CN109004665B - 风电、光电储能及离/并网制氢系统 - Google Patents

风电、光电储能及离/并网制氢系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种风电、光电离/并网制氢方法及系统，涉及风电制氢技术领域。该制氢装置的电源为主风电场风力发电机组电网和储能单元，该储能单元与制氢工厂的垂直轴风力发电机组以及光伏电池板为辅助发电单元相连；在满足电网需求的前提下，利用电网多余的电能制氢，当电网多余电能电网功率过低时，即将储能单元的电能释放补充用于制氢，从而使制氢装置的输入功率较平滑稳定；所述制氢装置包括碱性电解池和固体氧化物电解池。本发明主要解决现有技术中存在的风电制氢的宽功率波动问题，使制氢装置的输入功率平滑，以提高制氢装置的效率和寿命。

Description

风电、光电储能及离/并网制氢系统
技术领域
本发明涉及新能源发电制氢技术领域。
背景技术
随着环境问题的不断突出，新能源步入人们的视野，风电技术不断发展。由于风电的波动性以及不规律性，导致产生的电能与电网需求的电能不匹配，产生了许多“弃风”。“弃风”问题造成了资源的严重浪费，所以寻求高容量的储能装置成为人们共同研究的课题。传统的化学储能技术具有容量小，寿命短等缺点。风电制氢作为储能的一项重要技术手段，它具有高容量，易运输，无污染的优点。氢能作为绿色的新能源，具有环保安全、能量密度大、转换效率高、储量丰富、适用范围广等特点，可实现开发到利用全过程的零排放、零污染，是最具有发展潜力的高效替代能源。通过风电的方式制取氢气，亟待解决的问题是风电的宽功率波动性对制氢装置的影响。风电的间歇性与不稳定性，会对制氢装置的制氢效率和寿命产生很大影响。所以研究基于制氢的平滑功率的控制策略，使制氢装置的输入功率平滑并达到要求，也成为亟待解决的问题。同时制氢电解池在制氢过程中会产生较大的热能以及大量氧气，这些热能和氧气一般会直接遗弃，如何充分利用这些制氢附属产物对节省能源有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风电光电离/并网制氢方法及系统，主要解决现有技术中存在的风电制氢的宽功率波动问题，使制氢装置的输入功率平滑，以提高制氢装置的效率和寿命。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种风电、光电储能及离/ 并网制氢方法，包括制氢装置，其特征在于：该制氢装置的电源为主风电场风力发电机组电网和储能单元，该储能单元与制氢工厂的垂直轴风力发电机组以及光伏电池板为辅助发电单元相连；在满足电网需求的前提下，利用电网多余的电能制氢，当电网多余电能制氢功率过低时，即将储能单元的电能释放补充用于制氢，从而使制氢装置的输入功率较平滑稳定；所述制氢装置包括碱性电解池。
进一步地，所述将碱性电解池产生的热能用于固体氧化物电解池制氢；将氧气储存或将氧气辅助燃烧产生的热能储存入储热单元用。
一种如上述的风电、光电储能及离/并网制氢方法所用的制氢系统，包括制氢装置，其特征在于：包括所述制氢装置包括碱性电解池，所述该制氢装置的电源为主风电场风力发电机组和/或储能单元，该能储存装置与制氢工厂的垂直轴风力发电机组以及光伏电池板为辅助发电单元相连；当满足电网需求的前提下，电网多余的电与制氢装置相连；当电网功率过低时，储能单元的电能与制氢装置相连，进行补充；从而使制氢装置的输入功率较平滑稳定。
优选的，所用的制氢系统，其特征在于：包括风场风力发电机组，风场风机侧AC/DC整流器，并网侧DC/AC逆变器，并网侧变压器，制氢侧DC/DC变换器，垂直轴风力发电机，垂直轴风力发电机侧AC/DC整流器，太阳能电池板，太阳能电池板侧DC/DC变换器，碱性电解池和控制器；风场风力发电机组的输出端与风场风机侧AC/DC整流器连接，风场风机侧AC/DC整流器接入直流母线，直流母线设有开关，直流母线第一输出端连接并网侧DC/AC逆变器输入端，并网侧DC/AC逆变器输出端连接变压器，变压器输出端与电网相连接；垂直轴风力发电机输出端与垂直轴风力发电机侧AC/DC整流器输入端连接，直轴风力发电机侧AC/DC整流器输入端连接与储能单元连接；太阳能电池板与太阳能电池板侧DC/DC变换器连接，太阳能电池板侧DC/DC变换器与储能单元连接；储能单元与制氢侧输入端以及直流母线第二输出端连接；储能单元还通过电力电子变换装置与控制和监测系统相连接；制氢侧DC/DC变换器第一输出端与碱性制氢电解池输入端连接。
优选的，所述控制系统包括制氢及并网功率控制、制氢功率调节和控制、制氢电压控制、液位控制、电解池温度控制、电解池循环量的控制、氢氧纯度的控制，以及储氢过程中的充氢控制和供氢控制。
进一步地，还包括监测系统；监测系统包括：制氢及并网功率监测、制氢功率监测、电压监测、液位监测、电解池温度监测、氢气及氧气纯度监测、以及储氢压力监测。
进一步地，所述制氢装置还包括高温运行的固体氧化物电解池，氧气辅助燃烧单元和储热单元，风电制热单元；碱性电解池与氧气辅助燃烧单元相连，氧气辅助燃烧单元与储热单元相连，风电制热单元与固体氧化物电解池相连，储热单元与固体氧化物电解池相连；储热单元为熔融盐储热单元制氢侧DC/DC 变换器第二输出端与固体氧化物制氢电解池输入端连接。
优选的，所述熔融盐储热单元包括熔融盐材料、储热罐、绝缘层、基质、换热器、硝酸盐泵、辅助系统，所述的熔融盐材料包括硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐、以及磷酸盐；所述氧气辅助燃烧单元的燃料包括液化气、天然气。
本发明提供的系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明提供一种风电光电离/并网制氢系统，主要解决现有技术中存在的风电制氢的宽功率波动问题，使制氢装置的输入功率平滑，以提高制氢装置的效率和寿命。
本发明采用垂直轴风机、太阳能电池板和储能单元辅助制氢系统运行，垂直轴风机无需对风、易于安装和维护、噪声低、能量稳定。垂直轴风机可直接安装在制氢工厂的屋顶或附近，相对于大型风电场及线路故障时难以寻找故障以及维修等问题，当垂直轴风机发电线路或设备出现故障时可直接维修，为储能单元充电提供保障。从而保证电网故障时制氢系统仍能以最低的功率运行。
本发明，基于垂直轴风机、太阳能电池板的储能单元不仅用于协调风电制氢的宽功率波动以及为电解池提供备用电源，还可以为控制系统，监测系统等提供紧急备用电源，保证制氢，储氢，运氢等装置的安全运行。
引入固体氧化物电解池，同时将电解制氢产生的热能以热储能的方式存储，实现热能的就地利用。
为电解制氢产生的氧气利用提供了新的途径，将电解制氢产生的氧气用来为固体氧化物电解池提供高温，实现了氧气的就地利用，省去了氧气运输的成本。
所述的储热单元为熔融盐储热单元，储存的热能可以通过热能的形式释放从而为高温固体氧化物制氢提供热能。同时采用风电制热单元确保固体氧化物电解池的高温运行(800℃～1000℃)，将风能多功能利用，确保固体氧化物装置稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明风电光电离/并网制氢方法及系统的结构图。
图2为固体氧化物电解池的工作原理图。
图3为本发明碱性电解池工作原理图。
图4为热能的传递方式及流程图。
图5为本发明控制及监测电路以及电力电子变换图。
图中各标号含义：1—直流母线，2—水蒸气，3—氢气，4—多孔氢电极，5 —电解质，6—多孔阳电极，7—氧气，8—电解液，9—碱性电解池阳极，10—隔膜，11—碱性电解池阴极，12—氧气，13—氢气，14—吸热步骤，15—储热步骤，16—换热步骤，17—用热步骤，18—制氢及并网功率监测和控制，19—制氢功率调节和控制，20—制氢电压监测和控制，21—液位监测和控制，22—电解池温度监测和控制，23—电解池循环量控制，24—氢氧纯度监测及控制， 25—储氢压力监测及储氢控制。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参阅图1-图5。现对本发明进行说明，作为本发明提供的一种具体实施方式。所述一种风电、光电储能及离/并网制氢方法，包括制氢装置，其特征在于：该制氢装置的电源为主风电场风力发电机组电网和储能单元，该储能单元与制氢工厂的垂直轴风力发电机组以及光伏电池板为辅助发电单元相连；在满足电网需求的前提下，利用电网多余的电能制氢，当电网多余电能电网功率过低时，即将储能单元的电能释放补充用于制氢，从而使制氢装置的输入功率较平滑稳定；所述制氢装置包括碱性电解池。
本发明与现有技术相比，主要解决现有技术中存在的风电制氢的宽功率波动问题，使制氢装置的输入功率平滑，以提高制氢装置的效率和寿命。
作为本发明提供的一种具体实施方式。进一步地，所述将碱性电解池产生的热能用于固体氧化物电解池制氢；将氧气储存或将氧气辅助燃烧产生的热能储存入储热单元用。
作为本发明提供的一种具体实施方式。一种如上述的风电、光电储能及离/ 并网制氢方法所用的制氢系统，包括制氢装置，其特征在于：包括所述制氢装置包括碱性电解池，所述该制氢装置的电源为主风电场风力发电机组电网和/ 或储能单元，该能储存装置与制氢工厂的垂直轴风力发电机组以及光伏电池板为辅助发电单元相连；当满足电网需求的前提下，电网多余的电与制氢装置相连；当电网功率过低时，储能单元的电能与制氢装置相连，进行补充；从而使制氢装置的输入功率较平滑稳定。
本发明与现有技术相比，主要解决现有技术中存在的风电制氢的宽功率波动问题，使制氢装置的输入功率平滑，以提高制氢装置的效率和寿命。基于垂直轴风机、太阳能电池板的储能单元不仅用于协调风电制氢的宽功率波动以及为电解池提供备用电源，还可以为控制系统，监测系统等提供紧急备用电源，保证制氢，储氢，运氢等装置的安全运行。
作为本发明提供的一种具体实施方式。优选的，所用的制氢系统，其特征在于：包括风场风力发电机组，风场风机侧AC/DC整流器，并网侧DC/AC逆变器，并网侧变压器，制氢侧DC/DC变换器，垂直轴风力发电机，垂直轴风力发电机侧AC/DC整流器，太阳能电池板，太阳能电池板侧DC/DC变换器，碱性电解池和控制器；风场风力发电机组的输出端与风场风机侧AC/DC整流器连接，风场风机侧AC/DC整流器接入直流母线，直流母线设有开关，直流母线第一输出端连接并网侧DC/AC逆变器输入端，并网侧DC/AC逆变器输出端连接变压器，变压器输出端与电网相连接；垂直轴风力发电机输出端与垂直轴风力发电机侧 AC/DC整流器输入端连接，直轴风力发电机侧AC/DC整流器输入端连接与储能单元连接；太阳能电池板与太阳能电池板侧DC/DC变换器连接，太阳能电池板侧DC/DC变换器与储能单元连接；储能单元与制氢侧输入端以及直流母线第二输出端连接；储能单元还通过电力电子变换装置与控制和监测系统相连接；制氢侧DC/DC变换器第一输出端与碱性制氢电解池输入端连接。
作为本发明提供的一种具体实施方式。在以上基础上，优选的，所述控制系统包括制氢及并网功率控制18、制氢功率调节和控制19、制氢电压控制20、液位控制21、电解池温度控制22、电解池循环量的控制23、氢氧纯度的控制 24，以及储氢过程中的充氢控制和供氢控制25。
作为本发明提供的一种具体实施方式。在以上基础上，进一步地，还包括监测系统；监测系统包括：制氢及并网功率监测18、制氢功率监测19、电压监测20、液位监测21、电解池温度监测22、氢气及氧气纯度监测24、以及储氢压力监测25。
作为本发明提供的一种具体实施方式。在以上基础上，进一步地，所述制氢装置还包括高温运行的固体氧化物电解池，氧气辅助燃烧单元和储热单元，风电制热单元；碱性电解池与氧气辅助燃烧单元相连，氧气辅助燃烧单元与储热单元相连，风电制热单元与固体氧化物电解池相连，储热单元与固体氧化物电解池相连；储热单元为熔融盐储热单元制氢侧DC/DC变换器第二输出端与固体氧化物制氢电解池输入端连接。
与现有技术相比，将电解制氢产生的氧气用来为固体氧化物电解池提供高温，实现了氧气的就地利用，省去了氧气运输的成本。
作为本发明提供的一种具体实施方式。在以上基础上，优选的，所述熔融盐储热单元材料包括硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐、以及磷酸盐。
作为本发明提供的一种具体实施方式。在以上基础上，所述氧气辅助燃烧单元燃料包括液化气、天然气。
一实施例：
图1为用垂直轴风机以及光伏发电辅助的基于离/并网的风电制氢装置的结构图，水平轴风力发电机组安装在大型风电场，通过AC/DC整流器将交流电转换为直流电，风电用于并网或者制氢。通过预测用户的用电量以及风电产生的电能，来协调制氢和并网的发电功率。在中午和傍晚的用电高峰期，将大部分的风电功率用于并网运行，多余的风电用来电解水制氢以进行能量存储；在用电低谷期，在电能满足电网需求的同时，产生的大部分弃风用于制氢。可以源源不断地为制氢装置提供电能，且对储能装置的冲击较小。
垂直轴风机以及光伏电池板安装在制氢工厂楼顶，垂直轴风力机以及光伏电池板为储能单元充电，储能单元存储的电能用于协助风电制氢装置的高效运行。由于风电的宽功率波动导致电解池制氢输入端的功率不稳定，大大影响制氢效率和设备寿命。储能单元可以在电解池制氢输入端功率过低时为其提供电能，使输入功率达到制氢要求的范围；在电解池制氢输入端功率过高时，多余的电能存入储能单元，使输入功率达到制氢要求的范围。
主风电场单元与储能单元的连接为双向的，在风电功率较低时，制氢装置接收来自储能单元的电能，在风电功率较高时，产生的多余电能可以存入储能单元，将能量保存，在需要的时候将电能释放。
基于垂直轴风力发电机和太阳能电池板的辅助制氢系统，为风电制氢的高效运行提供了保障，作为辅助系统，可以源源不断地为储能单元提供电能，从而保证储能单元有充足电量来调节风电制氢。同时便于安装和维护，垂直轴风力发电机与太阳能电池板安装在制氢工厂的楼顶，在发电系统发生故障时，相对于大型的风场风电系统，该辅助系统可以实现就地检测和维修，保证制氢系统的最小运行功率。同时风电场保证控制和监测系统的正常运行。
基于垂直轴风力发电机和太阳能电池板的辅助制氢系统还可以作为最低备用电源来使用，最低备用电源可用于控制和安全监测等相关设备，作为应急措施，保证控制和安全监测设备的正常运行，从而保证制氢纯度以及储氢的密度等，保证系统安全运行。储能电池通过电力电子变换装置接入控制和监测系统，为其供电。电力电子变换装置包括DC/DC变换器和DC/AC变流器，DC/DC变换器将储能电池产生的强电变换成弱电，DC/AC变流器将直流电转换为可供控制系统以及监测系统使用的交流电。
风电场单元和储能单元与制氢装置通过DC/DC变换器连接，所述的DC/DC 变换器为Buck/Boost变换器，变换器的作用是将风电以及储能单元的直流电进行变压处理，使其满足制氢需求。所述的Buck/Boost变换器具有较高的宽功率输入承受能力，并且具有稳定的电压输出能力。
制氢设备由多个电解模块组成，每个电解模块设多个电解槽单元。多个电解模块和电解槽单元可以通过开关的闭合来决定电解槽的工作状态。电解槽的运行数目可以根据弃风量的大小来决定。当风能较大，产生的弃风较足时，多个电解槽工作以便能完全接纳弃风，减小风能浪费。当产生的弃风较少时，只需少量电解槽运行，从而在较好的消纳风能的同时，降低运行成本，提高经济效益。电解槽的运行数目可以根据实际需求来决定，如果需要的氢能源较少或储氢装置存储不下多余氢能的时候，减小电解槽的运行数目，达到生产和需求的平衡。
固体氧化物电解池的工作原理如图2所示。固体氧化物电解池由多孔氢电极4，电解质5，多孔阳电极6组成。固体氧化物电解技术具有低成本高效率的优点，制氢效率高达90％，但是运行需要800℃～1000℃高温的条件。固体氧化物电解池比传统低温制氢更高效，更有实际意义。采用氢氧燃料电池的逆反应原理，在电解池阴阳两极施加一定直流电压，水蒸气2在氢电极侧从外电路得到电子被分解为氢气3和氧气7，电解池包含氢电极4，固体氧化物电解质5，阳电极6和连接材料。氢电极一般采用用Ni-YSZ金属陶瓷；电解质5一般采用致密离子导体钇稳定的氧化锆，在800～1000℃有较高的离子导电性和热化学稳定性；阳电极6现在应用最多的材料是LaMnO3和YSZ的复合材料；连接体起导电作用，同时将阴极侧的被电解气体燃料气体与阳极侧的氧化气体隔离开，主要采用LaCrO3基瓷材料和高温合金材料主要由陶瓷材料组成，成本较低，也不存在常规碱性电解的腐蚀问题。
图3为碱性电解池工作原理图，所示碱性电解池是现在常用的电解水制氢装置，技术比较成熟，碱性电解池由阴极11，阳极9，隔膜10以及电解液8 组成，通入直流电后，水在电解池中被分解，电解液8一般为氢氧化钾溶液，隔膜10主要由石棉组成，阴极11，阳极9主要由金属合金组成，如Ni-Mo合金等。
电解水产生的氢气储存在储氢罐中以便使用，储氢技术一般为高压压缩储氢，液态储氢和金属氧化物储氢，高压压缩储氢技术相对比较成熟，是较为合适的储氢方式。氧气存储在储氧罐中。
电解水制氢会产生较大的热能，这些热能可以通过热存储的方式将能量存储起来。储热单元为熔融盐储热单元。
在电解水制氢时会产生大量的氧气，在电解水的常规应用领域中，副产物氧气很少使用，并且通常释放到大气中，即使其具有高纯度。在较大型的制氢工厂中，产生的氧气的量也是巨大的，蕴含了较高的能量价值，将这些氧气加以利用尤为必要。将氧气辅助燃料燃烧，产生高温利用于固体氧化物电解池，节省了产热成本，省去了氧气运输所需要的费用，可以实现能源的就地消纳, 并且产生的高温正好可以满足固体氧化物电解池的温度需求(800℃～1000℃)。所述的燃烧产热单元的燃料为天然气或其他燃料。本发明利用氧气会产生高温的原理，将产生的氧气就地利用，产生的氧气经过制热单元产生热能，并供给储热单元。
储热单元为熔融盐储热单元，储热单元可以将热能存储，并在需要的时候通过热能的方式释放。熔融盐是盐的熔融态液体，具有良好的导电性能和广泛地温度使用范围，价格低廉，具有较高的工作温度和蓄热功能。熔融盐储能技术具有成本低、热容高、安全性好等优点。常见的熔融盐由碱金属或碱土金属与卤化物、硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐、以及磷酸盐组成。熔融盐通过材料温度的上升或下降储存热能，或者通过蓄热材料发生相变时吸收或放出热量实现能量的储存，储存的能量可以通过热能或电能的方式释放。熔融盐储热系统包括熔融盐材料、储热罐、绝缘层、基质、换热器、硝酸盐泵、辅助系统等，与其他种类储能方式相比，成本相对较低。
图4为热能的传递方式图，经步骤14熔融盐材料吸收来自电解池以及氧气辅助燃烧产生的热能，再经过步骤15储热单元将电解水制氢释放的热能以及氧气产生的热能经过熔融盐储热罐进行存储，并在固体氧化物电解池需要时，通过步骤16由换热器将热能释放至固体氧化物电解池，供固体氧化物电解池制氢，为其提供高温水蒸气。
该发明采用风电制热单元以及储热单元共同为固体氧化物电解池提供 800℃～1000℃的高温运行条件。储热单元为熔融盐储热单元，储热单元的能量来源于电解水产生的热能以及氧气制热单元产生的热能，储热单元通过释放热能为固体氧化物电解池提供高温运行条件。储热单元和风电制热单元配合运行，确保固体氧化物电解池可以达到其额定运行温度(800℃～1000℃)。
储能电池通过电力电子变换装置接入控制和监测系统，为其供电。电力电子变换装置包括DC/DC变换器和DC/AC变流器，DC/DC变换器将储能电池产生的强电变换成弱电，DC/AC变流器将直流电转换为可供控制系统以及监测系统使用的交流电。
以上未述部分本领域技术人员均能实施。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种风电、光电储能及离/并网制氢系统，其特征在于：包括制氢装置，该制氢装置的电源为主风电场风力发电机组电网和储能单元，该储能单元与制氢工厂的垂直轴风力发电机组以及光伏电池板为辅助发电单元相连；
所述制氢装置包括碱性电解池，高温运行的固体氧化物电解池，氧气辅助燃烧产热单元和储热单元，风电制热单元；碱性电解池与氧气辅助燃烧产热单元相连，氧气辅助燃烧产热单元与储热单元相连，风电制热单元与固体氧化物电解池相连，储热单元与固体氧化物电解池相连；储热单元为熔融盐储热单元；
具体连接方式为：风场风力发电机组的输出端与风场风机侧AC/DC整流器连接，风场风机侧AC/DC整流器接入直流母线，直流母线设有开关，直流母线第一输出端连接并网侧DC/AC逆变器输入端，并网侧DC/AC逆变器输出端连接变压器，变压器输出端与电网相连接；垂直轴风力发电机输出端与垂直轴风力发电机侧AC/DC整流器输入端连接，垂直轴风力发电机侧AC/DC整流器输入端连接与储能单元连接；太阳能电池板与太阳能电池板侧DC/DC变换器连接，太阳能电池板侧DC/DC变换器与储能单元连接；储能单元与制氢侧输入端以及直流母线第二输出端连接；储能单元还通过电力电子变换装置与控制和监测系统相连接；制氢侧DC/DC变换器第二输出端与固体氧化物制氢电解池输入端连接；制氢侧DC/DC变换器第一输出端与碱性制氢电解池输入端连接；当满足电网需求的前提下，电网多余的电与制氢装置相连；当电网制氢功率过低时，储能单元的电能与制氢装置相连；还包括控制系统和监测系统。
2.如权利要求1所述的风电、光电储能及离/并网制氢系统，其特征在于：控制系统包括制氢及并网功率控制、制氢功率调节和控制、制氢电压控制、液位控制、电解池温度控制、电解池循环量的控制、氢氧纯度的控制，以及储氢过程中的充氢控制和供氢控制。
3.如权利要求1所述的风电、光电储能及离/并网制氢系统，其特征在于：监测系统包括：制氢及并网功率监测、制氢功率监测、电压监测、液位监测、电解池温度监测、氢气及氧气纯度监测、以及储氢压力监测。
4.如权利要求1所述的风电、光电储能及离/并网制氢系统，其特征在于：所述熔融盐储热单元包括熔融盐材料、储热罐、绝缘层、基质、换热器、硝酸盐泵、辅助系统，所述的熔融盐材料包括硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐或磷酸盐；所述氧气辅助燃烧单元的燃料包括液化气或天然气。
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