CN110266040A - 一种风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统及方法。太阳能、风电的发电比例不断增大，弃风、弃光的形势非常严峻，而质子交换膜燃料电池随着技术突破，其可靠性、性能指标、寿命周期都大幅提升，已经进入商业运行阶段。本发明利用质子交换膜燃料电池综合利用弃风弃光能源，通过光伏阵列和风力发电机产生的富余电力电解水，产生氢气和氧气，在质子交换膜燃料电池中发生电化学反应，将燃料的化学能直接转化为电能，不需要经过热机卡诺循环，反应产物为水，形成清洁环保的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统及方法，能充分利用弃风、弃光能源并转化为氢能存储，通过质子交换膜燃料电池发电可满足用电高峰或无风无光情况下的负荷需求，属于多能互补混合发电技术领域。
背景技术
随着能源结构调整和供给侧结构性改革的不断深入，为了进一步提升清洁能源比重，势必将大幅增加太阳能、风电的发电比例，然而受限于电源、电网、负荷等因素的影响，风、光电等可再生能源消纳问题一直是发展可再生能源的重要任务，目前弃风、弃光的形势依然严峻。质子交换膜燃料电池随着技术突破，其可靠性、性能指标、寿命周期都大幅提升，已经进入商业运行阶段。质子交换膜燃料电池通过氢气和氧气的电化学反应，将燃料的化学能直接转化为电能，不需要经过热机卡诺循环，反应产物为水，是清洁、高效、环保的第四代发电技术。基于此，提出一种充分利用弃风、弃光能源，联合质子交换膜燃料电池，形成风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统。这种混合发电系统可显著提高能源的利用效率，减少化石燃料的消耗，环境友好、清洁节能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统及方法，通过质子交换膜燃料电池消纳弃风、弃光的能源，解决弃风、弃光问题，同时为终端负载提供多种发电形式的电力。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统，其特征是，包括光伏阵列、一号DC/DC转换器、直流总线、 二号DC/DC转换器、电解槽、风力发电机、 三号DC/DC转换器、超级电容、储氢罐、储氧罐、终端负载、交流总线、DC/AC转换器、双向DC/DC转换器、质子交换膜燃料电池、母线开关和电网；所述光伏阵列通过一号DC/DC转换器与直流总线连接，所述风力发电机通过三号DC/DC转换器与直流总线连接；所述直流总线通过DC/AC转换器与交流总线连接，所述交流总线与终端负载连接；所述直流总线还与二号DC/DC转换器连接，所述二号DC/DC转换器分别与电解槽和超级电容连接，所述电解槽分别与储氢罐和储氧罐连接，所述储氢罐和储氧罐均与质子交换膜燃料电池连接；所述超级电容和质子交换膜燃料电池均通过双向DC/DC转换器与直流总线连接；所述电网通过母线开关与交流总线连接。
进一步的，所述质子交换膜燃料电池的氢气进口与储氢罐的出口连接，所述质子交换膜燃料电池的空气进口与电解槽的氧气出口连接，所述质子交换膜燃料电池的生成水出口与电解槽的工质水进口连接。
进一步的，所述光伏阵列的发电端通过一号DC/DC转换器向所述直流总线供电。所述风力发电机的发电端通过三号DC/DC转换器向所述直流总线供电。所述直流总线通过D二号DC/DC转换器分别向所述电解槽供电和所述超级电容蓄电。所述质子交换膜燃料电池的发电端通过双向DC/DC转换器分别向所述超级电容储电或向直流总线供电。所述直流总线通过DC/AC转换器向交流总线供电，所述电网通过母线开关向所述交流总线供电，所述交流总线向终端负载提供电力负荷。
进一步的，所述光伏阵列和风力发电机产生电力分别通过一号DC/DC转换器和三号DC/DC转换器向直流总线供电，一方面可以通过所述DC/AC转换器和交流总线直接为终端负载提供电负荷，另一方面富余的电力用于为电解槽供电，通过电解水，将电力转化为化学能形式储存在所述储氢罐和储氧罐内，或通过所述二号DC/DC转换器以电的形式储存在超级电容内。
进一步的，当有负载需求时，所述光伏阵列和风力发电机产生的电力分别通过一号DC/DC转换器和三号DC/DC转换器向直流总线供电，并经过所述DC/AC转换器与所述交流总线，不需通过储能环节，直接向终端负载供电。
进一步的，当终端负载无法完全消纳光伏阵列和风力发电机所产生的电力时，富余的电力首先用于为所述电解槽供电，通过电解水，将电力转化为化学能形式储存在所述储氢罐和储氧罐内，其次通过所述二号DC/DC转换器以电的形式储存在超级电容内。
进一步的，当光伏阵列与风力发电机所发电力不足以提供终端负载的需求时，首先利用超级电容储电，通过双向DC/DC转换器与直流总线，并经过DC/AC转换器与交流总线，向终端负载供电；然后利用所述储氢罐和储氧罐同时分别释放氢气和氧气，在所述质子交换膜燃料电池中发生电化学反应，产生电力通过双向DC/DC转换器和直流总线，并经过DC/AC转换器与交流总线，向终端负载供电。
进一步的，当终端负载需求达到高峰时，缺口部分通过闭合所述母线开关，利用所述电网，经所述交流总线提供电负荷。
进一步的，所述质子交换膜燃料电池产生的水作为电解槽的原料，不足部分再由外界提供。
所述的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统的工作方法，其特征是，过程如下：
在日照和风力资源丰富时，光伏阵列与风力发电机按额定功率发电，分别通过各自的一号DC/DC转换器和三号DC/DC转换器后，经直流总线、DC/AC转换器、交流总线向终端负载提供电负荷；
终端负载无法消纳的富余电力通过二号DC/DC转换器为电解槽供电，电解水产生氢气和氧气，分别储存在储氢罐和储氧罐内，以化学能形式储存弃风弃光的能量；
储氢罐和储氧罐达到额定容量后，更多富余的电力再通过二号DC/DC转换器向超级电容蓄电，以电能形式储存弃风弃光的能量；
在日照和风力资源不足时，光伏阵列与风力发电机所发电力不足以提供终端负载要求，首先将超级电容存储的电能通过双向DC/DC转换器、直流总线、DC/AC转换器向终端负载提供电负荷；
超级电容存储的电量释放完后，开始释放储氢罐和储氧罐中的氢气和氧气，通过质子交换膜燃料电池发生电化学反应产生电力，通过双向DC/DC转换器、直流总线、DC/AC转换器向终端负载提供电负荷；
质子交换膜燃料电池产生的富余电力经双向DC/DC转换器存储在超级电容内；
质子交换膜燃料电池产生的水提供给电解槽作为反应的原料；
超级电容、质子交换膜燃料电池所储存的电量释放完毕后，若终端负载仍有需求，闭合母线开关，通过电网向终端负载供电。
进一步的，电网始终作为光伏阵列、风力发电机、超级电容和质子交换膜燃料电池的有力补充和最后被选择的供电方式。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1.本发明的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统，可以同时向负载提供风电、太阳能发电、质子交换膜燃料电池发电等多种形式电力。
2.本发明的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统，当太阳能、风能资源丰富时，除满足终端负载所需电力负荷外，富余的电力通过电解槽电解工质水，产生氢气和氧气，其中氢气保存在储氢罐中，氧气保存在储氧罐中，将弃风、弃光能源以化学能的形式储能。
3.本发明的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统，当太阳能、风能资源产生的电力不足于满足终端负载时，质子交换膜燃料电池消耗氢气和氧气产生电力将弃风、弃光能源以电力形式释放出来弥补负载的不足，大大提高能源的综合利用效率。
4.本发明的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统，当负载出现极端高峰时，风电、太阳能发电、质子交换膜燃料电池发电仍不能满足所需负荷，可通过电网供电弥补缺口。
5.本发明的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统，可将富余的风电、太阳能发电、质子交换膜燃料电池发电以电能形式存储在超级电容中以备需要时使用。
附图说明
图1是本发明实施例中风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统的结构示意图。
图中：光伏阵列1、一号DC/DC转换器2、直流总线3、二号DC/DC转换器4、电解槽5、风力发电机6、三号DC/DC转换器7、超级电容8、储氢罐9、储氧罐10、终端负载11、交流总线12、DC/AC转换器13、双向DC/DC转换器14、质子交换膜燃料电池15、母线开关16、电网17。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
参见图1，本实施例中的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统，包括光伏阵列1、一号DC/DC转换器2、直流总线3、 二号DC/DC转换器4、电解槽5、风力发电机6、三号DC/DC转换器7、超级电容8、储氢罐9、储氧罐10、终端负载11、交流总线12、DC/AC转换器13、双向DC/DC转换器14、质子交换膜燃料电池15、母线开关16和电网17；
光伏阵列1通过一号DC/DC转换器2与直流总线3连接，风力发电机6通过三号DC/DC转换器7与直流总线3连接；直流总线3通过DC/AC转换器13与交流总线12连接，交流总线12与终端负载11连接；直流总线3还与二号DC/DC转换器4连接，二号DC/DC转换器4分别与电解槽5和超级电容8连接，电解槽5分别与储氢罐9和储氧罐10连接，储氢罐9和储氧罐10均与质子交换膜燃料电池15连接；超级电容8和质子交换膜燃料电池15均通过双向DC/DC转换器14与直流总线3连接；电网17通过母线开关16与交流总线12连接。
其中，质子交换膜燃料电池15的氢气进口与储氢罐9的出口连接，质子交换膜燃料电池15的空气进口与电解槽5的氧气出口连接，质子交换膜燃料电池15的生成水出口与电解槽5的工质水进口连接。
在本实施例中，白天日照强度很强且无风时，光伏阵列1发电，通过一号DC/DC转换器2后，经直流总线3、DC/AC转换器13、交流总线12向终端负载11提供电负荷，若光伏阵列1发电足以提供终端负载11要求，富余的部分电力首先选择通过二号DC/DC转换器4为电解槽5供电，电解水产生氢气和氧气，分别储存在储氢罐9和储氧罐10内，其次选择通过二号DC/DC转换器4向超级电容8蓄电；若光伏阵列发电1不足以提供终端负载要求，缺口的部分首先选择超级电容8通过双向DC/DC转换器14、直流总线3、DC/AC转换器13向终端负载11提供电负荷，其次选择来自质子交换膜燃料电池15，通过双向DC/DC转换器14、直流总线3、DC/AC转换器13向终端负载11提供电负荷；若终端负载11需求高峰时，通过电网17、开关16、交流总线12弥补缺口部分。
在本实施例中，夜间风量很大时，风力发电机6发电，通过三号DC/DC转换器7后，经直流总线3、DC/AC转换器13、交流总线12向终端负载11提供电负荷，若风力发电机6发电足以提供终端负载11要求，富余的部分电力首先选择通过二号DC/DC转换器4为电解槽5供电，电解水产生氢气和氧气，分别储存在储氢罐9和储氧罐10内，其次选择通过二号DC/DC转换器4向超级电容8蓄电；若风力发电机6不足以提供终端负载要求，缺口的部分首先选择超级电容8通过双向DC/DC转换器14、直流总线3、DC/AC转换器13向终端负载11提供电负荷，其次选择来自质子交换膜燃料电池15，通过双向DC/DC转换器14、直流总线3、DC/AC转换器13向终端负载11提供电负荷；若终端负载11需求高峰时，通过电网17、开关16、交流总线12弥补缺口部分。
在本实施例中，白天日照强度很强且风量很大时，光伏阵列1与风力发电机6共同发电，分别通过一号DC/DC转换器2和三号DC/DC转换器7后，经直流总线3、DC/AC转换器13、交流总线12向终端负载11提供电负荷，若光伏阵列1与风力发电机6所发电力足以提供终端负载11要求，富余的部分电力首先选择通过二号DC/DC转换器4为电解槽5供电，电解水产生氢气和氧气，分别储存在储氢罐9和储氧罐10内，其次选择通过二号DC/DC转换器4向超级电容8蓄电；若光伏阵列1与风力发电机6所发电力不足以提供终端负载要求，缺口的部分首先选择超级电容8通过双向DC/DC转换器14、直流总线3、DC/AC转换器13向终端负载11提供电负荷，其次选择来自质子交换膜燃料电池15，通过双向DC/DC转换器14、直流总线3、DC/AC转换器13向终端负载11提供电负荷；若终端负载11需求高峰时，通过电网17、开关16、交流总线12弥补缺口部分。
在本实施例中，白天无日照但风量很大时，风力发电机6发电，通过三号DC/DC转换器7后，经直流总线3、DC/AC转换器13、交流总线12向终端负载11提供电负荷，若风力发电机6发电足以提供终端负载11要求，富余的部分电力首先选择通过二号DC/DC转换器4为电解槽供电，电解水产生氢气和氧气，分别储存在储氢罐9和储氧罐10内，其次选择通过二号DC/DC转换器4向超级电容8蓄电；若风力发电机6不足以提供终端负载要求，缺口的部分首先选择超级电容8通过双向DC/DC转换器14、直流总线3、DC/AC转换器13向终端负载11提供电负荷，其次选择来自质子交换膜燃料电池15，通过双向DC/DC转换器14、直流总线3、DC/AC转换器13向终端负载11提供电负荷；若终端负载11需求高峰时，通过电网17、开关16、交流总线12弥补缺口部分。
在本实施例中，白天无日照且无风时，首先选择超级电容8通过双向DC/DC转换器14、直流总线3、DC/AC转换器13向终端负载11提供电负荷，其次选择来自质子交换膜燃料电池15，通过双向DC/DC转换器14、直流总线3、DC/AC转换器13向终端负载11提供电负荷；若终端负载11需求高峰时，通过电网17、开关16、交流总线12弥补缺口部分。
在本实施例中，夜间无风时，首先选择超级电容8通过双向DC/DC转换器14、直流总线3、DC/AC转换器13向终端负载11提供电负荷，其次选择来自质子交换膜燃料电池15，通过双向DC/DC转换器14、直流总线3、DC/AC转换器13向终端负载11提供电负荷；若终端负载11需求高峰时，通过电网17、开关16、交流总线12弥补缺口部分。
在本实施例中，超级电容8及质子交换膜燃料电池15都没有能量储存，且无风无光，则直接闭合母线开关16，通过电网17、交流总线12直接向终端负载11供电。
本实施例中的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电方法，其具体过程如下：
在日照和风力资源丰富时，光伏阵列1与风力发电机6按额定功率发电，分别通过各自的一号DC/DC转换器2和三号DC/DC转换器7后，经直流总线3、DC/AC转换器13、交流总线12向终端负载11提供电负荷；
终端负载11无法消纳的富余电力通过二号DC/DC转换器4为电解槽5供电，电解水产生氢气和氧气，分别储存在储氢罐9和储氧罐10内，以化学能形式储存弃风弃光的能量；
储氢罐9和储氧罐10达到额定容量后，更多富余的电力再通过二号DC/DC转换器4向超级电容8蓄电，以电能形式储存弃风弃光的能量；
在日照和风力资源不足时，光伏阵列1与风力发电机6所发电力不足以提供终端负载11要求，首先将超级电容8存储的电能通过双向DC/DC转换器14、直流总线3、DC/AC转换器13向终端负载11提供电负荷；
超级电容8存储的电量释放完后，开始释放储氢罐9和储氧罐10中的氢气和氧气，通过质子交换膜燃料电池15发生电化学反应产生电力，通过双向DC/DC转换器14、直流总线3、DC/AC转换器13向终端负载11提供电负荷；
质子交换膜燃料电池15产生的富余电力经双向DC/DC转换器14存储在超级电容8内；
质子交换膜燃料电池15产生的水提供给电解槽5作为反应的原料；
超级电容8、质子交换膜燃料电池15所储存的电量释放完毕后，若终端负载11仍有需求，闭合母线开关16，通过电网17向终端负载11供电。
虽然本发明以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更改，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统，其特征是，包括光伏阵列（1）、一号DC/DC转换器（2）、直流总线（3）、 二号DC/DC转换器（4）、电解槽（5）、风力发电机（6）、 三号DC/DC转换器（7）、超级电容（8）、储氢罐（9）、储氧罐（10）、终端负载（11）、交流总线（12）、DC/AC转换器（13）、双向DC/DC转换器（14）、质子交换膜燃料电池（15）、母线开关（16）和电网（17）；所述光伏阵列（1）通过一号DC/DC转换器（2）与直流总线（3）连接，所述风力发电机（6）通过三号DC/DC转换器（7）与直流总线（3）连接；所述直流总线（3）通过DC/AC转换器（13）与交流总线（12）连接，所述交流总线（12）与终端负载（11）连接；所述直流总线（3）还与二号DC/DC转换器（4）连接，所述二号DC/DC转换器（4）分别与电解槽（5）和超级电容（8）连接，所述电解槽（5）分别与储氢罐（9）和储氧罐（10）连接，所述储氢罐（9）和储氧罐（10）均与质子交换膜燃料电池（15）连接；所述超级电容（8）和质子交换膜燃料电池（15）均通过双向DC/DC转换器（14）与直流总线（3）连接；所述电网（17）通过母线开关（16）与交流总线（12）连接。
2.根据权利要求1所述的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统，其特征是，所述质子交换膜燃料电池（15）与电解槽（5）连接。
3.根据权利要求2所述的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统，其特征是，所述光伏阵列（1）和风力发电机（6）产生电力分别通过一号DC/DC转换器（2）和三号DC/DC转换器（7）向直流总线（3）供电，一方面可以通过所述DC/AC转换器（13）和交流总线（12）直接为终端负载（11）提供电负荷，另一方面富余的电力用于为电解槽（5）供电，通过电解水，将电力转化为化学能形式储存在所述储氢罐（9）和储氧罐（10）内，或通过所述二号DC/DC转换器（4）以电的形式储存在超级电容（8）内。
4.根据权利要求3所述的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统，其特征是，当有负载需求时，所述光伏阵列（1）和风力发电机（6）产生的电力分别通过一号DC/DC转换器（2）和三号DC/DC转换器（7）向直流总线（3）供电，并经过所述DC/AC转换器（13）与所述交流总线（12），不需通过储能环节，直接向终端负载（11）供电。
5.根据权利要求3所述的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统，其特征是，当终端负载（11）无法完全消纳光伏阵列（1）和风力发电机（6）所产生的电力时，富余的电力首先用于为所述电解槽（5）供电，通过电解水，将电力转化为化学能形式储存在所述储氢罐（9）和储氧罐（10）内，其次通过所述二号DC/DC转换器（4）以电的形式储存在超级电容（8）内。
6.根据权利要求3所述的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统，其特征是，当光伏阵列（1）与风力发电机（6）所发电力不足以提供终端负载（11）的需求时，首先利用超级电容（8）储电，通过双向DC/DC转换器（14）与直流总线（3），并经过DC/AC转换器（13）与交流总线（12），向终端负载（11）供电；然后利用所述储氢罐（9）和储氧罐（10）同时分别释放氢气和氧气，在所述质子交换膜燃料电池（15）中发生电化学反应，产生电力通过双向DC/DC转换器（14）和直流总线（3），并经过DC/AC转换器（13）与交流总线（12），向终端负载（11）供电。
7.根据权利要求3所述的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统，其特征是，当终端负载（11）需求达到高峰时，缺口部分通过闭合所述母线开关（16），利用所述电网（17），经所述交流总线（12）提供电负荷。
8.根据权利要求3所述的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统，其特征是，所述质子交换膜燃料电池（15）产生的水作为电解槽（5）的原料，不足部分再由外界提供。
9.一种如权利要求3-8中任一项所述的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统的工作方法，其特征是，过程如下：
在日照和风力资源丰富时，光伏阵列（1）与风力发电机（6）按额定功率发电，分别通过各自的一号DC/DC转换器（2）和三号DC/DC转换器（7）后，经直流总线（3）、DC/AC转换器（13）、交流总线（12）向终端负载（11）提供电负荷；
终端负载（11）无法消纳的富余电力通过二号DC/DC转换器（4）为电解槽（5）供电，电解水产生氢气和氧气，分别储存在储氢罐（9）和储氧罐（10）内，以化学能形式储存弃风弃光的能量；
储氢罐（9）和储氧罐（10）达到额定容量后，更多富余的电力再通过二号DC/DC转换器（4）向超级电容（8）蓄电，以电能形式储存弃风弃光的能量；
在日照和风力资源不足时，光伏阵列（1）与风力发电机（6）所发电力不足以提供终端负载（11）要求，首先将超级电容（8）存储的电能通过双向DC/DC转换器（14）、直流总线（3）、DC/AC转换器（13）向终端负载（11）提供电负荷；
超级电容（8）存储的电量释放完后，开始释放储氢罐（9）和储氧罐（10）中的氢气和氧气，通过质子交换膜燃料电池（15）发生电化学反应产生电力，通过双向DC/DC转换器（14）、直流总线（3）、DC/AC转换器（13）向终端负载（11）提供电负荷；
质子交换膜燃料电池（15）产生的富余电力经双向DC/DC转换器（14）存储在超级电容（8）内；
质子交换膜燃料电池（15）产生的水提供给电解槽（5）作为反应的原料；
超级电容（8）、质子交换膜燃料电池（15）所储存的电量释放完毕后，若终端负载（11）仍有需求，闭合母线开关（16），通过电网（17）向终端负载（11）供电。
10.根据权利要求9所述的风、光、质子交换膜燃料电池多能互补混合发电系统的工作方法，其特征是，电网（17）始终作为光伏阵列（1）、风力发电机（6）、超级电容（8）和质子交换膜燃料电池（15）的有力补充和最后被选择的供电方式。
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