CN218243019U - 一种基于可再生能源的电力转换利用系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于可再生能源的电力转换利用系统，包括太阳能转化装置、储能系统、电解制氢装置、氢气储罐、CO₂捕集装置、甲醇合成装置、甲醇重整制氢装置、高温氢泵及高温质子交换膜燃料电池；通过本系统，能够保证电力的来源均为可再生能源，且系统内的副产物CO₂能够通过内循环继续作为电力生产的来源，不污染环境。

Description

一种基于可再生能源的电力转换利用系统

技术领域

本实用新型涉及利用可再生能源发电及储能技术领域，尤其涉及一种基于可再生能源的电力转换利用系统。

背景技术

可再生能源利用在现代社会中利用的比例逐年上升，尤其是发电领域。有数据显示，到2030年，世界能源结构中可再生能源占比将达到11％。由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及天气因素的影响，所以，到达某一地面的可再生能源既是间断的，又是极不稳定的，这给可再生能源发电的大规模应用增加了难度。

由于可再生能源间歇性的特点，加上政策上的引导作用未完全发挥，2016年我国弃风、弃光电量很可能分别突破400亿千瓦时和100亿千瓦时。

另一方面，目前应对国内各大城市普遍采用的峰谷电价，为提高能源供应的经济性，降低经营成本，国内电储能技术迅速发展并成熟。通过将可再生能源发电与电储能技术相结合能够有效的解决目前日益严重的弃风弃光问题，同时可以弥补可再生能源间歇性的缺点，满足用户端稳定清洁的能源供应，具有重要的意义。

本实用新型利用可再生能源产生的电能，供应用户电负荷需求，同时还能满足工厂、温室大棚或城市居民蓄电及热供应的需求。

实用新型内容

本实用新型公开一种基于可再生能源的电力转换利用系统，用于解决现有技术中存在的问题。

为了解决上述问题，本实用新型采用下述技术方案：

提供一种基于可再生能源的电力转换利用系统，包括：太阳能转化装置、储能系统、电解制氢装置、氢气储罐、CO₂捕集装置、甲醇合成装置、甲醇重整制氢装置、高温氢泵及高温质子交换膜燃料电池；

太阳能转化装置分别与储能系统、电解制氢装置及甲醇合成装置电连接，用于为三者供能；

储能系统还与电解制氢装置、甲醇合成装置及终端用户连接；储能系统用于存储太阳能转化装置所提供的电能，并为电解制氢装置、甲醇合成装置及终端用户供电；

电解制氢装置还与氢气储罐连接，用于实现电解水制取氢气；氢气储罐用于存储压缩氢气；

甲醇合成装置还与CO₂捕集装置、氢气储罐连接，用于生成甲醇；

甲醇重整制氢装置分别与甲醇合成装置及高温质子交换膜燃料电池连接，用于为高温质子交换膜燃料电池供氢；高温质子交换膜燃料电池与终端用户连接，用于向外供电及供热；

高温氢泵与甲醇重整制氢装置、甲醇合成装置及氢气储罐连接，用于压缩氢气并进行存储。

作为优选的技术方案，太阳能转化装置与电解制氢装置、氢气储罐、CO₂捕集装置及甲醇合成装置之间闭环连接，形成一个循环回路，用于可再生地合成甲醇。

作为优选的技术方案，甲醇合成装置与甲醇重整制氢装置、高温氢泵、CO₂捕集装置及氢气储罐之间闭环连接，形成一个循环回路，用于可再生地合成甲醇。

作为优选的技术方案，太阳能转化装置包括至少两个太阳能板，太阳能板之间串联或并联电连接。

作为优选的技术方案，储能系统包括蓄电池系统，蓄电池系统包括铅酸电池、液流电池、钠硫电池或锂离子电池；蓄电池系统的输入端与太阳能转化装置电连接，蓄电池系统的输出端与电解制氢装置，和/或甲醇合成装置，和/或终端用户连接。

作为优选的技术方案，电解制氢装置包括电解槽及氢气分离器，电解槽由太阳能转化装置和/或储能系统供电，氢气分离器的入口与电解槽连接，氢气分离器的出口与氢气储罐的连接。

作为优选的技术方案，CO₂捕集装置包括利用化学吸收法的CO₂捕集装置、利用吸附法的CO₂捕集装置或利用膜分离法的CO₂捕集装置；CO₂捕集装置的输出端与甲醇合成装置的输入端连接。

作为优选的技术方案，甲醇合成装置包括用于甲醇合成的在工艺流程技术方面串联连接的多级反应器，多级反应器的下游连接甲醇分离器，甲醇分离器与甲醇重整制氢装置的输入端连接。

作为优选的技术方案，甲醇重整制氢装置包括换热器、反应器、分离器及变压吸附系统，变压吸附系统与高温氢泵及高温质子交换膜燃料电池连接。

作为优选的技术方案，高温氢泵包括隔膜式氢气压缩机，用于压缩氢气，并将压缩后的氢气输入氢气储罐。

本实用新型采用的技术方案能够达到以下有益效果：

本实用新型的技术方案提出了一种基于可再生能源的电力转换利用系统，在本系统中，可以利用太阳能为甲醇合成装置供电，甲醇合成过程中的氢气原料来源于水电解而成的氢气及甲醇重整制氢后得到的一部分氢气，CO₂原料可来源于温室、室外空气或甲醇重整制氢后的尾气，使得甲醇合成过程中的原料及能源均为可再生的来源，并保证了整个店里转换利用系统内的碳循环。

进一步地，在本系统中，可以利用太阳能为电解制氢装置或甲醇合成装置供电，多余电量可存储于储能系统中，储能系统一方面能够直接接入终端用户为用户供电，另一方面还能为在没有太阳的阴雨天气为电解制氢装置或甲醇合成装置持续供电；而电解制氢装置所生产的氢气可以输入氢气储罐中，以用于甲醇的合成，保证了氢气生产过程中原料及能源均为可再生的来源。

甲醇重整制氢装置所生产得到的氢气通过燃料电池可以为用户供电和/或供暖，鉴于目前低温燃料电池对氢气纯度要求高，否则易造成催化剂中毒，因此在本申请的技术方案中，将高温质子交换膜燃料电池与甲醇重整制氢装置联用，即使重整气体中含有少量CO或CO₂气体，依然不影响燃料电池的使用，不仅避免了直接使用纯氢的生产成本过高且步骤繁琐，且高温质子交换膜燃料电池在产生电流后，唯一的副产品为水，不会造成其他污染。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例的一种优选实施方式中公开的基于可再生能源的电力转换利用系统的示意图。

具体包括下述附图标记：

太阳能转化装置1、储能系统2、电解制氢装置3、氢气储罐4、CO₂捕集装置5、甲醇合成装置6、甲醇重整制氢装置7、高温氢泵8、高温质子交换膜燃料电池9、终端用户10。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

显然，下面所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，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。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)有时也称为聚合物电解质膜燃料电池(也称为PEMFC)，其使用水基酸性聚合物膜作为其电解质，使用铂基电极，且能够在相对较低的温度(低于100℃)下工作。由于相对较低的温度和使用贵金属的电极，常温燃料电池必须在高纯氢气下工作，否则会引起催化剂中毒，降低能量转化效率。

基于上述缺点，可以采用高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)来作为电源，高温质子交换膜燃料电池通过将电解质从水性改为无机酸系，可以在高达200℃的条件下运行，这样就能够以作为燃料来源，处理含有少量CO、CO₂的重整气体，克服了PEMFC在燃料纯度方面的一些局限性。尽管甲醇作为纯净能源不会对环境造成污染，但是将甲醇作为燃料来源无疑要花费巨大成本，且甲醇重整制氢的过程中会产生大量CO₂，高温质子交换膜燃料电池也无法反应全部的氢气，将尾气直接排放会加重环境负担及温室效应。

为解决高温质子交换膜燃料电池的燃料来源及尾气排放问题，本实用新型提供了一种可再生能源的电力转换利用系统，整个系统中的电源来源、燃料及尾气均可通过内循环实现自我合成、分解及再利用，以缓解环境压力。

在一种优选实施方式中，上述可再生能源的电力转换利用系统包括太阳能转化装置1、储能系统2、电解制氢装置3、氢气储罐4、CO₂捕集装置5、甲醇合成装置6、甲醇重整制氢装置7、高温氢泵8及高温质子交换膜燃料电池9，各个装置之间形成回路连接，以实现产物的内循环。

优选地，太阳能转化装置1作为整个系统的启动能源的来源，分别与储能系统2、电解制氢装置3及甲醇合成装置6电连接，用于为三者供能。

在一种优选实施方式中，太阳能转化装置1至少包括太阳能电池，依据所用材料的不同，太阳能电池可以选用硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池及塑料太阳能电池，为兼顾发电效率及成本，优选使用硅太阳能电池。

但单体硅太阳能电池无法直接作为电源使用，因此其结构包括至少两个太阳能板，太阳能板之间串联或并联电连接，用于太阳能的转化并向外供电。

本领域技术人员应理解，太阳能电池的基本结构为本领域技术人员所熟悉的知识，其成本也可直接采购，或根据发电需要串并联呈一定的规模，在此不再赘述。

优选的，储能系统2的输入端与太阳能转化装置1电连接，输出端与电解制氢装置3、甲醇合成装置6及终端用户10连接；储能系统2用于存储太阳能转化装置1所提供的电能，并为电解制氢装置3、甲醇合成装置6及终端用户10提供稳定的供电，即使在没有太阳的阴雨天或其他极端抬起，仍能保证整个系统运转的稳定。

在一种优选实施方式中，储能系统2能够将太阳能转化装置1所传输过来的电能进行吸收、存储并释放，储能系统2包括蓄电池系统、PCS变流器系统、一次和二次电缆等组成。本领域技术人员应理解，在广义上，储能方式主要分为三类：物理储能(抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等)、化学储能和电磁储能三大类，在本实施例中，优选采用化学储能，如铅酸电池、液流电池、钠硫电池或锂离子电池。蓄电池系统的输入端与太阳能转化装置1电连接，蓄电池系统的输出端分别与电解制氢装置3、甲醇合成装置6及终端用户10连接。

进一步地，上述PCS变流器系统设置于蓄电池系统与电网之间，用于实现蓄电池系统与电网间的交直流转换，完成两者间的双向能量流动，并通过控制策略实现对电池系统的充放电管理、网测负荷功率跟踪、电池储能系统2充放电功率控制和正常及孤岛运行方式下网测电压的控制；具有高转换效率、宽电压输入范围、快速并离网切换和方便维护等特点，同时具备完善的保护功能，如孤岛保护、直流过压保护和低电压穿越(可选)等，满足系统并、离网要求。

本领域技术人员应理解，蓄电池系统及PCS的结构为现有技术中本领域技术人员所熟悉的知识，在本方案中未对其内在结构做出改进，而重点在于装置间的连接关系，因此结构细节在此不再赘述。

优选地，电解制氢装置3还与氢气储罐4连接，用于实现电解水制取氢气；氢气储罐4用于存储压缩氢气。

本领域技术人员应理解，水电解制氢是指水分子在直流电作用下被解离生成氧气和氢气，分别从电解槽阳极和阴极析出。根据电解槽隔膜材料的不同，通常将水电解制氢分为碱性水电解(AE)、质子交换膜(PEM)水电解以及高温固体氧化物水电解(SOEC)。无论哪种水电解制氢方式，均需要设置电解槽及氢气分离器，其中电解槽由太阳能转化装置1和/或储能系统2供电，氢气分离器的入口与电解槽连接，氢气分离器的出口与氢气储罐4的连接。

在一种优选实施方式中，采用碱性水电解制氢，此时电解槽隔膜主要由石棉组成，起分离气体的作用。阴极、阳极主要由金属合金组成，如Ni-Mo合金等，分解水产生氢气和氧气。电解液优选采用KOH溶液，质量分数20％～30％，电解槽操作温度70～80℃，工作电流密度为0.25A/cm2，产生气体压力0.1～3.0MPa，然后通过氢气分离器将阴极产生的氢气传输通入氢气储罐4。

在另一种优选实施方式中，采用PEM水电解制氢，此时电解槽隔膜由全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质替代石棉膜。具体地，PEM水电解槽的结构由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层及阴阳极端板。其中扩散层、催化层与质子交换膜组成膜电极，作为整个水电解槽物料传输以及电化学反应的主场所。

在其他实施方式中，采用高温固体氧化物水电解制氢，阴极材料选用多孔金属陶瓷Ni/YSZ，阳极材料选用钙钛矿氧化物，电解质采用YSZ氧离子导体，全陶瓷材料结构能够有效避免材料腐蚀问题。

优选地，甲醇合成装置6还与CO₂捕集装置5、氢气储罐4连接，用于生成甲醇。

在一种优选实施方式中，甲醇合成装置6包括用于甲醇合成的在工艺流程技术方面串联连接的多级反应器，多级反应器的下游连接甲醇分离器，甲醇分离器与甲醇重整制氢装置7的输入端连接。

本领域技术人员应理解，甲醇合成装置6可以仅包括单级反应器或也可以仅包括用于甲醇合成的单个反应器。在单级反应器内，就工艺流程技术而言，可以并联连接多个用于甲醇合成的反应器。作为优选的技术方案，甲醇合成装置6具有用于甲醇合成的在工艺流程技术方面串联连接的多级反应器。在此，就工艺技术而言，各级反应器不必直接彼此跟随。优选地，甲醇分离器设置于最后一级反应器的下游，用于分离甲醇并输入甲醇重整制氢装置7。

优选地，CO₂捕集装置5包括利用化学吸收法的CO₂捕集装置、利用吸附法的CO₂捕集装置或利用膜分离法的CO₂捕集装置；CO₂捕集装置5的输出端与甲醇合成装置6的输入端连接。优选地，CO₂原料可来源于温室、室外空气或甲醇重整制氢后的尾气。

优选地，甲醇重整制氢装置7分别与甲醇合成装置6及高温质子交换膜燃料电池9连接，用于为高温质子交换膜燃料电池9供氢；高温质子交换膜燃料电池9与终端用户10的电网及供热管道连接，用于向外供电及供热。

本领域技术人员应理解，由于高温质子交换膜燃料电池9能够接收带有一定含量的CO₂、CO的氢气，因此将甲醇通过重整制氢后可为高温质子交换膜燃料电池9提供燃料，而甲醇重整制氢的工艺原理为甲醇与水蒸气在一定的温度、压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统。重整反应生成的氢气和CO₂，再经过变压吸附法(PSA)将氢气和CO₂分离，得到纯度≥99.999％氢气；重整后得到的氢气可直接供给高温质子交换膜燃料电池9。

在一种优选实施方式中，甲醇重整制氢装置7包括换热器、反应器、分离器及变压吸附系统，变压吸附系统与高温氢泵8及高温质子交换膜燃料电池9连接。在进行重整制氢时，将甲醇与水混合后通过原料泵经计量输入换热器，在达到反应所需温度后送入反应器，在固定床催化反应器内同时进行甲醇裂解、CO变换反应，生产氢气和CO₂，反应后混合气经过换热器，再经过冷凝和洗涤、分离器，送往变压吸附系统。在一种优选实施方式中，变压吸附系统包括至少一台吸附塔，经过对杂质的吸附后即可得到氢气。

优选的，高温质子交换膜燃料电池9为HT-PEMFC，不仅能够为终端用户10供电，还能热电联产，将余热输送至供热循环泵，满足居民/企业或农业领域的供暖需求。

本领域技术人员应知晓，由于甲醇重整制氢装置7排出的尾气中仍然含有氢气、CO及CO₂，因此将高温氢泵8、CO₂捕集装置5与甲醇重整制氢装置7的输出端或尾气排放端连接，将高温氢泵8输出端与氢气储罐4连接，氢气储罐4与CO₂捕集装置5得输出端均与甲醇合成装置6连接，用于实现尾气的内循环，以再次合成甲醇，避免污染。

优选地，高温氢泵8包括隔膜式氢气压缩机，用于压缩氢气，并将压缩后的氢气输入氢气储罐4。

在上述方案中，太阳能转化装置1与电解制氢装置3、氢气储罐4、CO₂捕集装置5及甲醇合成装置6之间闭环连接，形成一个循环回路，用于可再生地合成甲醇。

优选地，还有另外一个循环回路：甲醇合成装置6与甲醇重整制氢装置7、高温氢泵8、CO₂捕集装置5及氢气储罐4之间闭环连接，用于可再生地合成甲醇。

通过上述电力转换利用系统，太阳能可以作为整个系统的启动能源，为整个系统源源不断的提供启动的能量，同时可以利用太阳能为甲醇合成装置6供电，甲醇合成过程中的氢气原料来源于水电解而成的氢气及甲醇重整制氢后得到的一部分氢气，CO₂原料可来源于温室、室外空气或甲醇重整制氢后的尾气，使得甲醇合成过程中的原料及能源均为可再生的来源，并保证了整个店里转换利用系统内的碳循环。

进一步地，在本系统中，可以利用太阳能为电解制氢装置3或甲醇合成装置6供电，多余电量可存储于储能系统2中，储能系统2一方面能够直接接入终端用户10为用户供电，另一方面还能为在没有太阳的阴雨天气为电解制氢装置3或甲醇合成装置6持续供电；而电解制氢装置3所生产的氢气可以输入氢气储罐4中，以用于甲醇的合成，保证了氢气生产过程中原料及能源均为可再生的来源。

甲醇重整制氢装置7所生产得到的氢气通过燃料电池可以为用户供电和/或供暖，鉴于目前低温燃料电池对氢气纯度要求高，否则易造成催化剂中毒，因此在本申请的技术方案中，将高温质子交换膜燃料电池9与甲醇重整制氢装置7联用，即使重整气体中含有少量CO或CO₂气体，依然不影响燃料电池的使用，不仅避免了直接使用纯氢的生产成本过高且步骤繁琐，且高温质子交换膜燃料电池9在产生电流后，唯一的副产品为水，不会造成其他污染。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本实用新型的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于可再生能源的电力转换利用系统，其特征在于，包括：太阳能转化装置、储能系统、电解制氢装置、氢气储罐、CO₂捕集装置、甲醇合成装置、甲醇重整制氢装置、高温氢泵及高温质子交换膜燃料电池；

所述太阳能转化装置分别与所述储能系统、所述电解制氢装置及所述甲醇合成装置电连接，用于为三者供能；

所述储能系统还与所述电解制氢装置、所述甲醇合成装置及终端用户连接；所述储能系统用于存储所述太阳能转化装置所提供的电能，并为所述电解制氢装置、所述甲醇合成装置及终端用户供电；

所述电解制氢装置还与所述氢气储罐连接，用于实现电解水制取氢气；所述氢气储罐用于存储压缩氢气；

所述甲醇合成装置还与所述CO₂捕集装置、所述氢气储罐连接，用于生成甲醇；

所述甲醇重整制氢装置分别与所述甲醇合成装置及所述高温质子交换膜燃料电池连接，用于为所述高温质子交换膜燃料电池供氢；所述高温质子交换膜燃料电池与终端用户连接，用于向外供电及供热；

所述高温氢泵与所述甲醇重整制氢装置、所述甲醇合成装置及所述氢气储罐连接，用于压缩氢气并进行存储。

2.根据权利要求1所述的基于可再生能源的电力转换利用系统，其特征在于，所述太阳能转化装置与所述电解制氢装置、所述氢气储罐、所述CO₂捕集装置及所述甲醇合成装置之间闭环连接，形成一个循环回路，用于可再生地合成甲醇。

3.根据权利要求2所述的基于可再生能源的电力转换利用系统，其特征在于，所述甲醇合成装置与所述甲醇重整制氢装置、所述高温氢泵、所述CO₂捕集装置及所述氢气储罐之间闭环连接，形成一个循环回路，用于可再生地合成甲醇。

4.根据权利要求1所述的基于可再生能源的电力转换利用系统，其特征在于，所述太阳能转化装置包括至少两个太阳能板，所述太阳能板之间串联或并联电连接。

5.根据权利要求1所述的基于可再生能源的电力转换利用系统，其特征在于，所述储能系统包括蓄电池系统，所述蓄电池系统包括铅酸电池、液流电池、钠硫电池或锂离子电池；所述蓄电池系统的输入端与所述太阳能转化装置电连接，所述蓄电池系统的输出端与所述电解制氢装置，和/或所述甲醇合成装置，和/或所述终端用户连接。

6.根据权利要求1所述的基于可再生能源的电力转换利用系统，其特征在于，所述电解制氢装置包括电解槽及氢气分离器，所述电解槽由所述太阳能转化装置和/或所述储能系统供电，所述氢气分离器的入口与所述电解槽连接，所述氢气分离器的出口与所述氢气储罐的连接。

7.根据权利要求1所述的基于可再生能源的电力转换利用系统，其特征在于，所述CO₂捕集装置包括利用化学吸收法的CO₂捕集装置、利用吸附法的CO₂捕集装置或利用膜分离法的CO₂捕集装置；所述CO₂捕集装置的输出端与所述甲醇合成装置的输入端连接。

8.根据权利要求1所述的基于可再生能源的电力转换利用系统，其特征在于，所述甲醇合成装置包括用于甲醇合成的在工艺流程技术方面串联连接的多级反应器，所述多级反应器的下游连接甲醇分离器，所述甲醇分离器与所述甲醇重整制氢装置的输入端连接。

9.根据权利要求1所述的基于可再生能源的电力转换利用系统，其特征在于，所述甲醇重整制氢装置包括换热器、反应器、分离器及变压吸附系统，所述变压吸附系统与所述高温氢泵及所述高温质子交换膜燃料电池连接。

10.根据权利要求1所述的基于可再生能源的电力转换利用系统，其特征在于，所述高温氢泵包括隔膜式氢气压缩机，用于压缩氢气，并将压缩后的氢气输入所述氢气储罐。

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