CN115189394A - 氢电耦合与太阳能热发电联合运行系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了氢电耦合与太阳能热发电联合运行系统，电解制氢装置、第一氢气罐、第一压力罐依次相连，第一液压机构分别与第一压力罐和第一液体池相连，第一液压机构与电动机相连，第一压力罐、第二氢气罐、第二压力罐依次相连，第二液压机构分别与第二压力罐与第二液体池相连，第二液压机构第一发电机相连，第二压力罐、气液分离器、第三氢气罐、氢燃料电池依次相连；汽轮机、第二换热器、冷凝器、第一换热器、蒸汽发生器依次相连；太阳能场分别与吸热器和储热罐相连，蒸汽发生器分别与吸热器和储热罐相连，蒸汽发生器与汽轮机相连，汽轮机与第二发电机相连。控制方法包括太阳能充足和不充足时不同的控制方式。提高联合系统的运行效率和发电能力。

Description

氢电耦合与太阳能热发电联合运行系统及控制方法

技术领域

本发明涉及氢电耦合及太阳能热发电领域，尤其涉及氢电耦合与太阳能热发电联合运行系统及控制方法。

背景技术

基于氢气等温压缩、等温膨胀的氢电耦合系统，在消耗电能储存氢能的情况下，电解制氢装置产生氢气并进行等温压缩，氢气压缩过程中会产生热量，可以将这部分热量利用，在消耗氢气发电的情况下，高压氢气等温膨胀后进入氢燃料电池发电，氢气膨胀过程中吸收热量，可以用于散热和制冷。

太阳能热电站利用太阳能的光热效应，加热吸热器内的工质，高温的工质在蒸汽发生器内加热水产生高温高压的水蒸气，高温高压的水蒸气推动汽轮机运动发电，产生的乏汽在冷凝器内冷凝成水，水再次进入蒸汽发生器内被高温的工质加热成高温高压的水蒸气再次发电。从汽轮机输出的乏汽需要及时降温冷凝成水，而从冷凝器冷凝后的水要在蒸汽发生器内再次加热，结合氢电耦合系统氢气膨胀吸热，氢气压缩放热的特点，将氢电耦合系统与太阳能热电站联合运行，可以提高两者的运行效率，提高联合系统的发电量。

发明内容

本发明的目的在于提供氢电耦合与太阳能热发电联合运行系统及控制方法，利用氢气等温压缩过程中产生的热量加热进入蒸汽发生器的水，利用氢气等温膨胀过程中吸收的热量对进入冷凝器的乏汽提前降温，提高联合系统的运行效率和发电能力。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

氢电耦合与太阳能热发电联合运行系统，包括：氢电耦合单元、换热单元和太阳能热电站；

所述氢电耦合单元包括电解制氢装置、第一氢气罐、第一压力罐、第一液压机构、第一液体池、第二氢气罐、第二压力罐、第二液压机构、第二液体池、气液分离器、第三氢气罐、氢燃料电池、电动机、第一发电机；

所述换热单元包括第一换热器和第二换热器；

所述太阳能热电站包括太阳能场、吸热器、储热罐、蒸汽发生器、冷凝器、汽轮机和第二发电机；

所述电解制氢装置与所述第一氢气罐相连，所述第一氢气罐与所述第一压力罐相连，所述第一液压机构分别与所述第一压力罐和所述第一液体池相连，所述第一液压机构包括第一活塞杆，所述第一活塞杆与所述电动机相连，所述第一压力罐与所述第二氢气罐相连，所述第二氢气罐与所述第二压力罐相连，所述第二液压机构分别与所述第二压力罐与所述第二液体池相连，所述第二液压机构包括第二活塞杆，所述第二活塞杆与所述第一发电机相连，所述第二压力罐与所述气液分离器相连，所述气液分离器与所述第三氢气罐相连，所述第三氢气罐与所述氢燃料电池相连；所述第一换热器的液体流入端和流出端分别与所述第一液体池的液体流出端和流入端相连，所述第二换热器的液体流入端和流出端分别与所述第二液体池的液体流出端和流入端相连，所述汽轮机的出气口与所述第二换热器的进气口相连，所述第二换热器的出气口与所述冷凝器的进气口相连，所述冷凝器的出水口与所述第一换热器的进水口相连，所述第一换热器的出水口与所述蒸汽发生器相连；所述太阳能场分别与所述吸热器和所述储热罐相连，所述蒸汽发生器分别与所述吸热器和所述储热罐相连，所述蒸汽发生器与所述汽轮机相连，所述汽轮机与所述第二发电机相连。

优选的，所述第一压力罐包括第一循环泵，所述第一压力罐的底部与第一压力罐的顶部通过管道相连，所述第一循环泵设置在该管道上。

优选的，所述第二压力罐包括第二循环泵，所述第二压力罐的底部与第二压力罐的顶部通过管道相连，所述第二循环泵设置在该管道上。

优选的，所述第一液压机构和第二液压机构结构相同，均包括液压缸和活塞，所述活塞滑动设置在所述液压缸内，并且将所述液压缸分隔成两个独立腔室，每个所述腔室均包括进液口和出液口，且进液口均与对应的压力罐相连，出液口均与对应的液体池相连，所述第一活塞杆和第二活塞杆与对应的所述活塞相连。

采用上述氢电耦合与太阳能热发电联合运行系统的控制方法，

当太阳能充足时，所述太阳能热电站发电供给电网，电网供给部分电能给所述电解制氢装置以及所述电动机，所述电解制氢装置消耗电能产生氢气后将其迁移至所述第一氢气罐，提取所述第一氢气罐中的氢气至所述第一压力罐，所述发电机消耗电能推动所述第一液压机构中的第一活塞杆运动，使氢气在所述第一压力罐内进行等温压缩，等温压缩结束后，将所述第一压力罐中的高压氢气迁移至所述第二氢气罐，再次提取所述第一氢气罐中的氢气至所述第一压力罐进行等温压缩，如此往复，氢气压缩过程中产生的热量会使所述第一液体池内的液体温度升高，通过第一换热器对冷凝器冷却后的水进行加热，以提高进入蒸汽发生器的水的温度，提高太阳能热发电效率，同时减小电动机压缩耗电量；

当太阳能不足时，所述太阳能热电站利用少量光热资源以及所述储热罐进行发电，同时将所述第二氢气罐中的高压氢气迁移至所述第二压力罐，高压氢气在所述第二压力罐中进行等温膨胀，氢气等温膨胀做功推动所述第二液压机构中的第二活塞杆运动，所述第二活塞杆推动所述第一发电机发电，氢气膨胀过程中吸收的热量会使所述第二液体池中的液体温度降低，通过第二换热器对所述汽轮机产生的乏汽进行降温，以加快乏汽冷凝速度，提高太阳能热发电效率，同时提高第一发电机发电量。

与现有技术相比，本发明的优点是：在太阳能充足时，太阳能热电站发电较多，电解制氢装置消耗电能产生氢气，经过等温压缩后储存在储氢罐，等温压缩过程中产生的热量通过第一换热器提前加热进入蒸汽发生器的水以提高其温度，既可以减小氢气压缩过程中电动机所做的功，又可以提高太阳能热电站发电的效率；在太阳能不足时，太阳能热电站发电不足，储氢罐中的氢气需要经过等温膨胀后进入氢燃料电池进行发电，等温膨胀过程中需要吸收热量，通过第二换热器提前对进入冷凝器的乏汽进行降温，既可以增加氢气膨胀做功的发电量，又可以提高太阳能热电站发电的效率。

附图说明

图1为本发明氢电耦合与太阳能热发电联合运行系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1为本发明氢电耦合与太阳能热发电联合运行系统的实施例，该系统包括：氢电耦合单元1、换热单元2和太阳能热电站3；氢电耦合单元1包括电解制氢装置4、第一氢气罐5、第一压力罐6、第一液压机构7、第一液体池9、第二氢气罐10、第二压力罐11、第二液压机构12、第二液体池14、气液分离器15、第三氢气罐16、氢燃料电池17、电动机19、第一发电机21；换热单元2包括第一换热器22和第二换热器23；太阳能热电站3包括太阳能场24、吸热器26、储热罐25、蒸汽发生器27、冷凝器28、汽轮机29和第二发电机30。

电解制氢装置4与第一氢气罐5相连，第一氢气罐5与第一压力罐6相连，第一液压机构7分别与第一压力罐6和第一液体池9相连，第一液压机构7包括第一活塞杆8，第一活塞杆8与电动机19相连，第一压力罐6与第二氢气罐10相连，第二氢气罐10与第二压力罐11相连，第二液压机构12分别与第二压力罐11与第二液体池14相连，第二液压机构12包括第二活塞杆13，第二活塞杆13与第一发电机21相连，第二压力罐11与气液分离器15相连，气液分离器15与第三氢气罐16相连，第三氢气罐16与氢燃料电池17相连；

第一换热器22的液体流入端和流出端分别与第一液体池9的液体流出端和流入端相连，第二换热器23的液体流入端和流出端分别与第二液体池14的液体流出端和流入端相连，汽轮机29的出气口与第二换热器23的进气口相连，第二换热器23的出气口与冷凝器28的进气口相连，冷凝器28的出水口与第一换热器22的进水口相连，第一换热器22的出水口与蒸汽发生器27相连；太阳能场24分别与吸热器26和储热罐25相连，蒸汽发生器27分别与吸热器26和储热罐25相连，蒸汽发生器27与汽轮机29相连，汽轮机29与第二发电机30相连。

第一液压机构7和第二液压机构12结构相同，均包括液压缸和活塞，活塞滑动设置在液压缸内，并且将液压缸分隔成两个独立腔室，每个腔室均包括进液口和出液口，且进液口均与对应的压力罐相连，出液口均与对应的液体池相连，第一活塞杆和第二活塞杆与对应的活塞相连。

为了更好地实现氢气在第一压力罐6中进行等温压缩，第一压力罐6可包括第一循环泵18，以将第一压力罐6的底部与第一压力罐6的顶部相连，将第一压力罐6底部的液体抽送到第一压力罐6的顶部，以更好地实现液体与氢气的热交换。

为了更好地实现氢气在第二压力罐11中进行等温膨胀，第二压力罐11可包括第二循环泵20，以将第二压力罐11的底部与第二压力罐11的顶部相连，将第二压力罐11底部的液体抽送到第二压力罐11的顶部，以更好地实现液体与氢气的热交换。

第一液体池9中的液体和第二液体池14中的液体可以是无杂质的水，也可以是其他氢气难溶解的液体。

氢电耦合与太阳能热发电联合运行系统的控制方法包括如下步骤：

氢电耦合单元1有储氢和发电两种运行方式，当电能充足的时候，电解制氢设备4消耗电能产生氢气，压缩氢气并储存，当电能不足的时候，高压氢气膨胀减压后进入氢燃料电池17中发电。

当太阳能充足的时候，太阳能热电站3发电较多，氢电耦合单元1运行在储氢模式，电解制氢装置4消耗电能产生氢气，将氢气迁移至第一氢气罐5中，提取第一氢气罐5中的部分氢气进入第一压力罐6中，第一氢气罐5与第一压力罐6中间的氢气管道包括迁移泵，用于氢气从第一氢气罐5向第一压力罐6中迁移。初始状态时第一压力罐6中充满了液体，打开阀门F1、F2、F3、F4、F9，将氢气从第一氢气罐5迁移到第一压力罐6中，第一压力罐6中的液体通过阀门F1、F2进入第一液压机构7中，第一液压机构7中的液体通过阀门F3、F4进入到第一液体池9中，迁移第一氢气达到规定量后，关闭阀门F1、F2、F3、F4、F9。

假设此时第一活塞杆8位于第一液压机构7的最左端(其他位置类似)，关闭阀门F1、F4，打开阀门F2、F3，电动机19驱动第一活塞杆8向右运动，第一活塞杆8推动第一液压机构7右侧的液体通过阀门F2进入第一压力罐6中，等温压缩第一压力罐6中的氢气，同时第一液体池9中的液体通过阀门F3进入到第一液压机构7的左侧，当第一活塞杆8运动到第一液压机构7的最右侧时，打开阀门F1、F4，关闭阀门F2、F3，电动机19驱动第一活塞杆8向左运动，第一活塞杆8推动第一液压机构7左侧的液体通过阀门F1进入第一压力罐6中，等温压缩第一压力罐6中的氢气，同时第一液体池9中的液体通过阀门F4进入到第一液压机构7的右侧，直到第一活塞杆8运动到第一液压机构7的最左侧，再关闭阀门F1、F4，打开阀门F2、F3，电动机19驱动第一活塞杆8向右运动，如此往复，直到将第一压力罐6中的第一氢气压缩到指定压力后，打开阀门F10，将氢气迁移至第二氢气罐10中，同时第一压力罐6中再次充满液体，关闭阀门F10，打开阀门F9，再次等温压缩氢气。

同时，低压氢气在第一压力罐6中等温压缩过程中，第一换热器22利用氢气压缩过程中在第一液体池9中产生的热量加热即将进入蒸汽发生器27的水，以提高其温度，使其更快的在蒸汽发生器27中生成高温高压的水蒸气，提高太阳能热发电效率，同时第一液体池9中的液体能够保持温度不变，减少压缩过程所做的功。

当太阳能不足的时候，太阳能热电站3发电不足，氢电耦合单元1运行在发电模式，提取第二氢气罐10中的部分氢气迁移到第二压力罐11中，第二氢气罐10与第二压力罐11中间的氢气管道包括迁移泵，用于氢气从第二氢气罐10向第二压力罐11中迁移。初始状态时第二压力罐11中充满了液体，打开阀门F5、F6、F7、F8、F11，将高压氢气从第二氢气罐10迁移到第二压力罐11中，第二压力罐11中的液体通过阀门F5、F6进入第二液压机构12中，第二液压机构12中的液体通过阀门F7、F8进入到第二液体池14中，迁移氢气达到规定量后，关闭阀门F5、F6、F7、F8、F11。

假设此时第二活塞杆13位于第二液压机构12的最左端(其他位置类似)，打开阀门F5、F8，关闭阀门F6、F7，高压氢气在第二压力罐11中等温膨胀，推动第二压力罐11中的液体通过阀门F5进入第二液压机构12的左端，第二活塞杆13被第二液压机构12的左端的液体推动向右运行，第二活塞杆13驱动第一发电机21发电，第二液压机构12中右侧的液体通过阀门F8进入到第二液体池14中，当第二活塞杆13运动到第二液压机构12最右侧时，关闭阀门F5、F8，打开阀门F6、F7，氢气在第二压力罐11中等温膨胀，第二压力罐11中的液体通过阀门F6进入第二液压机构12的右端，第二活塞杆13被第二液压机构12右侧的液体推动向左运行，第二活塞杆13驱动第一发电机21发电，第二液压机构12中左侧的液体通过阀门F7进入到第二液体池14中，当第二活塞杆13运动到第二液压机构12最左侧时，打开阀门F5、F8，关闭阀门F6、F7，如此往复，直到第二压力罐11中的氢气得到规定压力后，关闭阀门F5、F6、F7、F8，停止膨胀。

打开阀门F5、F6、F7、F8、F12，将第二压力罐11中的第二氢气迁移到气液分离器15中，第二压力罐11与气液分离器15之间的氢气管道包括迁移泵，迁移结束后关闭阀门F5、F6、F7、F8、F12。将经过气液分离器15的氢气迁移至第三氢气罐16中，气液分离器15与第三氢气罐16之间的氢气管道包括迁移泵。提取第三氢气罐16中的氢气迁移至氢燃料电池17中发电。

同时，高压氢气在第二压力罐11中等温膨胀过程中，第二换热器23利用氢气等温膨胀过程中在第二液体池14中吸收的热量，对即将进入冷凝器28的乏汽提前降温，使其更快的在冷凝器28内冷凝成水，提高太阳能热发电效率，同时第二液体池14中的液体能够保持温度不变，增加第一发电机21所发的电能。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (5)

1.氢电耦合与太阳能热发电联合运行系统，其特征在于，包括：氢电耦合单元、换热单元和太阳能热电站；

所述氢电耦合单元包括电解制氢装置、第一氢气罐、第一压力罐、第一液压机构、第一液体池、第二氢气罐、第二压力罐、第二液压机构、第二液体池、气液分离器、第三氢气罐、氢燃料电池、电动机、第一发电机；

所述换热单元包括第一换热器和第二换热器；

所述太阳能热电站包括太阳能场、吸热器、储热罐、蒸汽发生器、冷凝器、汽轮机和第二发电机；

所述电解制氢装置与所述第一氢气罐相连，所述第一氢气罐与所述第一压力罐相连，所述第一液压机构分别与所述第一压力罐和所述第一液体池相连，所述第一液压机构包括第一活塞杆，所述第一活塞杆与所述电动机相连，所述第一压力罐与所述第二氢气罐相连，所述第二氢气罐与所述第二压力罐相连，所述第二液压机构分别与所述第二压力罐与所述第二液体池相连，所述第二液压机构包括第二活塞杆，所述第二活塞杆与所述第一发电机相连，所述第二压力罐与所述气液分离器相连，所述气液分离器与所述第三氢气罐相连，所述第三氢气罐与所述氢燃料电池相连；所述第一换热器的液体流入端和流出端分别与所述第一液体池的液体流出端和流入端相连，所述第二换热器的液体流入端和流出端分别与所述第二液体池的液体流出端和流入端相连，所述汽轮机的出气口与所述第二换热器的进气口相连，所述第二换热器的出气口与所述冷凝器的进气口相连，所述冷凝器的出水口与所述第一换热器的进水口相连，所述第一换热器的出水口与所述蒸汽发生器相连；所述太阳能场分别与所述吸热器和所述储热罐相连，所述蒸汽发生器分别与所述吸热器和所述储热罐相连，所述蒸汽发生器与所述汽轮机相连，所述汽轮机与所述第二发电机相连。

2.如权利要求1所述的氢电耦合与太阳能热发电联合运行系统，其特征在于，所述第一压力罐包括第一循环泵，所述第一压力罐的底部与第一压力罐的顶部通过管道相连，所述第一循环泵设置在该管道上。

3.如权利要求1所述的氢电耦合与太阳能热发电联合运行系统，其特征在于，所述第二压力罐包括第二循环泵，所述第二压力罐的底部与第二压力罐的顶部通过管道相连，所述第二循环泵设置在该管道上。

4.如权利要求1所述的氢电耦合与太阳能热发电联合运行系统，其特征在于，所述第一液压机构和第二液压机构结构相同，均包括液压缸和活塞，所述活塞滑动设置在所述液压缸内，并且将所述液压缸分隔成两个独立腔室，每个所述腔室均包括进液口和出液口，且进液口均与对应的压力罐相连，出液口均与对应的液体池相连，所述第一活塞杆和第二活塞杆与对应的所述活塞相连。

5.采用权利要求1至4中任一项所述氢电耦合与太阳能热发电联合运行系统的控制方法，其特征在于：

当太阳能充足时，所述太阳能热电站发电供给电网，电网供给部分电能给所述电解制氢装置以及所述电动机，所述电解制氢装置消耗电能产生氢气后将其迁移至所述第一氢气罐，提取所述第一氢气罐中的氢气至所述第一压力罐，所述发电机消耗电能推动所述第一液压机构中的第一活塞杆运动，使氢气在所述第一压力罐内进行等温压缩，等温压缩结束后，将所述第一压力罐中的高压氢气迁移至所述第二氢气罐，再次提取所述第一氢气罐中的氢气至所述第一压力罐进行等温压缩，如此往复，氢气压缩过程中产生的热量会使所述第一液体池内的液体温度升高，通过第一换热器对冷凝器冷却后的水进行加热，以提高进入蒸汽发生器的水的温度，提高太阳能热发电效率，同时减小电动机压缩耗电量；

当太阳能不足时，所述太阳能热电站利用少量光热资源以及所述储热罐进行发电，同时将所述第二氢气罐中的高压氢气迁移至所述第二压力罐，高压氢气在所述第二压力罐中进行等温膨胀，氢气等温膨胀做功推动所述第二液压机构中的第二活塞杆运动，所述第二活塞杆推动所述第一发电机发电，氢气膨胀过程中吸收的热量会使所述第二液体池中的液体温度降低，通过第二换热器对所述汽轮机产生的乏汽进行降温，以加快乏汽冷凝速度，提高太阳能热发电效率，同时提高第一发电机发电量。

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