CN210711769U - 开关磁阻风力发电制氢系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种开关磁阻风力发电制氢系统，涉及制氢装置技术领域。所述系统包若干个风力机，每个风力机对应一个开关磁阻电机，所述风力机固定在开关磁阻电机的动力输入端上，所述开关磁阻电机的电力输出端与功率变换器的输入端连接，所述功率变换器的输出端至少分为三路，第一路经第一可控开关、第一DC‑DC变换器与储能单元的电源输入端连接，第二路经第二可控开关、第二DC‑DC变换器与制氢系统连接，第三路经第三可控开关、第三DC‑DC变换器与监测保护装置的供电端连接。所述系统能够提高风能的利用率，且可方便的直接为制氢装置供电，降低风电制氢系统设备成本。

Description

开关磁阻风力发电制氢系统
技术领域
本实用新型涉及制氢装置技术领域，尤其涉及一种开关磁阻风力发电制氢系统。
背景技术
近年来，随着人类社会的不断发展，具有可再生性、污染少、储量高等特点的新能源早已成为国内外学者研究的重点，其中由于风电装机容量在世界各国的不断增长，风力发电已成为利用新能源的主要方式之一。然而由于风力发电具有间歇性、波动性，造成了严重的资源浪费和国民经济损失。氢能作为一种清洁的二次能源，其能量密度高、便于运输储存，利用风电场弃风制氢能实现能量的长期储存，通过风力发电、电解水制氢能实现能量的高效转化，且不产生二次污染。目前，风电制氢技术中的风力发电机大多采用异步发电机和永磁同步发电机。而发电机大多为恒速运行，无法实现变速运行或变速运行调节范围较窄，设备成本较高，并且发电机输出端都为交流电，仍需连接AC/DC变流器才能符合制氢要求，使用不方便。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是如何提供一种能够提高风能的利用率，且可方便的直接为制氢装置供电，降低风电制氢系统成本的系统。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种开关磁阻风力发电制氢系统，其特征在于：包若干个风力机，每个风力机对应一个开关磁阻电机， 所述风力机固定在开关磁阻电机的动力输入端上，所述开关磁阻电机的电力输出端与功率变换器的输入端连接，所述功率变换器的输出端与直流母线连接，所述直流母线的电源输出端至少分为三路，第一路经第一可控开关、第一DC-DC变换器与储能单元的电源输入端连接，第二路经第二可控开关、第二DC-DC变换器与制氢系统连接，第三路经第三可控开关、第三DC-DC变换器与监测保护装置的供电端连接，监测保护装置用于控制所述开关磁阻电机、功率变换器以及制氢系统工作，所述开关磁阻电机发出的电能输送给所述储能单元进行存储或输送给所述制氢系统进行氢气的制备。
进一步的技术方案在于：所述开关磁阻电机上设置有位置检测传感器，所述位置检测传感器经编码器与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接，所述位置检测传感器用于检测所述开关磁阻电机的动子的位置。
进一步的技术方案在于：所述功率变换器的信号输出端连接有电压电流检测模块，所述电压电流检测模块的信号输出端经A/D转换模块与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接，所述电压电流检测模块用于检测所述功率变换器输出的电压信号和电流信号；通过所述A/D转换器把电压电流信号转换为数字信号，捕获口通过编码器获取位置检测传感器检测的动子位置信号，然后按照给定的运行条件及控制方法进行运算产生PWM信号，由PWM输出模块输出PWM信号对驱动模块进行驱动，驱动模块控制功率变换器中主开关器件的导通与断开。
进一步的技术方案在于：所述监测保护装置还包括人机交互模块，所述人机交互模块与所述监测保护装置中微控制器双向连接，用于输入控制命令并显示输出的数据。
进一步的技术方案在于：所述制氢系统包括若干个制氢单元，每个制氢单元包括一个碱性电解槽，第二DC-DC变换器为制氢单元中的电解用电池提供电能，碱性电解槽通过隔膜分为左右两部分，所述电解用电池的阳极与左侧的碱性电解槽内的碱性电解槽阳极连接，所述电解用电池的阴极与右侧的碱性电解槽内的碱性电解槽阴极连接，所述碱性电解槽的上端具有封口，且封口上设置有气体排出口，左侧碱性电解槽上的排气口通过管路与氧气侧冷凝器的进气口连接，所述氧气侧冷凝器的出气口通过管路与氧气侧空气压缩机的进气口连接，所述氧气侧空气压缩机的出气口经管路与氧气罐的进出气口连接；右侧碱性电解槽上的排气口通过管路与氢气侧冷凝器的进气口连接，所述氢气侧冷凝器的出气口通过管路与氢气侧空气压缩机的进气口连接，所述氢气侧空气压缩机的出气口经管路与氢气罐的进出气口连接。
进一步的技术方案在于：所述制氢系统还包括制氢功率监测模块，所述制氢功率监测模块位于所述第二DC-DC变换器的输入端，所述制氢功率监测模块的信号输出端与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接。
进一步的技术方案在于：所述制氢系统还包括制氢电压电流监测模块，所述制氢电压电流监测模块串联在所述第二DC-DC变换器的输出端，所述制氢电压电流监测模块的信号输出端与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接。
进一步的技术方案在于：所述制氢系统还包括电解槽液位监测装置，所述电解槽液位监测装置位于所述碱性电解槽内，所述电解槽液位监测装置的信号输出端与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接。
进一步的技术方案在于：所述制氢系统还包括氢气纯度传感器和氧气纯度传感器，所述氢气纯度传感器位于与所述氢气侧冷凝器的进气口相连接的管路上，所述氧气纯度传感器位于与所述氧气侧冷凝器的进气口相连接的管路上，所述氢气纯度传感器和氧气纯度传感器的信号输出端与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接。
进一步的技术方案在于：所述制氢系统还包括储氢压力传感器以及储氧压力传感器，所述储氢压力传感器位于所述氢气罐与氢气侧空气压缩机之间的管路上，所述储氧压力传感器位于所述氧气罐与氧气侧空气压缩机之间的管路上，所述储氢压力传感器以及储氧压力传感器与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述系统与传统的风电制氢系统相比较，通过开关磁阻电机的特性，主要解决现有技术中存在的风能利用率低的问题，所述系统结构简单、维护方便，可方便的直接为制氢装置供电，从而提高制氢效率并降低风电制氢系统设备的成本。所述系统还采用开关磁阻风力机与储能单元并联运行的方式为制氢系统提供电力，开关磁阻风力机结构简单、坚固、能够适应不同风速稳定运行。当开关磁阻风力机在最佳运行工况条件下进行发电时，打开储能单元DC/DC变换器侧开关，在为制氢系统提供电力的同时将多余的电能进行储存。当开关磁阻风力机输电线路或设备出现故障，或者开关磁阻风力机的运行工况无法满足制氢系统所需电力时，储能单元仍能保障制氢系统继续运行。本实用新型所采用储能单元不仅能保障制氢系统的运行，还可以为监控保护系统提供紧急备用电源，在监控保护系统的保障下，使得制氢、储氢系统安全运行。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是本实用新型实施例所述系统的原理框图
图2是本实用新型实施例所述系统中制氢系统的原理框图；
图3是本实用新型实施例所述系统中发电部分的原理框图；
图4是本实用新型实施例所述系统中PWM部分的原理框图；
图5是本实用新型实施例所述系统中制氢系统的控制原理图；
其中：1、碱性电解槽；2、氧气侧冷凝器；3、氧气侧空气压缩机；4、氧气罐；5、氢气侧冷凝器；6、氢气侧空气压缩机；7、氢气罐；8、碱性电解槽阳极；9、碱性电解槽阴极；10、电解液；11、隔膜；12、电解用电池；13、电解槽液位监测装置；14、氢气纯度传感器；15、氧气纯度传感器；16、氢压力传感器；17、储氧压力传感器；18、直流母线；19、制氢功率监测模块；20、制氢电压电流监测模块。
具体实施方式
下面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的一部分实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本实用新型实施例公开了一种开关磁阻风力发电制氢系统，包若干个风力机，每个风力机对应一个开关磁阻电机， 所述风力机固定在开关磁阻电机的动力输入端上，所述开关磁阻电机的电力输出端与功率变换器的输入端连接，所述功率变换器的输出端与直流母线18连接，所述直流母线18的电源输出端至少分为三路，第一路经第一可控开关、第一DC-DC变换器与储能单元的电源输入端连接，第二路经第二可控开关、第二DC-DC变换器与制氢系统连接，第三路经第三可控开关、第三DC-DC变换器与监测保护装置的供电端连接，监测保护装置用于控制所述开关磁阻电机、功率变换器以及制氢系统工作，所述开关磁阻电机发出的电能输送给所述储能单元进行存储或输送给所述制氢系统进行氢气的制备。
进一步的，如图3所示，所述开关磁阻电机上设置有位置检测传感器，所述位置检测传感器经编码器与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接，所述位置检测传感器用于检测所述开关磁阻电机的动子的位置。
进一步的，如图4所示，所述功率变换器的信号输出端连接有电压电流检测模块，所述电压电流检测模块的信号输出端经A/D转换模块与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接，所述电压电流检测模块用于检测所述功率变换器输出的电压信号和电流信号；通过所述A/D转换器把电压电流信号转换为数字信号，捕获口通过编码器获取位置检测传感器检测的动子位置信号，然后按照给定的运行条件及控制方法进行运算产生PWM信号，由PWM输出模块输出PWM信号对驱动模块进行驱动，驱动模块控制功率变换器中主开关器件的导通与断开。所述监测保护装置还包括人机交互模块，所述人机交互模块与所述监测保护装置中微控制器双向连接，用于输入控制命令并显示输出的数据。
如图2所示，所述制氢系统包括若干个制氢单元，每个制氢单元包括一个碱性电解槽1，第二DC-DC变换器为制氢单元中的电解用电池12提供电能，碱性电解槽1通过隔膜11分为左右两部分，所述电解用电池12的阳极与左侧的碱性电解槽1内的碱性电解槽阳极8连接；所述电解用电池12的阴极与右侧的碱性电解槽1内的碱性电解槽阴极9连接，所述碱性电解槽1的上端具有封口，且封口上设置有气体排出口；左侧碱性电解槽上的排气口通过管路与氧气侧冷凝器2的进气口连接，所述氧气侧冷凝器2的出气口通过管路与氧气侧空气压缩机3的进气口连接，所述氧气侧空气压缩机3的出气口经管路与氧气罐4的进出气口连接；右侧碱性电解槽上的排气口通过管路与氢气侧冷凝器5的进气口连接，所述氢气侧冷凝器5的出气口通过管路与氢气侧空气压缩机6的进气口连接，所述氢气侧空气压缩机6的出气口经管路与氢气罐7的进出气口连接；所述的电解液10一般为质量分数30%的氢氧化钾水溶液，电解槽中间设置隔膜11防止氢气通过，隔膜11一般为石棉布，隔膜的两侧分别设有碱性电解槽阳极8以及碱性电解槽阴极9，分别通过阳极的析氧反应以及阴极的析氢反应生成氧气与氢气。
将生成的不纯净的氧气导入氧气侧冷凝器2，把雾化的氢氧化钾溶液凝结，再通过氧气侧空气压缩机3把纯净的氧气进行高压压缩导入到氧气罐4中。相对的，氢气侧冷凝器5连接碱性电解槽阴极9，将生成的不纯净的氢气导入氢气侧冷凝器5，把雾化的氢氧化钾溶液凝结，再通过氢气侧空气压缩机6把纯净的氢气进行高压压缩导入到氢气罐7中。
进一步的，如图1所示，所述制氢系统还包括制氢功率监测模块，所述制氢功率监测模块位于所述第二DC-DC变换器的输入端，所述制氢功率监测模块的信号输出端与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接。所述制氢系统还包括制氢电压电流监测模块，所述制氢电压电流监测模块串联在所述第二DC-DC变换器的输出端，所述制氢电压电流监测模块的信号输出端与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接。
进一步的，如图2所示，所述制氢系统还包括电解槽液位监测装置13，所述电解槽液位监测装置13位于所述碱性电解槽1内，所述电解槽液位监测装置13的信号输出端与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接。所述制氢系统还包括氢气纯度传感器14和氧气纯度传感器15，所述氢气纯度传感器14位于与所述氢气侧冷凝器5的进气口相连接的管路上，所述氧气纯度传感器15位于与所述氧气侧冷凝器2的进气口相连接的管路上，所述氢气纯度传感器14和氧气纯度传感器15的信号输出端与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接。如图2所示，所述制氢系统还包括储氢压力传感器16以及储氧压力传感器17，所述储氢压力传感器16位于所述氢气罐7与氢气侧空气压缩机6之间的管路上，所述储氧压力传感器17位于所述氧气罐4与氧气侧空气压缩机3之间的管路上，所述储氢压力传感器16以及储氧压力传感器17与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接。
如图5所示，所述的监测保护装置监测的数据包括开关磁阻电机位置监测、开关磁阻电机电流监测、功率变换器电压监测、制氢功率监测、制氢电压监测、电解槽液位监测、电解槽温度监测、电解槽氢气与氧气纯度监测以及储氢压力监测。
储能单元与直流母线双向连接，当所述系统在良好工况条件下高效运行时，储能单元开始储能，保证能量不浪费，当开关磁阻风力发电系统运行功率低下时，储能单元释放能量，保障制氢系统正常运行。所述监测保护装置包括微控制器，微控制器选用DSP（TMS320F28335）芯片，主要包括A/D转换器模块，PWM输出模块，驱动模块，捕获口，编码器和I/O口等。其工作原理是由A/D转换器把电压电流信号转换为数字信号，捕获口通过编码器获取准确的位置信号，然后按照给定的运行条件及控制方法进行运算产生PWM信号，由PWM输出模块输出PWM信号对驱动模块进行驱动，从而控制功率变换器电路中主开关器件的开通与关断。制氢系统、储能单元与直流母线通过DC/DC变换器连接，其原理为升降压斩波电路，为了能让制氢系统安全运行，通过与DC/DC变换器连接来调节电压满足制氢系统的需要。
本实用新型的优点在于：
1）所述系统风能利用率高，因此提高了制氢效率，且稳定性高，操作简单方便。
2）由于开关磁阻风力发电系统输出的是直流电，所以无需使用AC/DC整流模块给输出电流进行整流，可以直接输出直流电为制氢系统供电，很大程度上节省了AC/DC整流器设备的使用，降低了成本。
3）所述系统采用开关磁阻电机，调速范围宽，而且调速性能好，因此，对自然风速的不可控性、随机性有很好的适应力，进而对风能的利用效率较高。此外，通过使用开关磁阻电机可以较为灵活的对系统的电压、电流进行控制，进而能够使系统在最优的功率曲线上稳定运行，进一步提高风能的利用率。

Claims (10)

1.一种开关磁阻风力发电制氢系统，其特征在于：包若干个风力机，每个风力机对应一个开关磁阻电机， 所述风力机固定在开关磁阻电机的动力输入端上，所述开关磁阻电机的电力输出端与功率变换器的输入端连接，所述功率变换器的输出端与直流母线（18）连接，所述直流母线（18）的电源输出端至少分为三路，第一路经第一可控开关、第一DC-DC变换器与储能单元的电源输入端连接，第二路经第二可控开关、第二DC-DC变换器与制氢系统连接，第三路经第三可控开关、第三DC-DC变换器与监测保护装置的供电端连接，监测保护装置用于控制所述开关磁阻电机、功率变换器以及制氢系统工作，所述开关磁阻电机发出的电能输送给所述储能单元进行存储或输送给所述制氢系统进行氢气的制备。
2.如权利要求1所述的开关磁阻风力发电制氢系统，其特征在于：所述开关磁阻电机上设置有位置检测传感器，所述位置检测传感器经编码器与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接，所述位置检测传感器用于检测所述开关磁阻电机的动子的位置。
3.如权利要求2所述的开关磁阻风力发电制氢系统，其特征在于：所述功率变换器的信号输出端连接有电压电流检测模块，所述电压电流检测模块的信号输出端经A/D转换模块与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接，所述电压电流检测模块用于检测所述功率变换器输出的电压信号和电流信号；通过所述A/D转换器把电压电流信号转换为数字信号，捕获口通过编码器获取位置检测传感器检测的动子位置信号，然后按照给定的运行条件及控制方法进行运算产生PWM信号，由PWM输出模块输出PWM信号对驱动模块进行驱动，驱动模块控制功率变换器中主开关器件的导通与断开。
4.如权利要求3所述的开关磁阻风力发电制氢系统，其特征在于：所述监测保护装置还包括人机交互模块，所述人机交互模块与所述监测保护装置中微控制器双向连接，用于输入控制命令并显示输出的数据。
5.如权利要求1所述的开关磁阻风力发电制氢系统，其特征在于：所述制氢系统包括若干个制氢单元，每个制氢单元包括一个碱性电解槽（1），第二DC-DC变换器为制氢单元中的电解用电池（12）提供电能，碱性电解槽（1）通过隔膜（11）分为左右两部分，所述电解用电池（12）的阳极与左侧的碱性电解槽（1）内的碱性电解槽阳极（8）连接，所述电解用电池（12）的阴极与右侧的碱性电解槽（1）内的碱性电解槽阴极（9）连接，所述碱性电解槽（1）的上端具有封口，且封口上设置有气体排出口，左侧碱性电解槽上的排气口通过管路与氧气侧冷凝器（2）的进气口连接，所述氧气侧冷凝器（2）的出气口通过管路与氧气侧空气压缩机（3）的进气口连接，所述氧气侧空气压缩机（3）的出气口经管路与氧气罐（4）的进出气口连接；右侧碱性电解槽上的排气口通过管路与氢气侧冷凝器（5）的进气口连接，所述氢气侧冷凝器（5）的出气口通过管路与氢气侧空气压缩机（6）的进气口连接，所述氢气侧空气压缩机（6）的出气口经管路与氢气罐（7）的进出气口连接。
6.如权利要求5所述的开关磁阻风力发电制氢系统，其特征在于：所述制氢系统还包括制氢功率监测模块（19），所述制氢功率监测模块（19）位于所述第二DC-DC变换器的输入端，所述制氢功率监测模块（19）的信号输出端与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接。
7.如权利要求5所述的开关磁阻风力发电制氢系统，其特征在于：所述制氢系统还包括制氢电压电流监测模块（20），所述制氢电压电流监测模块（20）串联在所述第二DC-DC变换器的输出端，所述制氢电压电流监测模块（20）的信号输出端与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接。
8.如权利要求5所述的开关磁阻风力发电制氢系统，其特征在于：所述制氢系统还包括电解槽液位监测装置（13），所述电解槽液位监测装置（13）位于所述碱性电解槽（1）内，所述电解槽液位监测装置（13）的信号输出端与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接。
9.如权利要求5所述的开关磁阻风力发电制氢系统，其特征在于：所述制氢系统还包括氢气纯度传感器（14）和氧气纯度传感器（15），所述氢气纯度传感器（14）位于与所述氢气侧冷凝器（5）的进气口相连接的管路上，所述氧气纯度传感器（15）位于与所述氧气侧冷凝器（2）的进气口相连接的管路上，所述氢气纯度传感器（14）和氧气纯度传感器（15）的信号输出端与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接。
10.如权利要求5所述的开关磁阻风力发电制氢系统，其特征在于：所述制氢系统还包括储氢压力传感器（16）以及储氧压力传感器（17），所述储氢压力传感器（16）位于所述氢气罐（7）与氢气侧空气压缩机（6）之间的管路上，所述储氧压力传感器（17）位于所述氧气罐（4）与氧气侧空气压缩机（3）之间的管路上，所述储氢压力传感器（16）以及储氧压力传感器（17）与所述监测保护装置中微控制器的信号输入端连接。
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