CN113054733A - 一种以甲醇为载体的多能互补发电系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种以甲醇为载体的多能互补发电系统及其工作方法，属于煤化工技术领域。包括新能源发电单元、电解水单元、氧气收集单元、氢气收集单元、二氧化碳制甲醇单元、甲醇储存单元、水处理单元和燃料发电单元。本发明利用甲醇为储能载体，在电力有富余的时候利用电解水制氢与二氧化碳生成甲醇，储存能量，在供电量不足的时候利用甲醇进行发电，产生的电量用于补充新能源发电的缺口。甲醇能量密度和储能容量大，且不存在电池寿命和回收的问题，提高了能量的利用效率，推动了新能源发电的技术发展，有利于新能源发电和供电系统的稳定；同时，也实现了二氧化碳的转化和利用，充分利用了新能源发电环保无污染的优势，降低了运营成本。

Description

一种以甲醇为载体的多能互补发电系统及其工作方法
技术领域
本发明属于煤化工技术领域，具体涉及一种以甲醇为载体的多能互补发电系统及其工作方法。
背景技术
近年来，光伏太阳能等可再生能源大规模发展，但是可再生能源发电存在发电量不稳定以及和用电需求不匹配的情况，风能和太阳能需要把不确定性和电力需求的稳定性相结合，挑战巨大。发电很大程度上依赖于天气变化，如果要是没有采取合理的措施来改善这种波动性，可再生能源的未来发展趋势将令人堪忧。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种以甲醇为载体的多能互补发电系统及其工作方法，在电力有富余的时候利用电解水制氢与二氧化碳生成甲醇，储存能量，在供电量不足的时候利用甲醇进行发电，产生的电量用于补充新能源发电的缺口，有利于新能源发电和供电系统的稳定，同时也实现了二氧化碳的转化和利用。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种以甲醇为载体的多能互补发电系统，包括新能源发电单元、电解水单元、氧气收集单元、氢气收集单元、二氧化碳制甲醇单元、甲醇储存单元、水处理单元和燃料发电单元；
电解水单元的氧气出口与氧气收集单元相连接，电解水单元的氢气出口与氢气收集单元相连接，氢气收集单元的氢气出口与二氧化碳制甲醇单元的氢气入口连接，二氧化碳制甲醇单元的甲醇出口与甲醇储存单元连接，甲醇储存单元的甲醇出口与燃料发电单元的燃料入口连接，氧气收集单元的出口与燃料发电单元的氧气入口连接，燃料发电单元的二氧化碳出口与二氧化碳制甲醇单元的二氧化碳入口连接，燃料发电单元的废水出口与水处理单元的入口相连接，水处理单元的出口与电解水单元的入口连接；新能源发电单元通过电缆分别与电解水单元、二氧化碳制甲醇单元和电用户连接，燃料发电单元通过电缆与电用户连接。
优选地，氢气收集单元与二氧化碳制甲醇单元之间的连接管路上设有氢气流量检测及控制装置，燃料发电单元与二氧化碳制甲醇单元之间的连接管路上设有二氧化碳流量检测及控制装置，氢气流量检测及控制装置和二氧化碳流量检测及控制装置均连接至系统的控制单元。
优选地，氧气收集单元与燃料发电单元的氧气入口之间的连接管路上设有氧气流量检测及控制装置，甲醇储存单元的甲醇出口与燃料发电单元的燃料入口之间的连接管路上设有甲醇流量检测及控制装置，氧气流量检测及控制装置和甲醇流量检测及控制装置均连接至系统的控制单元。
优选地，水处理单元的出口与电解水单元的入口之间的连接管路上设有水流量检测及控制装置，新能源发电单元连接有电力调节与调度单元，电力调节与调度单元分别与电解水单元、二氧化碳制甲醇单元和电用户连接，水流量检测及控制装置与电力调节与调度单元均连接至系统的控制单元。
进一步优选地，电力调节与调度单元包括整流器、逆变器、变压器和电控柜；整流器一端与新能源发电单元连接，另一端与逆变器连接，逆变器与变压器连接，变压器分别与电解水单元、二氧化碳制甲醇单元和电用户连接，电控柜分别与整流器、逆变器和变压器连接。
优选地，二氧化碳制甲醇单元包括电催化设备和化学催化设备。
优选地，氧气收集单元包括氧气储罐，氢气收集单元包括氢气储罐，甲醇储存单元包括甲醇储罐，氧气储罐、氢气储罐和甲醇储罐均连接有气压计和温度计，气压计和温度计分别连接至系统的控制单元。
进一步优选地，氧气储罐、氢气储罐和甲醇储罐上均设有安全阀。
本发明公开的上述以甲醇为载体的多能互补发电系统的工作方法，包括：
新能源发电单元产生的电能供给电解水单元、二氧化碳制甲醇单元和电用户，电解水单元产生的氧气存储在氧气收集单元，产生的氢气存储在氢气收集单元；二氧化碳制甲醇单元制得的甲醇储存在甲醇储存单元；
当新能源发电单元产生的电能不能满足电用户时，氧气收集单元将储存的氧气输送至燃料发电单元，甲醇储存单元将储存的甲醇输送至燃料发电单元，燃料发电单元发电供给电用户，产生的二氧化碳进入二氧化碳制甲醇单元，产生的废水经水处理单元处理后进入电解水单元。
优选地，二氧化碳制甲醇单元中H2与CO2的摩尔比为3.05～4.15。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种以甲醇为载体的多能互补发电系统，利用甲醇为储能载体，利用甲醇燃料具有容易储存且便于转化的特性，在电力有富余的时候利用电解水制氢与二氧化碳生成甲醇，储存能量，在供电量不足的时候利用甲醇进行发电，产生的电量用于补充新能源发电的缺口。传统的储能技术存在成本高、寿命短、安全差、回收难的问题，采用化学燃料储能，甲醇能量密度大，储能容量大，且不存在电池寿命和回收的问题，提高了能量的利用效率，减少了弃风弃光弃电现象，推动了新能源发电的技术发展，有利于新能源发电和供电系统的稳定；同时，也实现了二氧化碳的转化和利用，充分利用了新能源发电环保无污染的优势，降低了运营成本。
进一步地，设置氢气流量检测及控制装置和二氧化碳流量检测及控制装置，能够调节进入二氧化碳制甲醇单元原料气的碳氢比，提高二氧化碳制甲醇的产率。
进一步地，设置氧气流量检测及控制装置和甲醇流量检测及控制装置，能够控制进入燃料发电单元的原料量，达到控制发电量与电用户相匹配的目的。
进一步地，设置水流量检测及控制装置与电力调节与调度单元，能够控制水电解制氢单元原料水与富余电量匹配，提高水电解制氢的效率。
进一步地，通过气压计和温度计能够实时监测氧气储罐、氢气储罐和甲醇储罐内的情况，并反馈给控制单元。
更进一步地，安全阀能够提高氧气储罐、氢气储罐和甲醇储罐的安全性和稳定性。
本发明公开的上述以甲醇为载体的多能互补发电系统的工作方法，操作简单、自动化程度高，推动了新能源发电的技术发展，有利于新能源发电和供电系统的稳定；同时，也实现了二氧化碳的转化和利用，充分利用了新能源发电环保无污染的优势，降低了运营成本，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图中：1-新能源发电单元、2-电解水单元、3-氧气收集单元、4-氢气收集单元、5-二氧化碳制甲醇单元、6-甲醇储存单元、7-水处理单元、8-燃料发电单元、9-电用户。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，为本发明的以甲醇为载体的多能互补发电系统，包括新能源发电单元1、电解水单元2、氧气收集单元3、氢气收集单元4、二氧化碳制甲醇单元5、甲醇储存单元6、水处理单元7和燃料发电单元8。
电解水单元2的氧气出口与氧气收集单元3相连接，电解水单元2的氢气出口与氢气收集单元4相连接，氢气收集单元4的氢气出口与二氧化碳制甲醇单元5的氢气入口连接，二氧化碳制甲醇单元5的甲醇出口与甲醇储存单元6连接，甲醇储存单元6的甲醇出口与燃料发电单元8的燃料入口连接，氧气收集单元3的出口与燃料发电单元8的氧气入口连接，燃料发电单元8的二氧化碳出口与二氧化碳制甲醇单元5的二氧化碳入口连接，燃料发电单元8的废水出口与水处理单元7的入口相连接，水处理单元7的出口与电解水单元2的入口连接；新能源发电单元1通过电缆分别与电解水单元2、二氧化碳制甲醇单元5和电用户8连接，燃料发电单元8通过电缆与电用户9连接。二氧化碳制甲醇单元5包括电催化设备和化学催化设备，能够根据新能源发电单元1的供电情况切换工艺路线。
新能源发电单元1可采用余热发电或太阳能、光伏等可再生能源发电。
在本发明的一个较优的实施例中，氢气收集单元4与二氧化碳制甲醇单元5之间的连接管路上设有氢气流量检测及控制装置，燃料发电单元8与二氧化碳制甲醇单元5之间的连接管路上设有二氧化碳流量检测及控制装置，氢气流量检测及控制装置和二氧化碳流量检测及控制装置均连接至系统的控制单元。
在本发明的一个较优的实施例中，氧气收集单元3与燃料发电单元8的氧气入口之间的连接管路上设有氧气流量检测及控制装置，甲醇储存单元6的甲醇出口与燃料发电单元8的燃料入口之间的连接管路上设有甲醇流量检测及控制装置，氧气流量检测及控制装置和甲醇流量检测及控制装置均连接至系统的控制单元。
在本发明的一个较优的实施例中，水处理单元7的出口与电解水单元2的入口之间的连接管路上设有水流量检测及控制装置，新能源发电单元1连接有电力调节与调度单元，电力调节与调度单元分别与电解水单元2、二氧化碳制甲醇单元5和电用户9连接，水流量检测及控制装置与电力调节与调度单元均连接至系统的控制单元。具体的，电力调节与调度单元包括整流器、逆变器、变压器和电控柜；整流器一端与新能源发电单元1连接，另一端与逆变器连接，逆变器与变压器连接，变压器分别与电解水单元2、二氧化碳制甲醇单元5和电用户9连接，电控柜分别与整流器、逆变器和变压器连接。
在本发明的一个较优的实施例中，氧气收集单元3包括氧气储罐，氢气收集单元4包括氢气储罐，甲醇储存单元6包括甲醇储罐，氧气储罐、氢气储罐和甲醇储罐均连接有气压计和温度计，气压计和温度计分别连接至系统的控制单元。优选地，氧气储罐、氢气储罐和甲醇储罐上均设有安全阀。
上述以甲醇为载体的多能互补发电系统的工作方法，包括：
新能源发电单元1产生的电能供给电解水单元2、二氧化碳制甲醇单元5和电用户8，电解水单元2产生的氧气存储在氧气收集单元3，产生的氢气存储在氢气收集单元4；二氧化碳制甲醇单元5制得的甲醇储存在甲醇储存单元6；
当新能源发电单元1产生的电能不能满足电用户9时，氧气收集单元3将储存的氧气输送至燃料发电单元8，甲醇储存单元6将储存的甲醇输送至燃料发电单元8，燃料发电单元8发电供给电用户8，产生的二氧化碳进入二氧化碳制甲醇单元5，产生的废水经水处理单元7处理后进入电解水单元2。二氧化碳制甲醇单元5中H2与CO2的摩尔比为3.05～4.15。
具体的操作流程如下：
在风电或光伏等可再生能源发电量有富余的情况下。富余电量通过控制单元输送给电解水单元2和二氧化碳制甲醇单元5，启动电解水单元2，打开电解水单元2与氧气收集单元3和氢气收集单元4之间的控制阀，打开氢气收集单元4和二氧化碳制甲醇单元5的控制阀，打开新能源发电单元1与二氧化碳制甲醇单元5之间的控制阀，电解水产生的氢气和二氧化碳在二氧化碳制甲醇单元5发生反应生成甲醇，打开二氧化碳制甲醇单元5与甲醇储存单元6之间的控制阀，生成的甲醇在甲醇储存单元6进行储存，电解水产生的氧气在氧气收集单元储存3。
在风电或光伏等可再生能源发电量无法满足用电侧需求的情况下。打开甲醇储存单元6与燃料发电系统单元8连接处的控制阀，打开氧气收集单元3与燃料发电系统单元8连接处的控制阀，使用甲醇储存单元6中储存的甲醇和氧气收集单元3的氧气进行发电，电量通过控制单元用于弥补新能源发电缺口，发电产生的二氧化碳供给二氧化碳制甲醇单元5，打开燃料发电单元8与水处理单元7之间的控制阀，燃料发电产生的水供给电解水单元2暂时储存，等待可再生能源发电系统有富余电量时进行电解水制氢。
以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。

Claims (10)

1.一种以甲醇为载体的多能互补发电系统，其特征在于，包括新能源发电单元(1)、电解水单元(2)、氧气收集单元(3)、氢气收集单元(4)、二氧化碳制甲醇单元(5)、甲醇储存单元(6)、水处理单元(7)和燃料发电单元(8)；
电解水单元(2)的氧气出口与氧气收集单元(3)相连接，电解水单元(2)的氢气出口与氢气收集单元(4)相连接，氢气收集单元(4)的氢气出口与二氧化碳制甲醇单元(5)的氢气入口连接，二氧化碳制甲醇单元(5)的甲醇出口与甲醇储存单元(6)连接，甲醇储存单元(6)的甲醇出口与燃料发电单元(8)的燃料入口连接，氧气收集单元(3)的出口与燃料发电单元(8)的氧气入口连接，燃料发电单元(8)的二氧化碳出口与二氧化碳制甲醇单元(5)的二氧化碳入口连接，燃料发电单元(8)的废水出口与水处理单元(7)的入口相连接，水处理单元(7)的出口与电解水单元(2)的入口连接；新能源发电单元(1)通过电缆分别与电解水单元(2)、二氧化碳制甲醇单元(5)和电用户(8)连接，燃料发电单元(8)通过电缆与电用户(9)连接。
2.根据权利要求1所述的以甲醇为载体的多能互补发电系统，其特征在于，氢气收集单元(4)与二氧化碳制甲醇单元(5)之间的连接管路上设有氢气流量检测及控制装置，燃料发电单元(8)与二氧化碳制甲醇单元(5)之间的连接管路上设有二氧化碳流量检测及控制装置，氢气流量检测及控制装置和二氧化碳流量检测及控制装置均连接至系统的控制单元。
3.根据权利要求1所述的以甲醇为载体的多能互补发电系统，其特征在于，氧气收集单元(3)与燃料发电单元(8)的氧气入口之间的连接管路上设有氧气流量检测及控制装置，甲醇储存单元(6)的甲醇出口与燃料发电单元(8)的燃料入口之间的连接管路上设有甲醇流量检测及控制装置，氧气流量检测及控制装置和甲醇流量检测及控制装置均连接至系统的控制单元。
4.根据权利要求1所述的以甲醇为载体的多能互补发电系统，其特征在于，水处理单元(7)的出口与电解水单元(2)的入口之间的连接管路上设有水流量检测及控制装置，新能源发电单元(1)连接有电力调节与调度单元，电力调节与调度单元分别与电解水单元(2)、二氧化碳制甲醇单元(5)和电用户(9)连接，水流量检测及控制装置与电力调节与调度单元均连接至系统的控制单元。
5.根据权利要求4所述的以甲醇为载体的多能互补发电系统，其特征在于，电力调节与调度单元包括整流器、逆变器、变压器和电控柜；整流器一端与新能源发电单元(1)连接，另一端与逆变器连接，逆变器与变压器连接，变压器分别与电解水单元(2)、二氧化碳制甲醇单元(5)和电用户(9)连接，电控柜分别与整流器、逆变器和变压器连接。
6.根据权利要求1所述的以甲醇为载体的多能互补发电系统，其特征在于，二氧化碳制甲醇单元(5)包括电催化设备和化学催化设备。
7.根据权利要求1所述的以甲醇为载体的多能互补发电系统，其特征在于，氧气收集单元(3)包括氧气储罐，氢气收集单元(4)包括氢气储罐，甲醇储存单元(6)包括甲醇储罐，氧气储罐、氢气储罐和甲醇储罐均连接有气压计和温度计，气压计和温度计分别连接至系统的控制单元。
8.根据权利要求7所述的以甲醇为载体的多能互补发电系统，其特征在于，氧气储罐、氢气储罐和甲醇储罐上均设有安全阀。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的以甲醇为载体的多能互补发电系统的工作方法，其特征在于，包括：
新能源发电单元(1)产生的电能供给电解水单元(2)、二氧化碳制甲醇单元(5)和电用户(8)，电解水单元(2)产生的氧气存储在氧气收集单元(3)，产生的氢气存储在氢气收集单元(4)；二氧化碳制甲醇单元(5)制得的甲醇储存在甲醇储存单元(6)；
当新能源发电单元(1)产生的电能不能满足电用户(9)时，氧气收集单元(3)将储存的氧气输送至燃料发电单元(8)，甲醇储存单元(6)将储存的甲醇输送至燃料发电单元(8)，燃料发电单元(8)发电供给电用户(8)，产生的二氧化碳进入二氧化碳制甲醇单元(5)，产生的废水经水处理单元(7)处理后进入电解水单元(2)。
10.根据权利要求9所述的以甲醇为载体的多能互补发电系统的工作方法，其特征在于，二氧化碳制甲醇单元(5)中H2与CO2的摩尔比为3.05～4.15。
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