CN209250261U - 一种尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统，风力发电系统的输出端与功率分配器的输入端相连接，功率分配器的两个输出端分别与变压器的输入端及蓄电池的充电接口相连接，蓄电池的放电接口与电解槽的电源接口相连接，尿素废水输入管道依次经过滤装置及废水储罐与电解槽的液体入口相连通，电解槽的阴极产物出口依次经氢气缓冲罐、氢气压缩机及储氢罐与燃料电池的氢气入口相连通，燃料电池的输出端与变压器的输入端相连接，电解槽的阳极产物出口依次经氧气缓冲罐及氧气压缩机与储氧罐的入口相连通；变压器的输出端与电网相连接，该系统能够利用弃风弃电实现尿素废水中尿素的电解制氢，且电解槽的产氢量及使用寿命较好。
Description
技术领域
本实用新型属于制氢和环保技术领域，涉及一种尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统。
背景技术
随着氢燃料电池的快速发展，氢气作为最清洁高效的能源，近年来得到了广泛的关注。目前规模化的制氢方式主要为天然气(含石脑油、重油、炼厂气和焦炉气等)水蒸汽转化、煤(含焦炭和石油焦等)转化制氢及尿素或氨裂解制氢、水电解等制氢技术，但是化石能源转换方式始终无法完全避免零碳排放。水电解制氢通过电解水而获得高纯度的氢气，氢气纯度可高达99.9999％，但是，水电解制氢的电耗太大，导致成本过高。
然而，风电的快速发展及弃风的大量出现为电解水制氢提供了新的机会。根据2011年10月国家发展改革委能源研究所发布了《中国风电发展路线图2050》，提出风电已经开始并将继续成为实现低碳能源战略的主力能源技术之一。由于风力发电的不确定性高，风电输出功率和频率的波动随着风速的变化而变化，因此，受季节、环境、位置等影响较大，其输出电能质量较差、可靠性低，大规模风电并网给电网安全稳定运行带来影响；同时，电网对风力发电的消纳有限，造成弃风弃电严重。利用弃电进行电解水制氢，不仅可能提升风电系统的能源利用效率，而且生产出附加产品氢气，实现了风能资源的综合利用。
尿素废水的也渐渐成为我国量大、污染严重、难处理的废水之一，受到人们的广泛关注。为了处理好节水减排和环境保护的问题，我们需要采用合理的技术对废水进行深度处理并加以利用，达到可持续发展的目的。尿素废水中含有大量尿素，相比于传统的生化、物理处理方法，对尿素废水进行电解处理，不仅可以实现污水的净化，还能实现污水资源化。同时，尿素的标准电位是0.37V,远低于电解水的理论电压(1.23V)。因此尿素废水可能在较低的能耗下实现电解制氢。尿素电解的反应式为:
阴极：6H2O+6e-→3H2+6OH-
阳极：CO(NH2)2+6OH-→N2+5H2O+CO2+6e-
总反应：CO(NH2)2+H2O→N2+3H2+CO2 E＝0.37V
由反应式可知,电解尿素不仅可以利用尿素本身的氢,还可以从水中获得氢,因此,氢的利用率非常高。
但是，由于风电功率输出具有随机性、间歇性和波动性，当将多余风电直接接入电解槽时，会对产氢量及电解槽的使用寿命造成影响。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统，该系统能够利用弃风弃电实现尿素废水中尿素的电解制氢，且电解槽的产氢量及使用寿命较好，系统的灵活性优异。
为达到上述目的，本实用新型所述的尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统包括风力发电系统、功率分配器、变压器、超级电容器、蓄电池、电解液储罐、过滤装置、废水储罐、尿素废水箱、电解槽、氢气缓冲罐、氢气压缩机、储氢罐、燃料电池、氧气缓冲罐、氧气压缩机、储氧罐、协调控制器、AC-DC控制器及DC-AC控制器；
风力发电系统的输出端与功率分配器的输入端相连接，功率分配器的两个输出端分别与变压器的输入端及AC-DC控制器的输入端相连接，蓄电池的放电接口与电解槽的电源接口相连接，尿素废水箱依次经过滤装置及废水储罐与电解槽的液体入口相连通，电解槽的阴极产物出口依次经氢气缓冲罐及氢气压缩机与储氢罐的入口相连通，储氢罐的出口与燃料电池的氢气入口相连通，燃料电池的输出端与变压器的输入端相连接，电解槽的阳极产物出口依次经氧气缓冲罐及氧气压缩机与储氧罐的入口相连通；变压器的输出端与电网相连接；
协调控制器与风力发电系统、功率分配器、电解槽、超级电容器及燃料电池相连接。
AC-DC控制器的输出端与超级电容器的充电接口相连接，超级电容器的放电接口与蓄电池的充电接口及DC-AC控制器的输入端相连接，燃料电池的输出端与DC-AC控制器的输入端相连接，DC-AC控制器的输出端与变压器的输入端相连接，协调控制器与超级电容器相连接。
废水储罐与电解槽之间的管道上设置有流量调节阀。
所述电解槽中的电解液为碱性电解液，电解槽开启时，先设置电解电压为0.6V，电解槽的阴极产物出口输出的阴极产物进入到氢气缓冲罐中，然后经过氢气压缩机进入储氢罐中，此时电解槽的阳极产物出口与氧气缓冲罐之间的连接断开，阳极产物直接排放到大气中；在电解预设时间后，阴极无气体产生时，提高电解电压至1.3V，此时电解槽的阳极产物出口与氧气缓冲罐之间的连接开启，电解槽的阳极产物出口输出的阳极产物经过氧气压缩机进入储氧罐中；根据所述电解槽液面变化，通过废水储罐向电解槽中补尿素废水，并循环上述过程，通过电解液储罐向电解槽补充电解液。
当风力发电系统的发电功率大于电网需求时，协调控制器控制功率分配器将风力发电系统产生的多余电量存储于超级电容器中，当超级电容器充满电后，则对蓄电池进行充电，当蓄电池充满电后，协调控制器控制电解槽启动，通过电解槽对尿素废水中的尿素进行电解制氢，并将产生的氢气经氢气缓冲罐缓冲、氢气压缩机压缩后存储于储氢罐中。
当风力发电系统的输出功率不能满足电网需求时，协调控制器启动超级电容器，通过超级电容器对电网进行供电，当超级电容器电量不足时，协调控制器启动燃料电池，燃料电池利用储氢罐中的氢气产生直流电，然后将产生的直流电经DC-AC控制器转换为交流电后供给给电网，此时通过蓄电池为电解槽提供电能，通过电解槽电解尿素产生氢气，当蓄电池的剩余电量低于最低电量预设值时，则蓄电池停止对电解槽供电。
废水储罐中尿素废水内尿素的质量浓度为0.1％-100％。
氢气压缩机入口处氢气的纯度为99.9％。
氧气压缩机入口处氧气的纯度为99.9％。
本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型所述的尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统在具体操作时，当风力发电系统的输出功率大于电网需求时，协调控制器控制功率分配器将风力发电系统产生的多余电量存储于超级电容器及蓄电池中，并对电解槽供电制氢，以消纳风力发电系统的弃风功率，提高风力发电系统的发电效率及风资源利用水平。另外，当发电系统的输出功率不能满足电网需求时，先通过超级电容器对电网进行供电，当超级电容器电量不足时，则通过燃料电池协同对电网进行供电，此时蓄电池继续维持对电解槽供电制氢，直至蓄电池电量低至一定量后，关闭电解槽；对电解槽加装蓄电池，保证蓄电池电量处于一定范围内，能够有效地防止电解装置由于风电功率波动导致的频繁地开关，能够有效的提高系统的稳定性、安全性和使用寿命；另外，通过对尿素废水中的尿素进行电解，实现废水处理的同时，为燃料电池提供氢气，具有较高的环保意义及综合效益，并且，相对于传统的水电解，尿素电解制氢的电压均为0.37V，极大的节省了电解制氢的电耗。
另外，需要说明的是，当风力发电系统的输出功率波动时，本实用新型先通过超级电容器充电或放电，利用超级电容器储能内阻小、循环寿命长、功率密度高及响应速度快的特点，有效的平抑风电的波动性，减少风电波动对电网及电解槽的直接冲击，同时通过超级电容器弥补燃料电池动态响应速度慢的问题，以提升系统的动态响应速度。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
其中，1为风力发电系统、2为功率分配器、3为AC-DC控制器、4为DC-AC控制器、5为变压器、6为超级电容器、7为电解槽、8为蓄电池、9为氧气缓冲罐、10为氢气缓冲罐、11为氧气压缩机、12为氢气压缩机、13为储氧罐、14为储氢罐、15为废水储罐、16为过滤装置、17为电解液储罐、18为尿素废水箱、19为燃料电池、20为协调控制器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。
参考图1，本实用新型所述的尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统包括风力发电系统1、功率分配器2、变压器5、超级电容器6、蓄电池8、电解液储罐17、过滤装置16、废水储罐15、尿素废水箱18、电解槽7、氢气缓冲罐10、氢气压缩机12、储氢罐14、燃料电池19、氧气缓冲罐9、氧气压缩机11、储氧罐13、及协调控制器20、AC-DC控制器3及DC-AC控制器4；风力发电系统1的输出端与功率分配器2的两个输出端分别与变压器5的输入端及AC-DC控制器3的输入端相连接，蓄电池8的放电接口与电解槽7的电源接口相连接，尿素废水箱18依次经过滤装置16及废水储罐15与电解槽7的液体入口相连通，电解槽7的阴极产物出口依次经氢气缓冲罐10及氢气压缩机12与储氢罐14的入口相连通，储氢罐14的出口与燃料电池19的氢气入口相连通，燃料电池19的输出端与变压器5的输入端相连接，电解槽7的阳极产物出口依次经氧气缓冲罐9及氧气压缩机11与储氧罐13的入口相连通；变压器5的输出端与电网相连接；协调控制器20与风力发电系统1、功率分配器2、电解槽7、超级电容器6及燃料电池19相连接。
AC-DC控制器3的输出端与超级电容器6的充电接口相连接，超级电容器6的放电接口与蓄电池8的充电接口及DC-AC控制器4的输入端相连接，燃料电池19的输出端与DC-AC控制器4的输入端相连接，DC-AC控制器4的输出端与变压器5的输入端相连接，协调控制器20与超级电容器6相连接。
本实用新型在工作时，当风力发电系统1的发电功率大于电网需求时，协调控制器20控制功率分配器2将风力发电系统1产生的多余电量存储于超级电容器6中，当超级电容器6充满电后，则对蓄电池8进行充电，当蓄电池8充满电后，协调控制器20控制电解槽7启动，通过电解槽7对尿素废水进行电解制氢，并将产生的氢气经氢气缓冲罐10缓冲、氢气压缩机12压缩后存储于储氢罐14中。
当风力发电系统1的输出功率不能满足电网需求时，协调控制器20启动超级电容器6，通过超级电容器6对电网进行供电，当超级电容器6电量不足时，协调控制器20启动燃料电池19，燃料电池19利用储氢罐14中的氢气产生直流电，然后将产生的直流电经DC-AC控制器4转换为交流电后供给电网，此时通过蓄电池8为电解槽7提供电能，通过电解槽7电解尿素产生氢气，当蓄电池8的剩余电量低于最低电量预设值时，则蓄电池8停止对电解槽7供电。
另外，需要说明的是，电解槽7开启中，先设置电解电压为0.6V，，电解槽7中发生的电解反应为：
阴极：6H2O+6e-→3H2+6OH-
阳极：CO(NH2)2+6OH-→N2+5H2O+CO2+6e-
总反应：CO(NH2)2+H2O→N2+3H2+CO2 E＝0.37V
电解槽7的阴极产物出口连接氢气缓冲罐10，并经过氢气压缩机12进入储氢罐14中；此时电解槽7的阳极产物出口与氧气缓冲罐9之间的连接断开，电解槽7的阳极产物直接排放到大气中。
在电解一段时间后，当电解槽7的阴极无气体产生时，提高电解槽7的电解电压至1.3V，此时电解槽7中发生的电解反应如下：
阳极反应方程式：4OH－→O2+2H2O+4e－
阴极反应方程式：2H2O+2e－→H2+2OH－
总反应方程式：2H2O→2H2+O2
此时将电解槽7的阳极产物出口与氧气缓冲罐9之间的连接开启，并经过氧气压缩机11进入储氧罐13中；电解槽7的阴极产物出口连接氢气缓冲罐10，并经过氢气压缩机12进入储氢罐14中；
废水储罐15中尿素废水中尿素的质量浓度为0.1％-100％；氢气压缩机12入口处氢气的纯度为99.9％；氧气压缩机11入口处氧气的纯度为99.9％。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统，其特征在于，包括风力发电系统(1)、功率分配器(2)、变压器(5)、超级电容器(6)、蓄电池(8)、电解液储罐(17)、过滤装置(16)、废水储罐(15)、尿素废水箱(18)、电解槽(7)、氢气缓冲罐(10)、氢气压缩机(12)、储氢罐(14)、燃料电池(19)、氧气缓冲罐(9)、氧气压缩机(11)、储氧罐(13)、协调控制器(20)、AC-DC控制器(3)及DC-AC控制器(4)；
风力发电系统(1)的输出端与功率分配器(2)的输入端相连接，功率分配器(2)的两个输出端分别与变压器(5)的输入端及AC-DC控制器(3)的输入端相连接，蓄电池(8)的放电接口与电解槽(7)的电源接口相连接，尿素废水箱(18)依次经过滤装置(16)及废水储罐(15)与电解槽(7)的液体入口相连通，电解槽(7)的阴极产物出口依次经氢气缓冲罐(10)及氢气压缩机(12)与储氢罐(14)的入口相连通，储氢罐(14)的出口与燃料电池(19)的氢气入口相连通，燃料电池(19)的输出端与变压器(5)的输入端相连接，电解槽(7)的阳极产物出口依次经氧气缓冲罐(9)及氧气压缩机(11)与储氧罐(13)的入口相连通；变压器(5)的输出端与电网相连接；
协调控制器(20)与风力发电系统(1)、功率分配器(2)、电解槽(7)、超级电容器(6)及燃料电池(19)相连接。
2.根据权利要求1所述的尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统，其特征在于，AC-DC控制器(3)的输出端与超级电容器(6)的充电接口相连接，超级电容器(6)的放电接口与蓄电池(8)的充电接口及DC-AC控制器(4)的输入端相连接，燃料电池(19)的输出端与DC-AC控制器(4)的输入端相连接，DC-AC控制器(4)的输出端与变压器(5)的输入端相连接，协调控制器(20)与超级电容器(6)相连接。
3.根据权利要求1所述的尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统，其特征在于，所述电解槽(7)中的电解液为碱性电解液，电解槽(7)开启时，先设置电解电压为0.6V，电解槽(7)的阴极产物出口输出的阴极产物进入到氢气缓冲罐(10)中，然后经过氢气压缩机(12)进入储氢罐(14)中，此时电解槽(7)的阳极产物出口与氧气缓冲罐(9)之间的连接断开，阳极产物直接排放到大气中；在电解预设时间后，阴极无气体产生时，提高电解电压至1.3V，此时电解槽(7)的阳极产物出口与氧气缓冲罐(9)之间的连接开启，电解槽(7)的阳极产物出口输出的阳极产物经过氧气压缩机(11)进入储氧罐(13)中；根据所述电解槽(7)液面变化，通过废水储罐(15)向电解槽(7)中补尿素废水，并循环上述过程，通过电解液储罐(17)向电解槽(7)补充电解液。
4.根据权利要求1所述的尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统，其特征在于，废水储罐(15)与电解槽(7)之间的管道上设置有流量调节阀。
5.根据权利要求2所述的尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统，其特征在于，当风力发电系统(1)的发电功率大于电网需求时，协调控制器(20)控制功率分配器(2)将风力发电系统(1)产生的多余电量存储于超级电容器(6)中，当超级电容器(6)充满电后，则对蓄电池(8)进行充电，当蓄电池(8)充满电后，协调控制器(20)控制电解槽(7)启动，通过电解槽(7)对尿素废水中的尿素进行电解制氢，并将产生的氢气经氢气缓冲罐(10)缓冲、氢气压缩机(12)压缩后存储于储氢罐(14)中。
6.根据权利要求2所述的尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统，其特征在于，当风力发电系统(1)的输出功率不能满足电网需求时，协调控制器(20)启动超级电容器(6)，通过超级电容器(6)对电网进行供电，当超级电容器(6)电量不足时，协调控制器(20)启动燃料电池(19)，燃料电池(19)利用储氢罐(14)中的氢气产生直流电，然后将产生的直流电经DC-AC控制器(4)转换为交流电后供给电网，此时通过蓄电池(8)继续为电解槽(7)提供电能，电解尿素制取氢气，当蓄电池(8)的剩余电量低于最低电量预设值时，则蓄电池(8)停止对电解槽(7)供电。
7.根据权利要求1所述的尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统，其特征在于，废水储罐(15)中尿素废水内尿素的质量浓度为0.1％-100％。
8.根据权利要求2所述的尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统，其特征在于，氢气压缩机(12)入口处氢气的纯度为99.9％。
9.根据权利要求2所述的尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统，其特征在于，氧气压缩机(11)入口处氧气的纯度为99.9％。
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|---|---|---|---|---|
| CN109638893A (zh) * | 2019-01-30 | 2019-04-16 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统 |
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2019
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| CN109638893A (zh) * | 2019-01-30 | 2019-04-16 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | 一种尿素废水用于高安全高效率风电制氢调峰调频系统 |
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