CN116505560A - 一种弃电储能与再利用的高效循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种弃电储能与再利用的高效循环系统，包括新能源电源和变换器模块，所述变换器模块输入端与所述新能源电源输出端相连接，所述变换器模块根据所述新能源电源的不同选择不同的变换器模块，还包括供电检测模块，本发明涉及发电系统技术领域。该弃电储能与再利用的高效循环系统，利用SOC可充可放的特点，借助SOEC将弃电转变为化学能储存起来，同时借助SOFC‑MGT的联合系统充分利用预热提高发电效率，可充分将弃电转化为化学能储存起来，在需要用电时再转化为电能进行供电，电解水产氢效率可达70％以上，发电效率可达50％以上，热电联供效率可达60％以上，达到高效循环、节能环保的效果。

Description

一种弃电储能与再利用的高效循环系统
技术领域
本发明涉及发电系统技术领域，具体为一种弃电储能与再利用的高效循环系统。
背景技术
随着我国新能源技术的不断发展，我国新能源发电量不断升高，但新能源电源固有的波动性和间歇性，导致了新能源电源发电峰值与当地用电高峰往往并不匹配。我国“弃风”等现象依旧严重，2020年，我国前三季度弃风电量约为116亿千瓦时，新疆弃风率高达10.4％、甘肃弃风率高达6.4％。如何减少弃风电量等能源的消耗是提高新能源综合利用的关键。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种弃电储能与再利用的高效循环系统，解决了新能源电源固有的波动性和间歇性，导致了新能源电源发电峰值与当地用电高峰往往并不匹配，进而导致“弃风”等现象依旧严重的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种弃电储能与再利用的高效循环系统，包括新能源电源和变换器模块，所述变换器模块输入端与所述新能源电源输出端相连接，所述变换器模块根据所述新能源电源的不同选择不同的变换器模块；
在本发明所述的新能源电源可以是指风能发电装置和太阳能发电装置等新能源电源，并不是指单一电源，可以为多所述新能源电源联用，但在使用多所述新能源电源联用时，需注意所述变换器模块也需多个，并且变换后需电压、电流一致。
还包括：供电检测模块，所述供电检测模块与所述新能源电源相连接用于检测新能源电池发电量与用户用电量，并进行对比；
一号控制器模块，所述一号控制器模块与所述供电检测模块相连接，所述控制器用于接收所述供电检测模块发出的信号；
固体氧化物电池，所述固体氧化物电池包括储能模式和发电模式：
所述固体氧化物电池工作在储能模式下，阳极输出端输出氧气，阴极输出端输出氢气，阴极输入端输入水蒸气；
所述固体氧化物电池工作在发电模式下，阳极输入端接收氢气，阴极输入端接收氧气，经电化学反应输出电能；
固体氧化物电池工作在储能模式下产生的氢气和氧气用以所述固体氧化物电池工作在发电模式下消耗的氢气和氧气，所述工作发电模式下固体氧化物电池与所述汽轮机组成联合发电系统。
蒸发器，所述蒸发器用于将液态水加热为气态水，所述蒸发器输出端与所述固体氧化物电池的阴极相连接，为所述固体氧化物电池在储能模式下提供水蒸气；
燃烧室，所述燃烧室输入端与所述固体氧化物电池阳极和阴极相连接，所述固体氧化物电池向所述燃烧室输送所述固体氧化物电池工作在发电模式下未完全反应的氢气和氧气，使氢气和氧气在所述燃烧室中进一步燃烧升温，所述燃烧室温度范围应在800～1000℃；
汽轮机，所述汽轮机输入端与所述燃烧室相连接，所述燃烧室向所述汽轮机提供高温高压气流带动所述汽轮机转动，汽轮机工作温度应在1000～1200℃；
分流阀，所述分流阀用来分流汽轮机高温排气；
回热室，所述回热室输入端与所述汽轮机相连接，所述汽轮机高温排气输送到所述回热室，所述回热室向用于预热所述工作在储能模式下固体氧化物电池产生的氢气和氧气，所述回热室工作温度应在1000～1200℃。
优选的，所述变换器模块是指AC/DC变换器或DC/DC变换器模块中的一种，所述固体氧化物电池工作在发电模式下工作温度在650℃以上。
优选的，储能系统还包括氧气压缩器，所述氧气压缩器输入端与工作在储能模式下的所述固体氧化物电池阳极相连接，用于压缩所述固体氧化物电池工作在储能模式下产生的氧气，所述氧气压缩器输出端与氧气储存室相连接。
优选的，储能系统还包括氢气压缩器，所述氢气压缩器输入端与工作在储能模式下的所述固体氧化物电池阴极相连接，用于压缩所述固体氧化物电池工作在储能模式下产生氢气，所述氢气压缩器输出端与氢气储存室相连接。
优选的，储能系统还包括氧气储存室，所述氧气储存室中氧气以高压气态的方式储存，所述氧气储存室输入端与所述氧气压缩器相连接，所述氧气压缩机向所述氧气储存室输送所述固体氧化物电池工作在储能模式下产生的氧气；
氢气储存室，所述氢气储存室中氢气以高压气态的方式储存，所述氢气储存室输入端与所述氢气压缩器相连接，所述氢气压缩机向所述氢气储存室输送所述固体氧化物电池工作在储能模式下产生的氢气。
优选的，储能系统还包括二号控制器，所述二号控制器控制所述氧气储存室向所述回热室输送氧气的流速与压强，速度可调，气体压强在0.4MPa左右；
三号控制器，所述三号控制器控制所述氢气储存室向所述回热室输送氢气的流速与压强，速度可调，气体压强在0.4MPa左右。
优选的，所述一号控制器、二号控制器和三号控制器有电信号联系，所述一号控制器控制所述二号控制器和三号控制器开通和关断。
本发明还公开了一种弃电储能与再利用的高效循环系统的应用方法，其主要分为储能工作模式和发电工作模式：
储能模式：
当供电检测模块检测到新能源电源发电量大于用户用电量时，供电检测模块发出电信号，电信号到达控制器，控制器将固体氧化物电池切换至储能工作模式，并开通变换器，新能源电源发出的电能经变换器，向储能提供反应所需电能，由蒸发器提供储能反应所需水蒸气，储能通过电解水蒸气，产生氢气和氧气，分别经过氢气压缩器和氧气压缩器变为高压气态，输送到氢气储存室和氧气储存室，将电能转变为化学能储存起来；
发电模式：
当供电检测模块检测到新能源电源发电量小于用户用电量时，供电检测模块发出电信号，电信号到达控制器，控制器将固体氧化物电池切换至发电工作模式，由氢气储存室和氧气储存室输送高压气体氢气和高压气体氧气，经过回热室预热分别输送到固体氧化物电池的阳极和阴极，固体氧化物电池开始发电，其工作温度在650℃以上，固体氧化物电池中未完全反应的氢气和氧气输送到燃烧室，在燃烧室中进一步反应，将高温高压气体输送到汽轮机，将废热加以利用，带动汽轮机发电，新能源电源、固体氧化物电池和汽轮机共同向用户提供电能。
有益效果
本发明提供了一种弃电储能与再利用的高效循环系统。与现有技术相比具备以下有益效果：
固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)和固体氧化物电解池(solid oxide electrolysis cell,SOEC)统称为固体氧化物电池(Solid Oxide Cell，SOC)。固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)是一种通过电化学反应，将氢气等燃料与氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发电装置，本专利利用SOC可充可放的特点，借助SOEC将弃电转变为化学能储存起来，同时借助SOFC-MGT的联合系统充分利用预热提高发电效率，可充分将弃电转化为化学能储存起来，在需要用电时再转化为电能进行供电，电解水产氢效率可达70％以上，发电效率可达50％以上，热电联供效率可达60％以上，达到高效循环、节能环保的效果。
附图说明
图1为本发明的系统原理图。
储能工作模式：
代表气态水传输方向；
代表新能源电能传输方向；
代表电信号传输方向；
代表固体氧化物燃料电池电解池产生氢气传输方向；
代表固体氧化物燃料电池电解池产生氧气传输方向；
发电工作模式：
代表固体氧化物燃料电池所需氢气传输方向；
代表固体氧化物燃料电池所需氧气传输方向；
代表气轮机排气传输方向；
图中：2、氢气储存室，3、氢气压缩器，4、蒸发器，5、汽轮机，6、回热室，7、固体氧化物电池，8、燃烧室，9、氧气压缩器，10、变换器模块，11、新能源电源，12、氧气储存室，13、一号控制器，14、供电检测模块，15、三号控制器，16、二号控制器，17、分流阀。
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。
参阅图1，本发明提供了一种弃电储能与再利用的高效循环系统，包括新能源电源11，新能源电源11可以是指风能发电装置和太阳能发电装置等新能源电源。
变换器模块10，变换器模块10是指AC/DC变换器或DC/DC变换器模块，变换器模块10输入端与新能源电源11输出端相连接，变换器模块10输出端与固体氧化物电池7相连接，为固体氧化物电池7在储能工作模式下提供电能，变换器模块10可以根据新能源电源11的不同选择不同的变换器模块10。
在本发明的新能源电源11可以是指风能发电装置和太阳能发电装置等新能源电源，并不是指单一电源，可以为多种新能源电源11联用，但在使用多新能源电源11联用时，需注意变换器模块10也需多个，并且变换后需电压、电流一致。
供电检测模块14，供电检测模块14与新能源电源11相连接用于检测新能源电池发电量与用户用电量，并进行对比。
一号控制器13模块，一号控制器13模块与供电检测模块14相连接，控制器用于接收供电检测模块14发出的信号。
固体氧化物电池7，固体氧化物电池7包括储能模式和发电模式。固体氧化物电池7工作在储能模式下，阳极输出端输出氧气，阴极输出端输出氢气，阴极输入端输入水蒸气，将弃电转变为化学能储存。固体氧化物电池7工作在发电模式下，阳极输入端接收氢气，阴极输入端接收氧气，经电化学反应输出电能，该模式工作温度在650℃以上(本实施例选用800℃)。
控制器模块与固体氧化物电池7和供电检测模块14相连接，控制器用于接收供电检测模块14发出的信号，改变固体氧化物电池7的工作模式。
蒸发器4，蒸发器4用于将液态水加热为气态水，蒸发器4输出端与固体氧化物电池7的阴极相连接，为固体氧化物电池7在储能模式下提供水蒸气。
燃烧室8，燃烧室8输入端与固体氧化物电池7阳极和阴极相连接，固体氧化物电池7向燃烧室8输送固体氧化物电池7工作在发电模式下未完全反应的氢气和氧气，使氢气和氧气在燃烧室8中进一步燃烧升温。
燃烧室8温度范围应在800～1000℃(本实施例选用1000℃)。
汽轮机5，气轮机输入端与燃烧室8相连接，燃烧室8向气轮机提供高温高压气体带动气轮机转动。
汽轮机5工作温度应在1000～1200℃(本实施例选用1000℃)。
分流阀17，分流阀17用来分流汽轮机5高温排气。
回热室6，回热室6输入端与汽轮机5相连接，汽轮机5高温排气输送到回热室6，回热室6向用于预热工作在储能模式下固体氧化物电池7产生的氢气和氧气。
回热室6工作温度应在1000～1200℃(本实施例选用1000℃)。
分流阀17用来分流汽轮机5高温排气，一部分用于回热室6预热氢气和氧气，一部分用来向居民供暖，达到热电联产的效果。
固体氧化物电池7工作在储能模式下产生的氢气和氧气用以固体氧化物电池7工作在发电模式下消耗的氢气和氧气，将弃电转变为化学能储存。工作发电模式下固体氧化物电池7与汽轮机5组成联合发电系统，提高发电效率。
储能系统还包括：氧气压缩器9，氧气压缩器9输入端与工作在储能模式下固体氧化物电池7阳极相连接，用于压缩固体氧化物电池7工作在储能模式下产生的氧气，氧气压缩器9输出端与氧气储存室12相连接。
储能系统还包括：氢气压缩器3，氢气压缩器3输入端与工作在储能模式下固体氧化物电池7阴极相连接，用于压缩固体氧化物电池7工作在储能模式下产生氢气，氢气压缩器3输出端与氢气储存室2相连接。
储能系统还包括：氧气储存室12，氧气储存室12中氧气以高压气态的方式储存，氧气储存室12输入端与氧气压缩器9相连接，氧气压缩机向氧气储存室12输送固体氧化物电池7工作在储能模式下产生的氧气。
储能系统还包括：氢气储存室2，氢气储存室2中氢气以高压气态的方式储存，氢气储存室2输入端与氢气压缩器3相连接，氢气压缩机向氢气储存室2输送固体氧化物电池7工作在储能模式下产生的氢气。
二号控制器16，二号控制器16，控制氧气储存室12向回热室6输送氧气的流速与压强，速度可调，气体压强在0.4MPa左右。
三号控制器15，三号控制器15，控制氢气储存室2向回热室6输送氢气的流速与压强，速度可调，气体压强在0.4MPa左右。
一号控制器13与二号控制器16和三号控制器15由电信号的联系，一号控制器13、二号控制器16和三号控制器15。
本发明还公开了一种弃电储能与再利用的高效循环系统的应用方法，其主要分为储能工作模式和发电工作模式：
储能模式：
当供电检测模块14检测到新能源电源11发电量大于用户用电量时，供电检测模块14发出电信号，电信号到达控制器，控制器将固体氧化物电池7切换至储能工作模式，并开通变换器，新能源电源11发出的电能经变换器，向储能提供反应所需电能，由蒸发器4提供储能反应所需水蒸气，储能通过电解水蒸气，产生氢气和氧气，分别经过氢气压缩器3和氧气压缩器9变为高压气态，输送到氢气储存室2和氧气储存室12，将电能转变为化学能储存起来；
发电模式：
当供电检测模块14检测到新能源电源11发电量小于用户用电量时，供电检测模块14发出电信号，电信号到达控制器，控制器将固体氧化物电池7切换至发电工作模式，由氢气储存室2和氧气储存室12输送高压气体氢气和高压气体氧气，经过回热室6预热分别输送到固体氧化物电池7的阳极和阴极，固体氧化物电池7开始发电，固体氧化物电池7中未完全反应的氢气和氧气输送到燃烧室8，在燃烧室8中进一步反应，将高温高压气体输送到汽轮机5，将废热加以利用，带动汽轮机5发电，新能源电源11、固体氧化物电池7和汽轮机5共同向用户提供电能。
同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种弃电储能与再利用的高效循环系统，包括新能源电源和变换器模块，所述变换器模块输入端与所述新能源电源输出端相连接，其特征在于：所述变换器模块根据所述新能源电源的不同选择不同的变换器模块，还包括：
供电检测模块，所述供电检测模块与所述新能源电源相连接用于检测新能源电池发电量与用户用电量，并进行对比；
一号控制器模块，所述一号控制器模块与所述供电检测模块相连接，所述控制器用于接收所述供电检测模块发出的信号；
固体氧化物电池，所述固体氧化物电池包括储能模式和发电模式：
所述固体氧化物电池工作在储能模式下，阳极输出端输出氧气，阴极输出端输出氢气，阴极输入端输入水蒸气；
所述固体氧化物电池工作在发电模式下，阳极输入端接收氢气，阴极输入端接收氧气，经电化学反应输出电能；
蒸发器，所述蒸发器用于将液态水加热为气态水，所述蒸发器输出端与所述固体氧化物电池的阴极相连接，为所述固体氧化物电池在储能模式下提供水蒸气；
燃烧室，所述燃烧室输入端与所述固体氧化物电池阳极和阴极相连接，所述固体氧化物电池向所述燃烧室输送所述固体氧化物电池工作在发电模式下未完全反应的氢气和氧气，使氢气和氧气在所述燃烧室中进一步燃烧升温；
汽轮机，所述汽轮机输入端与所述燃烧室相连接，所述燃烧室向所述汽轮机提供高温高压气流带动所述汽轮机转动；
分流阀，所述分流阀用来分流汽轮机高温排气；
回热室，所述回热室输入端与所述汽轮机相连接，所述汽轮机高温排气输送到所述回热室，所述回热室向用于预热工作在储能模式下所述固体氧化物电池产生的氢气和氧气。
2.根据权利要求1所述的一种弃电储能与再利用的高效循环系统，其特征在于：所述变换器模块是指AC/DC变换器或DC/DC变换器模块中的一种，所述固体氧化物电池工作在发电模式下工作温度在650℃以上。
3.根据权利要求1所述的一种弃电储能与再利用的高效循环系统，其特征在于：还包括氧气压缩器，所述氧气压缩器输入端与工作在储能模式下的所述固体氧化物电池阳极相连接，用于压缩所述固体氧化物电池工作在储能模式下产生的氧气，所述氧气压缩器输出端与氧气储存室相连接。
4.根据权利要求1所述的一种弃电储能与再利用的高效循环系统，其特征在于：还包括氢气压缩器，所述氢气压缩器输入端与工作在储能模式下的所述固体氧化物电池阴极相连接，用于压缩所述固体氧化物电池工作在储能模式下产生氢气，所述氢气压缩器输出端与氢气储存室相连接。
5.根据权利要求1所述的一种弃电储能与再利用的高效循环系统，其特征在于：还包括氧气储存室，所述氧气储存室中氧气以高压气态的方式储存，所述氧气储存室输入端与所述氧气压缩器相连接，所述氧气压缩机向所述氧气储存室输送所述固体氧化物电池工作在储能模式下产生的氧气；
氢气储存室，所述氢气储存室中氢气以高压气态的方式储存，所述氢气储存室输入端与所述氢气压缩器相连接，所述氢气压缩机向所述氢气储存室输送所述固体氧化物电池工作在储能模式下产生的氢气。
6.根据权利要求5所述的一种弃电储能与再利用的高效循环系统，其特征在于：还包括二号控制器，所述二号控制器控制所述氧气储存室向所述回热室输送氧气的流速与压强；
三号控制器，所述三号控制器控制所述氢气储存室向所述回热室输送氢气的流速与压强。
7.根据权利要求6所述的一种弃电储能与再利用的高效循环系统，其特征在于：所述一号控制器、二号控制器和三号控制器有电信号联系，所述一号控制器控制所述二号控制器和三号控制器开通和关断。
8.一种弃电储能与再利用的高效循环系统的应用方法，其特征在于：其主要分为储能工作模式和发电工作模式：
储能模式：
当供电检测模块检测到新能源电源发电量大于用户用电量时，供电检测模块发出电信号，电信号到达控制器，控制器将固体氧化物电池切换至储能工作模式，并开通变换器，新能源电源发出的电能经变换器，向储能提供反应所需电能，由蒸发器提供储能反应所需水蒸气，储能通过电解水蒸气，产生氢气和氧气，分别经过氢气压缩器和氧气压缩器变为高压气态，输送到氢气储存室和氧气储存室，将电能转变为化学能储存起来；
发电模式：
当供电检测模块检测到新能源电源发电量小于用户用电量时，供电检测模块发出电信号，电信号到达控制器，控制器将固体氧化物电池切换至发电工作模式，由氢气储存室和氧气储存室输送高压气体氢气和高压气体氧气，经过回热室预热分别输送到固体氧化物电池的阳极和阴极，固体氧化物电池开始发电，固体氧化物电池中未完全反应的氢气和氧气输送到燃烧室，在燃烧室中进一步反应，将高温高压气体输送到汽轮机，将废热加以利用，带动汽轮机发电，新能源电源、固体氧化物电池和汽轮机共同向用户提供电能。
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