CN114156512A - 一种闭循环高效超导液氢储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种闭循环高效超导液氢储能系统，包括清洁能源超导发电装置、电解海水制氢装置、氢气液化装置、氢燃料电池和液氢储氢装置，清洁能源超导发电装置的输出端与电解海水制氢装置的输入端电连接，氢燃料电池、电解海水制氢装置、氢气液化装置、液氢储氢装置四者之间实现氢气闭循环连接，优点是采用超导电机作为发电装置，采用液氢作为超导冷源进行冷却，采用电解海水的方式进行制氢，采用高效氢燃料电池进行供电，采用逆布雷顿氦循环制冷原理进行液氢的制取，采用液氢零蒸发系统进行存储，整个系统闭循环运行，仅依靠海洋风能及波浪能进行能源输入，即可源源不断输出液氢，同时，本发明还可以附带实现海水淡化功能。

Description

一种闭循环高效超导液氢储能系统
技术领域
本发明涉及氢能源技术领域，尤其涉及一种闭循环高效超导液氢储能系统。
背景技术
作为一种理想的新的含能体能源，氢能源的作用极多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。现有的技术是通过海上风力发电后电解水制得氢气，并对氢气进行储存运输后运送到各地，但是在上述技术中，不仅需要源源不断提供发电机发电所需要的能量，且海洋能的不稳定性使得制氢过程不稳定，过于依赖海洋能，并且氢气的存储需要高压，存储效率低，危险性大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种闭循环高效超导液氢储能系统，该高效制氢储氢系统不需要外部能源供给，且能无视海洋能的不稳定性，将所有的海洋能源都转化为氢能源进行储存，解决了常规可再生能源发电系统由于可再生能源的波动性而导致的稳定性问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种闭循环高效超导液氢储能系统，包括清洁能源超导发电装置、电解海水制氢装置、氢气液化装置、氢燃料电池和液氢储氢装置，所述的清洁能源超导发电装置的输出端与所述的电解海水制氢装置的输入端电连接，所述的氢燃料电池、电解海水制氢装置、氢气液化装置、液氢储氢装置四者之间实现氢气闭循环连接。
作为优选，所述的液氢储氢装置包括相连通的液氢杜瓦和储氢罐。
作为优选，所述的电解海水制氢装置的第一出气口与所述的氢气液化装置的第一进气口相连通，所述的电解海水制氢装置的第二出气口与所述的氢燃料电池的第一进气口相连通，所述的氢气液化装置的出液口与所述的液氢杜瓦的入液口相连接，所述的液氢杜瓦的第一出液口与所述的清洁能源超导发电装置的入液口相连通，所述的液氢杜瓦的第二出液口与所述的储氢罐相连通，所述的氢气液化装置的出气口与所述的氢燃料电池的第二进气口相连通，所述的液氢杜瓦的出气口与所述的氢气液化装置的第二进气口相连通，所述的清洁能源超导发电装置的出气口与所述的氢气液化装置的第三进气口相连通。
作为优选，所述的清洁能源超导发电装置包括超导电机和液氢冷却循环组件，所述的液氢冷却循环组件包括间壁式绕管换热器，所述的间壁式绕管换热器固定设置在所述的超导电机的定子上，所述的液氢杜瓦的第一出液口与所述的间壁式绕管换热器的入液口相连通，所述的间壁式绕管换热器的出气口与所述的氢气液化装置的第三进气口相连通。
作为优选，所述的超导电机包括风力超导单极发电机和波浪能超导单极发电机，所述的风力超导单极发电机和所述的波浪能超导单极发电机的输出端均与所述的电解海水制氢装置的输入端电连接。
作为优选，所述的风力超导单极发电机和波浪能超导单极发电机的励磁绕组的材质均为二代超导线材YBCO，所述的风力超导单极发电机和波浪能超导单极发电机的电枢绕组的材质均为铜线圈。
作为优选，所述的电解海水制氢装置为碱性电解槽，所述的碱性电解槽以未淡化的海水作为制氢原料，所述的碱性电解槽中的催化剂为过渡金属氮氧化物。
作为优选，所述的氢气液化装置为逆布雷顿氦循环制冷机。
作为优选，所述的储氢罐上固定设置有低温制冷机，所述的低温制冷机的冷头上固定设置有管壳式液氢冷凝器。
与现有技术相比，本发明采用超导电机作为发电装置，采用液氢作为超导冷源进行冷却，采用电解海水的方式进行制氢，采用高效氢燃料电池进行供电，采用逆布雷顿氦循环制冷原理进行液氢的制取，采用液氢零蒸发系统进行存储，整个系统闭循环运行，仅依靠海洋风能及波浪能进行能源输入，即可源源不断输出液氢，同时，本发明还可以附带实现海水淡化功能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的原理图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1-2所示，一种闭循环高效超导液氢储能系统，包括清洁能源超导发电装置、氢燃料电池2、碱性电解槽3、逆布雷顿氦循环制冷机4和液氢储氢装置，清洁能源超导发电装置的输出端与碱性电解槽3的输入端电连接，氢燃料电池2、碱性电解槽3、逆布雷顿氦循环制冷机4、液氢储氢装置四者之间实现氢气闭循环连接，液氢储氢装置包括相连通的液氢杜瓦5和储氢罐6，碱性电解槽3的第一出气口与逆布雷顿氦循环制冷机4的第一进气口相连通，碱性电解槽3的第二出气口与氢燃料电池2的第一进气口相连通，逆布雷顿氦循环制冷机4的出液口与液氢杜瓦5的入液口相连接，液氢杜瓦5的第二出液口与储氢罐6相连通，逆布雷顿氦循环制冷机4的出气口与氢燃料电池2的第二进气口相连通，液氢杜瓦5的出气口与逆布雷顿氦循环制冷机4的第二进气口相连通，清洁能源超导发电装置包括超导电机和液氢冷却循环组件，液氢冷却循环组件包括间壁式绕管换热器，间壁式绕管换热器固定设置在超导电机的定子上，液氢杜瓦5的第一出液口与间壁式绕管换热器的入液口相连通，间壁式绕管换热器的出气口与逆布雷顿氦循环制冷机4的第三进气口相连通。
在上述实施例中，清洁能源超导发电装置包括风力超导单极发电机11和波浪能超导单极发电机12，风力超导单极发电机11和波浪能超导单极发电机12的励磁绕组的材质均为二代超导线材YBCO，风力超导单极发电机11和波浪能超导单极发电机12的电枢绕组的材质均为铜线圈。本发明所用超导单极发电机的励磁绕组采用二代超导线材YBCO，电枢绕组采用铜线圈，且励磁绕组和电枢铜绕组都位于定子上，避开了技术难点，且转子由整块材料切割而成，降低了离心效应对高速运行的限制，系统由液氢进行浸泡式循环冷却，保持在20K的工作温度下，在该温度，YBCO可以发挥超导材料的巨大优势，损耗低于1%且电流密度极高，发电效率高达99%以上。
在上述实施例中，碱性电解槽3以未淡化的海水作为制氢原料，碱性电解槽3中的催化剂为过渡金属氮氧化物。
在上述实施例中，储氢罐6上固定设置有低温制冷机，低温制冷机的冷头上固定设置有管壳式液氢冷凝器。储氢罐6能把液氢杜瓦5里提取出来的液氢长期保存，低温制冷机的冷头上集成微通道管壳式液氢冷凝器，可以及时将储氢罐6中蒸发出的冷氢气及时再液化回储氢罐6，以实现氢气的微负压零蒸发，确保液氢的安全存储，可达到100%存储率，液氢只增不减，状态稳定，且储存满了以后储氢罐6会被更换为新的空罐来继续装液氢，方便拆卸，更换过程不影响整个系统工作。
在上述实施例中，整个系统中液氢的循环和传输均采用活塞式液氢泵及长轴低温液氢电磁阀，设计安全可靠，压力可调，流量可调，控制简单，可长时间工作，易维护。
本发明闭循环高效超导液氢储能系统的工作原理如下：风力超导单极发电机11和波浪能超导单极发电机12通过集取风力和波浪能进行发电，发出的电供给碱性电解槽3进行海水电解制氢，制取出来的氢气经过逆布雷顿氦循环制冷机4液化成为液氢预存入液氢杜瓦5，液氢杜瓦5内的部分液氢通过液氢泵和低温电磁阀泵入风力超导单极发电机11和波浪能超导单极发电机12的间壁式绕管换热器中，用于提供超导所需的低温环境，间壁式绕管换热器冷却循环后蒸发出的低温氢蒸汽以及液氢杜瓦5中蒸发出的低温氢蒸汽进入氦逆布雷顿循环制冷机4中回收冷量之后，再通过气体流量调节阀输送到氢燃料电池2中，氢燃料电池2发出的电，经逆变器、控制器等装置后给用电系统7供电，碱性电解槽3制得中的氢气有时可用于燃料电池发电装置2做补气之用，液氢杜瓦5剩余的液氢通过液氢泵和低温电磁阀泵入带有低温制冷机的储氢罐6用于储存和输运。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种闭循环高效超导液氢储能系统，包括清洁能源超导发电装置、电解海水制氢装置、氢气液化装置、氢燃料电池和液氢储氢装置，所述的清洁能源超导发电装置的输出端与所述的电解海水制氢装置的输入端电连接，其特征在于：所述的氢燃料电池、电解海水制氢装置、氢气液化装置、液氢储氢装置四者之间实现氢气闭循环连接。
2.如权利要求1所述的闭循环高效超导液氢储能系统，其特征在于：所述的液氢储氢装置包括相连通的液氢杜瓦和储氢罐。
3.如权利要求2所述的闭循环高效超导液氢储能系统，其特征在于：所述的电解海水制氢装置的第一出气口与所述的氢气液化装置的第一进气口相连通，所述的电解海水制氢装置的第二出气口与所述的氢燃料电池的第一进气口相连通，所述的氢气液化装置的出液口与所述的液氢杜瓦的入液口相连接，所述的液氢杜瓦的第一出液口与所述的清洁能源超导发电装置的入液口相连通，所述的液氢杜瓦的第二出液口与所述的储氢罐相连通，所述的氢气液化装置的出气口与所述的氢燃料电池的第二进气口相连通，所述的液氢杜瓦的出气口与所述的氢气液化装置的第二进气口相连通，所述的清洁能源超导发电装置的出气口与所述的氢气液化装置的第三进气口相连通。
4.如权利要求2所述的闭循环高效超导液氢储能系统，其特征在于：所述的清洁能源超导发电装置包括超导电机和液氢冷却循环组件，所述的液氢冷却循环组件包括间壁式绕管换热器，所述的间壁式绕管换热器固定设置在所述的超导电机的定子上，所述的液氢杜瓦的第一出液口与所述的间壁式绕管换热器的入液口相连通，所述的间壁式绕管换热器的出气口与所述的氢气液化装置的第三进气口相连通。
5.如权利要求4所述的闭循环高效超导液氢储能系统，其特征在于：所述的超导电机包括风力超导单极发电机和波浪能超导单极发电机，所述的风力超导单极发电机和所述的波浪能超导单极发电机的输出端均与所述的电解海水制氢装置的输入端电连接。
6.如权利要求4所述的闭循环高效超导液氢储能系统，其特征在于：所述的风力超导单极发电机和波浪能超导单极发电机的励磁绕组的材质均为二代超导线材YBCO，所述的风力超导单极发电机和波浪能超导单极发电机的电枢绕组的材质均为铜线圈。
7.如权利要求1所述的闭循环高效超导液氢储能系统，其特征在于：所述的电解海水制氢装置为碱性电解槽，所述的碱性电解槽以未淡化的海水作为制氢原料，所述的碱性电解槽中的催化剂为过渡金属氮氧化物。
8.如权利要求1所述的闭循环高效超导液氢储能系统，其特征在于：所述的氢气液化装置为逆布雷顿氦循环制冷机。
9.如权利要求2所述的闭循环高效超导液氢储能系统，其特征在于：所述的储氢罐上固定设置有低温制冷机，所述的低温制冷机的冷头上固定设置有管壳式液氢冷凝器。
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