CN110565108A - 一种风光水联合制氢系统及制氢方法 - Google Patents

一种风光水联合制氢系统及制氢方法 Download PDF

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Abstract

一种风光水联合制氢系统及制氢方法，该系统包括风力发电系统、光伏发电系统、水力发电系统、与水力发电系统通过供水系统连接的制氢系统，与风力发电系统、光伏发电系统、水力发电系统和制氢系统连接的控制系统，还包括通过变压器与控制系统连接的电网；风力发电系统通过风能发电，光伏发电系统通过太阳能发电，水力发电系统通过水位落差发电，三个发电系统产生的电能通过控制系统协调配置，电能充足时，通过变压器输送至电网，电能不足时，通过制氢系统制备并储存氢气；保证系统能够稳定、连续的运行。

Description

一种风光水联合制氢系统及制氢方法
技术领域
本发明属于制氢技术领域，具体涉及到一种风光水联合制氢系统及制氢方法。
背景技术
随着一次性能源的消耗殆尽和环保压力的逐渐增大，人们逐渐将目光转向风电、光伏等可再生能源，但是风光发电系统波动性大、不能够产生稳定的电能，一般在风光互补系统中加入储能或者水电来进行系统的调频或调峰。
除了可再生电力能源，氢能跟电力一样是将来支撑能源清洁化结构的重要能源之一，它具有清洁和低碳的作用，在使用过程中零排放，只生成水，污染物排放为零，目前主流的制氢方式有天然气制氢、煤炭制氢和工业副产氢，这些方式制氢追溯到上游一次能源仍然是煤和天然气。国内外像电解水这种制氢方式，占比非常有限的，使用可再生能源电解水制氢，既解决了能源的可再生问题，又可将多余的能源转变成氢能循环再利用。
目前在一些偏远地区，存在风电、光伏等可再生能源过剩的情况，或者是限电无法送出的情况，可以按照本发明建设一部分风光水联合制氢系统，制备的氢气再利用，避免能源的浪费。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种风光水联合制氢系统及制氢方法，本发明通过风光水系统联合提供持续的、稳定的、清洁的能源，产生的电能用来制备氢气，多余的电量可以送入电网。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种风光水联合制氢系统，包括由风力发电机组、变流器和风力发电控制器依次连接组成的风力发电系统1，由光伏发电单元、逆变器和光伏发电控制器依次连接组成的光伏发电系统2，由水利发电单元和水利发电控制器连接组成的水力发电系统3，与水力发电系统3通过供水系统6连接的制氢系统5，与风力发电系统1、光伏发电系统2、水力发电系统3和制氢系统5连接的控制系统4，还包括通过变压器与控制系统4连接的电网8；风力发电系统1通过风能发电，光伏发电系统2通过太阳能发电，水力发电系统3通过水位落差发电，三个发电系统产生的电能通过控制系统4协调配置，电能充足时，通过变压器7输送至电网8，电能不足时，通过制氢系统5制备并储存氢气。
所述制氢系统5包括电解槽54，设置在电解槽54内的电解棒52，电解槽54顶部的气体出口连通气体净化器55入口，气体净化器55出口连通气体分离器56入口，通气体分离56的氢气出口通过导管57连通储氢罐58，通气体分离56的氧气出口通过导管57连通储氧罐59；电解槽54通过进水管53与供水系统6连接以实现供水；电解棒52通过电解槽54外部的电极51连接控制系统4供电以实现电解水。
所述风力发电机系统1的装机容量在10KW及以上，风力发电机组包括水平轴风力发电机与垂直风力发电机，风力发电控制器通过变流器控制风力发电机组的启停。
所述光伏发电系统2的装机容量在10KW及以上，逆变器具备MPPT功能，光伏发电控制器通过逆变器光伏发电单元的启停。
所述水力发电系统3的装机容量在10KW及以上，水力发电控制器控制水利发电单元的启停。
所述风光水联合制氢系统的制氢方法，风力发电系统1通过风能发电，光伏发电系统2通过太阳能发电，水力发电系统3通过水位落差发电，三个发电系统产生的电能通过控制系统4协调控制，电能充足时，通过变压器7输送至电网8，电能不足时，通过制氢系统5制备并储存氢气；
制氢系统5的工作过程如下：制氢系统5由控制系统4提供电能通过电极51及电解棒52实现电解水，其中电解槽54内的水源由供水系统6通过进水管53进入电解槽54，电解产生的气体经过气体净化器55实现除湿及净化，随后进入气体分离器56进行分离，分离后的氢气通过导管57储存到储氢罐58中，产生的副产品氧气通过导管57储存到储氧罐59中。
控制系统4协调控制风力发电系统1、光伏发电系统2和水力发电系统3的发电过程如下：
风力发电系统1、光伏发电系统2和水力发电系统3产生的总功率为ΔP，公式如下：
ΔP＝ΔPwind+ΔPsoler+ΔPwater (1)
其中，ΔPwind为风力发电系统产生的功率，ΔPsoler为光伏发电系统产生的功率，ΔPwater为水力发电系统产生的功率；
整个风光水联合制氢系统消耗的总功率为ΔPw，公式如下：
ΔPw＝ΔPin+ΔPH (2)
其中ΔPin为系统运行、供水系统消耗的功率，ΔPH为制氢过程消耗的功率；
控制过程如下：
当时，即风力发电系统1、光伏发电系统2和水力发电系统3的产生的功率大于制氢系统运行功率时，制氢系统额定功率运行，多余的功率通过变压器7送入电网8发电；
当时，即风力发电系统1、光伏发电系统2和水力发电系统3的产生的功率小于等于制氢系统运行功率时，整个风光水联合制氢系统不并入电网8，风力发电系统1、光伏发电系统2和水力发电系统3产生的功率全部用来制氢。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明风力发电、光伏发电、水力发电均为可再生清洁能源，对环境无污染。
2、光伏发电系统只有白天日照充足才能工作，风力发电达到一定风速才能工作，风光系统联合发电具有一定的互补性，当风能和光伏发电能力不足时，使用水力发电给系统功能，保证系统能够稳定、连续的运行。
3、制氢系统通过系统本身提供电能，不需要从电网购电，节约了费用。
4、制氢系统存储氢能可以销售，产生的副产品氧气也可以销售，增加系统收益。
附图说明
图1为本发明风光水联合制氢系统框图。
图2为制氢系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种风光水联合制氢系统，包括由风力发电机组、变流器和风力发电控制器依次连接组成的风力发电系统1，由光伏发电单元、逆变器和光伏发电控制器依次连接组成的光伏发电系统2，由水利发电单元和水利发电控制器连接组成的水力发电系统3，与水力发电系统3通过供水系统6连接的制氢系统5，与风力发电系统1、光伏发电系统2、水力发电系统3和制氢系统5连接的控制系统4，还包括通过变压器与控制系统4连接的电网8；风力发电系统1通过风能发电，光伏发电系统2通过太阳能发电，水力发电系统3通过水位落差发电，三个发电系统产生的电能通过控制系统4协调配置，电能充足时，通过变压器7输送至电网8，电能不足时，通过制氢系统5制备并储存氢气。
如图2所示，所述制氢系统5包括电解槽54，设置在电解槽54内的电解棒52，电解槽54顶部的气体出口连通气体净化器55入口，气体净化器55出口连通气体分离器56入口，通气体分离56的氢气出口通过导管57连通储氢罐58，通气体分离56的氧气出口通过导管57连通储氧罐59；电解槽54通过进水管53与供水系统6连接以实现供水；电解棒52通过电解槽54外部的电极51连接控制系统4供电以实现电解水。
作为本发明的优选实施方式，所述风力发电机系统1的装机容量在10KW及以上，风力发电机组包括水平轴风力发电机与垂直风力发电机，风力发电控制器通过变流器控制风力发电机组的启停。
作为本发明的优选实施方式，所述光伏发电系统2的装机容量在10KW及以上，逆变器具备MPPT功能，光伏发电控制器通过逆变器光伏发电单元的启停。
作为本发明的优选实施方式，所述水力发电系统3的装机容量在10KW及以上，水力发电控制器控制水利发电单元的启停。
如图1所示，本发明风光水联合制氢系统的制氢方法，风力发电系统1通过风能发电，光伏发电系统2通过太阳能发电，水力发电系统3通过水位落差发电，三个发电系统产生的电能通过控制系统4协调控制，电能充足时，通过变压器7输送至电网8，电能不足时，通过制氢系统5制备并储存氢气。
如图2所示，制氢系统5的工作过程如下：制氢系统5由控制系统4提供电能通过电极51及电解棒52实现电解水，其中电解槽54内的水源由供水系统6通过进水管53进入电解槽54，电解产生的气体经过气体净化器55实现除湿及净化，随后进入气体分离器56进行分离，分离后的氢气通过导管57储存到储氢罐58中，产生的副产品氧气通过导管57储存到储氧罐59中。
本发明控制系统4协调控制风力发电系统1、光伏发电系统2和水力发电系统3的发电过程如下：
风力发电系统1、光伏发电系统2和水力发电系统3产生的总功率为ΔP，公式如下：
ΔP＝ΔPwind+ΔPsoler+ΔPwater (1)
其中，ΔPwind为风力发电系统产生的功率，ΔPsoler为光伏发电系统产生的功率，ΔPwater为水力发电系统产生的功率；
整个风光水联合制氢系统消耗的总功率为ΔPw，公式如下：
ΔPw＝ΔPin+ΔPH (2)
其中ΔPin为系统运行、供水系统消耗的功率，ΔPH为制氢过程消耗的功率；
控制过程如下：
当时，即风力发电系统1、光伏发电系统2和水力发电系统3的产生的功率大于制氢系统运行功率时，制氢系统额定功率运行，多余的功率通过变压器7送入电网8发电；
当时，即风力发电系统1、光伏发电系统2和水力发电系统3的产生的功率小于等于制氢系统运行功率时，整个风光水联合制氢系统不并入电网8，风力发电系统1、光伏发电系统2和水力发电系统3产生的功率全部用来制氢。

Claims (7)

1.一种风光水联合制氢系统，其特征在于：包括由风力发电机组、变流器和风力发电控制器依次连接组成的风力发电系统(1)，由光伏发电单元、逆变器和光伏发电控制器依次连接组成的光伏发电系统(2)，由水利发电单元和水利发电控制器连接组成的水力发电系统(3)，与水力发电系统(3)通过供水系统(6)连接的制氢系统(5)，与风力发电系统(1)、光伏发电系统(2)、水力发电系统(3)和制氢系统(5)连接的控制系统(4)，还包括通过变压器与控制系统(4)连接的电网(8)；风力发电系统(1)通过风能发电，光伏发电系统(2)通过太阳能发电，水力发电系统(3)通过水位落差发电，三个发电系统产生的电能通过控制系统(4)协调配置，电能充足时，通过变压器(7)输送至电网(8)，电能不足时，通过制氢系统(5)制备并储存氢气。
2.根据权利要求1所述的一种风光水联合制氢系统，其特征在于：所述制氢系统(5)包括电解槽(54)，设置在电解槽(54)内的电解棒(52)，电解槽(54)顶部的气体出口连通气体净化器(55)入口，气体净化器(55)出口连通气体分离器(56)入口，通气体分离(56)的氢气出口通过导管(57)连通储氢罐(58)，通气体分离(56)的氧气出口通过导管(57)连通储氧罐(59)；电解槽(54)通过进水管(53)与供水系统(6)连接以实现供水；电解棒(52)通过电解槽(54)外部的电极(51)连接控制系统(4)供电以实现电解水。
3.根据权利要求1所述的一种风光水联合制氢系统，其特征在于：所述风力发电机系统(1)的装机容量在10KW及以上，风力发电机组包括水平轴风力发电机与垂直风力发电机，风力发电控制器通过变流器控制风力发电机组的启停。
4.根据权利要求1所述的一种风光水联合制氢系统，其特征在于：所述光伏发电系统(2)的装机容量在10KW及以上，逆变器具备MPPT功能，光伏发电控制器通过逆变器光伏发电单元的启停。
5.根据权利要求1所述的一种风光水联合制氢系统，其特征在于：所述水力发电系统(3)的装机容量在10KW及以上，水力发电控制器控制水利发电单元的启停。
6.权利要求1至6任一项所述风光水联合制氢系统的制氢方法，其特征在于：风力发电系统(1)通过风能发电，光伏发电系统(2)通过太阳能发电，水力发电系统(3)通过水位落差发电，三个发电系统产生的电能通过控制系统(4)协调控制，电能充足时，通过变压器(7)输送至电网(8)，电能不足时，通过制氢系统(5)制备并储存氢气；
制氢系统(5)的工作过程如下：制氢系统(5)由控制系统(4)提供电能通过电极(51)及电解棒(52)实现电解水，其中电解槽(54)内的水源由供水系统(6)通过进水管(53)进入电解槽(54)，电解产生的气体经过气体净化器(55)实现除湿及净化，随后进入气体分离器(56)进行分离，分离后的氢气通过导管(57)储存到储氢罐(58)中，产生的副产品氧气通过导管(57)储存到储氧罐(59)中。
7.根据权利要求6所述的制氢方法，其特征在于：控制系统4协调控制风力发电系统(1)、光伏发电系统(2)和水力发电系统(3)的发电过程如下：
风力发电系统(1)、光伏发电系统(2)和水力发电系统(3)产生的总功率为ΔP，公式如下：
ΔP＝ΔPwind+ΔPsoler+ΔPwater (1)
其中，ΔPwind为风力发电系统产生的功率，ΔPsolar为光伏发电系统产生的功率，ΔPwater为水力发电系统产生的功率；
整个风光水联合制氢系统消耗的总功率为ΔPw，公式如下：
ΔPw＝ΔPin+ΔPH (2)
其中ΔPin为系统运行、供水系统消耗的功率，ΔPH为制氢过程消耗的功率；
控制过程如下：
当时，即风力发电系统(1)、光伏发电系统(2)和水力发电系统(3)的产生的功率大于制氢系统运行功率时，制氢系统额定功率运行，多余的功率通过变压器(7)送入电网(8)发电；
当时，即风力发电系统(1)、光伏发电系统(2)和水力发电系统(3)的产生的功率小于等于制氢系统运行功率时，整个风光水联合制氢系统不并入电网(8)，风力发电系统(1)、光伏发电系统(2)和水力发电系统(3)产生的功率全部用来制氢。
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