电池10工作时，利用燃料电池10中换热出来的热空气替代传统的电加热装置对叶片1-1进行加热，热空气从叶片加热装置14的风口向上吹，对叶片1-1进行加热，防止叶片1-1结冰。叶片加热装置14的上侧距离叶片1-1外端的最小距离为0.5m，可以在充分保证加热效果的同时，减少对叶片1-1气动性能的扰动。
具体工作原理：风资源充足时，若是用电负荷高峰，可通过风力发电系统1直接供电；若是用电低谷，可通过电解槽系统3将风能转化为氢能进行储存。为保证电解槽3-1的电解效率，对并联的N个电解槽3-1的运行台数实施控制，设定单台电解槽3-1容量为Q，电机容量为P，则启动的电解槽3-1的台数为n≤P/Q，取整数。
风资源匮乏时，储氢罐6与储氧罐7里的纯氢和纯氧供给燃料电池10进行发电。同时鼓风机13将环境空气吹入燃料电池10的换热区，对燃料电池堆进行散热，热空气通至叶片加热装置14对叶片1-1进行加热，以防结冰。燃料电池10中产生的热水循环至电解槽3-1内，一方面补充了水源，另一方面提供了电解水所需的部分热量。本系统可使风力发电系统1在额定风速下，有效输出功率由96％提高到98％以上。
Claims (4)
1.一种基于燃料电池与风能联合发电系统，包括风力发电系统(1)和电解水系统(3)，所述风力发电系统(1)包括叶片(1-1)和电机，叶片(1-1)通过芯轴与电机相连，电机连接至负载(11)，叶片(1-1)在风力作用下高速旋转，通过电机将风能转换为电能，其特征在于，所述电解水系统(3)包括并列的N个电解槽(3-1)，所述N个电解槽(3-1)并联连接至电机，且与负载(11)相并联；N路补水管道(2)分别通入N个电解槽(3-1)内，用于补充水源；电解槽(3-1)的阳极区通过第二压缩机(5)与储氧罐(7)连通，储氧罐(7)通过压力阀(8)连通至燃料电池(10)的阴极，为燃料电池(10)提供氧源；电解槽(3-1)的阴极区通过第一压缩机(4)与储氢罐(6)连通，储氢罐(6)通过压力阀(8)连通至燃料电池(10)的阳极，为燃料电池(10)提供氢源；燃料电池(10)连接至负载(11)，燃料电池(10)的热水出口与热水回路(9)连通，热水回路(9)连通至电解槽(3-1)内，将产生的热水循环至电解槽(3-1)；
所述燃料电池(10)的内壁上设有换热区，换热区不与燃料电池(10)内部的燃料电池堆相通，其内部设置散热片(12)以提高换热效率；换热区的一端连通至进风管道，进风管道与鼓风机(13)相连，鼓风机(13)将环境空气通过进风管道输送至换热区，对燃料电池(10)进行散热，换热区的另一端连接排风管道，排风管道连通至叶片加热装置(14)，所述叶片加热装置(14)的上侧排列1至多排风口；燃料电池(10)工作时，换热出来的热空气流通至叶片加热装置(14)，从叶片加热装置(14)的风口向上吹，替代电加热装置对叶片(1-1)进行加热。
2.根据权利要求1所述一种基于燃料电池与风能联合发电系统，其特征在于，为保证电解槽(3-1)的电解效率，对并联的N个电解槽(3-1)的运行台数实施控制，设定单台电解槽(3-1)容量为Q，电机容量为P，则启动的电解槽(3-1)的台数为n≤P/Q，取整数。
3.根据权利要求1所述一种基于燃料电池与风能联合发电系统，其特征在于，所述叶片加热装置(14)的上侧距离叶片(1-1)外端的最小距离为0.5m。
4.根据权利要求1-3任一权利要求所述一种基于燃料电池与风能联合发电系统，其特征在于，风资源充足时，在用电负荷高峰，通过风力发电系统(1)直接供电；在用电低谷，通过电解槽系统(3)将风能转化为氢能进行储存；风资源匮乏时，储氢罐(6)与储氧罐(7)里的纯氢和纯氧供给燃料电池(10)进行发电和供电。
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