CN113890091A - 一种利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用储氢系统解决绿色建筑的光伏消纳问题的方法，包括光伏发电系统和氢能利用系统，光伏组件通过光伏发电控制器与逆变器相连将可再生能源转化得到的电能直接给建筑负荷供电，多余的电能通过氢储能利用系统进行氢能存储，之后作为清洁能源再通过氢燃料电池将化学能转化为电能供建筑物后期负荷需求利用。本发明，为面向绿色建筑的太阳能光伏发电、存储与利用提供解决方案。

Description

一种利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法
技术领域
本发明涉及建筑光伏消纳技术领域，尤其涉及一种利用储氢技术解决建筑光伏消纳问题的方法。
背景技术
近年来，随着低碳意识和可再生能源发电与储能技术的发展，国家相关部委对建筑节能工作不断重视，建筑行业低能耗转型的趋势不断加大，“建筑”的出现为建筑节能提供了一个良好的技术支撑。
建筑是利用可再生能源的建筑，光伏是最适用于建筑的可再生能源之一，光伏发电作为国家鼓励发展的绿色清洁能源，近年来装机规模不断增大，光伏系统可以在建筑上就地发电并且就地消纳，还可以降低建筑冷热负荷进而降低建筑能耗。但光伏发电具有随机性、波动性、阶段性供电等问题，“弃光”现象明显。现有建筑光伏的配电系统不能有效平衡建筑电力负荷需求和可再生能源发电的关系，亟需采用储能技术改善可再生能源发电的时空特性。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法，能够实现将多余电能以氢的形式存储，待需要时再通过氢燃料电池发电满足建筑用电需求。
实现上述目的的一种技术方案是：一种利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法，包括光伏发电系统和氢能利用系统，光伏组件通过光伏发电控制器与逆变器相连将可再生能源转化得到的电能直接给建筑负荷供电，多余的电能通过氢储能利用系统进行氢能存储，之后作为清洁能源再通过氢燃料电池将化学能转化为电能供建筑物后期负荷需求利用。
进一步的，所述光伏发电系统包括太阳能电池板、光伏发电控制器和逆变器，光伏发电系统将光能转换为电能后，再通过光伏发电控制器的控制和逆变器将直流电转化为满足建筑负载所需要的交流电。
进一步的，所述氢能利用系统包括电解水制氢装置，电解槽中是浓度为20％～30％的NaOH溶液作为电解质，电极材料是镀镍的铁电极，电解槽中的隔膜为石棉。
进一步的，电解槽通入过滤净化后的生活污水，然后将未消纳的光伏发电量输入碱性电解池中进行电解，来制备氢气和氧气。
进一步的，氢能利用系统还包括氢氧处理系统和高压储氢装置。
进一步的，氧氢气处理系统连接电解池正负极出口,依次进行气水分离、洗涤、冷却后，氧气通过导管进入氧气收集装置，氢气在高压下进入高压储氢装置存储，通过减压调节阀与氢燃料电池相连。
进一步的，高压储氢装置采用高压复合储氢罐，采用气固复合的储氢方式进行氢气储存。
进一步的，氢燃料电池将氢气和氧气的化学能直接转换成电能供建筑负荷使用。
本发明在建筑光伏发电装置基础上发展氢储能，利用电解水制氢和高压储氢装置，提高可再生能源发电利用率，利用未消纳的发电量制备氢气和氧气并进行存储，再通过燃料电池在需要时将氢能转化为电能，在电网计划停电或者意外中断时短时供电，有效提高建筑负荷供电可靠性，将使整个建筑能源系统更加绿色低碳。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、根据光伏的随机性、波动性、阶段性等问题，利用这些可再生能源来制取氢气，通过太阳能光伏发电，电解水产生氢气，缓解建筑可能存在的电力供应波动和间歇性问题，也可以缓解目前氢能少、用氢难等问题。
2、光电氢一体化应用，由建筑光伏发电未利用的电能电解水产生的氢气一方面可通过高压储气罐、固态储氢等方式进行储存备用，另一方面可注入氢燃料电池进行发电，实现光伏建筑发电的循环低碳环保使用，解决太阳能光伏建筑发电就地消纳。
附图说明
图1为本发明的一种利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法的系统架构示意图；
图2为本发明的一种利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法的电解水原理装置示意图；
图3为本发明的一种利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法的高压储氢装置示意图；
图4为本发明的一种利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法的燃料电池原理示意图。
具体实施方式
为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：
本发明的一种利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法，包括光伏发电系统和氢能利用系统，光伏组件通过光伏发电控制器与逆变器相连将可再生能源转化得到的电能直接给建筑负荷供电，多余的电能通过氢储能利用系统进行氢能存储，之后作为清洁能源再通过氢燃料电池将化学能转化为电能供建筑物后期负荷需求利用。所述光伏发电系统包括太阳能电池板、光伏发电控制器和逆变器，光伏发电系统将光能转换为电能后，再通过控制器的控制和逆变器将直流电转化为满足建筑负载所需要的交流电。如图1所示，安装在建筑物屋顶的太阳能电池板1实现光伏发电，将所太阳能转化得来的直流电通过逆变器2变换为交流电供建筑负载正常供电，未被消纳的光伏发电量通过光伏发电控制器与电解水制氢设备相连，在整流器3的作用下向电解池4通入直流电，建筑物的生活污水经过滤净化后注入电解池，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。氢\氧气通过各自氢氧处理系统(分离，过滤，洗涤，冷却)后，氧气通过导管进行收集，氢气在高压下进入高压储氢罐5进行存储。经减压调节阀调节后输入至氢燃料电池6，氢、氧分别供给燃料电池的两极进行发电后输入逆变器，给建筑供电。氢燃料电池将氢气和氧气的化学能直接转换成电能供建筑负荷使用。
如图2所示，在碱性电解池中，电解液是浓度为20％～30％的NaOH溶液7，电极材料是镀镍的铁电极，电解槽中的隔膜为石棉，电解水的反应为：在直流电的作用下，水分子分解为氢离子和氢氧根离子，在阳极氢氧根失去电子产生氧气；在阴极氢离子得到电子产生氢气。反应式如下：
阴极上：4H2O+4e-＝2H2↑+4OH-
阳极上：4OH--4e-＝2H2O+O2↑
总反应式：2H2O＝2H2↑+O2↑
如图3所示，高压复合储氢罐，包括阀门81、换热器铝片82、碳纤维布83、铝内衬84、MH粉末85和管道86。一方面储氢材料自身可存储氢气，从而实现了固态储氢；另一方面由于储氢粉体材料的堆垛密度有限，高压储罐内粉体材料的空隙也参与储氢，从而实现气-固混合储氢。由于储氢材料具有很高的体积储氢密度，高压储氢罐与储氢材料复合后，其体积储氢密度得到有效提升，即使在较低的储氢压力下，也能保证较高的质量储氢密度和体积储氢密度。
如图4所示，氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，包括扩散层91、质子交换膜92、催化层93、阳极94和阴极95。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，通过催化剂的作用，氢原子变成一个正电荷的氢离子和一个负电荷的电子，其中氢离子通过电解质到达阴极板，而电子不能通过电解质，只能通过外部电路形成电流。电子到达阴极板后，与氧原子、氢离子重新结合为水。相对于其他能源，氢燃料电池的发电过程无污染，能量转换效率更高，运行安静，且其燃料氢气来源广泛，可再生。
氢燃料电池电极反应式：
阳极：H2→2H+2e-
阴极：1/2O2+2H+2e-→H2O
总反应：H2+1/2O2＝H2O
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (8)

1.一种利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法，其特征在于：包括光伏发电系统和氢能利用系统，光伏组件通过光伏发电控制器与逆变器相连将可再生能源转化得到的电能直接给建筑负荷供电，多余的电能通过氢储能利用系统进行氢能存储，之后作为清洁能源再通过氢燃料电池将化学能转化为电能供建筑物后期负荷需求利用。
2.根据权利要求1所述的一种分布式光伏发电氢储能系统，其特征在于：所述光伏发电系统包括太阳能电池板、光伏发电控制器和逆变器，光伏发电系统将光能转换为电能后，再通过光伏发电控制器的控制和逆变器将直流电转化为满足建筑负载所需要的交流电。
3.根据权利要求1所述的利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法，其特征在于：所述氢能利用系统包括电解水制氢装置，电解槽中是浓度为20％～30％的NaOH溶液作为电解质，电极材料是镀镍的铁电极，电解槽中的隔膜为石棉。
4.根据权利要求3所述的利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法，其特征在于：电解槽通入过滤净化后的生活污水，然后将未消纳的光伏发电量输入碱性电解池中进行电解，来制备氢气和氧气。
5.根据权利要求3所述的利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法，其特征在于：氢能利用系统还包括氢氧处理系统和高压储氢装置。
6.根据权利要求5所述的利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法，其特征在于：氧氢气处理系统连接电解池正负极出口,依次进行气水分离、洗涤、冷却后，氧气通过导管进入氧气收集装置，氢气在高压下进入高压储氢装置存储，通过减压调节阀与氢燃料电池相连。
7.根据权利要求6所述的利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法，其特征在于：高压储氢装置采用高压复合储氢罐，采用气固复合的储氢方式进行氢气储存。
8.根据权利要求6所述的利用储氢系统解决建筑光伏消纳问题的方法，其特征在于：氢燃料电池将氢气和氧气的化学能直接转换成电能供建筑负荷使用。
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