CN112634082A - 一种岛礁综合能源保障系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岛礁可再生能源与新能源多源互补综合能源保障系统，包括可再生能源发电机组、柴油发电机、锂电池组和岛礁电网构成的岛礁现有能源系统，还包括电解水制氢装置、海水纯化装置、氢气纯化装置、合金储氢罐和质子交换膜燃料电池模块构成的新能源互补系统。本发明利用岛礁风能、太阳能、潮汐能、波浪能等可再生能源发出的溢出或不稳定电能，将海水转化为稳定电能、可利用热能和淡水。
Description
技术领域
本发明属于氢燃料电池技术领域，特别涉及一种岛礁可再生能源与新能源多源互补的综合能源保障系统。
背景技术
我国南海岛礁众多，自然资源丰富，具有重要战略价值。但同时由于岛礁远离大陆，燃料补给困难，现有岛礁电网主要通过海底电缆与百公里外的调度控制中心连接供电，通过小型发电机供电和太阳能、波浪能、潮汐能、风能等可再生能源供电。
海底远距离电力输送技术难度高，无法保证部分远离大陆和海南岛的岛礁电力供应；可再生能源提供的电力不稳定，受季节、气候、天气、时间等因素影响强烈；燃机、柴油机等发电机组对能源保障要求较高，且对自然环境有一定程度破坏，所以在现有电力保障系统的基础上引进新的多源互补供能系统具有迫切的需求。
反渗海水淡化技术、电解水制氢技术、合金储氢技术、余热制冷技术、锂电池储能技术的发展较为成熟，且在军民领域都有长时间的验证，各技术整合后可实现优势互补，贴合岛礁应用需求。
氢燃料电池技术正处于高速发展期，其能源利用率高、振动与噪音小、环境友好、功率组合灵活等特性已成为当前最具潜力的氢能源利用方式，以该技术为核心的岛礁可再生能源与新能源多源互补综合能源保障系统可为孤立岛屿提供可媲美城市电网的稳定供电网络。
发明内容
针对上述技术中存在的技术问题，本发明提供一种岛礁可再生能源与新能源多源互补综合能源保障系统，利用反渗海水淡化技术将海水淡化作为岛礁生活用水和电解水制氢使用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种岛礁综合能源保障系统，包括分别与岛礁电网连接的可再生能源发电机组、电源管理箱、柴油发电机和锂电池组，以构成岛礁现有能源系统，还包括与可再生能源发电机组连接的电解水制氢装置以及与锂电池组和岛礁电网连接的质子交换膜燃料电池模块，所述的电解水制氢装置和质子交换膜燃料电池模块之间依次连接有氢气纯化装置和合金储氢罐，以构成新能源互补系统，所述的氢气纯化装置上还连接有海水纯化装置，质子交换膜燃料电池模块上连接有余热制冷装置和淡水输出装置。
所述的一种岛礁综合能源保障系统，其余热制冷装置采用溴化锂制冷机，利用质子交换膜燃料电池模块和电解水制氢装置的热电联产余热为动力，满足制冷的热能需求。
所述的一种岛礁综合能源保障系统，其整个系统中占用空间最大的合金储氢罐被置于水下10～100m处，水解制成的氢气储存在合金储氢罐中，不占用岛礁陆地面积，也不会破坏岛礁附近生态环境。
所述的一种岛礁综合能源保障系统，其质子交换膜燃料电池模块主要组成部分有质子交换膜燃料电池、空压机、空气过滤器、氢气泵、DC/DC模块、DC/AC模块、增湿器、冷却装置、方舱等，可直接对外输出AC220V和AC380V。
所述的一种岛礁综合能源保障系统，其可再生能源发电机组是指基于太阳能、波浪能、潮汐能、风能等的不稳定发电设备。
所述的一种岛礁综合能源保障系统，其电解水制氢装置采用固体氧化物作为电解质材料。
本发明的有益效果是：将不同来源的可再生能源发电整合成岛礁电网和电解水制氢装置可用的电制，智能化的分配可再生能源发电电能，根据控制策略将电能分配到岛礁电网、储能锂电池组和电解水制氢装置；如岛礁已装备海水淡化装置则无需进行改变，反之则利用反渗海水淡化技术将海水淡化作为岛礁生活用水和电解水制氢使用，仅占用少量岛礁陆地面积，不破坏岛屿周边生态环境但大幅提高电网可靠性，降低燃料补给需求的综合能源保障系统。
附图说明
图1为本发明系统组成图；
图2为本发明的系统流程图。
各附图标记为：11—可再生能源发电机组，12—柴油发电机，13—锂电池组，14—岛礁电网，21—电解水制氢装置，22—海水纯化装置，23—氢气纯化装置，24—合金储氢罐，25—质子交换膜燃料电池模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行清楚、完整地说明。
图1为本发明方案的系统组成图，如图1所示，本发明公开的一种岛礁综合能源保障系统，包括分别与岛礁电网14连接的可再生能源发电机组11、电源管理箱、柴油发电机12和锂电池组13，其中可再生能源发电机组11、柴油发电机12、锂电池组13和岛礁电网14构成岛礁现有能源系统。
还包括与可再生能源发电机组11连接的电解水制氢装置21以及与锂电池组13和岛礁电网14连接的质子交换膜燃料电池模块25，所述的电解水制氢装置21和质子交换膜燃料电池模块25之间依次连接有氢气纯化装置23和合金储氢罐24，所述的氢气纯化装置23上还连接有海水纯化装置22，余热制冷装置。其中电解水制氢装置21、海水纯化装置22、氢气纯化装置23、合金储氢罐24和质子交换膜燃料电池模块25构成新能源互补系统。质子交换膜燃料电池模块25上连接有余热制冷装置和淡水输出装置，余热制冷采用溴化锂制冷机方案，利用质子交换膜燃料电池和固体氧化物水解的热电联产余热，以余热为动力，满足制冷的热能需求，提高岛礁的整体综合能源利用率。
其中电解水制氢装置21通过固体氧化物水电解（SOEC）制氢技术，采用固体氧化物作为电解质材料，可在400℃到1000℃高温下工作，对岛礁盐雾、一氧化碳和二氧化碳等有较高耐受性。
其中整个系统中占用空间最大的合金储氢罐24被置于水下10～100m处，在不占用大量岛礁有限陆地面积，不破坏周边生态环境情况下，进一步完善岛礁上现有供电网络，为岛上居民提供多源供电保障系统，降低岛礁能源补给压力。本发明采用合金储氢技术将水解制成的氢气储存在置于水下的合金储氢罐24中，合金储氢罐24采用密闭、防腐设计，可根据需求长期置于水下10m至100m区域，单罐设计储氢量为20kg至100kg，可多罐组合使用。电解水产生的纯化后纯度为99.9%至99.999%的氢气经过输氢管道，以金属氢化物的固态形式存储于海底的储氢罐中，需要氢燃料电池发电时，将氢气分离，即制即用，保证只有输氢管道和燃料电池内部有少量气态氢存在。氢气平时以金属氢化物的固态形式储存，即制即用，意外事件发生时，管道内部少量的氢气不会发生严重危害。
柴油发电机12前方连接柴油供应装置，可再生能源发电机组11前方连接可再生能源，海水纯化装置22前方连接海水供应装置，其中柴油供应装置、可再生能源和海水供应装置构成能源保障需求系统，本方案对岛礁现有能源体系未提出额外的保障需求，反而降低了对柴油等燃料补给的依赖。
岛礁电网14输出电能，余热制冷装置和淡水箱构成系统产物，提供了更加稳定与多样性的清洁能源，同时额外提供了淡水和制冷。
所述的质子交换膜燃料电池模块25以质子交换膜燃料电池（PEMFC）装置为新能源发电系统核心组件，其主要组成部分有质子交换膜燃料电池、空压机、空气过滤器、氢气泵、DC/DC模块、DC/AC模块、增湿器、冷却装置、方舱等，可直接对外输出AC220V和AC380V。
所述的可再生能源发电机组11是指基于太阳能、波浪能、潮汐能、风能等的不稳定发电设备。
本发明的电源管理箱的主要作用是将不同来源的可再生能源发电整合成岛礁电网14和电解水制氢装置可用的电制，同时智能化的分配可再生能源发电电能，根据控制策略将电能分配到岛礁电网14、储能锂电池组13和电解水制氢装置。
图2为本发明系统流程图，主要呈现了整个系统的设计思路，以及与岛礁现有电网系统的匹配关系。如图所示，可再生能源发出的稳定电能可直接供岛礁电网14使用，溢出电能优先存入储能装置，剩下的溢出电能和不稳定电能用于电解纯化后的海水，生成的氢气经纯化后输入置于海底的合金储氢罐24储存，待岛礁用电紧张时将氢气提出，通过氢燃料电池发电供外界负载使用。
本发明利用反渗海水淡化技术将海水淡化作为岛礁生活用水和电解水制氢使用。通过微电网系统利用岛礁附近可再生能源发电，将高品质电能直接接入岛礁电网14直接使用或输入锂电池模块储能，通过反向渗透技术进行海水净化，淡化的海水可用作电解水制氢，制成的氢气存入合金储氢罐24中，与锂电池组13形成互补储能。燃料电池提供的稳定电力可接入电网，与锂电池组13和柴油发电机12互补供电，生成的纯水可收集作为生活用水，化学反应发热可用于岛礁制冷或供热。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种岛礁综合能源保障系统，包括分别与岛礁电网（14）连接的可再生能源发电机组（11）、柴油发电机（12）和锂电池组（13），其特征在于：还包括与可再生能源发电机组（11）连接的电解水制氢装置（21）以及与锂电池组（13）和岛礁电网（14）连接的质子交换膜燃料电池模块（25），所述的电解水制氢装置（21）和质子交换膜燃料电池模块（25）之间依次连接有氢气纯化装置（23）和合金储氢罐（24），所述的氢气纯化装置（23）上还连接有海水纯化装置（22），质子交换膜燃料电池模块（25）上连接有余热制冷装置和淡水输出装置。
2.根据权利要求1所述的一种岛礁综合能源保障系统，其特征在于，所述的合金储氢罐（24）置于水下10～100m处。
3.根据权利要求1所述的一种岛礁综合能源保障系统，其特征在于，所述的质子交换膜燃料电池模块（25）包括质子交换膜燃料电池、空压机、空气过滤器、氢气泵、DC/DC模块、DC/AC模块、增湿器、冷却装置以及方舱，直接对外输出AC220V和AC380V。
4.根据权利要求1所述的一种岛礁综合能源保障系统，其特征在于，所述的可再生能源发电机组（11）为基于太阳能、波浪能、潮汐能或风能的不稳定发电设备。
5.根据权利要求1所述的一种岛礁综合能源保障系统，其特征在于，所述的余热制冷装置采用溴化锂制冷机，利用质子交换膜燃料电池模块（25）和电解水制氢装置（21）的热电联产余热为动力，满足制冷的热能需求。
6.根据权利要求1所述的一种岛礁综合能源保障系统，其特征在于，所述的电解水制氢装置（21）采用固体氧化物作为电解质材料。
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