CN109936156A - 一种高效率高安全风电制氢调峰调频系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效率高安全风电制氢调峰调频系统，包括风力发电系统、功率分配器、变压器、AC‑DC控制器、超级电容器、DC‑AC控制器、蓄电池、电解槽、电解液储罐、燃料电池及协调控制器，该系统能够有效的防止电解槽与燃料电池的频繁开关，且系统的动态响应速度、安全性及稳定性较高。
Description
技术领域
本发明属于制氢和风电调峰调频领域，涉及一种高效率高安全风电 制氢调峰调频系统。
背景技术
随着我国对可再生能源发展的积极推进，努力提高可再生能源在我 国能源消费结构中的比重，希望可以缓解我国能源需求增长过快的压力 和改善生态环境。风能作为一种可再生能源，因其储量丰富、清洁环保、 便于规模化开发等优点受到广泛关注。现设定的目标是：到2020年、2030 年和2050年，风电装机容量将分别达到2亿千瓦、4亿千瓦和10亿千瓦，到2050年满足17％的电力需求。但是，风力发电存在以下几个方面 的缺陷：(1)风力发电的不确定性高，风电输出功率和频率的波动随着 风速的变化而变化，因此，受季节、环境、位置等影响较大，其输出电 能质量较差、可靠性低，大规模风电并网给电网安全稳定运行带来影响； (2)由于风力发电的不稳定性，电网对风力发电的消纳有限，造成弃风 弃电严重，造成资源的严重浪费。目前，解决风电消纳问题已成为风电 场能否盈利及风电行业进一步发展的关键。除更为准确的减小风电功率 预测误差、减少被考核之外；减小风电功率波动，降低由于风电不确定 性对电网安全稳定造成的影响，以及减少风电弃风问题，提高能源利用 率，成为目前国内外研究的重点。
电解制氢属高能耗产业，用电成本是电解制氢的主要瓶颈，大规模、 低成本的可再生能源制氢技术必将推动氢能发展。而把电解水制氢与调 整并网风电品质的技术路线相结合，利用闲置的风能支撑电解水制氢消 耗的电能，不仅可能提升风电系统的能源利用效率，减少为控制发电品 质和电网调峰等要求而采用的刹车制动或其它系统调整动作，降低发电 控制系统的运行和维护成本，而且生产出附加产品氢气，实现了风能资 源的综合利用。利用清洁的风力发电，进行电解水制氢，从而将风电高 效的进行利用，这种方式为风电企业解决弃风和限电问题以及低成本制 氢找到了一种崭新的途径。
但是，由于风电功率输出具有随机性、间歇性和波动性，在电解制 氢系统中，电源直接接入电解槽时，会对产氢量及电解槽的使用寿命造 成影响。现有技术对电解槽的控制策略比较简单，一般采用电解槽的额 定功率进行控制，但是这种功率波动较大的情况下，对电解槽的启停十 分频繁，严重损害电解槽的稳定性和安全性，造成电解制氢的成本增加。 因此，如何提高用于水电解制氢的电解槽对风机系统波动电源的适应性， 提高能量转化效率，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种高效率高 安全风电制氢调峰调频系统，该系统能够有效的防止电解槽与燃料电池 的频繁开关，且系统的动态响应速度、安全性及稳定性较高。
为达到上述目的，本发明所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系 统包括风力发电系统、功率分配器、变压器、AC-DC控制器、超级电容 器、DC-AC控制器、蓄电池、电解槽、电解液储罐、燃料电池及协调控 制器；
风力发电系统的输出端与功率分配器的输入端相连接，功率分配器 的两个输出端分别与变压器的输入端及AC-DC控制器的输入端相连接， AC-DC控制器的输出端与超级电容器的充电接口相连接，超级电容器的 放电接口与DC-AC控制器的输入端及蓄电池的充电接口相连接，蓄电 池与电解槽的电源接口相连接，电解液储罐的出口与电解槽的电解液入 口相连通，电解槽的阴极产物出口依次经氢气缓冲罐、氢气压缩机及储 氢罐与燃料电池的氢气入口相连通，燃料电池的输出端与DC-AC控制器 的输入端相连接，DC-AC控制器的输出端与变压器的输入端相连接，变 压器的输出端与电网相连接；
协调控制器与燃料电池、超级电容器、风力发电系统、电解槽及功 率分配器相连接。
还包括氧气缓冲罐、氧气压缩机及储氧罐，其中，电解槽的阳极产 物出口依次经氧气缓冲罐及氧气压缩机与储氧罐相连通。
电解液储罐与电解槽的电解液入口之间设置有流量调节阀。
电解槽中的电解液为浓度为30％的KOH溶液，电解槽中阴极的材料 为Pt、Ru、Rh、Ir、Ni、Co、Fe、Zn及Ti中的一种或者几种的合金， 电解槽中阳极的材料为镍基金属或合金氧化物。
氢气缓冲罐及氧气缓冲罐均设置有用于除去碱液及水的过滤装置。
在工作时，当风力发电系统的发电功率大于电网需求时，协调控制 器控制功率分配器将风力发电系统产生的多余电量经AC-DC控制器存储 于超级电容器中，当超级电容器充满电后，则对蓄电池进行充电，当蓄 电池充满电后，协调控制器控制电解槽工作，电解槽电解电解液制氢。
当风力发电系统的输出功率不能满足电网需求，协调控制器率先控 制超级电容器经过DC-AC控制器将直流电转化为交流电，然后再向电网 供电；当超级电容器的电量供电不足时，协调控制器控制燃料电池启动， 通过燃料电池对电网进行放电；同时，电解槽正常工作，利用蓄电池提 供的电能电解水制氢，当蓄电池的剩余电量小于预设最低电量时，协调 控制器关闭电解槽。
氧气压缩机入口处氧气的纯度大于等于99.9％；
氢气压缩机入口处氢气的纯度大于等于99.9％。
电解槽的温度范围是0-40℃。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系统在具体操作时， 通过超级电容、蓄电池、电解槽及燃料电池相结合，以消纳风力发电系 统的弃风功率及调频，提高风力发电系统的发电效率，同时需要说明的 是，本发明在具体操作时，当风力发电系统的发电功率大于电网需求时， 协调控制器控制功率分配器将风力发电系统产生的多余电量存储于超级 电容器中，当超级电容器充满电后，再对蓄电池供电，蓄电池对电解槽 供电电解制氢；当风力发电系统的输出功率不能满足电网需求时，则首 先通过超级电容器对电网进行放电，当超级电容器电量不足时，再启动 燃料电池工作，此时蓄电池继续维持对电解槽供电制氢，直至蓄电池电 量低至一定量后，关闭电解槽；对电解槽加装储能电池，保证储能电池 电量处于一定范围内，能够有效地防止电解装置由于风电功率波动导致 的频繁地开关，能够有效的提高系统的稳定性、安全性和使用寿命；另 外，需要说明的是，当风力发电系统的输出功率波动时，本发明先通过 超级电容器充电或放电，利用超级电容器储能内阻小、循环寿命长、功 率密度高及响应速度快的特点，有效的平抑风电的波动性，减少风电波动对电网及电解槽的直接冲击，同时通过超级电容器弥补燃料电池动态 响应速度慢的问题，以提升系统的动态响应速度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为风力发电系统、2为功率分配器、3为AC-DC控制器、4 为超级电容器、5为电解槽、6为蓄电池、7为电解液储罐、8为氧气缓 冲罐、9为氢气缓冲罐、10为氧气压缩机、11为氢气压缩机、12为储氢 罐、13为储氧罐、14为燃料电池、15为协调控制器、16为DC-AC控制器、17为变压器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范 围。
参考图1，本发明所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系统包括 风力发电系统1、功率分配器2、变压器17、AC-DC控制器3、超级电 容器4、DC-AC控制器16、蓄电池6、电解槽5、电解液储罐7、燃料 电池14及协调控制器15；风力发电系统1的输出端与功率分配器2的输入端相连接，功率分配器2的两个输出端分别与变压器17的输入端及 AC-DC控制器3的输入端相连接，AC-DC控制器3的输出端与超级电 容器4的充电接口相连接，超级电容器4的放电接口与DC-AC控制器 16的输入端及蓄电池6的充电接口相连接，蓄电池6与电解槽5的电源 接口相连接，电解液储罐7的出口与电解槽5的电解液入口相连通，电 解槽5的阴极产物出口依次经氢气缓冲罐9、氢气压缩机11及储氢罐12 与燃料电池14的氢气入口相连通，燃料电池14的输出端与DC-AC控制 器16的输入端相连接，DC-AC控制器16的输出端与变压器17的输入端 相连接，变压器17的输出端与电网相连接；协调控制器15与燃料电池 14、超级电容器4、风力发电系统1、电解槽5及功率分配器2相连接， 其中，电解液储罐7与电解槽5的电解液入口之间设置有流量调节阀。
本发明还包括氧气缓冲罐8、氧气压缩机10及储氧罐13，其中，电 解槽5的阳极产物出口依次经氧气缓冲罐8及氧气压缩机10与储氧罐 13相连通，氧气压缩机10入口处氧气的纯度大于等于99.9％。
本发明氢气压缩机11入口处氢气的纯度大于等于99.9％，且氢气缓 冲罐9及氧气缓冲罐8均设置有用于除去碱液及水的过滤装置。
电解槽5中的电解液为浓度为30％的KOH溶液，电解槽5中阴极的 材料为Pt、Ru、Rh、Ir、Ni、Co、Fe、Zn及Ti中的一种或者几种的合 金，电解槽5中阳极的材料为镍基金属或合金氧化物，且电解槽5的温 度范围为0℃-40℃，电解槽5中发生的电解反应为：
阳极反应方程式：4OH－→O2↑+2H2O+4e－
阴极反应方程式：2H2O+2e－→H2↑+2OH－
总反应方程式：2H2O→2H2↑+O2↑
在工作时，当风力发电系统1的发电功率大于电网需求时，协调控 制器15控制功率分配器2将风力发电系统1产生的多余电量经AC-DC 控制器3存储于超级电容器4中，当超级电容器4充满电后，则对蓄电 池6进行充电，当蓄电池6充满电后，协调控制器15控制电解槽5工作， 电解槽5电解电解液制氢。
当风力发电系统1的输出功率不能满足电网需求，协调控制器15 率先控制超级电容器4经过DC-AC控制器16将直流电转化为交流电，向 电网供电；当超级电容器4的电量供电不足时，协调控制器15控制燃料 电池14启动，通过燃料电池14对电网进行放电；同时，电解槽5正常 工作，利用蓄电池6提供的电能电解水制氢，当蓄电池6的剩余电量小 于30％时，协调控制器15关闭电解槽5，待风力发电系统1的输出功率 大于电网需求时，再重复以上对超级电容器4及蓄电池6充电的过程。
燃料电池14中发生的化学反应如下：
阳极反应方程式：2H2－4e－→4H+
阴极反应方程式：O2+4e－+2H2O→4OH－
总反应方程式：2H2+O2→2H2O
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可 通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的， 例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另 外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系 统，或一些特征可以忽略，或不执行。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单 元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集 成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以 采用软件功能单元的形式实现。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或 直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保 护范围内。
Claims (9)
1.一种高效率高安全风电制氢调峰调频系统，其特征在于，包括风力发电系统(1)、功率分配器(2)、变压器(17)、AC-DC控制器(3)、超级电容器(4)、DC-AC控制器(16)、蓄电池(6)、电解槽(5)、电解液储罐(7)、燃料电池(14)及协调控制器(15)；
风力发电系统(1)的输出端与功率分配器(2)的输入端相连接，功率分配器(2)的两个输出端分别与变压器(17)的输入端及AC-DC控制器(3)的输入端相连接，AC-DC控制器(3)的输出端与超级电容器(4)的充电接口相连接，超级电容器(4)的放电接口与DC-AC控制器(16)的输入端及蓄电池(6)的充电接口相连接，蓄电池(6)与电解槽(5)的电源接口相连接，电解液储罐(7)的出口与电解槽(5)的电解液入口相连通，电解槽(5)的阴极产物出口依次经氢气缓冲罐(9)、氢气压缩机(11)及储氢罐(12)与燃料电池(14)的氢气入口相连通，燃料电池(14)的输出端与DC-AC控制器(16)的输入端相连接，DC-AC控制器(16)的输出端与变压器(17)的输入端相连接，变压器(17)的输出端与电网相连接；
协调控制器(15)与燃料电池(14)、超级电容器(4)、风力发电系统(1)及功率分配器(2)相连接。
2.根据权利要求1所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系统，其特征在于，还包括氧气缓冲罐(8)、氧气压缩机(10)及储氧罐(13)，其中，电解槽(5)的阳极产物出口依次经氧气缓冲罐(8)及氧气压缩机(10)与储氧罐(13)相连通。
3.根据权利要求1所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系统，其特征在于，电解液储罐(7)与电解槽(5)的电解液入口之间设置有流量调节阀。
4.根据权利要求1所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系统，其特征在于，电解槽(5)中的电解液为浓度为30％的KOH溶液，电解槽(5)中阴极的材料为Pt、Ru、Rh、Ir、Ni、Co、Fe、Zn及Ti中的一种或者几种的合金，电解槽(5)中阳极的材料为镍基金属或合金氧化物。
5.根据权利要求1所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系统，其特征在于，氢气缓冲罐(9)及氧气缓冲罐(8)均设置有用于除去碱液及水的过滤装置。
6.根据权利要求1所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系统，其特征在于，在工作时，当风力发电系统(1)的发电功率大于电网需求时，协调控制器(15)控制功率分配器(2)将风力发电系统(1)产生的多余电量经AC-DC控制器(3)存储于超级电容器(4)中，当超级电容器(4)充满电后，则对蓄电池(6)进行充电，当蓄电池(6)充满电后，协调控制器(15)控制电解槽(5)工作，电解槽(5)电解电解液制氢。
7.根据权利要求1所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系统，其特征在于，当风力发电系统(1)的输出功率不能满足电网需求，协调控制器(15)率先控制超级电容器(4)经过DC-AC控制器(16)将直流电转化为交流电，然后再向电网供电；当超级电容器(4)的电量供电不足时，协调控制器(15)控制燃料电池(14)启动，通过燃料电池(14)对电网进行放电；同时，电解槽(5)正常工作，利用蓄电池(6)提供的电能电解水制氢，当蓄电池(6)的剩余电量小于预设最低电量时，协调控制器(15)关闭电解槽(5)。
8.根据权利要求1所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系统，其特征在于，氧气压缩机(10)入口处氧气的纯度大于等于99.9％；氢气压缩机(11)入口处氢气的纯度大于等于99.9％。
9.根据权利要求1所述的高效率高安全风电制氢调峰调频系统，其特征在于，所述电解槽的温度范围是0-40℃。
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