CN116632879A - 一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于储能发电技术领域，尤其涉及一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统及方法，储能发电系统包括顺次连接的光伏光热电解水制氢装置、储氢部以及氢燃料电池；所述光伏光热电解水制氢装置包括用于光伏发电的光伏组件和用于进行电解水制取氢气的PEM电解池，所述PEM电解池设置在所述光伏组件的下方，所述光伏组件产生的电能通过逆变器送回电网，或用于给所述PEM电解池供电，所述PEM电解池电解水产生的氢气通过氢气管路进入所述储氢部存储备用；所述储氢部通过管路给所述氢燃料电池提供氢气，所述氢燃料电池使用氢气发电，并通过逆变器将电能送回电网。本发明的储能发电系统能够更为高效地利用太阳能，并对电网不同用电时段的电能供应进行调控。
Description
技术领域
本发明属于储能发电技术领域，尤其涉及一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统及方法。
背景技术
由于不同时段发出电能和用户使用电能存在不匹配的问题，造成用电高峰时段用电紧张、电压跟不上，而用电低谷时段电能过度盈余。
太阳能作为一种可再生能源，清洁绿色、容易获取，光伏发电是太阳能的主要利用方式之一。近年来，越来越多的电网将光伏发电进行并网，用于在高峰时段，减轻供电负担。
但光伏发电的发电功率受环境的影响而处于不断变化之中，不是稳定的电源，具有间歇性、波动性等缺点，所以部分电网拒绝光伏发电的接入，此外建设光伏储能站的成本较高，因此导致了“弃光”现象的存在。同时，因为光伏发电的波动性，出于安全管理电网的考虑，会限制光伏发电的电力输出，比如一个额定功率为100MWp的光伏发电站，由于调度的需要，只允许发80MWp的电力，另外20MW就被抑制住了，不能全力运行，即存在“限电”的现象。“弃光”和“限电”不仅导致了太阳能无法被充分利用，更无法通过使用太阳能对不同用电时段的电能供应削峰填谷；并且光伏发电的投资成本高，“弃光”和“限电”都会损坏光伏发电投资者的利益。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统，能够更为高效地利用太阳能，并对电网不同用电时段的电能供应进行调控。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统，其特征在于：包括顺次连接的光伏光热电解水制氢装置、储氢部以及氢燃料电池；
所述光伏光热电解水制氢装置包括用于光伏发电的光伏组件和用于进行电解水制取氢气的PEM电解池，所述PEM电解池设置在所述光伏组件的下方，所述光伏组件产生的电能通过逆变器送回电网，或用于给所述PEM电解池供电，所述PEM电解池电解水产生的氢气通过氢气管路进入所述储氢部存储备用；
所述储氢部通过管路给所述氢燃料电池提供氢气，在电网用电紧张时段，所述氢燃料电池使用氢气发电，并通过逆变器将电能送回电网。
优选的，所述光伏光热电解水制氢装置还包括导热硅胶、相变储能板、保温背板、外框，所述光伏组件为单玻光伏组件；
所述单玻光伏组件的下表面与所述导热硅胶接触设置，所述导热硅胶的下表面与所述PEM电解池接触设置，所述PEM电解池的下表面固定设置有所述相变储能板，所述相变储能板的下表面接触设置所述保温背板，所述外框封装在导热硅胶、PEM电解池、相变储能板和保温背板的四周以及所述保温背板的底面；
所述外框上还包括第一导线孔、第二导线孔以及第三导线孔，所述第一导线孔设置在外框上与所述单玻光伏组件相对应的位置，所述单玻光伏组件的发电导线和电解正负极线从所述第一导线孔引出，所述单玻光伏组件的发电导线通过逆变器与电网相连接；
所述第二导线孔和所述第三导线孔均设置在外框上与所述PEM电解池相对应的位置，所述单玻光伏组件的电解正负极线从所述第一导线孔引出，并从所述第二导线孔进入，为所述PEM电解池供电；用于给所述PEM电解池供水的进水管道也通过所述第二导线孔进入所述PEM电解池内；
所述第三导线孔用于将所述PEM电解池的氢气管道、氧气管道引出；
电网的供电线路通过所述第二导线孔进入所述PEM电解池供电。
优选的，所述光伏光热电解水制氢装置还包括空气层、太阳能吸收涂层、相变储能板、保温背板、外框，所述光伏组件为双玻光伏组件；
所述PEM电解池的上表面固定设置有所述太阳能吸收涂层，所述双玻光伏组件的下表面与所述太阳能吸收涂层之间为所述空气层，所述PEM电解池的下表面固定设置有所述相变储能板，所述相变储能板的下表面接触设置所述保温背板，所述外框封装在导热硅胶、PEM电解池、相变储能板和保温背板的四周以及所述保温背板的底面；
所述外框上还包括第一导线孔、第二导线孔以及第三导线孔，所述第一导线孔设置在外框上与所述双玻光伏组件相对应的位置，所述双玻光伏组件的发电导线和电解正负极线从所述第一导线孔引出，所述双玻光伏组件的发电导线通过逆变器与电网相连接；
所述第二导线孔和所述第三导线孔均设置在外框上与所述PEM电解池相对应的位置，所述双玻光伏组件的电解正负极线从所述第一导线孔引出，并从所述第二导线孔进入，为所述PEM电解池供电；用于给所述PEM电解池供水的进水管道也通过所述第二导线孔进入所述PEM电解池内；
所述第三导线孔用于将所述PEM电解池的氢气管道、氧气管道引出；
电网的供电线路通过所述第二导线孔进入所述PEM电解池供电。
优选的，所述光伏组件的电解正负极线上设置有制氢储能开关，所述制氢储能开关包括电磁继电器、电压变送器以及电流变送器，所述电流变送器和所述电磁继电器串联设置在所述光伏组件的电解正极线或电解负极线上，所述电压变送器连接在所述光伏组件的电解正负极线之间，且所述电压变送器与所述电流变送器、电磁继电器并联。
优选的，所述光伏光热电解水制氢装置还包括设置在所述光伏组件上方的聚光器，所述聚光器为复合抛物面聚光器，所述聚光器的抛物面上表面的上部设置有第一太阳能辐射计，所述聚光器底部的上表面设置有第二太阳能辐射计。
优选的，所述储氢部还包括依次串联设置在从所述第三导线孔引出的氢气管道上的氢气测爆仪、第一气水分离器、第二流量计、第二压力传感器以及储氢罐，所述储氢罐的出气口通过供氢管路与所述氢燃料电池相连接；所述储氢罐的进气口和出气口开放时段相异。
优选的，储能发电系统还包括储氧部，所述储氧部包括依次串联设置在从所述第三导线孔引出的氧气管道上的第二气水分离器、第三流量计以及储氧罐。
优选的，储能发电系统还包括通过水管依次串联设置的第一电磁阀、保温水箱、水泵、第二电磁阀、第一流量计、散热器，
所述第一电磁阀设置在所述保温水箱的进水管路上，所述水泵设置在所述保温水箱的出水管路上，所述水泵的出水端与所述第二电磁阀的进水端相连通，所述第二电磁阀的出水端与所述散热器进水端相连通，所述第二电磁阀和所述散热器之间的管路上设置有所述第一流量计，所述散热器的出水端与所述PEM电解池的进水管道相连通；
所述保温水箱内还设置有加热器、液位传感器和温度传感器；
终端处理器监测各传感器、流量计、辐射计的数值，以及氢气测爆仪的报警信号，来控制各阀门的关断、水泵的流量以及PEM电解池内的供电电流。
优选的，储能发电系统还包括第一截止阀和第二截止阀，所述第一气水分离器将分离出的水汽通过纯水回收管路送回所述保温水箱，所述第一截止阀设置在所述第一气水分离器和所述保温水箱之间的纯水回收管路上；所述第二气水分离器将分离出的水汽通过纯水回收管路送回所述保温水箱，所述第二截止阀设置在所述第二气水分离器和所述保温水箱之间的纯水回收管路上。
本发明还提供一种基于上述利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统的储能发电方法，其特征在于：
在夜晚电网发电量盈余时，光伏组件不工作，则由电网给储能发电系统供电，终端处理器根据保温水箱内液位传感器和温度传感器所采集的数值，控制加热器、第一电磁阀、水泵、第二电磁阀和散热器，将保温水箱内的纯水温度控制在预设温度后，使保温水箱内的纯水流入PEM电解池中，PEM电解池内进行电解水制取氢气，储氢罐的进气口打开、出气口关闭，氢气进入储氢罐内存储备用；
在白天电网发电量不足时，光伏组件通过光伏发电所产生的电能优先通过逆变器传送回电网，缓解用电紧张；若光伏组件所产生的电能在缓解用电紧张后存在剩余，则给PEM电解池供电，进行电解水制氢，储氢罐的进气口打开、出气口关闭，制取的氢气进入储氢罐内存储备用；
在白天电网发电量不足时，若光伏组件通过光伏发电所产生的电能无法缓解用电紧张，则储氢罐进气口关闭、出气口打开，给氢燃料电池提供氢气，氢燃料电池将氢气的化学能转化为电能，再通过逆变器传送回电网，缓解用电紧张。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明的一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统，将光伏组件和PEM电解池集成为一体式的光伏光热电解水制氢装置，占用空间小，结构简单，在光伏组件发电的同时，还能够将光伏组件产生的热量用于提高PEM电解池的温度，PEM电解池的最佳电解温度为80-90摄氏度，同时PEM电解池吸收的热量对光伏组件产生了冷却效果，提高了系统的发电效率；将PEM电解池的温度提升至最佳电解温度，提高电解水制氢的效率；当PEM电解池温度超过或低于最佳电解温度时，相变储能板内填充的相变材料通过发生相变吸收或放出热量，尽量将PEM电解池温度稳定在最佳电解温度内，并减少光伏光热电解水制氢装置的热量损失；在有日光但用电低谷时期，光伏组件所发的电能用于PEM电解池内进行电解水制氢，将太阳能转化为电能，再将电能转化为清洁能源氢气进行存储以待用；或在夜间用电低谷时期，电网所发的电能用于PEM电解池内进行电解水制氢，将电能转化为清洁能源氢气进行存储以待用，本发明将光伏发电和氢能引入电网系统中，对整个电网的用电进行综合调配，削峰填谷，很好的解决了光伏发电接入电网过程中的“弃光”和“限电”问题。
（2）本发明根据不同类型光伏组件，即单玻和双玻的特点，分别提供了接触式和非接触式的光伏光热电解水制氢装置，在保证不同类型光伏组件与PEM电解池之间的热传递的同时，扩大了光伏光热电解水制氢装置的适用范围。且本发明的光伏光热电解水制氢装置中光伏组件和PEM电解池直接连接，相较于在光伏组件和PEM电解池之间使用DC-DC转化器来耦合，本发明减少了前期的投入成本，避免了DC-DC转化器在运行过程中的功率损耗提高了光伏光热电解水制氢装置的蓄热保温性能，充分利用太阳的热能。
（3）本发明相较于现有技术中常采用菲涅尔透镜、碟式聚光器、塔式聚光器等聚光器来提高光伏组件的发电效率，本发明所采用的复合抛物面聚光器结构简单、规模小，无需使用太阳能跟踪装置；并且相较于菲涅尔透镜、碟式聚光器、塔式聚光器的最高聚热温度在300摄氏度至500摄氏度之间而言，本发明所采用的复合抛物面聚光器的聚热温度更适合PEM电解水制氢，在复合抛物面聚光器的聚热温度下进行电解水制氢，制氢效率更高、制氢过程更安全。
（4）本发明的一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统，能够在使用过程中，通过传感器、流量计实时监测各设备的运行状态，再由终端处理器根据实时监测数据控制电磁阀、水泵、电解水的电压和电流来使PEM电解池中进行的电解水制氢处于最佳电解环境，提高产氢效率和氢气纯度，保证整个电解水制氢过程的安全。具体的，终端处理器通过氢气测爆仪对电解水制氢过程的安全进行监测；终端处理器可以通过监测电压变送器和电流变送器的数值是否异常，来判断光伏组件是否被遮挡、光伏组件与PEM电解池之间的导线连接是否松动；通过监测聚光器上第一太阳能辐射计和第二太阳能辐射计之间的聚光比，来判断聚光器的安装角度是否合适、聚光器表面是否存在污渍影响聚光效果；通过监测氢气管道和氧气管道内的气体流量和压力信息，来判断管路和气水分离装置气密性的问题。
（5）本发明将电网或光伏发电的多余电能转化为氢气和氧气以备用，氧气可用于医疗行业，节约专门制造氧气的能量消耗；氢气除了在电网用电高峰时段通过氢燃料电池转化为电能，反哺回电网外，还可用于生活中其他燃烧供能。
（6）本发明的储能发电系统可通过多种运行模式灵活进行发电或储能工作：充分利用太阳能，在用电高峰时刻，将太阳能转化为电能缓解用电紧张，在太阳能发电还有富余时，将太阳能发电用于电解水制氢存储待用；对电网的发电量削峰填谷，当用电高峰时刻，本发明的储能发电系统引入光伏发电，和/或使用存储的氢气通过氢燃料电池发电反哺电网，缓解用电紧张，在用电低谷时刻，使用电网的电力进行电解水制氢存储待用，避免了电网的电力浪费。本发明综合使用清洁的太阳能和氢能对电网的发电量进行调配，能量利用率高，绿色无污染，增强了电网应对用电量波动的能力，使电网的整体供电更为稳定。
附图说明
图1为接触式光伏光热电解水制氢装置的结构示意图；
图2为非接触式光伏光热电解水制氢装置的结构示意图；
图3为光伏光热电解水制氢装置中光伏组件与PEM电解池的电路连接示意图；
图4为本发明的利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统的结构示意图；
图5为不同PEM电解池与光伏组件的工作曲线图；
本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：
1、第一电磁阀；
2、保温水箱；21、加热器；22、液位传感器；23、温度传感器；
3、水泵；4、第二电磁阀；5、第一流量计；6、散热器；
7、光伏光热电解水制氢装置；71、聚光器；711、第一太阳能辐射计；712、第二太阳能辐射计；72、光伏组件；721、单玻光伏组件；722、双玻光伏组件；73、导热硅胶；74、空气层；75、太阳能吸收涂层；76、PEM电解池；761、温度传感器；77、相变储能板；78、保温背板；79、外框；791、第一导线孔；792、第二导线孔；793、第三导线孔；710、制氢储能开关；710a、电磁继电器；710b、电压变送器；710c、电流变送器；
8、储氢部；81、氢气测爆仪；82、第一气水分离器；83、第二流量计；84、第二压力传感器；85、储氢罐；9、储氧部；91、第二气水分离器；92、第三流量计；93、第三压力传感器；94、储氧罐；
11、第一截止阀；12、第二截止阀；13、氢燃料电池。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清晰明确，下面结合附图对本发明进行清楚、完整地描述，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下对本发明技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本发明的保护范围。
实施例1
本发明的光伏光热电解水制氢装置7如图1和图2所示，图1为本发明的接触式光伏光热电解水制氢装置的主视图的剖视图，图2为本发明的非接触式光伏光热电解水制氢装置的主视图的剖视图。
如图1所示，光伏光热电解水制氢装置7从上至下包括聚光器71、光伏组件72、导热硅胶73、PEM电解池76、相变储能板77、保温背板78，还包括外框79和制氢开关710；外框79用于盛装光伏组件72、导热硅胶73、PEM电解池76、相变储能板77和保温背板78；制氢开关710一端与光伏组件72相连接，一端与PEM电解池76相连接，用于控制PEM电解池76是否使用光伏组件72所转化的电能水解制氢。
本发明的聚光器71选用复合抛物面聚光器，由侧边的两片抛物面反射镜，以及底部设置在两个抛物面中间的平面状接收部构成；除了直接照射到接收部上的太阳光，发散光线照射到抛物面上也会被聚到接收部上。聚光器71还包括第一太阳能辐射计711和第二太阳能辐射计712，第一太阳能辐射计711固定设置在聚光器71中一侧抛物面上表面的上部，用于测量到达抛物面的太阳辐射值，记为E1，单位：W/m2；第二太阳能辐射计712固定设置在聚光器71底部的接收部上表面，用于测量到达接收部的太阳辐射值，记为E2，单位：W/m2。复合抛物面聚光器聚光比选择在3～10之间用于低倍聚光，最高聚热温度在100摄氏度至150摄氏度之间。
相较于现有技术中常采用菲涅尔透镜、碟式聚光器、塔式聚光器等聚光器来提高光伏组件的发电效率，本发明所采用的复合抛物面聚光器结构简单、规模小，无需使用太阳能跟踪装置；并且相较于菲涅尔透镜、碟式聚光器、塔式聚光器的最高聚热温度在300摄氏度至500摄氏度之间而言，本发明所采用的复合抛物面聚光器的聚热温度更适合电解水制氢，在复合抛物面聚光器的聚热温度下进行电解水制氢，制氢效率更高、制氢过程更安全。
聚光器71底部的接收部平行于光伏组件72，设置在光伏组件72的上表面。
在图1中，光伏组件72为单玻光伏组件721。聚光器71将太阳光汇聚在下方的单玻光伏组件721上，提高单玻光伏组件721的发电效率。
但是单玻光伏组件721下表面的背板是TPT材料，不具有透光性，所以本发明在单玻光伏组件721下表面粘合设置有导热硅胶73，导热硅胶73的下表面粘合在PEM电解池76的上表面；导热硅胶73降低了单玻光伏组件721与PEM电解池76之间的热阻，增强了从单玻光伏组件721至PEM电解池76的传热。PEM电解池76的下表面固定设置有相变储能板77，用于调节PEM电解池76的温度，吸收光伏光热电解水制氢装置7的多余热量。相变储能板77内部填充了相变材料，本实施例中相变储能板77内部填充的是固体相变材料，填充率为90%，相变温度范围为80摄氏度到90摄氏度。相变储能板77内部填充的相变材料不能作为对本发明的限制。相变储能板77在PEM电解池76温度过高时，即超过相变温度，则相变储能板77内填充的相变材料发生相变，吸收PEM电解池76的部分热量，降低PEM电解池76的温度；当PEM电解池76温度过低时，相变储能板77内填充的相变材料发生相变，将相变产生的热量传递至PEM电解池76；PEM电解池76的最佳电解温度阈值为80摄氏度到90摄氏度，所以相变储能板77可以尽量将PEM电解池76的温度尽量控制在最佳电解温度阈值内或接近最佳电解温度阈值，以提高PEM电解池内电解水制氢的效率。
优选的，相变储能板77内部填充石蜡或葵酸。
PEM电解池76内设置用于实时监测电解池内水温的温度传感器761。PEM电解池76内为纯水。
相变储能板77的下表面与保温背板78的上表面贴合接触，保温背板78为酚酞泡沫板，厚度为30mm，用于对相变储能板77进行隔热保温。
外框79封装在光伏组件72、导热硅胶73、PEM电解池76、相变储能板77和保温背板78的四周和保温背板78的底面，外框79为可拆卸式的铝合金材质，便于后期对外框79内封装的部分进行修理和维护。外框79还包括第一导线孔791、第二导线孔792以及第三导线孔793。第一导线孔791设置在外框79左侧与单玻光伏组件721相对应的位置，用于引出单玻光伏组件721的发电导线、电解正负极线；单玻光伏组件721的发电导线用于连接逆变器等，将单玻光伏组件721所发的发出的电能输送至电网内，减轻电网的负担；单玻光伏组件721的电解正负极线用于给PEM电解池76内所发生的电解水制氢供电。第二导线孔792设置在外框79左侧与PEM电解池76相对应的位置，单玻光伏组件721的电解正负极线从第一导线孔791引出后，从第二导线孔792进入，为PEM电解池76提供电解水制氢所需的电能，且为PEM电解池76供水的进水管道也通过第二导线孔792将纯水引入PEM电解池76，温度传感器761的线路也通过第二导线孔792引出。第三导线孔793设置在外框79右侧与PEM电解池76相对应的位置，用于引出PEM电解池76电解制氢所产生的氢气管道、氧气管道。第一导线孔791、第二导线孔792以及第三导线孔793的四周进行了保温密封处理，防止水或气体不是通过各管道，而是直接从各导线孔溢出，同时也防止外部污染物进入PEM电解池76内，并且减少光伏光热电解水制氢装置7的热量散失。
图2与图1相比，区别之处在于，光伏组件72为双玻光伏组件722。聚光器71将太阳光汇聚在下方的双玻光伏组件722上，提高双玻光伏组件722的发电效率。但是双玻光伏组件722下表面的背板是玻璃材料，具有透光性，所以本发明在PEM电解池76的上表面涂刷设置了太阳能吸收涂层75，并在太阳能吸收涂层75与双玻光伏组件722之间设置了空气层74，太阳辐射光穿过双玻光伏组件722和空气层74到达太阳能吸收涂层75，太阳能吸收涂层75高效地将其所接收的太阳辐射光转化成内能，即热量，并将这些热量传递至PEM电解池76，用于提高电解水制氢的电解温度，使PEM电解池76温度接近最佳电解最佳电解温度阈值，即80摄氏度到90摄氏度，进一步提高电解水制氢的效率。同时，空气层74的存在也减少了PEM电解池76的热量向双玻光伏组件722方向的传递与散发，有效地对PEM电解池76进行保温。本实施例中，双玻光伏组件722的透光率大于20%，用于保证太阳能吸收涂层75可以接收到足够的太阳能辐射，用以提高PEM电解池76的温度。
图2所示的其他结构与图1相同，这里不再赘述。
图1和图2中未画出各导线孔内设置或引出的电线和水管。
图1所示的光伏光热电解水制氢装置，因为采用单玻光伏组件721，单玻光伏组件721通过导热硅胶73与PEM电解池76间接接触，来向PEM电解池76传递热量，构成接触式光伏光热电解水制氢装置。图2所示的光伏光热电解水制氢装置，采用双玻光伏组件722，双玻光伏组件722的背板透光，与太阳能吸收涂层75之间还间隔一个空气层，即双玻光伏组件722与太阳能吸收涂层75之间无接触，构成非接触式光伏光热电解水制氢装置。
无论是图1还是图2中所示的光伏光热电解水制氢装置，聚光器71虽然通过聚光提高了光伏组件72的发电效率，但是光伏组件72在高效发电的同时，自身温度也会升高，这又会降低光伏发电效率；而本发明中光伏组件72下方的PEM电解池76可以吸收光伏组件72内的热量，并降低光伏组件72的温度，对光伏组件72进行冷却，在提高PEM电解池76内电解效率的同时，进一步提高光伏组件72的发电效率。
本发明的光伏光热电解水制氢装置具有普适性和较高的通用性，根据实际需求，采用不同玻璃结构的光伏组件72。本发明的光伏光热电解水制氢装置具备光伏发电功能的同时，还可以将光伏组件在发电过程中产生的热量或光伏组件处的太阳辐射转化成热量用于提高PEM电解池的温度，PEM电解池的最佳电解温度阈值为80-90摄氏度，将PEM电解池的温度提升至最佳电解温度，提高电解水制氢的效率；当PEM电解池温度超过或低于最佳电解温度时，相变储能板77内填充的相变材料通过发生相变吸收或放出热量，尽量将PEM电解池温度调节至最佳电解温度内；在有日光但用电低谷时期，光伏组件所发的电能用于PEM电解池内进行电解水制氢，将太阳能转化为电能，再将电能转化为清洁能源氢气进行存储以待用；或在夜间用电低谷时期，电网所发的电能用于PEM电解池内进行电解水制氢，将电能转化为清洁能源氢气进行存储以待用。
如图3所示，为光伏光热电解水制氢装置中光伏组件与PEM电解池的电路连接示意图。光伏组件72的电解正负极线从第一导线孔791引出后，从第二导线孔792进入PEM电解池76内，光伏组件72的电解正负极线上设置有制氢储能开关710，制氢储能开关710用于控制光伏组件72是否给PEM电解池76内的电解水制氢供电。具体的，制氢储能开关710包括电磁继电器710a、电压变送器710b以及电流变送器710c，电流变送器710c串联在光伏组件72的电解正极线上，用于检测电解水制氢的电流大小；电压变送器710b并联在光伏组件72的电解正负极线上，用于检测电解水制氢的电压大小；电磁继电器710a设置在光伏组件72的电解正极线上，其开关状态用于控制光伏组件72是否给PEM电解池76内的电解水制氢供电。
PEM电解池76还可以使用电网的电能，即将电网的供电导线通过第二导线孔792引入PEM电解池76内，为PEM电解池76的电解水制氢提供电能（该供电途径的电路结构未在图中画出）。
即可以通过两种途径为PEM电解池76供电：一是由光伏组件72供电，二是由电网供电。
如图4所示，为本发明的利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统的结构示意图，为便于描述，系统中的液体管路和气体管路用实线表示，输送回电网的电能用虚线表示。一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统包括第一电磁阀1、保温水箱2、水泵3、第二电磁阀4、第一流量计5、散热器6、光伏光热电解水制氢装置7、储氢部8、储氧部9、第一截止阀11、第二截止阀12以及氢燃料电池13。
保温水箱2内的进水和出水都是纯水。
第一电磁阀1设置在保温水箱2的进水管路上，水泵3设置在保温水箱2的出水管路上，保温水箱2内还设置有加热器21、液位传感器22、温度传感器23。当液位传感器22测得保温水箱2内的液位高度低于总高度的20%时，第一电磁阀1开启并向保温水箱2内补水；当液位传感器22测得保温水箱2内的液位高度高于总高度的80%时，第一电磁阀1关闭，不再向保温水箱2内补水。当温度传感器23测得保温水箱2内的液位温度高于90摄氏度时，水泵3提高流量，加快保温水箱2内的液体从出水管路流出，同时，第一电磁阀1开启，向保温水箱2内补入低温的纯水。当温度传感器23测得保温水箱2内的液位温度低于20摄氏度时，例如在冬天，加热器21对保温水箱2内的液体进行加热，直至保温水箱2内的液体温度不低于30摄氏度。
保温水箱2的出水管路，在水泵3后还依次串联设置有第二电磁阀4、第一流量计5、散热器6以及光伏光热电解水制氢装置7。第二电磁阀4用来控制保温水箱2内液体是否流入光伏光热电解水制氢装置7内。第一流量计5用来测量流入光伏光热电解水制氢装置7内的纯水水流量，记为F1。当温度传感器23所测得保温水箱2内的液体温度过高时，则启动散热器6对从保温水箱2内流出、并流入光伏光热电解水制氢装置7的液体进行散热降温。散热器6可为风冷式散热器或水冷式散热器，这不作为对本发明的限制。
散热器6的出水端管路与为PEM电解池76供水的进水管相连通，为PEM电解池76供水的进水管通过第二导线孔792将纯水引入PEM电解池76。PEM电解池76内电解产生的氢气和氧气分别通过氢气管道、氧气管道流出；PEM电解池76内的氢气管道、氧气管道以及排水管道从第三导线孔793引出。
光伏光热电解水制氢装置7中的光伏组件72，其发电导线通过第一导线孔791引出，连接逆变器（图中未画出），将光伏组件72所发的发出的电能输送至电网内，在图4中为虚线表示。
PEM电解池内的氢气通过氢气管道进入氢气部8，氧气通过氧气管道进入氧气部9。氢气部8包括依次串联设置的氢气测爆仪81、第一气水分离器82、第二流量计83、第二压力传感器84以及储氢罐85。氧气部9包括依次串联设置的第二气水分离器91、第三流量计92、第三压力传感器93以及储氧罐94。
PEM电解池内的氢气混合着纯水从氢气管道流出，流经氢气测爆仪81；当氢气测爆仪81检测出氢气管道周围存在氢气泄露，且泄露的氢气属于爆炸极限的阈值范围内，发出声光报警信息，终端处理器在接收到氢气测爆仪81所发出的报警信息后，断开制氢储能开关710、第二电磁阀4、水泵3，停止电解水制氢。氢气的爆炸极限为：在空气中的体积浓度在4.0%～75.6%。
氢气管道内流经氢气测爆仪81的氢气进入第一气水分离器82，第一气水分离器82将纯水与氢气进行分离后，将干燥的氢气通过氢气管路送入储氢罐85内存储备用；第二流量计83和第二压力传感器84设置在储氢罐85进气口处的氢气管路上，用于采集储氢罐85的进气流量和进气压力。第一气水分离器82将分离出来的纯水通过纯水回收管路送回保温水箱2内，以便再次使用，节约水资源，该管路上设置有第一截止阀11，用于控制该纯水回收管路的通断。
储氢罐85的出气口通过供氢管路与氢燃料电池13相连接，用于给氢燃料电池13提供氢气，氢燃料电池13将氢气的化学能转化成电能，并通过逆变器（图中未画出）的转化，将电能输送回电网中，如图中虚线所示。
储氢罐85的进气口和出气口的开放时间相异。因为在储氢罐85出气口的开放给氢燃料电池13提供氢气的时刻，必然是用电高峰时刻，且此时的光伏组件发电全部用来反哺电网，所以该时刻不进行电解水制氢，即储氢罐85的进气口关闭。
从第三导线孔793引出的氧气管道内所流出的是氧气与水的混合物，该混合物进入第二气水分离器91，第二气水分离器91将纯水与氧气进行分离后，将干燥的氧气通过氧气管路送入储氧罐94内存储备用。第三流量计92和第三压力传感器93设置在储氧罐94进气口处的氧气管路上，用于采集储氧罐94的进气流量和进气压力。第二气水分离器91将分离出来的纯水通过纯水回收管路送回保温水箱2内，以便再次使用，节约水资源，该管路上设置有第二截止阀12，用于控制该纯水回收管路的通断。
PEM电解池76在进行电解水制氢的过程中，会产生热量，但是整个PEM电解池76并不会因为这部分热量而大范围升温，因为这部分热量基本被从氢气管路、氧气管路流出的氢气、氧气和纯水带走了；而纯水通过第一气水分离器82、第二气水分离器91分离后再次送回保温水箱2内，也是将部分PEM电解池76产生的多余热量带回保温水箱2的过程（即使这个过程存在热量损失）。同理，当整个光伏光热电解水制氢装置7因为长时间强光日照而产生超过相变储能板77调节范围之外的升温时，这部分热量也会通过上述纯水回收的方式，回到保温水箱2内，维持保温水箱2的温度，节能环保。
下面结合不同场景对本发明的一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统的储能发电方法进行描述：
场景一：在夜晚用电低谷时段，光伏组件72不工作，电网电量盈余，本发明的储能发电系统进行储能。
由电网供电，第一电磁阀1、保温水箱2、水泵3、第二电磁阀4、散热器6受终端处理器的控制，将保温水箱2内的纯水温度控制在预设温度后，使温水箱2内的纯水流入PEM电解池76内。PEM电解池76内由电网供电进行电解水制氢，此过程中相变储能板77内填充的材料通过相变对PEM电解池76内的水温进行调节，相变储能板77的温度调节范围是80摄氏度-90摄氏度，相变温度是85摄氏度。储氢罐85的进气口打开、出气口关闭，PEM电解池76通过电解水产生的氢气进入储氢罐85内存储备用，PEM电解池76通过电解水产生的氧气进入储氧罐85内存储备用。
此场景下，因为电网电能充足，可以通过终端处理器对本发明储能发电系统中各处传感器、流量计的数据采集，控制电磁阀、水泵、电解水的电压和电流来使PEM电解池76中进行的电解水制氢处于最佳电解环境，提高产氢效率和氢气纯度。
保温水箱2可通过换热器与需求端如进行热量交换，如保温水箱2通过热交换给居民供暖。
场景二：在白天用电高峰时段，电网用电紧张，光伏组件72工作所产生的电能不足以缓解电网的用电紧张。
光伏组件72工作所产生的电能全部通过发电导线和逆变器的转换，全部输送至电网内，用于缓解电网的用电紧张。光伏光热电解水制氢装置7中只有相变储能板77吸收PEM电解池76的热量，发生相变，而PEM电解池76的热量来自于光伏组件72的传热或是通过太阳能吸收涂层75对光伏组件72透下来的太阳光进行转化得到的热量，即将一部分热量储存在相变储能板77内。第一电磁阀1、保温水箱2、水泵3、第二电磁阀4、第一流量计5、散热器6、光伏光热电解水制氢装置7中的PEM电解池76、储氢部8、储氧部9、第一截止阀11、第二截止阀12均不工作或关闭。储氢部8中的储氢罐85的进气口关闭、出气口打开，给氢燃料电池13提供氢气，氢燃料电池13将氢气的化学能转化成电能，并通过逆变器的转化，将电能输送回电网中，用于缓解电网用电紧张的情况。
场景三：在白天用电高峰时段，电网用电紧张，但光伏组件72工作所产生的电能足以缓解电网的用电紧张，同时还有剩余。
光伏组件72工作所产生的电能部分通过发电导线和逆变器的转换，输送至电网内，用于缓解电网的用电紧张。光伏组件72所产生的剩余电量，优先供给PEM电解池76内进行电解水制取氢气，提供电解水制氢的最大功率；储氢罐85的进气口打开、出气口关闭，氢气存储在储氢罐85内备用。若光伏组件72所产生的剩余电量还有剩余，还可用于维持保温水箱2内的温度，尽量使保温水箱2内的液体温度靠近电解水制氢的最佳温度。
在设计光伏光热电解水制氢装置7时，先测定光伏组件72与PEM电解池76的工作曲线，再将二者的工作曲线进行匹配，选用工作曲线最靠近光伏组件72最大功率点曲线的PEM电解池76，这种电解池与当前光伏组件72的匹配度最高；在PEM电解池76的温度不变时，光伏组件72提供给PEM电解池76进行电解水制氢的功率越靠近最大功率，PEM电解池76的电解水制氢效率就越高，即直接耦合效果更好。如图5所示，PEM电解池B相较于PEM电解池A更为靠近光伏组件的最大功率点曲线，所以PEM电解池B与该光伏组件的直接耦合效果是最佳的。
本发明的一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统，将光伏组件和PEM电解池集成为一体式的光伏光热电解水制氢装置，占用空间小，结构简单，在光伏组件发电的同时，还可以将光伏组件在发电过程中产生的热量或光伏组件处的太阳辐射转化成热量用于提高PEM电解池的温度，PEM电解池的最佳电解温度为80-90摄氏度，将PEM电解池的温度提升至最佳电解温度，提高电解水制氢的效率；当PEM电解池温度超过或低于最佳电解温度时，相变储能板77内填充的相变材料通过发生相变吸收或放出热量，尽量将PEM电解池温度稳定在最佳电解温度内，减少光伏光热电解水制氢装置的热量损失；在有日光但用电低谷时期，光伏组件所发的电能用于PEM电解池内进行电解水制氢，将太阳能转化为电能，再将电能转化为清洁能源氢气进行存储以待用；或在夜间用电低谷时期，电网所发的电能用于PEM电解池内进行电解水制氢，将电能转化为清洁能源氢气进行存储以待用，本发明将光伏发电和氢能引入电网系统中，对整个电网的用电进行综合调配，削峰填谷，很好的解决了光伏发电接入电网过程中的“弃光”和“限电”问题。
本发明根据不同类型光伏组件，即单玻和双玻的特点，分别提供了接触式和非接触式的光伏光热电解水制氢装置，在保证不同类型光伏组件与PEM电解池之间的热传递的同时，扩大了光伏光热电解水制氢装置的适用范围。且本发明的光伏光热电解水制氢装置中光伏组件和PEM电解池直接连接，相较于在光伏组件和PEM电解池之间使用DC-DC转化器来耦合，本发明减少了前期的投入成本，避免了DC-DC转化器在运行过程中的功率损耗提高了光伏光热电解水制氢装置的蓄热保温性能，充分利用太阳能。
本发明的一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统，还可以在使用过程中，通过传感器、流量计实时监测各设备的运行状态，再由终端处理器根据实时监测数据控制电磁阀、水泵、电解水的电压和电流来使PEM电解池中进行的电解水制氢处于最佳电解环境，提高产氢效率和氢气纯度，保证整个电解水制氢过程的安全。具体的，终端处理器通过氢气测爆仪对电解水制氢过程的安全进行监测；终端处理器可以通过监测电压变送器和电流变送器的数值是否异常，来判断光伏组件是否被遮挡、光伏组件与PEM电解池之间的导线连接是否松动；通过监测聚光器上第一太阳能辐射计和第二太阳能辐射计之间的聚光比，来判断聚光器的安装角度是否合适、聚光器表面是否存在污渍影响聚光效果；通过监测氢气管道和氧气管道内的气体流量和压力信息，来判断管路和气水分离装置气密性的问题。
本发明将电网或光伏发电的多余电能转化为氢气和氧气以备用，氧气可用于医疗行业，节约专门制造氧气的能量消耗；氢气除了在电网用电高峰时段通过氢燃料电池转化为电能，反哺回电网外，还可用于生活中其他燃烧供能。
本发明的储能发电系统可通过多种运行模式灵活进行发电或储能工作：充分利用太阳能，在用电高峰时刻，将太阳能转化为电能缓解用电紧张，在太阳能发电还有富余时，将太阳能发电用于电解水制氢存储待用；对电网的发电量削峰填谷，当用电高峰时刻，本发明的储能发电系统引入光伏发电，和/或使用存储的氢气通过氢燃料电池发电反哺电网，缓解用电紧张，在用电低谷时刻，使用电网的电力进行电解水制氢存储待用，避免了电网的电力浪费。本发明综合使用清洁的太阳能和氢能对电网的发电量进行调配，能量利用率高，绿色无污染，增强了电网应对用电量波动的能力，使电网的整体供电更为稳定。对光伏发电的充分利用也维护了光伏发电投资者的利益。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (10)
1.一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统，其特征在于：包括顺次连接的光伏光热电解水制氢装置（7）、储氢部（8）以及氢燃料电池（13）；
所述光伏光热电解水制氢装置（7）包括用于光伏发电的光伏组件（72）和用于进行电解水制取氢气的PEM电解池（76），所述PEM电解池（76）设置在所述光伏组件（72）的下方，所述光伏组件（72）产生的电能通过逆变器送回电网，或用于给所述PEM电解池（76）供电，所述PEM电解池（76）电解水产生的氢气通过氢气管路进入所述储氢部（8）存储备用；
所述储氢部（8）通过管路给所述氢燃料电池（13）提供氢气，在电网用电紧张时段，所述氢燃料电池（13）使用氢气发电，并通过逆变器将电能送回电网。
2.根据权利要求1所述的一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统，其特征在于：所述光伏光热电解水制氢装置（7）还包括导热硅胶（73）、相变储能板（77）、保温背板（78）、外框（79），所述光伏组件（72）为单玻光伏组件（721）；
所述单玻光伏组件（721）的下表面与所述导热硅胶（73）接触设置，所述导热硅胶（73）的下表面与所述PEM电解池（76）接触设置，所述PEM电解池（76）的下表面固定设置有所述相变储能板（77），所述相变储能板（77）的下表面接触设置所述保温背板（78），所述外框（79）封装在导热硅胶（73）、PEM电解池（76）、相变储能板（77）和保温背板（78）的四周以及所述保温背板（78）的底面；
所述外框（79）上还包括第一导线孔（791）、第二导线孔（792）以及第三导线孔（793），所述第一导线孔（791）设置在外框（79）上与所述单玻光伏组件（721）相对应的位置，所述单玻光伏组件（721）的发电导线和电解正负极线从所述第一导线孔（791）引出，所述单玻光伏组件（721）的发电导线通过逆变器与电网相连接；
所述第二导线孔（792）和所述第三导线孔（793）均设置在外框（79）上与所述PEM电解池（76）相对应的位置，所述单玻光伏组件（721）的电解正负极线从所述第一导线孔（791）引出，并从所述第二导线孔（792）进入，为所述PEM电解池（76）供电；用于给所述PEM电解池（76）供水的进水管道也通过所述第二导线孔（792）进入所述PEM电解池（76）内；
所述第三导线孔（793）用于将所述PEM电解池（76）的氢气管道、氧气管道引出；
电网的供电线路通过所述第二导线孔（792）进入所述PEM电解池（76）供电。
3.根据权利要求1所述的一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统，其特征在于：
所述光伏光热电解水制氢装置（7）还包括空气层（74）、太阳能吸收涂层（75）、相变储能板（77）、保温背板（78）、外框（79），所述光伏组件（72）为双玻光伏组件（722）；
所述PEM电解池（76）的上表面固定设置有所述太阳能吸收涂层（75），所述双玻光伏组件（722）的下表面与所述太阳能吸收涂层（75）之间为所述空气层（74），所述PEM电解池（76）的下表面固定设置有所述相变储能板（77），所述相变储能板（77）的下表面接触设置所述保温背板（78），所述外框（79）封装在导热硅胶（73）、PEM电解池（76）、相变储能板（77）和保温背板（78）的四周以及所述保温背板（78）的底面；
所述外框（79）上还包括第一导线孔（791）、第二导线孔（792）以及第三导线孔（793），所述第一导线孔（791）设置在外框（79）上与所述双玻光伏组件（722）相对应的位置，所述双玻光伏组件（722）的发电导线和电解正负极线从所述第一导线孔（791）引出，所述双玻光伏组件（722）的发电导线通过逆变器与电网相连接；
所述第二导线孔（792）和所述第三导线孔（793）均设置在外框（79）上与所述PEM电解池（76）相对应的位置，所述双玻光伏组件（722）的电解正负极线从所述第一导线孔（791）引出，并从所述第二导线孔（792）进入，为所述PEM电解池（76）供电；用于给所述PEM电解池（76）供水的进水管道也通过所述第二导线孔（792）进入所述PEM电解池（76）内；
所述第三导线孔（793）用于将所述PEM电解池（76）的氢气管道、氧气管道引出；
电网的供电线路通过所述第二导线孔（792）进入所述PEM电解池（76）供电。
4.根据权利要求2或3所述的一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统，其特征在于：所述光伏组件（72）的电解正负极线上设置有制氢储能开关（710），所述制氢储能开关（710）包括电磁继电器（710a）、电压变送器（710b）以及电流变送器（710c），所述电流变送器（710c）和所述电磁继电器（710a）串联设置在所述光伏组件（72）的电解正极线或电解负极线上，所述电压变送器（710b）连接在所述光伏组件（72）的电解正负极线之间，且所述电压变送器（710b）与所述电流变送器（710c）、电磁继电器（710a）并联。
5.根据权利要求4所述的一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统，其特征在于：所述光伏光热电解水制氢装置（7）还包括设置在所述光伏组件（72）上方的聚光器（71），所述聚光器（71）为复合抛物面聚光器，所述聚光器（71）的抛物面上表面的上部设置有第一太阳能辐射计（711），所述聚光器（71）底部的上表面设置有第二太阳能辐射计（712）。
6.根据权利要求5所述的一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统，其特征在于：所述储氢部（8）还包括依次串联设置在从所述第三导线孔（793）引出的氢气管道上的氢气测爆仪（81）、第一气水分离器（82）、第二流量计（83）、第二压力传感器（84）以及储氢罐（85），所述储氢罐（85）的出气口通过供氢管路与所述氢燃料电池（13）相连接；所述储氢罐（85）的进气口和出气口开放时段相异。
7.根据权利要求6所述的一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统，其特征在于：储能发电系统还包括储氧部（9），所述储氧部（9）包括依次串联设置在从所述第三导线孔（793）引出的氧气管道上的第二气水分离器（91）、第三流量计（92）以及储氧罐（94）。
8.根据权利要求7所述的一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统，其特征在于：储能发电系统还包括通过水管依次串联设置的第一电磁阀（1）、保温水箱（2）、水泵（3）、第二电磁阀（4）、第一流量计（5）、散热器（6），
所述第一电磁阀（1）设置在所述保温水箱（2）的进水管路上，所述水泵（3）设置在所述保温水箱（2）的出水管路上，所述水泵（3）的出水端与所述第二电磁阀（4）的进水端相连通，所述第二电磁阀（4）的出水端与所述散热器（6）进水端相连通，所述第二电磁阀（4）和所述散热器（6）之间的管路上设置有
所述第一流量计（5），所述散热器（6）的出水端与所述PEM电解池（76）的进水管道相连通；
所述保温水箱（2）内还设置有加热器（21）、液位传感器（22）和温度传感器（23）；
终端处理器监测各传感器、流量计、辐射计的数值，以及氢气测爆仪（81）的报警信号，来控制各阀门的关断、水泵的流量以及PEM电解池内的供电电流。
9.根据权利要求8所述的一种利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统，其特征在于：储能发电系统还包括第一截止阀（11）和第二截止阀（12），所述第一气水分离器（82）将分离出的水汽通过纯水回收管路送回所述保温水箱（2），所述第一截止阀（11）设置在所述第一气水分离器（82）和所述保温水箱（2）之间的纯水回收管路上；所述第二气水分离器（91）将分离出的水汽通过纯水回收管路送回所述保温水箱（2），所述第二截止阀（12）设置在所述第二气水分离器（91）和所述保温水箱（2）之间的纯水回收管路上。
10.一种基于权利要求9所述的利用光伏光热电解水制氢的储能发电系统的储能发电方法，其特征在于：
在夜晚电网发电量盈余时，光伏组件（72）不工作，则由电网给储能发电系统供电，终端处理器根据保温水箱（2）内液位传感器（22）和温度传感器（23）所采集的数值，控制加热器（21）、第一电磁阀（1）、水泵（3）、第二电磁阀（4）和散热器（6），将保温水箱（2）内的纯水温度控制在预设温度后，使保温水箱（2）内的纯水流入PEM电解池（76）中，PEM电解池（76）内进行电解水制取氢气，储氢罐（85）的进气口打开、出气口关闭，氢气进入储氢罐（85）内存储备用；
在白天电网发电量不足时，光伏组件（72）通过光伏发电所产生的电能优先通过逆变器传送回电网，缓解用电紧张；若光伏组件（72）所产生的电能在缓解用电紧张后存在剩余，则给PEM电解池（76）供电，进行电解水制氢，储氢罐（85）的进气口打开、出气口关闭，制取的氢气进入储氢罐（85）内存储备用；
在白天电网发电量不足时，若光伏组件（72）通过光伏发电所产生的电能无法缓解用电紧张，则储氢罐（85）进气口关闭、出气口打开，给氢燃料电池（13）提供氢气，氢燃料电池（13）将氢气的化学能转化为电能，再通过逆变器传送回电网，缓解用电紧张。
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