CN113337835A - 一种利用新能源发电的离网电解槽电源控制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用新能源发电的离网电解槽电源控制方法和装置，该电源控制方法和装置先利用卸载控制，将小功率难以利用的新能源电力通过卸载回路卸载，再利用直流降压斩波方式，将电压波动范围非常大的新能源电力的电压控制在一个精准的电压范围内，并增大电流作为水电解制氢的电源，以有效利用新能源电力而不需要电网电或电池作为辅助电源进行电解，并保护电解槽在低电压、低功率状态下的安全性，以达到使用低成本的新能源电力直接进行水电解制氢而不依赖电网和电池的目的。

Description

一种利用新能源发电的离网电解槽电源控制方法和装置
技术领域
本发明涉及电化学方法的电解技术。
背景技术
氢气、氧气都是一种重要的工业原料，同时氢气也具有高燃值的特性，是一种完全清洁的能源，氢能的用途也越来越广泛而受到人类的喜爱。
现有电解制氢工业中，电解槽中平行、直立地设置若干组电极，每组电极分别设置为阳极和阴极，阳极接电源正极，阴极接电源负极，阴阳极板中间用隔膜隔离，从而组成一个电解室，各电解室相互串联组成一个电解槽，电解槽根据电源的直流电压值设置串联电解室数，根据电源的总功率(电流值)设置电解槽(电极板)尺寸。在上述电解槽中，根据电解类型，碱性水电解槽每个电解室的基准电源电压为2伏左右的直流电压(允许变化范围为2伏的 0.6-1.1倍)，电极的尺寸按每平方厘米0.25安培，在PEM电解槽中基准电压可设置在直流3 伏左右，电流每平方厘米1安培的电流为依据，电解槽总电压为各电解室电压之和，总电流各电解室相同，因此电解槽需较为稳定的电压，在电解制氢过程中，阳极产生氧气，阴极产生氢气。
由于新能源发电尤其风电、太阳能发电的随机性，其发电功率、电压、电流变化范围极大，而水电解制氢中的电解槽虽然可以承受较大范围的电流变化，但对于电压变化较为敏感，一般难以承受大范围的电压变化，当电解室的电压低于设定值的50％以后，氢、氧易于渗透，造成一定的安全隐患。但新能源发电的特点首先是随着环境变化引起电压变化，再引起电流和功率的变化。
虽然本人也申请了不依赖电网的离网式电解控制结构和方式、以及离网式电解槽结构和电极控制方法的发明专利用，可以使用离网的风能/太阳能等可再生能源作为制氢的电源，降低了电解制氢的电力成本，但都是对电极数接入、切出的控制，相对而言增加了电解槽的制造成本，而能源产品对成本差异非常敏感，成本越低、越有利于推广应用。
发明内容
鉴于电解槽更需要较为稳定的电压，难于直接使用新能源发电用于电解制氢和不增加电解槽成本为出发点，本发明是利用设置卸载开关和直流降压斩波方法，将电压变化非常大的新能源发电稳定在一个设置的范围内。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
电解槽为常规碱性水或纯水电解槽，电解槽正负极和该电源控制装置的输出端并联连接，电源控制装置为直流降压斩波控制器，并在输入端具有一个卸载控制回路，如图1是该控制装置的电路结构示意图。
为了说明该装置是如何用于水电解装置的(碱性水电解槽或PEM电解槽)，下面用不同新能源发电参数加以说明。风力发电机的输出功率伴随风速的大小而变化，通常都会按风况条件设置一个额定输出功率，在额定功率下伴随一个额定输出电压和额定输出电流。风能能量的变化是风速变化的指数函数，风能能量和风速呈三次方关系，一般风力发电机的切入风速和额定风速相差3-4倍甚至于更大，而风速相差一倍，能量相差8倍，比如风速从3米/秒变化到6米/秒，能量相差8倍，风速从6米/秒变化到12米/秒，能量又相差8倍，如果风速从3米/秒变化到12米/秒，能量相差64倍，而真实环境下风速的变化范围更大；同样，太阳能发电也有一个额定最大功率，对应一个额定工作电压；阴雨天和夏天太阳高照下，太阳能功率变化也有数十倍之巨，电压变化范围也有数倍，远高于电解水中对电压稳定性的要求。
为了利用新能源发电装置直接进行水电解制氢而不依赖电网或备用电源，又不至于有太多浪费的电能，通过设置一个卸载控制开关和斩波电路输出，将波动范围极大的新能源电力直接用于水电解制氢。卸载控制开关用于在低风速或弱阳光下将很小的功率通过假负载进行卸载，并通过斩波器保持新能源发电输出的直流电压稳定性，保证水电解装置的安全。
附图说明
图1是风电或太阳能单独作为水电解装置电源的卸载、斩波示意图。
图2是风电和太阳能混合作为水电解装置电源的卸载、斩波示意图。
具体实施方式
由于新能源发电的不稳定性特点，而且发电规模可根据需求组合，下面将结合具体实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，但不应以此限制本发明的保护范围，应当理解，本领域技术人员可以在不背离权利要求书限定范围的前提下，根据本专利的方法对这些实施例中新能源发电装置的额定电压、最大工作电压、卸载电压、斩波电压设置新的组合，产生新的具体实施方式，也都包括在本发明的保护范围之内。
实施例1 （风力发电机作为电解供电的实施例）
选取一台额定功率20千瓦的风力发电机，发电机为三相永磁同步发电机，发电机额定电压三相210伏，经过整流后直流额定工作电压280伏，额定风速12米/秒，切入风速2.1米/秒，切出风速25米/秒。下表一为该20千瓦风力发电机在不同风速下的功率输出特性：
Figure BSA0000244803180000031
上述20千瓦风力发电机的额定电压为三相交流210伏，整流后额定直流电压约为280伏，风机最大整流电压约为288伏。在风速低于4米/秒区间，直流功率输出小于650瓦，该风机在 4米/秒风速下直流功率为650瓦，对应整流电压为93伏，电流为7安培，最大功率时风机功率22千瓦，对应最大电流71.9安培。风力发电机通过整流后首先判断整流电压的高低，当整流电压低于93伏时，卸载开关控制卸载回路始终处于导通状态，新能源电力通过假负载进行卸载，此时IGBT处于断开状态，电解槽始终处于开路状态；当整流电压高于93伏后，卸载开关断开卸载回路，此时IGBT导通，新能源电力通过斩波器后输入到电解槽的正负端，电解槽开始工作。因为卸载控制电压要高于、等于斩波电压，又因为考虑到尽可能提高新能源电力在低功率状态下的电流值，因此设置斩波电压为80伏，当因风速增加，整流电压高于93 伏后，卸载回路始终处于断开状态，电解槽作为负载接入开始电解，斩波回路开始工作，无论新能源电力如何变化，只要整流电压高于93伏，通过该控制装置，输出电压始终保持在斩波电压值。实施例1中的电解槽为碱性水双极板电解槽，根据输出电压特性，该电解槽设置 35个电极，每个电极电压约为2.3伏，斩波控制装置最大输出电流275安，电解槽有效尺寸设置为1100平方厘米。如果用于纯水电解槽(PEM电解)，按电极的基准电压3伏左右、每平方厘米1安培设置电解槽有效尺寸，可设置26个电极，电解槽有效尺寸为275平方厘米。此风机被浪费的最大功率低于650瓦，小于最大功率的3％。
实施例2（太阳能作为电解供电的实施例）
由于太阳能电池在不同的光照强度下电压-功率具有不同的输出特性，且该特性是非线性的，通过对某太阳能电池试验获得已知光照强度下对应的太阳能电池电压变化如下表。从下表可以在光照强度剧烈变化时，在一定光照强度下，电压变化的速率远低于电流变化，只有当光照强度大幅降低后，电压变化才较为迅速，因此当太阳能电池的输出电压低于额定工作电压的29％时，输出功率只占最大功率的大约2％，完全可以忽略电压低于最大额定工作电压30％以下的电力。
光照强度度(Lux) 电压(V) 占最大功率比 占最大电压比
175 0.007 0.01 0.001
180 0.015 0.01 0.002
190 0.80 0.01 0.087
280 2.65 0.02 0.290
625 4.40 0.05 0.485
1300 5.55 0.10 0.610
2640 6.50 0.20 0.715
4180 7.29 0.31 0.800
7000 7.94 0.53 0.872
11240 8.5 0.85 0.933
13300 9.11 1.00 1.000
实施例2是由120快额定工作电压为24伏250瓦的太阳能板组串成30千瓦太阳能电站。该电站太阳能电池板采用12串联、10并联的连接方式组成，太阳能电池板额定最大工作电压为288伏，下表为30千瓦，最大额定输出电压288伏的太阳能电站功率特性表：
Power(W) Vdc Idc 斩波电压(V) 斩波后电流(A)
600 80 7.5 80 7.5
680 90 7.6 80 8.5
780 100 7.8 80 9.8
950 110 7.5 80 11.9
1100 120 9.2 80 13.8
1300 130 10.0 80 16.3
1800 140 12.9 80 22.5
2300 150 15.3 80 28.8
2700 160 16.9 80 33.8
3000 170 17.6 80 37.5
3500 180 19.4 80 43.8
4200 190 22.1 80 52.5
5500 200 27.5 80 68.8
7000 210 33.3 80 87.5
9000 220 40.9 80 112.5
11500 230 50.0 80 143.8
14500 240 60.4 80 181.3
18500 250 74.0 80 231.3
23000 260 88.5 80 287.5
27000 270 100.0 80 337.5
29000 280 103.6 80 362.5
30000 288 104.2 80 375.0
在实施例2中，电压80伏时功率仅为600瓦，因此设置卸载电压为80伏(为最大额定工作电压288伏的28％)，太阳能电站输出电压小于80伏时，卸载控制开关导通，假负载进行卸载、 IGBT关闭，电解槽无电源供电而不进行电解；当太阳能板电压超过80伏时，卸载回路断开、 IGBT开始导通，太阳能电力通过斩波器接入电解槽开始电解。设置斩波电压值也为80伏。电解槽也设置为35个电极，每个电极电压约为2.3伏，斩波器最大输出电流375安，电解槽有效尺寸设置为1500平方厘米。如果用于纯水电解槽(PEM电解)，按电极的基准电压3伏左右、每平方厘米1安培设置电解槽有效尺寸，可设置26个电极，电解槽有效尺寸为375平方厘米。此30千瓦太阳电站能被浪费的最大功率为600瓦，不超过最大功率的2％。
由于太阳能电池板具有开路电压和额定工作电压之分，如36伏开路电压的太阳能板，可在24 伏或30伏状态下工作，为了防止混淆，此处卸载电压和斩波电压都为额定工作电压而不是开路电压。
实施例3（混合风力发电机和太阳能发电作为水电解供电的实施例）
实施例3是风机和太阳能混合作为电解装置的供电电源，此时控制器为二路斩波电路并联输出，每组输出加反向开关，防止回流，如图2。
风机为实施例一中20千瓦的风机，卸载和斩波电压设置不变；太阳能电站为由84块250瓦电池板通过12串联、7并联组合而成21千瓦太阳能电站，卸载和斩波电压设置也和实施例二相同，21千瓦太阳能电站工作电压、功率特性如下表：
Power(W) Vdc Idc 斩波电压(V) 斩波后电流(A)
420 80 5.3 80 5.3
476 90 5.3 80 6.0
546 100 5.5 80 6.8
665 110 7.5 80 8.3
770 120 6.4 80 9.6
910 130 7.0 80 11.4
1260 140 9.0 80 15.8
1610 150 10.7 80 20.1
1890 160 11.8 80 23.6
2100 170 12.4 80 26.3
2450 180 13.6 80 30.6
2940 190 15.5 80 36.8
3850 200 19.3 80 48.1
4900 210 23.3 80 61.3
6300 220 28.6 80 78.8
8050 230 35.0 80 100.6
10150 240 42.3 80 126.9
12950 250 51.8 80 161.9
16100 260 61.9 80 201.3
18900 270 70.0 80 236.3
20300 280 72.5 80 253.8
21000 288 72.9 80 262.5
在实施例3中，当整流电压低于93伏时，卸载开关控制卸载回路始终处于导通状态，新能源电力通过假负载进行卸载，此时IGBT处于断开状态，电解槽始终处于开路状态，当风力发电机整流电压大于93伏后，卸载回路断开，风能斩波器接入工作，电解槽开始进行电解；当太阳能电站输出电压低于80伏时，卸载控制开关始终处于导通状态，假负载进行卸载、IGBT 关闭，太阳能电力通过卸载回路卸载，当太阳能电站工作电压高于80伏后，太阳能卸载回路断开，太阳能斩波器也开始工作，太阳能电力也向电解槽供电。二组发电装置混合后最大功率可达到43千瓦，最大工作电压288伏，最大输出电流为537.5安培。由于最大电压和实施例1和实施例2相同，实施例3如此采用碱性水电解，电解槽依然设置为35个电极，每个电极电压约为2.3伏，因斩波器控制装置的最大输出电流537.5安，电解槽有效尺寸设置为2150 平方厘米。如果用于纯水电解槽(PEM电解)，按电极的基准电压3伏左右、每平方厘米1 安培设置电解槽有效尺寸，可设置26个电极，电解槽有效尺寸为538平方厘米。此新能源发电通过该控制装置的电源被浪费的最大功率为风电小于650瓦，太阳能发电最大600瓦，合计小于1250瓦，小于最大功率的2.9％。
通过上述3个实施例的组合说明，可以通过更改风力发电机额定工作电压、太阳能电站工作电压、设置不同的卸载控制电压、斩波电压后形成新的组合。本专利是在充分理解能量波动非常大的风能、太阳能功率特性变化和电解特性条件下的融合创新发明。
以上所述仅为本发明具有代表性的部分实施例，凡依本发明申请专利方法对风力发电机和太阳能电站的工作电压、卸载电压、斩波电压的变化与组合皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种利用新能源发电的离网电解槽电源控制方法和装置，其特征在于，该控制装置控制新能源发电作为电解槽独立的供电电源，该装置具有一个卸载控制开关，并通过直流降压斩波后输出，并和电解槽的正负极并联连接。
2.根据权利要求1所述的内容，其特征在于，该控制装置设置一个卸载控制开关，通过设置卸载控制电压，将低电压下的新能源电力通过假负载卸载，卸载电压值设置为高于或等于载波电压值。
3.根据权利要求2所述的内容，其特征在于，该电源控制装置的卸载电压设置为小于、等于风力发电机额定电压的35％。
4.根据权利要求2所述的内容，其特征在于，该电源控制装置的卸载电压设置为小于、等于太阳能电站最大额定工作电压的35％，或太阳能电站最大开路电压的25％。
5.根据权利要求1所述的内容，其特征在于，该电源控制装置的斩波方式为直流降压斩波，斩波电压设定值为小于、等于卸载控制电压，且较优的斩波电压值范围在新能源发电装置额定工作电压的百分之二十五到百分之三十五之间。
6.根据权利要求2所述的内容，其特征在于，该控制装置对应使用的新能源发电装置为风力发电或太阳能发电。
7.根据权利要求2所述的内容，其特征在于，控制装置用于检测新能源发电装置的电压、电流和功率。
8.根据权利要求1所述的内容，其特征在于，该控制装置也可以和电网电并联连接，以选择电网电接入的时间。
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