CN108418202B - 一种基于可再生能源的循环发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于可再生能源的循环发电系统，所述发电系统包括：可再生能源发电系统、铝电解制铝系统和铝空气燃料电池发电系统，所述可再生能源发电系统和所述铝空气燃料电池发电系统为所述铝电解制铝系统提供直流电，所述铝电解制铝系统的产物铝为所述铝空气燃料电池发电系统提供原料，所述铝空气燃料电池发电系统的副产品氧化铝为所述铝电解制铝系统提供原料。本申请提供的可再生能源‑铝电解储电‑铝空气电池发电系统通过可再生能源与铝空气燃料电池按比例供电，保证低温铝电解稳定持续进行，提高了非并网的可再生能源的稳定性和利用率。

Description

一种基于可再生能源的循环发电系统
技术领域
本发明涉及可再生能源发电领域，特别是涉及一种基于可再生能源的循环发电系统。
背景技术
目前我国西部、北部等风电、太阳能资源丰富的地区，发展速度极快，但这些地区的电网建设相对落后，消纳风电及太阳能发电成为难题。现有技术中的风电非并网直供理论，很好地解决了大规模风电利用问题，非并网风电场产生的电能不直接接入大电网，而是直接面向高耗能用电产业，从而避免了大规模风电并网对电网系统的影响。
为推进非并网风电等的大规模应用，解决对风电的消纳问题，必须发展含有储能的新型风力发电系统，以便在风电富余时将多余电能储存起来，在风电质量较差或不足时，将存储的电能回馈利用。
风的高度不稳定性，导致风电大幅度波动，在没有燃气发电、水电等为其调峰情况下，风电对电网贡献率难以超过8％-10％，这是一个世界性难题。随着全球风电的大规模发展，将不可避免出现风电上网难的窘况，并严重制约全球风电产业的发展。针对这一世界性的难题，非并网风电应用模式充分尊重风电自身特点，突破大规模风电并网单一应用模式，通过必要的技术创新与集成，将风电与高载能产业(如电解铝、氯碱、电解水制氢、海水淡化和煤化工等)直接耦合，破解超大规模风电应用难题。
风电直接应用于电解铝工业，可以简化风电并网运行所需的大量辅助设备，降低风电场的建设成本10％以上；减少输配电环节，提高风能的综合利用率，使得系统内风电的利用效率提高15％以上，降低风电成本。如果我国60％的铝产量采用非并网风电电解生产，每年可以节标煤2400万吨，减排二氧化碳6300万吨，并可形成千亿(元)级新兴战略性装备制造产业。
传统铝电解消纳风电，尽管理论上可行，但实际操作起来也非常复杂，并且应用风电比例并不高。因为传统铝电解技术，温度高达1000℃，风电的波动对温度是非常敏感的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于可再生能源的循环发电系统，用来提高非并网的可再生能源的稳定性和利用率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于可再生能源的循环发电系统，所述发电系统包括：可再生能源发电系统、铝电解制铝系统和铝空气燃料电池发电系统；所述可再生能源发电系统和所述铝空气燃料电池发电系统为所述铝电解制铝系统提供直流电，所述铝电解制铝系统的产物铝为所述铝空气燃料电池发电系统提供原料，所述铝空气燃料电池发电系统的副产品氧化铝为所述铝电解制铝系统提供原料。
可选的，所述可再生能源发电系统为所述铝电解制铝系统的供电比例为70％-80％。
可选的，所述铝电解制铝系统中的铝电解温度为700-800℃，电压为3-5V，电流强度为5万-20万A。
可选的，所述铝空气燃料电池发电系统采用碱性电解质，纳米晶铝合金作阳极和纳米氧化锰为催化剂的空气阴极。
可选的，所述纳米晶铝合金为铝铟合金、铝铟镓合金、铝铟铋合金或铝铟锌合金。
可选的，所述碱性电解质为氢氧化钠或氢氧化钾。
可选的，所述可再生能源为风能或太阳能。
可选的，所述可再生能源发电系统包括多个可再生能源发电机组。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本申请采用低温铝电解技术，将非并网风能及太阳能发电用于低温铝电解，生产出铝，将能储存在铝中。由于风电、太阳能发电的波动性，不能稳定地供直流电进行低温铝电解。本申请可再生能源-铝电解储电-铝空气电池发电系统通过可再生能源与铝空气燃料电池按比例供电，保证低温铝电解稳定持续进行，提高了非并网的可再生能源的稳定性和利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于可再生能源的循环发电系统的结构连接图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于可再生能源的循环发电系统，用来提高非并网的可再生能源的稳定性和利用率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明基于可再生能源的循环发电系统的结构连接图，如图1所述，所述的循环发电系统包括：可再生能源发电系统1、铝电解制铝系统2和铝空气燃料电池发电系统3；可再生能源发电系统1和铝空气燃料电池发电系统3为铝电解制铝系统2提供直流电，铝电解制铝系统2的产物铝为铝空气燃料电池发电系统3提供原料，铝空气燃料电池发电系统3的副产品氧化铝为铝电解制铝系统2提供原料。所述可再生能源发电系统包括多个可再生能源发电机组。所述可再生能源发电系统为所述铝电解制铝系统的供电比例为70％-80％。
可选的，所述可再生能源为风能或太阳能，但不限于此两种。
以风能为例，由于风能的间歇性、随机性，大规模的风电并网会增加电网中功率平衡和稳定控制等问题的复杂性，给电力系统的安全运行带来巨大挑战。而储能技术具有快速响应能力，可以适时吸收释放功率，有助于实现电力系统在各种工况下的能量平衡，同时提高风能利用率。鉴于高利用率等优点，本申请提出了一种可再生能源-铝电解储电-铝空气电池发电系统，该系统主要由可再生能源发电系统和储能系统(铝电解制铝系统、铝空气燃料电池发电系统)组成。风力发电或太阳能发电，一组、几组、几十组、或上百组链接成微网，进行发电；由于风电、太阳能发电不持续，造成供电不平衡。风电或太阳能发电直流供电，负载为低温铝电解槽，原料为铝空气燃料电池发电后副产品。风电或太阳能发电与铝空气燃料电池供电比例为70～80：30～20，这样就能保证持续稳定的供电，风电或太阳能发电也能保证百分之百消纳。风电系统低功率运行，低温铝电解槽铝储能，铝空气电池为系统维持频率、电压稳定：该模式下风电系统输出电能质量较差，非并网发电，通过低温铝电解池将全部风电制取铝，实现弃风电能存储100％，同时利用铝空气电池作为维稳电源，维持微网频率及电压的稳定。
因为传统铝电解技术，温度高达1000℃，风电的波动对温度是非常敏感的。针对这一问题，本申请对铝电解技术进行了改进，采用铝电解温度700-800℃，电压3-5V，电流强度5万-20万A，能耗由原来的13kWh/kg将为9.1kWh/kg，比传统铝电解节电30％。优选的，采用铝电解温度750℃，电压4V，电流强度80000A。
铝空气电池作为一款极具发展潜力的金属空气燃料电池，其在传统的电子通讯设备，移动电源，应急电源方面早已呈现端倪。
铝空气电池除在电动车辆行业中巨大的应用前景外，还能应用在固定能源，如医院、数据中心、商贸应急电源、移动房屋、无人驾驶车辆及诸多国防用途。铝空气电池具有可持续、高能量密度等特点，前景十分广泛。
尽管铝空气电池具有许多优点，但是同样也有缺点：
(1)铝空电池的理论电压为2.75V，实际值只有1.6V左右，铝阳极的电化学活性被抑制，尤其是在中性溶液中，其氧化产物难易脱落，大大降低了电池能量密度，使其近乎折半；
(2)铝空电池的理论容量为2980mAhg-1，而实际上由于寄生的析氢腐蚀存在，铝阳极的容量远达不到这一数值，尤其是在碱性溶液中，普通铝的析氢腐蚀相当严重，其负极效率十分低下；
(3)铝负极存在严重的极化现象，尤其是在中性电解液中，铝负极存在严重的钝化现象，使其电压下降十分迅速，铝空气电池难以得到较高的功率密度；
(4)铝负极电极极化电阻产生的大量焦耳热对电池本身也极其有害。
针对上述缺点，本申请对铝空气电池进行了相应改进，铝空气燃料电池采用碱性电解质。比如氢氧化钠或氢氧化钾，纳米晶铝合金作阳极，纳米氧化锰为催化剂的空气阴极。所述纳米晶铝合金为铝铟合金、铝铟镓合金、铝铟铋合金或铝铟锌合金。本申请通过高能量密度铝负极材料，高效氧还原催化剂等，以期获得高性能铝空气电池，为进一步发展分布式铝空气电池发电技术奠定科学基础。通过本专利，形成高效低成本大规模非并网风电铝存储技术系统，同时奠定铝空气电池分布式发电规模化应用基础，又使风电可持续健康发展。本申请采用研制的大型铝空气电池，铝阳极能量密度4000Wh/kg，电池能量密度1000～1500Wh/kg。
由于风电不稳定，铝空气电池发电补充稳定风电的不足，维持低温铝电解正产运行用风电与铝空气电池发电比例。在此过程中，风电先整流为直流电。风电所生产的风电铝存储了风能，一方面供本系统铝空气电池使用，维持本系统正常运转。另外大量的风电铝锭供应铝材市场，还可以继续作为铝空气电池铝负极材料，在需要的地方分布式发电。铝空气电池发电过程中副产品氧化铝再返回铝电解槽，电解充电，绿色循环，在这过程中，铝本身不消耗，只起到运输风能的作用。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于可再生能源的循环发电系统，其特征在于，所述发电系统包括：可再生能源发电系统、铝电解制铝系统和铝空气燃料电池发电系统，所述可再生能源发电系统和所述铝空气燃料电池发电系统为所述铝电解制铝系统提供直流电，所述铝电解制铝系统的产物铝为所述铝空气燃料电池发电系统提供原料，所述铝空气燃料电池发电系统的副产品氧化铝为所述铝电解制铝系统提供原料；所述可再生能源发电系统为所述铝电解制铝系统的供电比例为70％-80％；所述铝电解制铝系统中的铝电解温度为750℃，电压为4V，电流强度为80000A；
所述可再生能源发电系统包括多个可再生能源发电机组。
2.根据权利要求1所述的循环发电系统，其特征在于，所述铝空气燃料电池发电系统采用碱性电解质，纳米晶铝合金作阳极和纳米氧化锰为催化剂的空气阴极。
3.根据权利要求2所述的循环发电系统，其特征在于，所述纳米晶铝合金为铝铟合金、铝铟镓合金、铝铟铋合金或铝铟锌合金。
4.根据权利要求2所述的循环发电系统，其特征在于，所述碱性电解质为氢氧化钠或氢氧化钾。
5.根据权利要求1所述的循环发电系统，其特征在于，所述可再生能源为风能或太阳能。
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