CN113422436A - 可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统及方法，通过可再生能源发电装置发电输送至变流装置，变流装置转换电流形式并合理分配，电解水制氢设备对制备的气态氢进行合理分配，氢气液化设备将气态氢转换成液态氢后进行合理分配，高温超导储能装置接受液态氢后做功平抑可再生能源发电装置的功率波动，同时对部分液态氢进行气化并回流至电解水制氢设备的气罐内，气罐和液罐将富余的气态氢和液态氢分别输送至气态氢用户端和液态氢用户端，本发明将发电、变流、制氢和储能有机结合，实现氢能与高温超导储能的综合利用系统，经济节约，智能化程度高，操作简单方便。

Description

可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统及方法

技术领域

本发明属于制氢超导储能及利用技术领域，涉及一种可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统及方法。

背景技术

由于可再生能源波动性强，存在弃风、弃光、弃水等能源浪费问题，可再生能源电解水制氢是可再生能源转化的关键技术，既可以作为可变负载进行削峰填谷提高可再生能源发电上网质量，又可以有效消纳弃风、弃光、弃水提高可再生能源利用率，可作为可再生能源消纳的有效手段。同时电解水制氢技术绿色环保低碳排、生产灵活、纯度高，被视为未来最具潜力的制氢技术，被各界寄予厚望。氢气液化技术，能够实现氢气大批量、远距离廉价安全运输和大规模、长时间储存，是解决可再生资源与能源消费之间存在的时间上和空间上的严重不匹配问题的重要技术路线。

风能、太阳能等可再生能源具有间歇性、随机性等特点，导致可再生能源发电产生的电能具有不稳定、不可靠等特点。在可再生能源发电系统中配置储能是解决可再生能源发电所带来的系统不稳定性等问题的合理解决方案。储能技术主要分为物理储能（如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等）、化学储能（如铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、锂离子电池）和电-磁储能（如超导储能、超级电容器储能等）三大类，不同的储能技术具有不同的应用场景。在众多储能技术中，超导储能技术具有功率输送无需中间能源形式的转换、毫秒级响应速度、无需机械运动、大于95%的转换效率、无限次充放电循环和高功率密度的特点，在平抑可再生能源功率波动方面具有重要应用价值。

原理上，高温超导储能可以理解为一个电感线圈的储能，与常规的铜线圈不同之处在于，绕制超导储能线圈的导线为高温超导体。所谓高温超导体即在某一特定温度下(通常为77 K)不具备电阻的导体。高温超导储能系统就是利用高温超导体的无电阻载流特性构造高稳定度高温超导储能磁体线圈，用以存储电磁能，通过变流器实现与电力系统的瞬时大功率交换。高温超导储能高温超导储能磁体的储能量可以表示为公式：E=1/2LI²，其中，E为磁能、I为直流电流、L为电感。通过公式可以看出，高温超导储能高温超导储能磁体的储能量主要由高温超导储能磁体的电感L和高温超导储能磁体内的直流电流I决定。因此，通过增加高温超导体的载流能力和储能高温超导储能磁体的电感，可以显著提高高温超导储能高温超导储能磁体的能量密度。对于高温超导体而言，最常规的增加其载流量的手段即降低其运行温度，使其工作温度远低于液氮温度，如在使其运行液态氢温度区间（20K）。

目前使高温超导高温超导储能磁体处于20K温区的手段主要有直接浸泡制冷和制冷机制冷两种。直接浸泡制冷将高温超导储能高温超导储能磁体直接浸泡在装有液态氢的杜瓦里，其优点是直接浸泡的冷却功率大，高温超导储能高温超导储能磁体运行时受到外界的热扰动小，缺点是随着储能高温超导储能磁体系统的运行，要不停的向杜瓦内添加液态氢。制冷机制冷不需要频繁的向杜瓦内添加液态氢，但是制冷机的制冷效果没有直接浸泡效果好，且后期制冷机的运行维护非常繁琐。为了解决现有技术存在的缺点，本发明提出了一种一种利用可再生能源电解水制氢实现高温超导储能与氢能综合利用的系统。该系统将可再生能源电解水制氢系统与高温超导储能系统有机结合，实现了氢能与高温超导储能系统的综合利用，具有结构简单、经济节约的特点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统及方法，结构简单，采用可再生能源发电装置发电输送至变流装置，变流装置转换电流形式并合理分配，电解水制氢设备对制备的气态氢进行合理分配，氢气液化设备将气态氢转换成液态氢后进行合理分配，高温超导储能装置接受液态氢后做功平抑可再生能源发电装置的功率波动，同时对部分液态氢进行气化并回流至电解水制氢设备的气罐内，气罐和液罐将富余的气态氢和液态氢分别输送至气态氢用户端和液态氢用户端，将发电、变流、制氢和储能有机结合，实现氢能与高温超导储能的综合利用系统，经济节约，智能化程度高，操作简单方便。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统，它包括变流装置、电解水制氢设备、氢气液化设备、高温超导储能装置和可再生能源发电装置；所述电解水制氢设备和高温超导储能装置与变流装置电性连接，氢气液化设备与电解水制氢设备的气罐连通，高温超导储能装置与气罐和氢气液化设备的液罐连通；可再生能源发电装置与变流装置连接，变流装置将电能转换后分配给电解水制氢设备和电网。

所述变流装置接受可再生能源发电装置输出的电能后，对其进行交直流变换，优选供给电解水制氢设备，多余的部分供给电网外送。

所述电解水制氢设备进行电解水制氢，制备的氢气储存于气罐内。

所述氢气液化设备对气罐内的气态氢进行液化后储存于液罐内。

所述高温超导储能装置位于杜瓦内，进气管与液罐和杜瓦连通，液态氢通过进气管进入杜瓦对高温超导储能装置进行冷却。

所述高温超导储能装置中的高温超导储能磁体产生的热量对杜瓦内的液态氢气化产生氢气，经排气管进入气罐内。

所述高温超导储能装置中的高温超导储能磁体冷却过程中处于超导态，通过与变流装置进行充电或放电，平抑可再生能源发电装置的功率波动。

所述杜瓦内的液位随着高温超导储能装置的运行发生改变，排气管上的智能控制开关接受液位传感器感应的信号后，控制排气管的开闭，使杜瓦内的液位高度始终高于高温超导储能装置中的高温超导储能磁体高度。

所述气罐和液罐分别与气态氢用户端和液态氢用户端连接，将富余的氢气和液态氢输送至气态氢用户端和液态氢用户端。

如上所述的可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统的利用方法，它包括如下步骤：

S1，发电，可再生能源发电装置主要将风能和太阳能转换成电能输送至变流装置；实现可再生能源和电能的转换；

S2，变流，变流装置接受电能后将其变换成交流电或直流电，优选满足电解水制氢设备的用电需求，富余的电能输送至电网，由电网外送；实现电能的合理分配；

S3，制气态氢，电解水制氢设备接受变流装置输送的电能后，进行电解水制氢，气态氢储存于气罐内；实现电能和氢能的转换；

S4，制液态氢，氢气液化设备启动，将气罐内的气态氢转换成液态氢，液态氢储存于液罐内；实现气态氢和液态氢的转换；

S5，平抑功率，液态氢沿进气管进入杜瓦内，液态氢漫过高温超导储能装置的高温超导储能磁体，通过变流装置进行充电或放电；实现对可再生能源发电装置的功率波动进行平抑；

在S3中，气罐内的气态氢优选满足氢气液化设备的需求，富余的气态氢输送至气态氢用户端；

在S4中，液罐内的液态氢优选满足高温超导储能装置的需求，富余的液态氢输送至液态氢用户端；

在S5中，液态氢对高温超导储能装置进行冷却的同时被高温超导储能装置运行时散发的热量气化，沿排气管进入到气罐内；

在S5中，当杜瓦内的液态氢的液位低于高温超导储能磁体时，液位传感器将感应的信号发送至智能控制开关，智能控制开关关闭排气管；

在S5中，当杜瓦内的气态氢的气压达到设定值时，智能控制开关打开排气管。

本发明的有益效果主要体现于：

可再生能源发电装置主要利用风能、太阳能可在生能源进行发电，具有清洁、环保、可循环使用、易于获取。

因机构紧凑，占用空间小，便于建立微网级供电区域，例如工业园区，有利于消能。

运行过程中的富余气态氢或液态氢可以供给不同的用户端，提高利用效率。

有效利用高温超导储能磁体具有的毫秒级响应速度、无需机械运动、大于95%的转换效率、无限次充放电循环和高功率密度的特点对可再生能源发电装置的功率波动进行平抑。

利用气态氢和液态氢之间的循环转换，对高温超导储能磁体进行冷却，实现了氢能与高温超导储能技术的综合利用，避免了高温超导储能在线运行时磁体传统制冷方式所需要的高昂维护成本。

可再生能源电解水制氢技术绿色环保、生产灵活、纯度高，能消耗掉多余的能量，将电能转化为氢能并储存起来，增加可再生能源消纳能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明高温超导储能装置的内部结构示意图。

图中：变流装置1，电解水制氢设备2，气罐21，气态氢用户端22，氢气液化设备3，液罐31，液态氢用户端32，高温超导储能装置4，杜瓦41，进气管42，排气管43，液位44，智能控制开关45，可再生能源发电装置5，电网6。

具体实施方式

如图1~图2中，一种可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统，它包括变流装置1、电解水制氢设备2、氢气液化设备3、高温超导储能装置4和可再生能源发电装置5；所述电解水制氢设备2和高温超导储能装置4与变流装置1电性连接，氢气液化设备3与电解水制氢设备2的气罐21连通，高温超导储能装置4与气罐21和氢气液化设备3的液罐31连通；可再生能源发电装置5与变流装置1连接，变流装置1将电能转换后分配给电解水制氢设备2和电网6。通过可再生能源发电装置5发电输送至变流装置1，变流装置1转换电流形式并合理分配，电解水制氢设备2对制备的气态氢进行合理分配，氢气液化设备3将气态氢转换成液态氢后进行合理分配，高温超导储能装置4接受液态氢后做功平抑可再生能源发电装置5的功率波动，同时对部分液态氢进行气化并回流至电解水制氢设备2的气罐21内，气罐21和液罐31将富余的气态氢和液态氢分别输送至气态氢用户端22和液态氢用户端32，将发电、变流、制氢和储能有机结合，实现氢能与高温超导储能的综合利用系统，经济节约，智能化程度高，操作简单方便。

优选的方案中，所述变流装置1接受可再生能源发电装置5输出的电能后，对其进行交直流变换，优选供给电解水制氢设备2，多余的部分供给电网6外送。使用时，可再生能源发电装置5主要利用风能、太阳能或其它的再生能进行发电，电能通过变流装置1进行交流或直流转换后分配给电网6或者驱动电解水制氢设备2，优选满足电解水制氢设备2，以便于电解水制氢设备2持续工作。

优选的方案中，所述电解水制氢设备2进行电解水制氢，制备的氢气储存于气罐21内。使用时，电解水制氢设备2由变流装置1分配的电能驱动，进行电解水制氢，将制备的气态氢储存于气罐21，气罐21内的气态氢向氢气液化设备3和气态氢用户端22输送，优选满足氢气液化设备3对气态氢的需求，富余的气态氢输送至气态氢用户端22。

优选的方案中，所述氢气液化设备3对气罐21内的气态氢进行液化后储存于液罐31内。使用时，氢气液化设备3接受来自气罐21内的气态氢，并将气态氢转化成液态后储存于液罐31内。

优选的方案中，所述高温超导储能装置4位于杜瓦41内，进气管42与液罐31和杜瓦41连通，液态氢通过进气管42进入杜瓦41对高温超导储能装置4进行冷却。在使用时，液态氢沿进气管42进入杜瓦41内，对高温超导储能装置4进行冷却，保证高温超导储能装置4稳定运行。

优选的方案中，所述高温超导储能装置4中的高温超导储能磁体产生的热量对杜瓦41内的液态氢气化产生氢气，经排气管43进入气罐21内。使用时，高温超导储能装置4运行时散发的热量被液态氢吸收，液态氢被气化后沿排气管43进入气罐21内。

优选地，进气管42和排气管43将高温超导储能装置4、氢气液化设备3和气罐21及液罐31连接呈一个回路，有利于气态氢和液态氢相互转换。

优选的方案中，所述高温超导储能装置4中的高温超导储能磁体冷却过程中处于超导态，通过与变流装置1进行充电或放电，平抑可再生能源发电装置5的功率波动。使用时，在高温超导储能装置4中的高温超导储能磁体被液态氢冷却后处于超导态，导通变流装置1并对其充电或放电，从而平抑变流装置1连接的可再生能源发电装置5的功率波动。

优选的方案中，所述杜瓦41内的液位44随着高温超导储能装置4的运行发生改变，排气管43上的智能控制开关45接受液位传感器感应的信号后，控制排气管43的开闭，使杜瓦41内的液位44高度始终高于高温超导储能装置4中的高温超导储能磁体高度。使用时，杜瓦41内的液态氢的液位44由液位传感器感应，当液位44的高度低于高温超导储能磁体时，智能控制开关45关闭排气管43，使高温超导储能磁体始终处于低温状态，有利于其稳定运行。

优选的方案中，所述气罐21和液罐31分别与气态氢用户端22和液态氢用户端32连接，将富余的氢气和液态氢输送至气态氢用户端22和液态氢用户端32。使用时，气罐21和液罐31内的富余的气态氢和液态氢分别供给气态氢用户端22和液态氢用户端32，使其得以充分利用并消纳。

优选地，气态氢用户端22主要包括汽车、工业和燃气用户。

优选地，液态氢用户端32主要包括航天、医疗和军事用户。

优选的方案中，如上所述的可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统的利用方法，它包括如下步骤：

S1，发电，可再生能源发电装置5主要将风能和太阳能转换成电能输送至变流装置1；实现可再生能源和电能的转换；

S2，变流，变流装置1接受电能后将其变换成交流电或直流电，优选满足电解水制氢设备2的用电需求，富余的电能输送至电网6，由电网6外送；实现电能的合理分配；

S3，制气态氢，电解水制氢设备2接受变流装置1输送的电能后，进行电解水制氢，气态氢储存于气罐21内；实现电能和氢能的转换；

S4，制液态氢，氢气液化设备3启动，将气罐21内的气态氢转换成液态氢，液态氢储存于液罐31内；实现气态氢和液态氢的转换；

S5，平抑功率，液态氢沿进气管42进入杜瓦41内，液态氢漫过高温超导储能装置4的高温超导储能磁体，通过变流装置1进行充电或放电；实现对可再生能源发电装置5的功率波动进行平抑；

在S3中，气罐21内的气态氢优选满足氢气液化设备3的需求，富余的气态氢输送至气态氢用户端22；

在S4中，液罐31内的液态氢优选满足高温超导储能装置4的需求，富余的液态氢输送至液态氢用户端32；

在S5中，液态氢对高温超导储能装置4进行冷却的同时被高温超导储能装置4运行时散发的热量气化，沿排气管43进入到气罐21内；

在S5中，当杜瓦41内的液态氢的液位44低于高温超导储能磁体时，液位传感器将感应的信号发送至智能控制开关45，智能控制开关45关闭排气管43；

在S5中，当杜瓦41内的气态氢的气压达到设定值时，智能控制开关45打开排气管43。该方操作简单方便，智能化程度高，有利于充分消纳该系统中的多种清洁能源，有利于调节电网6负荷，平抑可再生能源发电装置5的功率波动。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统，其特征是：它包括变流装置（1）、电解水制氢设备（2）、氢气液化设备（3）、高温超导储能装置（4）和可再生能源发电装置（5）；所述电解水制氢设备（2）和高温超导储能装置（4）与变流装置（1）电性连接，氢气液化设备（3）与电解水制氢设备（2）的气罐（21）连通，高温超导储能装置（4）与气罐（21）和氢气液化设备（3）的液罐（31）连通；可再生能源发电装置（5）与变流装置（1）连接，变流装置（1）将电能转换后分配给电解水制氢设备（2）和电网（6）。

2.根据权利要求1所述的可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统，其特征是：所述变流装置（1）接受可再生能源发电装置（5）输出的电能后，对其进行交直流变换，优选供给电解水制氢设备（2），多余的部分供给电网（6）外送。

3.根据权利要求1所述的可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统，其特征是：所述电解水制氢设备（2）进行电解水制氢，制备的氢气储存于气罐（21）内。

4.根据权利要求1所述的可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统，其特征是：所述氢气液化设备（3）对气罐（21）内的气态氢进行液化后储存于液罐（31）内。

5.根据权利要求1所述的可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统，其特征是：所述高温超导储能装置（4）位于杜瓦（41）内，进气管（42）与液罐（31）和杜瓦（41）连通，液态氢通过进气管（42）进入杜瓦（41）对高温超导储能装置（4）进行冷却。

6.根据权利要求5所述的可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统，其特征是：所述高温超导储能装置（4）中的高温超导储能磁体产生的热量对杜瓦（41）内的液态氢气化产生氢气，经排气管（43）进入气罐（21）内。

7.根据权利要求5所述的可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统，其特征是：所述高温超导储能装置（4）中的高温超导储能磁体冷却过程中处于超导态，通过与变流装置（1）进行充电或放电，平抑可再生能源发电装置（5）的功率波动。

8.根据权利要求5所述的可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统，其特征是：所述杜瓦（41）内的液位（44）随着高温超导储能装置（4）的运行发生改变，排气管（43）上的智能控制开关（45）接受液位传感器感应的信号后，控制排气管（43）的开闭，使杜瓦（41）内的液位（44）高度始终高于高温超导储能装置（4）中的高温超导储能磁体高度。

9.根据权利要求1所述的可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统，其特征是：所述气罐（21）和液罐（31）分别与气态氢用户端（22）和液态氢用户端（32）连接，将富余的氢气和液态氢输送至气态氢用户端（22）和液态氢用户端（32）。

10.根据权利要求1~9任一项所述的可再生能源电解水制氢实现超导储能与利用的系统的利用方法，其特征是，它包括如下步骤：

S1，发电，可再生能源发电装置（5）主要将风能和太阳能转换成电能输送至变流装置（1）；实现可再生能源和电能的转换；

S2，变流，变流装置（1）接受电能后将其变换成交流电或直流电，优选满足电解水制氢设备（2）的用电需求，富余的电能输送至电网（6），由电网（6）外送；实现电能的合理分配；

S3，制气态氢，电解水制氢设备（2）接受变流装置（1）输送的电能后，进行电解水制氢，气态氢储存于气罐（21）内；实现电能和氢能的转换；

S4，制液态氢，氢气液化设备（3）启动，将气罐（21）内的气态氢转换成液态氢，液态氢储存于液罐（31）内；实现气态氢和液态氢的转换；

S5，平抑功率，液态氢沿进气管（42）进入杜瓦（41）内，液态氢漫过高温超导储能装置（4）的高温超导储能磁体，通过变流装置（1）进行充电或放电；实现对可再生能源发电装置（5）的功率波动进行平抑；

在S3中，气罐（21）内的气态氢优选满足氢气液化设备（3）的需求，富余的气态氢输送至气态氢用户端（22）；

在S4中，液罐（31）内的液态氢优选满足高温超导储能装置（4）的需求，富余的液态氢输送至液态氢用户端（32）；

在S5中，液态氢对高温超导储能装置（4）进行冷却的同时被高温超导储能装置（4）运行时散发的热量气化，沿排气管（43）进入到气罐（21）内；

在S5中，当杜瓦（41）内的液态氢的液位（44）低于高温超导储能磁体时，液位传感器将感应的信号发送至智能控制开关（45），智能控制开关（45）关闭排气管（43）；

在S5中，当杜瓦（41）内的气态氢的气压达到设定值时，智能控制开关（45）打开排气管（43）。

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