CN114540855A - 一种电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能***，主要包括电解水制氢氧单元、储气单元和富氧燃烧发电单元。本发明利用风能、太阳能、电解水制氢以及富氧燃烧发电***的互补性，在更好的满足供电需求的同时满足环保要求；本发明在风电、光电供给超过供电需求时，将多余电量转化为氢气和氧气并存储；在有供电需求时，氢气、氧气进入发电单元燃烧发电。有效回收了风光弃电，同时避免化石能源的消耗；本发明还可以通过与冷源组合来对富氧燃烧单元进行改进，获得更高的电转电效率。
Description
技术领域
本发明涉及风光电储能***，具体涉及一种电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能***。
背景技术
近年来，我国风电和太阳能发电得到了快速发展，全国并网风电装机2.81亿千瓦，光伏发电装机2.53亿千瓦；其中仅2020年度，风电新增装机7167万千瓦，同比增长178.4%，光伏新增装机4820万千瓦，同比增长60.1%。然而，受地理位置、天气、环境等因素的影响，风电和太阳能发电具有间歇性和逆调峰特性，严重影响电网的稳定性，导致弃风弃光现象非常突出，从而造成大量能源被浪费。
为了解决这个问题，可采用电储能技术，即将用电谷时过剩的风电、太阳能发电储存起来，待到用电峰时再使用。目前较成熟的储能方式为物理储能，包括抽水储能、压缩空气储能以及飞轮储能等方式；其中抽水储能和压缩空气储能对地理环境有非常高的要求，难以大量建设；而飞轮储能虽然效率很高，但是存在储存容量小、技术要求高等问题。近年来，由于氢储能具有能量密度高、储存容量大等优点，成为一种极具发展潜力的储能方式。氢储能是利用电解水装置将风光弃电转化为氢气氧气储存起来，当风光发电不满足负载需求时，再将储存的氢气用于发电，目前常利用燃料电池来实现氢气发电，但存在制作困难和工作寿命问题。若将富氧燃烧发电应用于氢储能***，利用电解水制取的氢气作为燃料、电解水制取的氧气代替空分制氧，这种互补性***可以得到较高的电转电效率；此外增加低温冷源时可以得到更高的电转电效率。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能***，减少可再生能源发电过程中弃电，利用电解水制氢与富氧燃烧发电的互补性，提高供电的稳定性和可靠性。
本发明采用的技术方案是：一种电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能***，主要包括电解水制氢氧单元、储气单元和富氧燃烧发电单元；电解水制氢氧单元：用于将超过电网接收能力的风电、光伏弃电，用电解水的方法转化为氢气和氧气，实现电能到化学能的转化；储气单元：用于将电解水产生的氢气和氧气储存到储气罐中，实现电能到化学能的储存；富氧燃烧发电单元：为高效热力发电装置，用于通过氢氧燃烧产生热能，再利用高效热力发电装置将热能转化为电能；当风光发电量超过供电需求时，利用电解槽将风光弃电用于电解水产生氢气和氧气，实现电能的转换与储存；有供电需求时，将储气罐中的氢气与氧气引入富氧燃烧发电单元，在CO2环境下进行氢气富氧燃烧产生高温高压气体，通过超临界CO2循环实现高效发电。
进一步地，所述电解水制氢氧单元是由风光发电机以及电解装置组成，电解装置采用碱性电解装置、PEM电解装置、固体氧化物电解装置。
更进一步地，所述储气单元主要由氢气压缩机、氧气压缩机、储氢罐、储氧罐组成，储气罐压力大于10MPa。
更进一步地，所述富氧燃烧发电单元是由燃烧室、膨胀机、发电机、回热器、冷却器、气液分离器、压缩机、工质泵等组成的循环***；所述循环***的主要工质为CO2，通过调节CO2与氢气、氧气的比例控制燃烧室出口温度，并实现氢气充分燃烧以及氢气、氧气无残余或低残余；所述循环***的高温高压气体在膨胀机做功用于驱动发电机发电，乏气经回热器和冷却器降温后将凝结水分离出来，凝结水返回电解装置，分离后气体压缩、冷却后可实现CO2液化，将不凝结气体分离后的液态CO2经工质泵增压、回热器加热后进入燃烧室，完成循环。
更进一步地，所述氢气压缩机、氧气压缩机、工质压缩机采用单级压缩或采用多级压缩；电解槽工作产生热能和压缩所产生热能可以通过储热装置进行储存、利用，通过水冷或空冷直接排放。
更进一步地，所述电解槽工作产生热能和压缩所产生热能的利用主要包括供暖或用于富氧燃烧发电单元的低温工质预热。
更进一步地，所述燃烧室燃烧之前，氧气需要与部分或全部CO2工质预混以控制燃烧状态。
更进一步地，所述电解水制氢氧单元仅在有风光弃电时工作，所述富氧燃烧发电单元在有供电需求并且所述储气罐储气量满足工程要求时工作。
更进一步地，所述富氧燃烧发电单元的循环工质可通过常规冷源冷凝，也可以通过工业过程中的低温工质冷凝。
本发明的优点：
本发明利用风能、太阳能、电解水制氢以及富氧燃烧发电***的互补性，在更好的满足供电需求的同时满足环保要求；
本发明在风电、光电供给超过供电需求时，将多余电量转化为氢气和氧气并存储；在有供电需求时，氢气、氧气进入发电单元燃烧发电。有效回收了风光弃电，同时避免化石能源的消耗；
本发明还可以通过与冷源组合来对富氧燃烧单元进行改进，获得更高的电转电效率。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明第一实施例的结构示意图；
图2是本发明第二实施例的结构示意图；
附图标记：
1. 电解槽；2. 氢气压缩机；3. 氧气压缩机；4. 储氧罐；5. 储氢罐；6. 氢气调节阀；7. 氧气调节阀；8. 燃烧室；9. 透平；10. 发电机；11. 回热器；12. 烟气冷却器；13.气液分离器；14. CO2压缩机；15. 循环流冷却器；16. 泵；17. 水箱；18. 冷凝器；19. 天然气膨胀机；20. 蓄冷装置；21. 换热器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1和图2，一种电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能***，主要包括电解水制氢氧单元、储气单元和富氧燃烧发电单元；电解水制氢氧单元：用于将超过电网接收能力的风电、光伏弃电，用电解水的方法转化为氢气和氧气，实现电能到化学能的转化；储气单元：用于将电解水产生的氢气和氧气储存到储气罐中，实现电能到化学能的储存；富氧燃烧发电单元：为高效热力发电装置，用于通过氢氧燃烧产生热能，再利用高效热力发电装置将热能转化为电能；当风光发电量超过供电需求时，利用电解槽将风光弃电用于电解水产生氢气和氧气，实现电能的转换与储存；有供电需求时，将储气罐中的氢气与氧气引入富氧燃烧发电单元，在CO2环境下进行氢气富氧燃烧产生高温高压气体，通过超临界CO2循环实现高效发电。
风能与光能随时间不断变化，电网电力需求也是随时间变化，当供电量超过用电需求时就会产生风、光弃电。电解水制氢氧单元适应性强，可以将分散的、时断时续的电能转化为化学能储存起来，在用电高峰期时再用富氧燃烧发电单元转化为电能，实现弃电储能、用电高峰供能的目的。
电解水制氢氧单元是由风光发电机以及电解装置组成，电解装置采用碱性电解装置、PEM电解装置、固体氧化物电解装置。
储气单元主要由氢气压缩机、氧气压缩机、储氢罐、储氧罐组成，储气罐压力大于10MPa。
富氧燃烧发电单元是由燃烧室、膨胀机、发电机、回热器、冷却器、气液分离器、压缩机、工质泵等组成的循环***；所述循环***的主要工质为CO2，通过调节CO2与氢气、氧气的比例控制燃烧室出口温度，并实现氢气充分燃烧以及氢气、氧气无残余或低残余；循环***的高温高压气体在膨胀机做功用于驱动发电机发电，乏气经回热器和冷却器降温后将凝结水分离出来，凝结水返回电解装置，分离后气体压缩、冷却后可实现CO2液化，将不凝结气体分离后的液态CO2经工质泵增压、回热器加热后进入燃烧室，完成循环。
氢气压缩机、氧气压缩机、工质压缩机采用单级压缩或采用多级压缩；电解槽工作产生热能和压缩所产生热能可以通过储热装置进行储存、利用，通过水冷或空冷直接排放。
电解槽工作产生热能和压缩所产生热能的利用主要包括供暖或用于富氧燃烧发电单元的低温工质预热。
燃烧室燃烧之前，氧气需要与部分或全部CO2工质预混以控制燃烧状态。
电解水制氢氧单元仅在有风光弃电时工作，所述富氧燃烧发电单元在有供电需求并且所述储气罐储气量满足工程要求时工作。
富氧燃烧发电单元的循环工质可通过常规冷源冷凝，如空气、水等，也可以通过工业过程中的低温工质（低温冷源）冷凝，比如LNG、天然气减压站产生的低温气体。
基于热力学基本原理和风光发电的特点，本发明提出了由电解水制氢氧单元、储气单元、以及富氧燃烧发电单元组成的风光储能***，该发明的储能过程是通过电解槽将风光弃电转化为氢气和氧气储存起来，释能过程是利用储存的氢气和氧气进入富氧燃烧发电单元实现高效发电；储能***充分利用了电解水制氢氧与富氧燃烧发电间的互补性，在发电单元采用常规冷源时可实现电转电效率大于50%，在发电单元利用低温冷源时可实现电转电效率大于60%，储能过程中没有污染物产生，具有显著的经济效益、社会效益和应用前景。
实施例1
一种基于电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能***，如图1所示，所述***包括电解水制氢氧单元、储气单元以及富氧燃烧发电单元。
电解水制氢氧单元通过电解槽1将风力发电和太阳能发电过程中的多余发电量转换为氢气和氧气，氢气和氧气分别在电解槽的阴极和阳极聚集。
储气单元包括氢气压缩机2、氧气压缩机3、储氧罐4、储氢罐5以及其它辅助设备组成；所述储气单元工作流程为：当电解槽1阳极氧气和阴极氢气压力达到一定值时，分别利用氢气压缩机2和氧气压缩机3将氢气、氧气加压至预设压力；加压后的氢气储存在储氢罐2中，氧气储存在储氧罐3中。
富氧燃烧发电单元包括氢气调节阀6、氧气调节阀7、燃烧室8、透平9、发电机10、回热器11、烟气冷却器12、气液分离器13、循环流压缩机14、循环流冷却器15、泵16、水箱17以及其它辅助设备组成；所述富氧燃烧发电单元工作流程为：控制氢气调节阀6引入燃料氢气，控制氧气调节阀7引入氧气，氧气在进入燃烧室前可以与部分CO2循环流进行预混合；氢气和氧气在燃烧室8中燃烧，同时被CO2循环流降温；燃烧室8出口的高温高压工质进入透平9中膨胀做功，其输出功用于驱动发电机10；透平排气进入回热器11中进行热量回收，回热器出口烟气经过烟气冷却器12降温后进入气液分离器13中分离出水，气液分离器出口CO2循环流进入CO2压缩机14中被压缩，压缩后的CO2循环流经过循环流冷却器15冷却后进一步由泵16加压至预设压力；泵出口CO2循环流进入回热器11中被烟气加热，加热后的CO2循环流再次回到燃烧室8中完成循环。
为了最大化利用能源，将气液分离器13中分离出的水回收在水箱17中，回收后的水可以进一步进入电解槽中。
所述***的工作过程为：当风光发电量超过供电需求时，电解水制氢氧单元以及储气单元依次工作；当风光发电量不能满足供电需求并且所述储气罐储气量满足工程要求时，富氧燃烧发电单元工作。
实施例2
一种基于电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能***，如图2所示，所述***包括电解水制氢氧单元、储气单元、富氧燃烧发电单元以及蓄冷单元。
电解水制氢氧单元通过电解槽1将风力发电和太阳能发电过程中的多余发电量转换为氢气和氧气。
储气单元包括氢气压缩机2、氧气压缩机3、储氧罐4、储氢罐5以及其它辅助设备组成。
富氧燃烧发电单元包括氢气调节阀6、氧气调节阀7、燃烧室8、透平9、发电机10、回热器11、烟气冷却器12、气液分离器13、泵16、水箱17、冷凝器18以及其它辅助设备组成；所述富氧燃烧发电单元工作流程为：当负载的电力需求超过风光发电量时，控制氢气调节阀6引入燃料氢气，控制氧气调节阀7引入氧气，氧气在进入燃烧室前可以与部分CO2循环流进行预混合；氢气和氧气在燃烧室8中燃烧，同时被CO2循环流降温，燃烧室8出口的高温高压工质进入透平9中膨胀做功，其输出功用于驱动发电机10；透平排气进入回热器11中进行热量回收，回热器出口烟气经过烟气冷却器12降温后进入气液分离器13中分离出水，气液分离器出口CO2循环流进入冷凝器18中冷凝，冷凝器出口CO2循环流经由泵16加压至预设压力；泵出口CO2循环流进入回热器11中被烟气加热，加热后的CO2循环流再次回到燃烧室8中完成循环。
蓄冷单元包括天然气膨胀机19、蓄冷装置20、换热器21以及其它辅助设备组成。所述蓄冷单元的工作流程为：来自管网的高压天然气经过天然气膨胀机19膨胀做功后温度降低，低温天然气经由蓄冷装置20储存一部分冷能，蓄冷装置出口天然气进一步经过换热器21升温后输送给用户或者下一个调压站；当富氧燃烧发电单元工作时，蓄冷装置依次为冷凝器和烟气冷却器提供冷能。
为了最大化利用能源，将气液分离器13中分离出的水回收在水箱17中，回收后的水可以进一步进入电解槽中。
所述***的工作过程为：当风光发电量多于负载需求时，电解水制氢氧单元以及储气单元依次工作；当天然气调压站工作时，蓄冷单元工作；当风光发电量不能满足负载需求且储气单元储存足够氢气和氧气时，富氧燃烧发电单元工作，同时蓄冷单元为其提供冷能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能***，其特征在于，主要包括电解水制氢氧单元、储气单元和富氧燃烧发电单元；电解水制氢氧单元：用于将超过电网接收能力的风电、光伏弃电，用电解水的方法转化为氢气和氧气，实现电能到化学能的转化；储气单元：用于将电解水产生的氢气和氧气储存到储气罐中，实现电能到化学能的储存；富氧燃烧发电单元：为高效热力发电装置，用于通过氢氧燃烧产生热能，再利用高效热力发电装置将热能转化为电能；当风光发电量超过供电需求时，利用电解槽将风光弃电用于电解水产生氢气和氧气，实现电能的转换与储存；有供电需求时，将储气罐中的氢气与氧气引入富氧燃烧发电单元，在CO2环境下进行氢气富氧燃烧产生高温高压气体，通过超临界CO2循环实现高效发电。
2.根据权利要求1所述的电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能***，其特征在于，所述电解水制氢氧单元是由风光发电机以及电解装置组成，电解装置采用碱性电解装置、PEM电解装置、固体氧化物电解装置。
3.根据权利要求1所述的电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能***，其特征在于，所述储气单元主要由氢气压缩机、氧气压缩机、储氢罐、储氧罐组成，储气罐压力大于10MPa。
4.根据权利要求1所述的电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能***，其特征在于，所述富氧燃烧发电单元是由燃烧室、膨胀机、发电机、回热器、冷却器、气液分离器、压缩机、工质泵等组成的循环***；所述循环***的主要工质为CO2，通过调节CO2与氢气、氧气的比例控制燃烧室出口温度，并实现氢气充分燃烧以及氢气、氧气无残余或低残余；所述循环***的高温高压气体在膨胀机做功用于驱动发电机发电，乏气经回热器和冷却器降温后将凝结水分离出来，凝结水返回电解装置，分离后气体压缩、冷却后可实现CO2液化，将不凝结气体分离后的液态CO2经工质泵增压、回热器加热后进入燃烧室，完成循环。
5.根据权利要求2或4所述的电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能***，其特征在于，所述氢气压缩机、氧气压缩机、工质压缩机采用单级压缩或采用多级压缩；电解槽工作产生热能和压缩所产生热能可以通过储热装置进行储存、利用，通过水冷或空冷直接排放。
6.根据权利要求1所述的电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能***，其特征在于，所述电解槽工作产生热能和压缩所产生热能的利用主要包括供暖或用于富氧燃烧发电单元的低温工质预热。
7.根据权利要求4所述的电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能***，其特征在于，所述燃烧室燃烧之前，氧气需要与部分或全部CO2工质预混以控制燃烧状态。
8.根据权利要求1所述的电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能***，其特征在于，所述电解水制氢氧单元仅在有风光弃电时工作，所述富氧燃烧发电单元在有供电需求并且所述储气罐储气量满足工程要求时工作。
9.根据权利要求1所述的电解水制氢与富氧燃烧发电耦合的风光电储能***，其特征在于，所述富氧燃烧发电单元的循环工质可通过常规冷源冷凝，也可以通过工业过程中的低温工质冷凝。
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