CN212486131U - 一种基于氢能媒介的综合能源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于氢能媒介的综合能源系统，包括电网、风力发电机组、光伏发电集热子系统、电氢转换储能子系统、多级储热器、压缩式热泵、电负荷、气负荷、热负荷和电能总线，电网、风力发电机组和光伏发电集热子系统均接入电能总线，电能总线分别连接电负荷、电氢转换储能子系统和压缩式热泵，电氢转换储能子系统还分别连接气负荷和热负荷，压缩式热泵还连接热负荷，光伏发电集热子系统还连接热负荷，多级储热器分别连接光伏发电集热子系统、电氢转换储能子系统和热负荷。与现有技术相比，本实用新型实现了对综合能源系统的优化配置，具有节省了购能费用，且污染小，治污成本小，应用前景广阔等优点。

Description

一种基于氢能媒介的综合能源系统

技术领域

本实用新型涉及综合能源系统领域，尤其是涉及一种基于氢能媒介的综合能源系统。

背景技术

现代有轨电车到公共巴士，从厢式货车再到家用轿车，从公共交通领域延展到日常生活领域，从产能、用能层面扩展到储能层面，被全世界看好的氢能源正在不断突破自身的应用边界。以前，氢能主要在工业领域与航空领域应用较为成熟。但未来氢能应用场景十分广泛，不会再局限于工业和航空领域，民用领域和交通运输领域是未来的重点发展方向。在电力系统中加入制氢、储氢设施是必然的发展方向，这在综合能源系统中可以很好地实现。

公开号为CN110535152A的实用新型公开了一种零碳排放水电站综合能源系统，包括制氢装置、水电站发电系统、储氢系统、氢燃料电池；水电站发电系统的交流电输出端与制氢装置的电源输入端电连接为其供电；制氢装置产生的氢气输出至储氢系统；储氢系统内部储存的氢气输出至氢燃料电池，用作电池原料；氢燃料产生的直流电输出至水电站系统，为水电站系统内部直流负荷供电。

该综合能源系统加入制氢、储氢设施，当仅将氢能作为储能和能源转换的中介，并没有实现对综合能源系统的优化配置，以及对调度上的改进，没有实现对氢能的优化利用。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种以氢能为主体进行能源优化配置、且降低成本的基于氢能媒介的综合能源系统。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于氢能媒介的综合能源系统，包括电网、风力发电机组、光伏发电集热子系统、电氢转换储能子系统、多级储热器、压缩式热泵、电负荷、气负荷、热负荷和电能总线，所述电网、风力发电机组和光伏发电集热子系统均接入所述电能总线，所述电能总线分别连接电负荷、电氢转换储能子系统和压缩式热泵，所述电氢转换储能子系统还分别连接所述气负荷和所述热负荷，所述压缩式热泵还连接所述热负荷，所述光伏发电集热子系统还连接所述热负荷，所述多级储热器分别连接所述光伏发电集热子系统、电氢转换储能子系统和热负荷。

进一步地，所述电氢转换储能子系统包括电制氢装置、储氢罐和燃料电池，所述储氢罐分别连接所述电制氢装置、燃料电池和气负荷，所述电制氢装置还连接所述电能总线，所述燃料电池还分别连接所述多级储热器和热负荷。

进一步地，所述燃料电池还连接所述电负荷。

进一步地，所述储氢罐还连接有加氢站。

进一步地，所述加氢站包括控制装置以及依次连接的输送装置、调压干燥装置、氢气压缩装置、储气装置和加注装置，所述控制装置分别连接所述输送装置、调压干燥装置、氢气压缩装置、储气装置和加注装置，所述加注装置用于为燃料电池汽车加注氢气。

进一步地，所述电制氢装置为电解水设备。

进一步地，所述能源系统还包括冷负荷，所述电能总线还连接有电制冷机，该电制冷机连接所述冷负荷。

进一步地，所述热负荷还连接有溴化锂制冷机，该溴化锂制冷机连接所述冷负荷。

进一步地，所述电能总线还连接有电锅炉，该电锅炉连接所述热负荷。

进一步地，所述气负荷还连接有微型燃气轮机和燃气锅炉，所述微型燃气轮机连接所述电能总线，所述微型燃气轮机和燃气锅炉均连接所述热负荷。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型在电能总线中接入电氢转换储能子系统，并分别为气负荷和热负荷供能，结合实际考虑到电负荷与热负荷需求较大，通过电能总线接入电负荷，满足电负荷需求；采用光伏发电集热子系统在为电能总线供电的同时，为热负荷供能，并在电能总线中接入压缩式热泵，将电能转化为热能，为热电荷供能，热负荷由电氢转换储能子系统、光伏发电集热子系统与压缩式热泵供能，确保满足热负荷需求，实现对综合能源系统的优化配置；并且本实用新型综合能源系统中设有多级储热器，对电氢转换储能子系统与光伏发电集热子系统的热能进行储能，以备意外情况发生，提升了综合能源系统的能源供给的稳定性。

(2)本实用新型电氢转换储能子系统包括电制氢装置、储氢罐和燃料电池，既能制备并存储氢气，为气负荷供能，又能传输至燃料电池，为电负荷和热负荷供能和储能，能源供给类型丰富，满足多样化需求。

(3)本实用新型电氢转换储能子系统可通过加氢站，为燃料电池汽车加注氢气，制备的氢气利用的是多余的电能，即满足了更多的社会需求，又提升了资源的利用率。

(4)通过实验数据验证，本实用新型基于氢能媒介的综合能源系统，实现了对各设备的优化配置，节省了购能费用，且污染小，治污成本小，具有广阔的应用前景。

(5)本实用新型基于氢能媒介的综合能源系统通过增加电制冷机和溴化锂制冷机，可进一步为冷负荷供能，进一步满足多样化需求。

(6)本实用新型基于氢能媒介的综合能源系统可进一步增加微型燃气轮机和燃气锅炉，进一步满足热电荷需求。

附图说明

图1为基于氢能媒介的综合能源系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例考虑燃气轮机的综合能源系统的结构示意图；

图3为基于氢能媒介的综合能源系统的改进结构示意图；

图4为典型日氢气负荷数据折线图；

图中，1、电网，2、风力发电机组，3、光伏发电集热子系统，4、电氢转换储能子系统，401、电制氢装置，402、储氢罐，403、燃料电池，5、多级储热器，6、压缩式热泵，7、电负荷，8、气负荷，9、热负荷，10、电能总线，11、冷负荷，12、电制冷机，13、溴化锂制冷机，14、电锅炉，15、微型燃气轮机，16、燃气锅炉，17、新能源设备，18、电转气设备，19、储气罐，20、天然气设备，21、蓄电池。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种基于氢能媒介的综合能源系统，下面从系统结构、实验比较和结果分析三个方面对该综合能源系统进行具体描述。

1、系统结构

如图1所示，基于氢能媒介的综合能源系统包括电网1、风力发电机组2(风机)、光伏发电集热子系统3(PV/T)、电氢转换储能子系统4、多级储热器5、压缩式热泵6、电负荷7、气负荷8、热负荷9和电能总线10，电网1、风力发电机组2和光伏发电集热子系统3均接入电能总线10，电能总线10分别连接电负荷7、电氢转换储能子系统4和压缩式热泵6，电氢转换储能子系统4还分别连接气负荷8和热负荷9，压缩式热泵6还连接热负荷9，光伏发电集热子系统3还连接热负荷9，多级储热器5分别连接光伏发电集热子系统3、电氢转换储能子系统4和热负荷9。

电氢转换储能子系统4包括电制氢装置401、储氢罐402和燃料电池403，储氢罐402分别连接电制氢装置401、燃料电池403和气负荷8，电制氢装置401还连接电能总线10，燃料电池403还分别连接多级储热器5和热负荷9。

2、实验比较

本实施例设置了两个场景进行分析比较。

场景1，为本实施例提出的基于氢能媒介的综合能源系统，系统结构图如图1所示，氢气负荷完全由系统提供；

场景2，如图2所示，为传统考虑燃气轮机的综合能源系统，没有氢气相关设施，储能设备有蓄电池和多级储热器，氢气负荷由外界提供。

具体地，考虑燃气轮机的综合能源系统包括电网1、风力发电机组2(风机)、光伏发电集热子系统3(PV/T)、多级储热器5、电负荷7、热负荷9、微型燃气轮机15、燃气锅炉16、天然气设备20和蓄电池21，电网1、风力发电机组2、光伏发电集热子系统3、微型燃气轮机15、电负荷7和蓄电池21共同接入电能总线；光伏发电集热子系统3(PV/T)、微型燃气轮机15、燃气锅炉16、热负荷9和多级储热器5共同接入热能总线，天然气设备20分别连接微型燃气轮机15和燃气锅炉16，为其供能。

氢气负荷数据参考加油站日车流量进行折算，得到每小时的氢气负荷，如图4所示。各设备的价格如表1所示。

表1设备价格

设备	一次投资单位成本	寿命
			风机	8360￥/kW	20年
PVT	633￥/m<sup>2</sup>	20年
			电制氢	5000￥/kW	15年
燃料电池	9500￥/kW	15年
			储氢罐	155￥/Nm<sup>3</sup>	10年
多级储热器	240￥/kW·h	15年
			压缩式热泵	1920￥/kW	20年
微型燃气轮机	8160￥/kW	30年
			燃气锅炉	816￥/kW	20年
蓄电池	4032￥/kW·h	5年

3、结果分析

通过遗传算法与Cplex求解器混合求解，以1天为调度周期，进行优化配置计算，得到如下表2所示的系统设备容量优化配置结果。比较发现，场景2加入了微型燃气轮机和燃气锅炉，其可再生能源的比例较场景1少22％，但是这大大增加了系统一次建设成本，多了167万元。多级储热器较场景1少了35kW·h，这是由于微型燃气轮机和燃气锅炉工作效率较高，可以有效补充可再生能源出力不足时的电能需求和热能需求，场景1则需要增加储热设备容量以及由燃料电池供电。由于场景1较场景2多了电制氢、燃料电池、储氢罐等装置，不仅可以提供氢气负荷所需的氢气，还能替代蓄电池进行储电。

表2系统设备容量优化配置结果

设备名称	场景1	场景2
			风机	850kW	600kW
PVT	3274m<sup>2</sup>	2770m<sup>2</sup>
			多级储热器	387kW·h	352kW·h
压缩式热泵	220kW	/
			电制氢	363kW	/
燃料电池	200kW	/
			储氢罐	405Nm<sup>3</sup>	/
微型燃气轮机	/	350kW
			燃气锅炉	/	800kW
蓄电池	/	357kW·h

对比两个场景的成本可得，尽管场景1比场景2在系统一次建设成本上多了167万元，但是其日购能费用很少，每日仅需501元的购电费用，仅占场景2的五分之一不到。此外，场景1不需要天然气费用，氢气可由系统生产，因此也不需要购氢费用。场景2使用燃气锅炉和燃气轮机，需要购买天然气，没有制氢设施，需要向外界购买氢气，以3.3元/m³的天然气价格和35元/m³的氢气价格计算，日购能费用分别为2760元和39480元，总日购能费用达到了44948元，远远超出了场景1的日购能费用。在日污染物排放成本方面，场景1只需考虑向电网购电的污染物排放，场景2还需考虑天然气的污染物排放问题，在治污成本上前者也优于后者。最后，通过计算发现，在当前负荷以及35元/m3氢气价格情况下，只需37天就能将场景1多出的167万元建设成本补充回来；当氢气价格下降到9元/m3时，也只需一年的时间即可。目前，微型燃气轮机、燃气锅炉技术已成熟，电制氢、燃料电池、储氢罐技术刚起初，设备成本较前者有更大的下降空间，上述时间将更短。

4、基于氢能媒介的综合能源系统的进一步改进

燃料电池403还连接电负荷7。

储氢罐402还连接有加氢站。加氢站包括控制装置以及依次连接的输送装置、调压干燥装置、氢气压缩装置、储气装置和加注装置，控制装置分别连接输送装置、调压干燥装置、氢气压缩装置、储气装置和加注装置，加注装置用于为燃料电池汽车加注氢气。电制氢装置401为电解水设备。

相当于，储氢罐402还连接有加氢站，加氢站是给氢能源设备提供氢气的燃气站，加氢站内部各部分依据不同的功能，可分为制氢系统(自制氢)或输送系统(外供氢)、调压干燥系统、氢气压缩系统、储气系统、售气加注系统和控制系统六个主要子系统。氢气压缩机、高压储氢罐、氢气加注机是加氢站系统的三大核心装备。加氢站通过外部供氢和站内制氢获得氢气后，经过调压干燥系统处理后转化为压力稳定的干燥气体，随后在氢气压缩机的输送下进入高压储氢罐储存，最后通过氢气加注机为燃料电池汽车进行加注。

如图3所示，能源系统还包括冷负荷11，电能总线10还连接有电制冷机12，该电制冷机12连接冷负荷11。

热负荷9还连接有溴化锂制冷机13，该溴化锂制冷机13连接冷负荷11。

电能总线10还连接有电锅炉14，该电锅炉14连接热负荷9。

气负荷8还连接有微型燃气轮机15和燃气锅炉16，微型燃气轮机15连接电能总线10，微型燃气轮机15和燃气锅炉16均连接热负荷9。

电能总线10还连接有新能源设备17和电转气设备18，电转气设备18连接有储气罐19，共同通过气通道连接微型燃气轮机15和燃气锅炉16。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于氢能媒介的综合能源系统，其特征在于，包括电网(1)、风力发电机组(2)、光伏发电集热子系统(3)、电氢转换储能子系统(4)、多级储热器(5)、压缩式热泵(6)、电负荷(7)、气负荷(8)、热负荷(9)和电能总线(10)，所述电网(1)、风力发电机组(2)和光伏发电集热子系统(3)均接入所述电能总线(10)，所述电能总线(10)分别连接电负荷(7)、电氢转换储能子系统(4)和压缩式热泵(6)，所述电氢转换储能子系统(4)还分别连接所述气负荷(8)和所述热负荷(9)，所述压缩式热泵(6)还连接所述热负荷(9)，所述光伏发电集热子系统(3)还连接所述热负荷(9)，所述多级储热器(5)分别连接所述光伏发电集热子系统(3)、电氢转换储能子系统(4)和热负荷(9)。

2.根据权利要求1所述的一种基于氢能媒介的综合能源系统，其特征在于，所述电氢转换储能子系统(4)包括电制氢装置(401)、储氢罐(402)和燃料电池(403)，所述储氢罐(402)分别连接所述电制氢装置(401)、燃料电池(403)和气负荷(8)，所述电制氢装置(401)还连接所述电能总线(10)，所述燃料电池(403)还分别连接所述多级储热器(5)和热负荷(9)。

3.根据权利要求2所述的一种基于氢能媒介的综合能源系统，其特征在于，所述燃料电池(403)还连接所述电负荷(7)。

4.根据权利要求2所述的一种基于氢能媒介的综合能源系统，其特征在于，所述储氢罐(402)还连接有加氢站。

5.根据权利要求4所述的一种基于氢能媒介的综合能源系统，其特征在于，所述加氢站包括控制装置以及依次连接的输送装置、调压干燥装置、氢气压缩装置、储气装置和加注装置，所述控制装置分别连接所述输送装置、调压干燥装置、氢气压缩装置、储气装置和加注装置，所述加注装置用于为燃料电池汽车加注氢气。

6.根据权利要求2所述的一种基于氢能媒介的综合能源系统，其特征在于，所述电制氢装置(401)为电解水设备。

7.根据权利要求1所述的一种基于氢能媒介的综合能源系统，其特征在于，所述能源系统还包括冷负荷(11)，所述电能总线(10)还连接有电制冷机(12)，该电制冷机(12)连接所述冷负荷(11)。

8.根据权利要求7所述的一种基于氢能媒介的综合能源系统，其特征在于，所述热负荷(9)还连接有溴化锂制冷机(13)，该溴化锂制冷机(13)连接所述冷负荷(11)。

9.根据权利要求1所述的一种基于氢能媒介的综合能源系统，其特征在于，所述电能总线(10)还连接有电锅炉(14)，该电锅炉(14)连接所述热负荷(9)。

10.根据权利要求1所述的一种基于氢能媒介的综合能源系统，其特征在于，所述气负荷(8)还连接有微型燃气轮机(15)和燃气锅炉(16)，所述微型燃气轮机(15)连接所述电能总线(10)，所述微型燃气轮机(15)和燃气锅炉(16)均连接所述热负荷(9)。

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