CN115173444A - 一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统 - Google Patents

一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统，涉及电氢耦合综合能源系统技术领域。本发明系统包括供电模块、能量转换模块、储能模块、母线、负载设备；所述供电模块、所述能量转换模块、所述储能模块以及所述负载设备在所述母线上并网运行；其中，所述储能模块包括电储能设备和储氢罐，在所述电储能设备中，采用锂电池和超级电容器的复合储能方式，所述储氢罐与加氢站相连。本发明通过多能互补的方式实现氢能和可再生能源耦合，实现电‑制氢‑储氢‑用氢绿色循环用能及冷热电联产，进一步减少了碳排放并提高能源利用率。

Description

一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统
技术领域
本发明涉及电氢耦合综合能源系统技术领域，更具体的说是涉及一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统。
背景技术
在现有技术中，综合能源系统如图1所示，电负荷由风机、光伏、燃料电池及燃气轮机供应。富余的电能通过电解槽电解为氢气储存在储氢罐中，供给氢负荷。当氢气出现富余时启动甲烷化装置，将富余的氢气转换为甲烷进行存储，再利用燃气轮机实现冷热电联产。燃气轮机组与电转气技术实现了电-氢-气的能流互通，提高了能源利用率，实现能量梯级利用。然而该系统仍存在如下问题：
(1)供电电能质量差。风光资源波动性、间歇性强，尤其对于没有电网支撑的孤岛系统来说，缺少电化学储能设备会导致供电可靠性降低，电能质量较差(2)碳排放污染。电氢耦合综合能源系统一般采用传统的燃气轮机和锅炉等装置，其做功过程有大量二氧化碳排放，有大量污染物排放；(3)能量利用效率低。燃料电池投资成本高且转化效率低导致氢-电转换效率较低。电转气技术能量转换过程复杂，导致能量利用效率低。
鉴于上述提出的种种问题，如何在减少碳排放的同时提高能源利用率是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统，以解决背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统，包括供电模块、能量转换模块、储能模块、母线、负载设备；所述供电模块、所述能量转换模块、所述储能模块以及所述负载设备在所述母线上并网运行；
其中，所述储能模块包括电储能设备和储氢罐，在所述电储能设备中，采用锂电池和超级电容器的复合储能方式，所述储氢罐与加氢站相连。
通过采用上述技术方案，具有以下有益的技术效果：基于分布式供能系统运行工况的多变性，提高孤岛运行下电负荷供电可靠性，采用锂电池和超级电容器的复合储能方式，加强源荷调节能力，增强了系统在各种条件下运行的稳定性和对不同运行模式的适应性，从而改善全工况性能特性。
可选的，所述供电模块包括新能源供电单元和燃气轮机。
可选的，所述能量转换模块包括电-气转换单元和氢-热电转换单元；在所述电-气转换单元中，包括电制氢气与氢气甲烷化过程，在所述氢-热电转换单元中，氢气输入燃料电池，所述燃料电池与所述燃气轮机相连，为所述燃气轮机供能。
可选的，所述新能源供电单元包括风力发电子单元和光伏发电子单元，所述风力发电子单元通过第一电能转换装置与交流母线相连，所述光伏发电子单元通过第二电能转换装置与交流母线相连。
可选的，所述燃料电池为高温固体氧化物型燃料电池。
可选的，所述第一电能转换装置包括AC/DC变换器和DC/AC变换器，其中，所述AC/DC变换器的交流侧与所述风力发电子单元的电能输出侧连接，所述AC/DC变换器的直流侧与所述DC/AC变换器的输入侧连接；所述DC/AC 变换器输出侧与所述母线相连。
可选的，采用甲烷裂解制氢技术增加系统氢汇。
通过采用上述技术方案，具有以下有益的技术效果：应用甲烷裂解制氢技术，不仅可以生成碳纳米材料而且无碳氧化物产生，氢气纯度高，过程无污染。
可选的，在所述电-气转换单元中采用碳捕集和封存利用技术，就地吸收利用附近火电厂产生的二氧化碳，实现氢气甲烷化。
通过采用上述技术方案，具有以下有益的技术效果：采用碳捕集和封存利用技术(CCUS)，在实现氢气甲烷化的过程中就地吸收利用附近火电厂产生的二氧化碳，减少碳排放。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统，具有以下有益的技术效果：
(1)通过多能互补的方式实现氢能和可再生能源耦合，实现电-制氢-储氢-用氢绿色循环用能及冷热电联产，进一步减少碳排放并提高能源利用率；
(2)采用高温固体氧化物型燃料电池替代传统微型燃汽轮机的燃烧室，实现系统低碳化；
(3)系统以氢为媒介促进可再生能源充分利用，经微型燃气轮机做功后，余热利用装置进行供热、制冷，实现冷、热、电联产，实现多能源输入和多产品输出条件下的风光发电及氢能的最大利用，提高能源利用率，实现能量梯级利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的现有技术综合能源系统结构图；
图2为本发明的系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统，如图2 所示，包括供电模块、能量转换模块、储能模块、母线、负载设备；供电模块、能量转换模块、储能模块以及负载设备在母线上并网运行；
其中，储能模块包括电储能设备和储氢罐，在电储能设备中，采用锂电池和超级电容器的复合储能方式，储氢罐与加氢站相连。
具体的，如图2所示，供电模块包括新能源供电单元和微型燃气轮机。
新能源供电单元包括风力发电子单元和光伏发电子单元，风力发电子单元通过第一电能转换装置与交流母线相连，光伏发电子单元通过第二电能转换装置与交流母线相连。在本实施例中，风力发电子单元为风机，光伏发电子单元为光伏板。
第一电能转换装置包括AC/DC变换器和DC/AC变换器，其中，AC/DC 变换器的交流侧与风机的电能输出侧连接，AC/DC变换器的直流侧与DC/AC 变换器的输入侧连接；DC/AC变换器输出侧与母线相连。风机输出交流电，但是风力发电机因风量不稳定，故其输出的是变化的交流电，须经过整流变成直流电，对直流电进行逆变操作变成可供符合的稳定的交流电。
光伏发电是直流电，通过DC/AC变换器逆变操作后返回电网。
进一步的，分布式供能系统运行工况存在多变性，在本实施例中，设置有电储能装置，采用锂电池和超级电容器的复合储能方式，加强源荷调节能力，增强了系统在各种条件下运行的稳定性和对不同运行模式的适应性，从而改善全工况性能特性。
更进一步的，在风电、光伏功率过剩时，就存在了能量利用以及能量转换，能量转换模块包括电-气转换单元和氢-热电转换单元；在电-气转换单元中，包括电制氢气与氢气甲烷化过程，在氢-热电转换单元中，氢气输入燃料电池，燃料电池与燃气轮机相连，为燃气轮机供能。
在本实施例中，电-气转换单元即电转气装置，电转气包括电制氢气与氢气甲烷化两个过程；一方面，氢气与二氧化碳在甲烷反应器中反应生成甲烷和水，制取的甲烷直接注入天然气网络供应气负荷供能，二氧化碳采用碳捕集和封存利用技术(CCUS)，就地吸收利用附近火电厂产生的二氧化碳，进一步减少碳排放；另一方面，应用甲烷裂解制氢技术，制氢纯度高，弥补风光制氢的成本高的问题，并实现“氢-气”循环互通，氢气就地利用，优先输送到加氢站供应燃料电池汽车等交通领域，不考虑“氢-电”转换过程。
将电转气细化为两阶段运行后，引入燃料电池直接实现氢能向电、热能的转化，通过高品位利用氢能提高电转气的综合利用效率，同时进一步挖掘燃料电池的供热能力，更高效地发挥其热电联产性能，使电-氢-热电一整套能源耦合利用方案更具经济效益。用燃料电池替代微型燃气轮机燃烧室，降低污染物排放，微型燃汽轮机做功后，余热回收进行供热、制冷，实现能量梯级利用，燃料电池为高温固体氧化物型燃料电池。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统，其特征在于，包括供电模块、能量转换模块、储能模块、母线、负载设备；所述供电模块、所述能量转换模块、所述储能模块以及所述负载设备在所述母线上并网运行；
其中，所述储能模块包括电储能设备和储氢罐，在所述电储能设备中，采用锂电池和超级电容器的复合储能方式，所述储氢罐与加氢站相连。
2.根据权利要求1所述的一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统，其特征在于，所述供电模块包括新能源供电单元和燃气轮机。
3.根据权利要求2所述的一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统，其特征在于，所述能量转换模块包括电-气转换单元和氢-热电转换单元；在所述电-气转换单元中，包括电制氢气与氢气甲烷化过程，在所述氢-热电转换单元中，氢气输入燃料电池，所述燃料电池与所述燃气轮机相连，为所述燃气轮机供能。
4.根据权利要求2所述的一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统，其特征在于，所述新能源供电单元包括风力发电子单元和光伏发电子单元，所述风力发电子单元通过第一电能转换装置与交流母线相连，所述光伏发电子单元通过第二电能转换装置与交流母线相连。
5.根据权利要求3所述的一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统，其特征在于，所述燃料电池为高温固体氧化物型燃料电池。
6.根据权利要求4所述的一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统，其特征在于，所述第一电能转换装置包括AC/DC变换器和DC/AC变换器，其中，所述AC/DC变换器的交流侧与所述风力发电子单元的电能输出侧连接，所述AC/DC变换器的直流侧与所述DC/AC变换器的输入侧连接；所述DC/AC变换器输出侧与所述母线相连。
7.根据权利要求1所述的一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统，其特征在于，采用甲烷裂解制氢技术增加系统氢汇。
8.根据权利要求3所述的一种风光可再生能源耦合氢储综合能源系统，其特征在于，在所述电-气转换单元中采用碳捕集和封存利用技术，就地吸收利用附近火电厂产生的二氧化碳，实现氢气甲烷化。
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