CN109950574B - 一种基于自然能源的水氢发电*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于自然能源的水氢发电***，水氢发电***包括太阳能集热器、制氢***、发电***、供配电控制模块和蓄电池组，太阳能集热器产生热能，制氢***利用热能对甲醇水溶液进行催化重整得到氢气，其配备的电加热器可选的为制氢反应提供热能，发电***利用提取的氢气发电，供配电控制模块控制调节发电***向负载供电和向蓄电池组储电的水平，蓄电池组受控地存储发电***产生的电能以及受控地向电加热器供电。该***能够利用太阳能为制氢提供热能，取代了现有技术中使用化石燃料进行供热，在节能环保的同时还充分利用了自然能源，在太阳辐射能不足时，能够利用蓄电池组为制氢提供热能，使得水氢发电***能够不间断地为负载供电。

Description

一种基于自然能源的水氢发电***

技术领域

本发明涉及水氢发电技术领域，特别涉及基于自然能源的水氢发电***。

背景技术

水氢发电***是以甲醇的水溶液作为原料，将其汽化—重整—纯化为高纯氢气，再利用氢气发电的一种新型发电***，实现了在同一设备中可即时制氢和发电。水氢发电***利用甲醇作为制氢原料，方便运输和储存，是便利的能量储备媒介，同时还利用氢能源作为发电燃料，不会产生有害废气，节能环保。

目前的水氢发电***，只是依靠甲醇作为制氢原料，其能源利用方式较为单一，在制氢过程中并未利用到广袤的自然能源，并且在甲醇原料用完的情况下，水氢发电***无法继续供电，对甲醇原料的依赖性太强，供电方式不灵活。

特别是，在野外进行露营、科考、放牧、施工、种植、边防、海防的场景下应用水氢发电时，由于交通条件等方面的制约，对甲醇的补充未必会及时；同时，这些场景中一般具有比较丰富的自然能源，包括太阳能、风能以及粪便、秸秆等生物质能等，如何能在水氢发电当中引入这些自然能源，以提升整体能效，并且引入更多样的发电机制，与水氢发电形成互补，成为一个亟待解决的问题。另外，以上场景下一般都有用热需求(供暖和/或供热水)，因此在热能的利用与循环方面，不仅要考虑水氢发电自身的热需求，还要实现与用热需求实现互补与匹配，以及避免重复或者无必要的电热或热点转换，达到热能的高效利用。

发明内容

(一)发明目的

为克服上述现有技术存在的至少一种缺陷，利用一部分自然能源为制氢提供热能，并且在甲醇原料较为富余时预先发电并存储起来，以用于甲醇原料缺乏时能够继续供电，本发明提供了以下技术方案。

(二)技术方案

本发明公开了基于自然能源的水氢发电***，所述水氢发电***包括：

太阳能集热器，用于将太阳辐射能转换为热能；

制氢***，包括重整器、电加热器和变压吸附装置，所述重整器用于利用所述太阳能集热器得到的热能对甲醇水溶液进行催化重整得到转化气，所述电加热器用于受控地为所述制氢***的制氢反应提供热能，所述变压吸附装置用于从所述转化气中提取出氢气，并得到弛放气；

发电***，包括燃料电池组，所述燃料电池组用于利用所述提取的氢气发电；

供配电控制模块，其与所述发电***连接，并通过逆变器与负载连接，用于控制调节所述发电***向负载供电和向蓄电池组储电的水平；

所述蓄电池组，其通过双向DC-DC变换器与所述供配电控制模块连接，用于受控地存储所述发电***产生的电能，以及受控地向所述电加热器供电。

一种可能的实施方式中，所述制氢***还包括：

裂解装置，用于利用所述太阳能集热器转换得到的热能对甲醇水溶液进行催化裂解，得到合成气；并且，所述变压吸附装置还用于从所述合成气中提取出氢气。

一种可能的实施方式中，所述发电***还包括：

燃气发电机组，用于燃用所述裂解装置得到的合成气进行发电。

在一种可能的实施方式中，所述水氢发电***还包括：

热力发动机，用于燃用所述裂解装置得到的合成气进行供热。

一种可能的实施方式中，所述制氢***还包括：

甲醇储液罐，用于存储甲醇水溶液；

气化器，用于利用所述太阳能集热器转换得到的热能和/或所述电加热器提供的热能汽化所述甲醇储液罐输送来的甲醇水溶液，形成甲醇蒸汽。

一种可能的实施方式中，所述发电***还包括：

太阳能电池板和/或风力发电机，所述太阳能电池板通过单向DC-DC变换器与所述供配电控制模块连接，用于将太阳能转换为电能，所述风力发电机通过整流器与所述供配电控制模块连接，用于将风能转换为电能；其中，所述太阳能电池板和所述风力发电机均受控地向负载供电或向所述蓄电池组输电。

一种可能的实施方式中，所述发电***还包括：

生物质汽化装置，所述生物质汽化装置包括汽化炉和燃气净化***，所述汽化炉用于将固态生物质能转化为燃气，所述燃气净化***与所述燃气发电机组连接，用于净化所述汽化炉转化得到的燃气；并且，所述燃气发电机组还用于燃用所述燃气净化***输送来的燃气。

一种可能的实施方式中，所述发电***还包括：

换热***，其包括第一换热器和/或第二换热器和/或第三换热器，所述第一换热器经过所述重整器的高温废气排气口处，用于吸收所述重整器高温废气中的热量，所述第二换热器包裹所述燃料电池组，用于通过工质对所述燃料电池组进行冷却，所述第三换热器经过所述燃气发电机组的高温废气排气口处，用于吸收所述燃气发电机组高温废气中的热量。

一种可能的实施方式中，所述制氢***还包括：

氢气存储装置，用于存储所述变压吸附装置得到的氢气；

合成气存储装置，用于存储所述裂解装置得到的合成气。

一种可能的实施方式中，所述发电***还包括：

电解水装置，其与所述供配电控制模块连接，用于受控地利用所述蓄电池组存储的电能制备氢气和氧气，并分别存储制得的氢气和氧气。

一种可能的实施方式中，所述发电***还包括：

甲醇制备装置，其与所述供配电控制模块连接，所述甲醇制备装置包括二氧化碳采集装置，所述甲醇制备装置用于受控地利用所述二氧化碳采集装置采集的二氧化碳，以及所述氢气存储装置中存储的氢气或所述合成气存储装置中的合成气合成甲醇。

在一种可能的实施方式中，所述水氢发电***还包括：

汽油发电机，其与所述供配电控制模块连接，用于在所述制氢***的制氢原料剩余量、所述发电***的预计剩余发电量、所述蓄电池组的剩余电量均低于各自的下限阈值时，将燃料的化学能转换为电能，并受所述供配电控制模块控制向负载供电。

(三)有益效果

本发明提供的基于自然能源的水氢发电***，具有如下有益效果：

1、能够利用太阳能为制氢提供热能，使制氢***进行制氢，进而使发电***发电为负载供电，取代了现有技术中使用化石燃料进行供热，实现了太阳能-化学能-电能的转换，在节能环保的同时还充分利用了自然能源。

2、在太阳辐射能不足时，制氢***能够利用太阳辐射能充足时储存入蓄电池组中的多余电能代替太阳能为制氢提供热能，使得水氢发电***能够不间断地为负载供电，实现了削峰填谷，以及实现了多能源供应甲醇重整热(太阳能热和电热)。

3、通过燃气发电机组提供了与燃料电池发电不同的另外一种的发电方式，以适用于制氢过程的不同工况，同时在需要供热时可以通过热力发动机直接燃用合成气为设施供热，无需先将化学能通过发电***转换为电能再转换为热能，提高了能量转换效率。

4、通过设置太阳能电池板和风力发电机，增加了能量采集方式，分散了夜晚中断发电的风险，并且通过风光互补的方式，避免了单一能源的随机性和时间间隔性。

5、通过设置换热***对重整器、燃料电池组和燃气发电机组等部分进行换热冷却，保证电化学反应顺利进行，换热后的工质可以用于供暖或预加热水氢发电***中的待反应物，提高能量利用率。

6、通过生物质汽化装置为燃气发电机组提供发电能源，实现了固态生物质能的回收利用。

7、通过氢气存储装置和合成气存储装置，根据不同的工况，将制氢***产生的多余的包含有化学能的气体预先存储起来，或者通过电解水装置利用富余的电能制备氢气和氧气，用于甲醇水溶液缺乏时保持发电***的发电，持续满足负载的用电需求。

8、通过甲醇制备装置，利用空气中的二氧化碳以及富余的氢气/合成气制备甲醇水溶液，在挥发、燃烧与***方面比氢气更安全，存储难度、危险系数及存储成本均小于高压氢气的存储。

附图说明

以下参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释和说明本发明，而不能理解为对本发明的保护范围的限制。

图1是本发明提供的基于自然能源的水氢发电***的一种实施例的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

需要说明的是：在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示它们的重要程度及顺序等。

本文中的模块、单元或组件的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，在实际实现时可以有其他的划分方式，例如多个模块和/或单元可以结合或集成于另一个***中。作为分离部件说明的模块、单元、组件在物理上可以是分开的，也可以是不分开的。作为单元显示的部件可以是物理单元，也可以不是物理单元，即可以位于一个具体地方，也可以分布到网格单元中。因此可以根据实际需要选择其中的部分或全部的单元来实现实施例的方案。

下面参考图1详细描述本发明提供的基于自然能源的水氢发电***的一个实施例。本实施例主要应用于野外供能，能够利用太阳能为制氢提供热能，使制氢***进行制氢，进而使发电***发电为负载供电，实现了太阳能-化学能-电能的转换，取代了现有技术中使用化石燃料进行供热，在节能环保的同时还充分利用了自然能源；同时在太阳能不足时，制氢***能够利用太阳辐射能充足时储存入蓄电池组中的多余电能代替太阳能为制氢提供热能，使得水氢发电***能够不间断地为负载供电。

如图1所示，本实施例提供的水氢发电***主要包括有：太阳能集热器、制氢***、发电***、蓄电池组和供配电控制模块。

太阳能集热器用于将太阳辐射能转换为热能。在白天的时候，尤其是在高纬度地区，光照强度较高，因此可以设置太阳能集热器，将作为自然能源的太阳能转换为热能，以用于水氢发电***的供热。本实施例中采用聚光型太阳能集热器，以增加单位面积上的热流量并且减小和环境之间的换热面积，进而提高工质温度和集热器的热效率。

制氢***与太阳能集热器连接，用于利用甲醇水溶液制备氢气。制氢***包括重整器、电加热器和变压吸附装置。重整器用于利用太阳能集热器转换得到的热能对汽化后的甲醇水溶液进行催化重整，进而得到转化气，转化气主要包括氢气、一氧化碳和二氧化碳气体。电加热器用于受控地为制氢***的制氢反应提供热能，即为重整器催化重整提供热能。在阴雨天或夜晚等太阳能不足或无法利用太阳能供热的期间，重整器在制氢过程中所需的温度环境由电加热器提供，以替代太阳能，以此实现多能源供应甲醇重整热(太阳能热和电热)。变压吸附装置用于从重整器得到的转化气中提取出氢气，作为发电***的原料，还得到甲醇制氢过程中产生的弛放气，此时的弛放气温度较高。可以理解的是，重整器可以通过金属结构将太阳能集热器转化所得的热能吸收并用于反应。

发电***与制氢***连接，其包括燃料电池组，燃料电池组用于利用变压吸附装置提取的氢气发电。具体的，燃料电池组包括多块氢燃料电池，氢燃料电池包括阴极、阳极、电解质、质子交换膜等构件，阳极充入所述氢气，阴极充入氧气，氢气的质子通过质子交换膜到达阴极，与空气中的氧气进行电化学反应，而氢气的电子则通过氢燃料电池的外电路到达阴极，从而产生电流，将化学能转化为电能，实现发电。

供配电控制模块与发电***连接，并且通过逆变器与负载连接，用于控制调节发电***向负载供电和向蓄电池组储电的水平。在白天时，太阳能集热器能够提供较为充足的热能，使得发电***在发电过程中产生的电能超过了负载所需的电能，此种情况下，供配电控制模块会控制发电***将多出来的电能存储于蓄电池组内，以备晚上或其他需要的情况下使用。因此，供配电控制模块会监测发电***的发电水平和负载的用电需求，并在发电***产生的多余部分的电能存储到蓄电池组中。

蓄电池组通过双向DC-DC变换器与供配电控制模块连接，用于受供配电控制模块控制存储发电***产生的电能，以及受供配电控制模块控制向电加热器供电。蓄电池组包括有多个蓄电池，蓄电池可以采取锂电池。在阴雨天气下或夜晚时，光辐射强度较弱，甚至是没有，此种情况下太阳能集热器产生的热能不足以提供制氢***制氢所需的热量，因此需要利用白天产能过剩时存入蓄电池组的电能为制氢***的电加热装置供电，使电加热装置将电能再转换为热能为制氢***供热，使得制氢***能够持续不断的制氢，进而使得发电***能够不间断地为负载供电，实现了削峰填谷，以及实现了多能源供应甲醇重整热。

在一种实施方式中，制氢***还包括：裂解装置，裂解装置用于利用太阳能集热器转换得到的热能对甲醇水溶液进行催化裂解，得到合成气。并且，变压吸附装置还用于从合成气中提取出氢气。甲醇制氢可以通过重整催化的方式制氢，也可以通过裂解的方式制氢。其中，重整器就是通过重整催化的方式利用甲醇水溶液制备氢气，而裂解装置则是通过裂解的方式利用甲醇水溶液制备氢气。在重整器和裂解装置的制氢反应均为吸热反应，因此裂解装置也可以利用太阳能集热器转换得到的热能对甲醇水溶液进行催化裂解，得到合成气，合成气主要包括氢气和一氧化碳气体。变压吸附装置可以选择性地将合成气中的氢气提取出来，供给燃料电池组进行发电，并将剩余气体用于其他方式的发电或供热，也可以不将氢气提取出来，将合成气全部用于其他方式的发电。

太阳能集热器可以兼顾重整器和裂解装置的运行，可以在两种制氢方式中择一选用。重整器和裂解装置的制氢反应所需温度不完全相同，重整器制氢可以是高温重整，也可以是中低温重整，本实施例中主要采取中低温制氢，即，利用中低温级太阳能热，太阳能集热装置仅提供200～300℃的低温热量给甲醇重整器和/或裂解装置，使得太阳能与甲醇催化分解温度相匹配，提髙燃料热值，同时提升中低温太阳能品位，实现太阳能的高效转化。

为了匹配中低温制氢的构思，太阳能集热器采用低聚光比的抛物槽式的太阳能集热器，相对于塔式集热器和碟式集热器较高的工作温度，槽式集热器功率较大，工作温度在400℃以下，以此驱动甲醇催化分解产生合成气的吸热反应，适宜于制氢***所需要的中低温(200～300℃)供热，获得较高的太阳能集热效率；同时由于采用了低聚光比的抛物槽式的太阳能集热器，因此减小了聚光和集热部件的成本。

具体的，裂解装置可以直接包括预热段和反应段。预热段用于利用太阳能转化的低温热能预热甲醇水溶液，使甲醇水溶液蒸发形成气态甲醇，然后气态甲醇进入反应段，反应段用于利用太阳能转化的中温热能使气态甲醇催化裂解为以氢气和一氧化碳气体为主的合成气，完成甲醇裂解制氢反应。可以理解的是，预热段和反应段可以通过金属结构将太阳能集热器转化所得的热能吸收并用于反应。

需要说明的是，电加热器除了能够给为重整器催化重整提供热能，也能够为裂解装置提供热能。在阴雨天或夜晚等太阳能不足或无法利用太阳能供热的期间，裂解装置在制氢过程中所需的温度环境由电加热器提供，以替代太阳能。以此，裂解装置也能够实现多能源供应甲醇裂解热(太阳能热和电热)。

进一步的，为了使抛物槽式太阳能集热器的集热效率最大化，减少不必要的太阳能损失，还可以设置一转动机构，太阳能集热器连接坐落于转动机构上，转动机构用于随着时间推移而实时转动或周期性定量转动，以使得太阳能集热器的采光口始终朝向太阳，就能使采光口和太阳入射光线始终保持垂直，进而使单位面积上辐射能量始终保持最大化。

在一种实施方式中，发电***还包括：燃气发电机组，燃气发电机组用于燃用裂解装置得到的合成气进行发电。在制氢***的裂解装置制得合成气后，将其中的氢气提取出来供给燃料电池组进行发电，而为了进一步利用制氢过程中的化学能，合成气的剩余部分则可以输送给燃气发电机组，通过燃气发电机组燃用而发电，提高甲醇化学能转化为电能的效率。另外，裂解装置也可以将合成气全部输送至燃气发电机组，通过燃气发电机组燃用而发电。

可以理解的是，燃气发电机组包括内燃机发电机组和/或燃气轮机发电机组。燃气发电机组可以是采用直流发电机，也可以采用交流发电机，采用交流发电机时，燃气发电机组与供配电控制模块之间还需要设置逆变器，本实施例中采用直流发电机。

通过为甲醇裂解得到的合成气提供了两种不同的发电方式，可以根据工况以及其他需要而选择其中一种发电方式进行发电或两种发电方式同时进行。

特别的，水氢发电***还包括：热力发动机，热力发动机与制氢***连接，用于燃用裂解装置得到的合成气进行供热。若甲醇的化学能最终要转化为热能为住宅等生活设施供热，则制氢***在制氢时采用甲醇裂解方式制氢，并将合成气输送入热力发动机中，热力发动机产热并利用暖气管道等管道设施为住宅等生活设施循环供热，无需先将化学能通过发电***转换为电能再转换为热能，提高了能量转换效率。可以理解的是，热力发动机可以是内燃机或燃气轮机。

热力发动机的燃烧室燃用裂解的太阳能合成气，产生高温高压的燃气驱动透平做功，在此过程中，甲醇裂解时的中温太阳热能被释放出来并以高温燃气热的形式存在，实现了将低品位的太阳热能转化为高品位的燃料化学能。

在一种实施方式中，制氢***还包括：甲醇储液罐和气化器，甲醇储液罐用于存储甲醇水溶液，气化器用于利用太阳能集热器转换得到的热能和/或电加热器提供的热能汽化甲醇储液罐输送来的甲醇水溶液，形成甲醇蒸汽。制氢***的制氢原料为甲醇水溶液，甲醇水溶液存储于制氢***的甲醇储液罐内。在制氢时，甲醇储液罐将甲醇水溶液输送至气化器进行汽化，形成甲醇蒸汽，再输送给重整室进行催化重整，最终通过变压吸附装置从转化气中提取出氢气。需要说明的是，气化器在阴雨天或夜晚等太阳能不足或无法利用太阳能供热的期间，也可以由电加热装置提供反应所需的温度环境。

制氢***提供了两种制氢方式：甲醇蒸汽重整和甲醇裂解，而甲醇蒸汽重整方式所用的气化器与甲醇裂解方式所用的预热段所起的作用大致相同，甲醇蒸汽重整方式所用的重整器与甲醇裂解方式所用的反应段所起的作用也大致相同，并且气化器和预热段、重整器和反应段的反应所需的热源均可以由太阳能集热器提供。

在一种实施方式中，发电***还包括：太阳能电池板和/或风力发电机。太阳能电池板通过单向DC-DC变换器与供配电控制模块连接，用于将太阳能转换为电能，并在需要的时候受供配电控制模块控制向负载供电或向蓄电池组输电。风力发电机通过整流器与供配电控制模块连接，用于将风能转换为电能，并在需要的时候受供配电控制模块控制向负载供电或向蓄电池组输电。

太阳能集热器主要用于为制氢***的制氢反应供热，但若甲醇水溶液短缺，制氢***无法持续制氢时，太阳能集热器产生的热能将无法被利用，为了分散夜晚中断发电的风险，因此增加了能量采集方式，即通过太阳能电池板对太阳能进行直接采集并转化成电能，并输送至蓄电池组内，以使蓄电池组有尽量多的电力维持夜晚时制氢***的制氢反应以及解决缺乏制氢原料时的负载供电问题。由于蓄电池组不会反向太阳能电池板输送电能，因此太阳能电池板通过单向DC-DC变换器与供配电控制模块连接，在供配电控制模块控制下将电能输送至蓄电池组进行电能储备。

风力发电机的作用与太阳能电池板大致相同，区别是一个利用风能，另一个利用太阳能。风力发电机同样将电能先通过整流器形成直流电，然后在供配电控制模块控制下输送至蓄电池组内，以使蓄电池组有尽量多的电力维持夜晚时制氢***的制氢反应以及解决缺乏制氢原料时的负载供电问题。

需要说明的是，供配电控制模块能够检测到水氢发电***中无法发电设备，并将该设备与水氢发电***隔离，避免无法发电的设备对水氢发电***造成影响。例如夜晚时，太阳能电池板无法发电，则供配电控制模块会将太阳能电池板与水氢发电***隔离。并且，太阳能电池板和风力发电机还可以在供配电控制模块控制下直接向负载供电，此种情况通常发生于发电***和蓄电池组全部发电也无法满足负载的用电需求。若是白天，则太阳能电池板和风力发电机同时直接向负载供电，夜晚则风力发电机向负载供电。

白天的太阳光照较强，但风量可能较小。夜晚虽然无光照，但较低的气温使得地表温差变大，因而夜晚的风量可能比白天高。夏季的太阳光强度大，但风量可能较小，而冬季的太阳光强度弱于夏季，但风量可能较夏季大些。因此同时设置太阳能电池板和风力发电机，避免了单一能源的随机性和时间间隔性，同时可提高性价比和供电的可靠性。

在一种实施方式中，发电***还包括：换热***。换热***包括第一换热器和/或第二换热器和/或第三换热器，第一换热器经过重整器的高温废气排气口处，用于吸收重整器高温废气中的热量，第二换热器包裹燃料电池组，用于通过工质对燃料电池组进行冷却，第三换热器经过燃气发电机组的高温废气排气口处，用于吸收高温废气中的热量。

燃料电池组在进行电化学反应产生电的过程中，也会放出热量，该热量若不及时导走，会导致燃料电池温度不断升高而烧坏。而重整器在进行制氢反应时以及燃气发电机组在发电时均会产生高温废气，高温废气需要尽快排出，以防止影响到重整器和燃气发电机组运行。因此发电***的重整器、燃料电池组和燃气发电机组均需要进行冷却，设置换热***对重整器、燃料电池组和燃气发电机组进行换热冷却，保证电化学反应顺利进行。

具体的，第一换热器通过与重整器的高温废气接触，换热器内的换热工质吸收高温废气包含的热量，高温废气变为中低温废气。第二换热器包裹燃料电池组，燃料电池组散发出来的热量被第二换热器内的换热工质吸收。第三换热器则通过与燃气发电机组的高温废气接触，换热器内的换热工质吸收高温废气包含的热量，高温废气变为中低温废气。上述各换热器内的换热工质可以循环到外界进行冷却，或循环到需要预加热的地方对反应物进行加热，例如循环到气化室对甲醇水进行加热，或者循环到裂解装置实现加热；或者，换热工质也可以循环到设施中用于供暖，可以理解的是，换热***的工质可以为水或者导热油。

在一种实施方式中，发电***还包括：生物质汽化装置。生物质汽化装置包括汽化炉和燃气净化***。汽化炉用于将固态生物质能转化为燃气，燃气净化***与燃气发电机组连接，用于净化汽化炉转化得到的燃气。并且，燃气发电机组还用于燃用燃气净化***输送来的燃气。

生物质能是自然界中有生命的植物提供的能量。例如林业资源，包括零散木材、树枝、树叶；农业资源，包括农作物秸秆、稻壳等；废水资源，包括冷却水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等。

生物质汽化装置是生物质能发电的必要组成部分，用于先将固态生物质能转化为包含化学能的燃气，然后将燃气输送至燃气发电机组，通过燃气发电机组进行发电。固态生物质能可以取自周围环境，例如当水氢发电***被设置于丛林中，则可以利用上述林业资源进行生物质能发电。生物质汽化装置也可以作为再生能源发电站来处理生物质能的垃圾。通过生物质汽化装置为燃气发电机组提供发电能源，实现了固态生物质能的回收利用，并且，太阳能、风能和生物质能等互补耦合利用，能够缓解太阳能热发电的固有缺陷。

特别的，换热***还可以包括第四换热器，第四换热器经过汽化炉的高温废气排气口处，用于吸收汽化炉高温废气中的热量。然后，与第一至第三换热器类似，第四换热器吸收的热量也可以借助换热工质实现循环到外界进行冷却，或循环到需要预加热的地方，以及循环到供暖等设施。

在一种实施方式中，制氢***还包括：氢气存储装置和合成气存储装置。氢气存储装置与变压吸附装置连接，用于存储变压吸附装置得到的氢气，合成气存储装置与裂解装置连接，用于存储裂解装置得到的合成气。

在负载用电需求较低时，并且蓄电池组大致处于浮充状态、甲醇水溶液较为充足时，或者只凭太阳能电池板和风力发电机即可满足负载供电时，可以将制氢***产生的多余的包含有化学能的气体预先存储起来，用于夜晚无法利用太阳能电池板时或甲醇水溶液缺乏时保持发电***的发电，持续满足负载的用电需求。

在一种实施方式中，发电***还包括：电解水装置，电解水装置与供配电控制模块连接，用于受供配电控制模块控制利用蓄电池组存储的电能制备氢气和氧气，并分别存储制得的氢气和氧气。

在负载用电需求较低时，并且蓄电池组大致处于浮充状态、甲醇水溶液较为缺乏时，可以通过电解水装置利用富余的电能制备氢气和氧气，制得的氢气可以存入上述氢气存储装置，用于甲醇水溶液缺乏时保持发电***的发电，持续满足负载的用电需求。电解水装置制得的氧气可以存入单独的氧气存储装置，若是在海拔较高的地区，制得的氧气可存入氧气罐中为登山者、缺氧者供氧。在水氢发电***设置在水源的地方时，可以将电解水装置与水源连通，在需要时抽取水源中的水进行电解水制氢。若是在海边，则还需要在抽水管路内设置特制的过滤装置。

特别的，换热***还可以包括第五换热器，第五换热器经过电解水装置的氧气排气口处，用于吸收氧气的热量。

在一种实施方式中，发电***还包括：甲醇制备装置，甲醇制备装置与供配电控制模块连接，甲醇制备装置包括二氧化碳采集装置，甲醇制备装置用于受控地利用二氧化碳采集装置采集的二氧化碳，以及氢气存储装置中存储的氢气或合成气存储装置中的合成气合成甲醇。

在负载用电需求较低时，并且蓄电池组大致处于浮充状态、甲醇水溶液较为缺乏、氢气存储装置的储氢量/合成气存储装置中的储气量较为富余时，由于甲醇在挥发、燃烧与***方面比氢气更安全，其存储难度、危险系数及存储成本均小于高压氢气的存储，因此还可以利用甲醇制备装置将氢气或合成气制备成甲醇，并存入甲醇储液罐中。具体的，甲醇制备装置通过二氧化碳采集装置采集空气中的二氧化碳，然后结合氢气，在催化剂、高温高压的作用下生成甲醇水溶液，反应过程一般涉及以下三个反应：

CO₂+H₂＝CO+H₂O；CO+2H₂＝CH₃OH；CO₂+3H₂＝CH₃OH+H₂O；或者，甲醇制备装置通过采集空气中的二氧化碳，然后结合包括氢气、一氧化碳的合成气，在催化剂、高温高压的作用下生成甲醇水溶液。甲醇水溶液可以存入甲醇储液罐中。

在一种可能的实施方式中，水氢发电***还包括：汽油发电机，汽油发电机通过单向DC-DC变换器与供配电控制模块连接，用于在制氢***的制氢原料剩余量、发电***的预计剩余发电量、蓄电池组的剩余电量均低于各自的下限阈值时，将燃料的化学能转换为电能，并受供配电控制模块控制向负载供电。在光照不足、风量较小、甲醇水溶液不足、蓄电池组缺电、储气装置内气量不足时，利用汽油发电机为负载供电，避免负载断电。具体的，供配电控制模块会在太阳能电池板、风力发电机、制氢***的甲醇储液罐、发电***、蓄电池组、氢气存储装置和合成气存储装置处均设置有传感器，用于监测各***、设备、组件的运行状况，在各***、设备、组件的预期工作量均低于预先设置的下限阈值时，说明水氢发电***即将无法继续为负载供电，此时需要利用汽油发电机通过供配电控制模块为负载供电，防止负载断电。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于自然能源的水氢发电***，其特征在于，所述水氢发电***包括：

聚光型太阳能集热器，用于将太阳辐射能转换为热能；

制氢***，包括重整器、电加热器和变压吸附装置，所述重整器用于利用所述聚光型太阳能集热器得到的热能对甲醇水溶液进行催化重整得到转化气，所述电加热器用于受控地代替所述聚光型太阳能集热器为所述制氢***的制氢反应提供热能，实现多能源供应甲醇重整热，所述变压吸附装置用于从所述转化气中提取出氢气，并得到弛放气；

发电***，包括燃料电池组，所述燃料电池组用于利用所述提取的氢气发电；

供配电控制模块，其与所述发电***连接，并通过逆变器与负载连接，用于控制调节所述发电***向负载供电和向蓄电池组储电的水平，其中，在所述聚光型太阳能集热器提供的热能使得所述发电***产生的电能超过负载所需的电能时，所述供配电控制模块控制所述发电***将多余部分的电能存储于所述蓄电池组内；

所述蓄电池组，其通过双向DC-DC变换器与所述供配电控制模块连接，用于受控地存储所述发电***产生的电能，以及在所述聚光型太阳能集热器产生的热能低于所述制氢***制氢所需的热量时受控地向所述电加热器供电；

所述制氢***还包括：甲醇储液罐，用于存储甲醇水溶液；气化器，用于利用所述太阳能集热器转换得到的热能和/或所述电加热器提供的热能汽化所述甲醇储液罐输送来的甲醇水溶液，形成甲醇蒸汽；

所述水氢发电***还包括：太阳能电池板和风力发电机，所述太阳能电池板通过单向DC-DC变换器与所述供配电控制模块连接，用于将太阳能转换为电能，所述风力发电机通过整流器与所述供配电控制模块连接，用于将风能转换为电能；其中，所述太阳能电池板和所述风力发电机均受控地向负载供电或向所述蓄电池组输电；

所述制氢***还包括：裂解装置，用于利用所述太阳能集热器转换得到的热能对甲醇水溶液进行催化裂解，得到合成气；并且，所述变压吸附装置还用于从所述合成气中提取出氢气；

所述发电***还包括：燃气发电机组，用于燃用所述裂解装置得到的合成气进行发电；

所述水氢发电***还包括：换热***，其包括第一换热器和/或第二换热器和/或第三换热器，所述第一换热器经过所述重整器的高温废气排气口处，用于吸收所述重整器高温废气中的热量，所述第二换热器包裹所述燃料电池组，用于通过工质对所述燃料电池组进行冷却，所述第三换热器经过所述燃气发电机组的高温废气排气口处，用于吸收所述燃气发电机组高温废气中的热量，各换热器内的换热工质循环到气化器对甲醇水溶液进行加热。

2.如权利要求1所述的水氢发电***，其特征在于，所述水氢发电***还包括：

生物质汽化装置，所述生物质汽化装置包括汽化炉和燃气净化***，所述汽化炉用于将固态生物质能转化为燃气，所述燃气净化***与所述燃气发电机组连接，用于净化所述汽化炉转化得到的燃气；并且，所述燃气发电机组还用于燃用所述燃气净化***输送来的燃气。

3.如权利要求1所述的水氢发电***，其特征在于，所述制氢***还包括：

氢气存储装置，用于存储所述变压吸附装置得到的氢气；

合成气存储装置，用于存储所述裂解装置得到的合成气。

4.如权利要求3所述的水氢发电***，其特征在于，所述水氢发电***还包括：

电解水装置，其与所述供配电控制模块连接，用于受控地利用所述蓄电池组存储的电能制备氢气和氧气，并分别存储制得的氢气和氧气。

5.如权利要求4所述的水氢发电***，其特征在于，所述水氢发电***还包括：

甲醇制备装置，其与所述供配电控制模块连接，所述甲醇制备装置包括二氧化碳采集装置，所述甲醇制备装置用于受控地利用所述二氧化碳采集装置采集的二氧化碳，以及所述氢气存储装置中存储的氢气或所述合成气存储装置中的合成气合成甲醇。

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