CN201966626U - 用于产生和存储可再生能源的设备 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种旨在为耗电单元(2)供电的可再生能源产生和存储设备(1)。所述设备包括太阳能板和氢气产生单元，后者包括用于当被太阳能板供电时产生氢气和氧气的电解器(4)、第二气罐(8)和用于将由电解器提供的氢气注入气罐中的第二压缩机(10)。所述设备的特征在于，太阳能板旨在将其产生的电能优先提供给耗电单元，直到达到该单元的联结载荷。此外，所述设备(1)包括连至太阳能板的输出端的中央分流单元(6)，该分流单元旨在当由所述太阳能板产生的功率超过所述联结载荷时将所产生的电能的一部分提供给电解器(4)。

Description

用于产生和存储可再生能源的设备
技术领域
本实用新型涉及一种用于产生和存储可再生能源、特别是光伏电能的设备。本实用新型具体地涉及这样的设备，其中所产生的可再生能源的至少一部分通过将水分解成氢气和氧气而被转换成电化能源以进行存储。
背景技术
专利文件US 2005/109394描述了上述类型的设备。所描述的设备是一种分散式设备，该设备用于例如住宅、公共建筑物、医院或工厂中。这种设备包括氢气产生单元，该氢气产生单元包括电解器、压缩机以及用于压缩和存储由电解器产生的氢气的气瓶；该电解器由太阳能板供电。该设备还包括用以从氢气中产生电能的燃料电池，以及包括换流器、微控制器和调制解调器的控制单元。由燃料电池产生的电能或者是被本地使用或者是被注入电网中。
如上面描述的设备具有许多优点：太阳能是随处可用的可再生能源，电解器只消耗少量的水，在燃料电池中从氢气中产生电能不会散发任何污染物，等等。此外，由于太阳能用于产生可存储的氢气，因此这种设备能够存储太阳能而无须使用成本相当高的传统电池。
然而，如在上面提到的文件中所描述的设备具有一些缺点。特别地，由电解器借助于太阳能产生氢气就市场竞争而言成本太高。特别是在目前，将太阳能转换成氢气的平均效率不超过6％。因此，在效率较低的情况下，必须为这种设备配备较大的太阳能板表面。设备成本因而增加。另一方面，由氢气供电的燃料电池的效率大约是60％。最终，上述类型的设备仅能提供平均能效低于4％的电能。
发明内容
本实用新型的目的是通过改进上述类型的设备的平均能效来降低由该设备提供的电能的成本。该目的通过提供一种用于产生和存储可再生能源的设备而达到。
根据本实用新型，所述用于产生和存储可再生能源的设备用于为与电网联结的耗电单元协同供电。所述设备包括用于从可再生能源中产生电能的装置、用于将提供给所述设备的电能转换成与所述电网相容的交流电的换流器、包括用于当被所述用于从可再生能源中产生电能的装置供电时产生氢气和氧气的电解器的氢气产生单元、气罐、以及用于将由所述电解器提供的氢气注入所述气罐中的压缩机。所述设备还包括用于测量由所述电网提供给所述耗电单元的电功率的检测器。所述用于从可再生能源中产生电能的装置用于将其产生的电能优先提供给所述耗电单元直到达到该耗电单元的联结载荷。所述设备包括连至所述用于生成电能的装置的输出端的分流单元，该分流单元用于仅当由所述检测器测量的功率为负或零时才将电能引导至所述电解器，从而当由所述用于从可再生能源中产生电能的装置所产生的功率超过所述联结载荷时将所产生的电能的剩余部分引导至所述电解器。
所述分流单元用于将所测量的电功率恢复或保持为零。
所述设备用于当由所述检测器测量的功率为正时控制所述燃料电池的启用，并且这只针对所述电网的电价较高的时间段。
所述燃料电池是固定的并且构成所述设备的一部分，并且所述燃料电池用于当由所述用于从可再生能源中产生电能的装置所产生的功率小于所述耗电单元的联结载荷时将它所产生的电能提供给该耗电单元。
由所述氢气产生单元所产生的氢气用于供给燃料电池，所述燃料电池是固定的并且构成所述设备的一部分，并且所述燃料电池用于当由所述用于从可再生能源中产生电能的装置所产生的功率小于所述耗电单元的联结载荷时将它所产生的电能提供给该耗电单元，并且所述设备用于当由所述检测器测量的功率为正时控制所述燃料电池的启用，并且这只针对所述电网的电价较高的时间段。
所述设备包括整流器，该整流器使之能够仅当所述电网的电价较低时才用所述电网的电能为所述电解器供电以增加所述气罐中所包含的氢气量。
所述氢气产生单元包括第二气罐和用于将由所述电解器提供的氧气注入该第二气罐中的第二压缩机。
所述用于从可再生能源中产生电能的装置是光伏太阳能板。
应当理解，由于存在分流装置，由用于从可再生能源中产生电能的装置所产生的一部分电能可以被耗电单元(该单元可以例如特别是住宅、公共建筑物、医院或工厂)直接消耗。由于这部分电能没有被存储，因此它可以以改进的能效来提供，该改进的能效大约是如上文所述的现有技术设备的能效的两倍。例如根据在瑞士的统计，配备有根据本实用新型的具有63m2的太阳能板的设备的住宅可以立即消耗由这些太阳能板产生的大约30％的电能。
根据本实用新型的第一实施例，所述设备还包括通过由电解器产生的氢气来被供电的燃料电池。此外，根据一个有利的变型，所产生的氢气完全用于为燃料电池供电并且因而完全用于产生电能。然而，必须说明由于使用燃料电池和电解器会产生损耗，因此由用于从可再生能源中产生氢气的装置直接提供的电能的30％实际上对应于由根据该变型的设备所提供的总电能的一半。
因此，应当理解，直接使用一部分电能能够改进根据本实用新型的设备的总能效。这应当比如上文所述的现有技术设备的总能效实际上平均高出50％。
根据该第一实施例的一个优选变型，只有当光伏元件无法满足耗电单元的需求时才使用燃料电池。根据本实用新型的第二实施例，所产生的氢气作为燃料被提供给配备有燃料电池的车辆。由于氢气只从由用于从可再生能源中产生电能的装置所提供的多余电能中被产生，因此降低了针对氢气能车辆的燃料产生成本。
参考附图，通过阅读下面只作为例子而给出的描述，本实用新型的其他特征和优点将变得明显。
附图说明
图1是根据本实用新型一个特定实施例的关联于燃料电池的用于产生和存储光电能的设备的原理图。
具体实施方式
参考图1，其示出了对应于本实用新型一个特定实施例的用于产生和存储可再生能源的设备1。可以看出，设备1特别地包括用于从可再生能源中产生电能的装置3以及能够通过分离水中的氢气和氧气来将装置3所提供的电能转换成电化能的电解器4。已知地，在本实施例中，用于从可再生能源中产生电能的装置是由装配在通常称为太阳能板的板上的多个光伏元件构成的。然而应当理解，根据一个变型，装置3可以例如由一个或多个风力发动机、轮子驱动的发电机或水力涡轮机、或能够从可再生能源中产生电能的本领域技术人员已知的任何其他装置构成。
图1还示出了设备1被连接从而为耗电单元供电，该耗电单元在本例子中是由单个住宅2中的所有电气设备构成的。显然，除了用于单个住宅2中的电气设备之外，还可以涉及例如用于公共建筑物、医院或工厂等中的电气设备。住宅2不仅仅由设备1供电，还通过由供电商开发的电网18协同供电。
从图1中还可以看出，设备1还包括接收由太阳能板产生的电能的中央分流单元6。中央分流单元6用于从用户接口5接收定值以特别地管理由太阳能板提供的能量在住宅2与电解器4之间的分配。
太阳能板以直流电提供电能，而用于住宅的电气设备通常以交流电运 转。这就是仍在中央分流单元6中设置换流器(未显示)的原因。由于该换流器，中央分流单元6能够为住宅2提供交流电，该交流电的相位和电压可与电网的相容。
根据本实用新型，由太阳能板提供的电能优先用于满足住宅2的电量需求。只有过剩的电能部分或者说超出住宅2的联结载荷之外所产生的功率才被分流给电解器4从而以电化能的形式被存储。“联结载荷(connected load)”是指用于住宅2的所有电气设备在一给定时刻所需要的电能。因此，特别地应当理解，如同由太阳能板产生的功率那样，联结载荷是随着时间而变化的值。单个住宅2的消耗在一天当中并不是有规律的，需求随着一定数目的参数而变化。实际上，在一个住宅中，电能需求由于以下原因而是不同的：处于夏季还是冬季、一天中的时间或住宅中的人数。因此，在照明度最差且外部温度最低的冬季，照明和取暖需求是最大的。住宅的电流需求因而比夏季更大，在夏季自然照明度更高并且外部温度也更高。
根据上面提到的在瑞士的统计，典型的单个住宅的电能需求每年约增加5’400kWh。另一方面，63m2的太阳能板每年平均产生大约8’580kWh。当然，太阳能的不便之处是通常在需要时无法被产生(特别地，显然在需要照明的夜间是不会产生任何太阳能的)。然而，根据上面提到的统计，由63m2的太阳能板每年产生的2’480kWh电能是在住宅需要时产生的。直接被联结载荷吸收的这个电能对应于由太阳能板每年产生的8’580kWh电能的约30％。根据本实用新型，所产生的电能的剩余部分(即该8’580kWh电能的70％)被中央分流单元6引导至电解器4。
已知地，电解器4使用电能以从水中产生氢气和氧气。氢气和氧气然后在压力下被存储于第一气罐7和第二气罐8中。第一压缩机9和第二压缩机10用于将压缩到第一气罐7和第二气罐8中的气体压缩成高压(在本例子中为350巴)。应当理解，填充其中一个气罐(标号为8)的氢气适于用作燃料。此外，已知该气体构成原则上不造成污染的燃料。由于以高压存储氢气，设备1能够提供燃料并且因而能够随时产生能量。通过将太阳能转变成氢气，设备1因而实现了太阳能的无污染存储，而无须使用成 本很高的电池。
从图1中还可以看出，在本实施例中，设备1还存储由电解器产生的氧气。如下文所述，不仅能够提供氢气还能够提供氧气这一事实在由设备1提供的气体用于供给特定类型燃料电池的情况下是特别有利的。
如上文所述，住宅2不仅由设备1供电，还由电网18供电。在本例子中，当设备1所产生的电能不足够时，将住宅连至电网的功能主要是为了补足住宅2的电能供给。如图中所示，将住宅2连至电网18是在标记成12的箱体处实现的。已知地，电表通常设置于住宅2中，恰好在箱体12的上游，用于测量电网所提供的电能总量。
根据本实用新型的关于该例子的特定实施例，中央分流单元6连接到电流检测器13，该电流检测器可以与住宅的电表相联并且用于测量进入和离开住宅2的电能流。由于电流传感器所提供的信息，中央分流单元能够确保由设备1提供给住宅2的功率不超过联结载荷。实际上，当假设设备1所提供的电功率超过联结载荷时，过剩的电能从住宅被传送至电网。离开住宅的这个电能流立即被检测器13指示。这个指示使得中央分流单元增加去往电解器4的电能部分。相反，只要由设备1提供的电功率无法满足住宅的需求，由电网提供的电能就补足缺乏的部分。进入住宅的电能流立即被检测器13指示，并且这个指示使得中央分流单元减少去往电解器4的电能部分。这样，住宅与电网之间的电能流量可以被准确地恢复为零，以使得由太阳能板在此刻所产生的电功率至少等于联结载荷。
从图1中可以看出，本例子中的设备1还包括燃料电池14。燃料电池14用于从氢气和氧气中产生电能。为此，燃料电池14连接到高压气体气罐7和8。应当理解，在本例子中，由电解器产生的氧气和氢气用于产生所需要的电能。由燃料电池14产生的电能例如可以当由太阳能板产生的电功率小于住宅中的联结载荷时被提供给住宅2。
从图1中还可以看出，控制线16将中央分流单元6连至燃料电池14。在这些条件下，例如可以在由太阳能板产生的全部电能被提供给住宅并且电流传感器指示电能流从电网进入住宅时控制燃料电池14的启用。实际 上，电网分担这一事实指示了由太阳能板提供的电能不能满足需求。因此，需要附加的电能源。
许多供电商的收费按照一天中的时间是不同的。在这些条件下，根据本例子的一个有利的变型，燃料电池只在一天中的时间对应于电网电价较高的时间段时才被启用。
还应当理解，在不脱离由所附权利要求所限定的本实用新型范围的前提下对所述实施例进行各种不同的修改和/或改进对于本领域技术人员而言是显而易见的。特别地，除了使用以氧气和氢气来供给的燃料电池之外，当然也可以使用只由氢气供给并且从周围空气中提取其氧气的燃料电池。
此外，根据另一个变型，可以有利地设想系统被设计成在高价时间段内将设备1所产生的电能传送至供电商的电网以便供电商购买该价格最高时的电能，并且在电价最便宜的低价时间段内通过使用由电网提供的电能来由电解器产生氢气和氧气。
根据第二实施例，设备1的燃料电池14可以由用于以氢气做燃料的车辆(未显示)的燃料添加系统(未显示)来代替。这个车辆特别地可以是从燃料电池中提取电能的电驱动车辆。在这些条件下，车辆与所述设备的氢气气罐联结，该氢气气罐配备有用于将该气罐8中的氢气移注到该车辆的容器中的燃料添加装置。
应当理解，根据本实用新型，由于在住宅2的直接供给与氢气产生之间分配由太阳能板所产生的电能这一原理，氢气的成本相对于现有技术设备所产生的氢气而言降低了。此外，降低可再生原始氢气的成本这一可能性降低了氢能生态汽车的成本。

Claims (10)

1.一种用于产生和存储可再生能源的设备，该设备用于为与电网联结的耗电单元协同供电，所述设备包括用于从可再生能源中产生电能的装置、用于将提供给所述设备的电能转换成与所述电网相容的交流电的换流器、包括用于当被所述用于从可再生能源中产生电能的装置供电时产生氢气和氧气的电解器的氢气产生单元，气罐、以及用于将由所述电解器提供的氢气注入所述气罐中的压缩机；
其特征在于，其包括用于测量由所述电网提供给所述耗电单元的电功率的检测器，所述用于从可再生能源中产生电能的装置用于将其产生的电能优先提供给所述耗电单元直到达到该耗电单元的联结载荷，并且所述设备包括连至所述用于生成电能的装置的输出端的分流单元，所述分流单元用于仅当由所述检测器测量的功率为负或零时才将电能引导至所述电解器，从而当由所述用于从可再生能源中产生电能的装置所产生的功率超过所述联结载荷时将所产生的电能的剩余部分引导至所述电解器。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述分流单元用于将所测量的电功率恢复或保持为零。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，由所述氢气产生单元所产生的氢气用于供给燃料电池。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，由所述氢气产生单元所产生的氢气用于供给车辆的燃料电池，并且所述设备包括用于将所述气罐中所包含的氢气移注到所述车辆的容器中的燃料添加装置。
5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述燃料电池是固定的并且构成所述设备的一部分，并且所述燃料电池用于当由所述用于从可再生能源中产生电能的装置所产生的功率小于所 述耗电单元的联结载荷时将它所产生的电能提供给该耗电单元。
6.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，由所述氢气产生单元所产生的氢气用于供给燃料电池，所述燃料电池是固定的并且构成所述设备的一部分，并且所述燃料电池用于当由所述用于从可再生能源中产生电能的装置所产生的功率小于所述耗电单元的联结载荷时将它所产生的电能提供给该耗电单元，并且所述设备用于当由所述检测器测量的功率为正时控制所述燃料电池的启用，并且这只针对所述电网的电价较高的时间段。
7.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，该设备包括整流器，该整流器使之能够仅当所述电网的电价较低时才用所述电网的电能为所述电解器供电以增加所述气罐中所包含的氢气量。
8.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述氢气产生单元包括第二气罐和用于将由所述电解器提供的氧气注入该第二气罐中的第二压缩机。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，由所述电解器所产生的氧气和氢气用于供给燃料电池。
10.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述用于从可再生能源中产生电能的装置是光伏太阳能板。 
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