CN215344097U - 一种风电制氢储能*** - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种风电制氢储能***，包括风力发电机、电解水制氢装置、补水装置、换热装置、氢气纯化装置、氧气纯化装置、低压氢气储存装置、低压氧气储存装置、燃料电池装置和排水收集装置，所述电解水制氢装置与风力发电机连接，所述补水装置与电解水制氢装置和换热装置连接，所述氢气纯化装置和氧气纯化装置与电解水制氢装置连接，所述低压氢气储存装置和低压氧气储存装置分别与氢气纯化装置和氧气纯化装置连接，所述燃料电池装置与低压氢气储存装置和低压氧气储存装置连接，所述排水收集装置分别与换热装置和燃料电池装置连接。本实用新型通过合理利用弃风限电条件下的富余能量，实现富余能量的再利用，提高风电***的利用率。

Description

一种风电制氢储能***
技术领域
本实用新型涉及新能源的技术领域，尤其是指一种风电制氢储能***。
背景技术
基于风电***的间歇性和随机性，在时段分布上与用电负荷存在较大的差异，目前电网尚不能适应大规模波动性新能源的接入，其与调峰电源发展的不协调、与用电需求量的不同步矛盾突出。因此，采用电解水制氢储能***将可以实现富余能量的转换、储存以及再利用。相比于电池储能***，电解水制氢储能***投资更少且寿命更长，设备运行可靠性更高。同时现有的风电制氢***常采用液氢或高压氢的储运技术，不仅增大了氢储存的成本还增加了其运输风险及投资。另外由于水资源缺乏问题日益明显，如何充分利用淡水资源或选择性开拓海水资源有更大的意义。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风电制氢储能***，通过合理利用弃风限电条件下的富余能量，采用电解水制氢进行能量储存，再通过燃料电池装置在电网谷电外的时间段将氢能转化为电能，实现富余能量的再利用，并最终实现电网削峰填谷的目的，同时通过排水收集装置收集此过程生成的纯水循环用于电解制氢，大大节省了淡水资源的利用，或通过设置海水过滤装置等设备通过采用海水资源进行电解，节省了淡水资源的利用。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种风电制氢储能***，包括风力发电机、电解水制氢装置、补水装置、换热装置、氢气纯化装置、氧气纯化装置、低压氢气储存装置、低压氧气储存装置、燃料电池装置和排水收集装置，所述电解水制氢装置与风力发电机连接，能够利用风力发电机的弃风电能将水电解为氢气和氧气，所述补水装置与电解水制氢装置连接，用于电解水制氢装置内液位低于预设值时向电解水制氢装置内补水，所述换热装置与补水装置连接，用于利用电解水制氢装置电解过程中产生的热量对补水装置中的水进行加热预处理，所述氢气纯化装置与电解水制氢装置连接，用于分离洗涤电解水产生的氢气，所述氧气纯化装置与电解水制氢装置连接，用于分离洗涤电解水产生的氧气，所述低压氢气储存装置和低压氧气储存装置分别与氢气纯化装置和氧气纯化装置连接，分别用于存储经分离洗涤后的氢气和氧气，所述燃料电池装置分别与低压氢气储存装置和低压氧气储存装置连接，用于将存储的氢气和氧气通过电化学反应产生电能并传输至电网，所述排水收集装置分别与换热装置和燃料电池装置连接，用于收集燃料电池装置运行后排出的纯水并循环用于电解制氢。
进一步，所述风力发电机为陆上风力发电机。
进一步，所述风力发电机为海上风力发电机，并配套有海水过滤装置，该海水过滤装置与补水装置连接，用于对海水进行过滤处理，去除海水中的浮游生物、固体颗粒及钙镁离子。
进一步，所述补水装置和海水过滤装置之间还设有海水淡化装置，用于淡化海水中的含盐量，以避免海水中的氯离子腐蚀电解水制氢装置。
进一步，所述电解水制氢装置的阳极网为抗海水腐蚀阳极网。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本实用新型通过合理利用弃风限电条件下的富余能量，采用电解水制氢进行能量储存，进而在电网谷电外的时间段通过大功率燃料电池发电将氢能转化为电能，同时通过对各环节功率进行动态控制，达到功率调频的目的，最终实现电网削峰填谷的目的，减小了由于风电谷价带来的经济损失；同时由于采用低压储存的氢气最终通过电化学反应转化为电能并传输至电网，节约了运输成本，避免其运输过程中造成的安全风险。
2、本实用新型通过收集燃料电池反应生成的纯水循环利用，大大节省了淡水资源的利用，同时在此过程中通过换热装置利用电解过程中产生的热量对进入电解水制氢装置的水进行预热，实现资源的最大化利用。
3、本实用新型还可以利用海水资源，通过对海水进行过滤淡化处理，或通过对电解槽阳极材料的合理设计，如采用抗海水腐蚀阳极网，以减弱海水对电极的腐蚀，从而进行高效的电解，进而提高海上风电***的利用率。
4、本实用新型采用低压氢气/氧气储存装置，不需要额外使用膜压机，降低了由膜压机带来的不稳定性及高耗能，且经济性大大提高；同时通过高纯度的氧气通入燃料电池中与氢气反应，避免了燃料电池直接通入空气反应，空气中硫化物造成设备损坏的风险。
附图说明
图1为实施例一的结构示意图。
图2为实施例二的结构示意图。
图3为针对电解水制氢装置的电解槽动态控制的示意图。
图4为针对燃料电池装置功率动态控制的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明,但本实用新型的使用方式不限于此。
实施例一
如图1所示，本实施例所述的风电制氢储能***，在风场范围内合理选择制氢站址，包括风力发电机1、电解水制氢装置2、补水装置3、换热装置4、氢气纯化装置5、氧气纯化装置6、低压氢气储存装置7、低压氧气储存装置8、燃料电池装置9和排水收集装置10；所述风力发电机1为陆上风力发电机；所述电解水制氢装置2与风力发电机1连接，能够利用风力发电机1的弃风电能将水电解为氢气和氧气，其内部采用大规模碱性电解槽，运行负荷范围为50％～ 101％；所述补水装置3与电解水制氢装置2连接，用于电解水制氢装置2内液位低于预设值时向电解水制氢装置2内补水；所述换热装置4与补水装置3连接，用于利用电解水制氢装置2电解过程中产生的热量对补水装置3中的水进行加热预处理；所述氢气纯化装置5与电解水制氢装置2连接，用于分离洗涤电解水产生的氢气，除掉气体中的碱雾液滴并降低气体温度，所述氧气纯化装置6与电解水制氢装置2连接，用于分离洗涤电解水产生的氧气，除掉气体中的碱雾液滴并降低气体温度；所述低压氢气储存装置7和低压氧气储存装置8 分别与氢气纯化装置5和氧气纯化装置6连接，分别用于存储经分离洗涤后的氢气和氧气，所述低压氢气储存装置7的最大存储压力为2.5MPa，不需要额外使用膜压机，超过其压力多余的氢气将直接排出；所述燃料电池装置9分别与低压氢气储存装置7和低压氧气储存装置8连接，用于将存储的氢气和氧气通过电化学反应产生电能并传输至电网11，该燃料电池装置9的最小进气压力为 0.25MPa，当进气压力小于0.25MPa时其电堆停止运行；所述排水收集装置10 分别与换热装置4和燃料电池装置9连接，用于收集燃料电池装置9运行后排出的纯水并循环用于电解制氢，大大节省了淡水资源的利用。
其中，低压氢气储存装置7及低压氧气储存装置8采用可容纳对应8小时弃风电量所电解水的卧式储罐，储罐采用钢制，主体为圆柱形，并能够采用井下安装以保证其安全性。
所述燃料电池装置9采用高功率密度电堆及高兼容性单电池电压采集单元，其内部通过夹片式的设计实现满片或隔片的电压信号采集，进而监控电堆的运行状态。
实施例二
如图2所示，本实施例所述的风电制氢储能***，包括风力发电机1、电解水制氢装置2、补水装置3、海水过滤装置12、换热装置4、氢气纯化装置5、氧气纯化装置6、低压氢气储存装置7、低压氧气储存装置8、燃料电池装置9 和排水收集装置10；所述风力发电机1为海上风力发电机；所述电解水制氢装置2与风力发电机1连接，能够利用风力发电机1的弃风电能将水电解为氢气和氧气，其内部采用大规模碱性电解槽，运行负荷范围为50％～101％，其阳极网为抗海水腐蚀阳极网，通过在电极上生成可抑制氯离子腐蚀的钝化层，以减弱海水对电极的腐蚀；所述补水装置3与电解水制氢装置2连接，用于电解水制氢装置2内液位低于预设值时向电解水制氢装置2内补水，由于是安装在海上，因此补水装置3可充分利用海水资源；所述海水过滤装置12与补水装置3 连接，用于对海水进行过滤处理，去除海水中的浮游生物、固体颗粒及钙镁离子；所述换热装置4与补水装置3连接，用于利用电解水制氢装置2电解过程中产生的热量对补水装置3中的水进行加热预处理；所述氢气纯化装置5与电解水制氢装置2连接，用于分离洗涤电解水产生的氢气，除掉气体中的碱雾液滴并降低气体温度，所述氧气纯化装置6与电解水制氢装置2连接，用于分离洗涤电解水产生的氧气，除掉气体中的碱雾液滴并降低气体温度；所述低压氢气储存装置7和低压氧气储存装置8分别与氢气纯化装置5和氧气纯化装置6 连接，分别用于存储经分离洗涤后的氢气和氧气，所述低压氢气储存装置7的最大存储压力为2.5MPa，不需要额外使用膜压机，超过其压力时多余的氢气将直接排出；所述燃料电池装置9分别与低压氢气储存装置7和低压氧气储存装置8连接，用于将存储的氢气和氧气通过电化学反应产生电能并传输至电网11，该燃料电池装置9的最小进气压力为0.25MPa，当进气压力小于0.25MPa时其电堆停止运行；所述排水收集装置10分别与换热装置4和燃料电池装置9连接，用于收集燃料电池装置9运行后排出的纯水并循环用于电解制氢。
另外当电解水制氢装置2内的阳极网为非抗海水腐蚀阳极网，其抗腐蚀部分的主要成分为镍铁双层状氢氧化物以及硫或氮参杂物，可在补水装置3和海水过滤装置12之间设置海水淡化装置13，通过海水淡化装置13淡化海水中的含盐量，避免海水中的氯离子腐蚀电解水制氢装置2。
采用本实施例一和实施例二的风电制氢储能***，通过合理利用弃风限电条件下的富余能量，采用电解水制氢进行能量储存，进而在电网谷电外的时间段通过大功率燃料电池发电将氢能转化为电能，同时通过对各环节功率进行动态控制，达到功率调频的目的。如图3所示，为针对电解水制氢装置的电解槽功率动态控制的示意图，当风电功率Pin大于电网调度功率PD需求时，将风电的弃风电能应用于电解，通过控制电解水制氢装置的电解槽功率KP进而控制氢气及氧气的生成速度，采用积分控制储罐内氢气和氧气的压力，控制变量即为氢气及氧气的流量Q氢及Q氧变化，当低压氢气储存装置内存储压力达到其最大储存压力时，调节电解水制氢装置的电解槽的功率KP使其停止工作。如图4所示，为针对燃料电池装置功率动态控制的示意图，当风电功率Pin小于电网额定功率 PD需求时，采用燃料电池装置FC发电将存储的氢气和氧气通过电化学反应产生电能，并通过PID反馈调节控制低压氢气储存装置和低压氧气储存装置的储罐阀门开度协调电能的输出功率P，以满足电网调度功率，当燃料电池装置FC的进气口的压力小于0.25MPa时，其电堆停止运行。
在本实施例一和实施例二中所述的电力来源不限于风力发电，还可以包含其他电力，如光伏发电、生物质能发电、波浪能发电等。
以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种风电制氢储能***，其特征在于：包括风力发电机、电解水制氢装置、补水装置、换热装置、氢气纯化装置、氧气纯化装置、低压氢气储存装置、低压氧气储存装置、燃料电池装置和排水收集装置，所述电解水制氢装置与风力发电机连接，能够利用风力发电机的弃风电能将水电解为氢气和氧气，所述补水装置与电解水制氢装置连接，用于电解水制氢装置内液位低于预设值时向电解水制氢装置内补水，所述换热装置与补水装置连接，用于利用电解水制氢装置电解过程中产生的热量对补水装置中的水进行加热预处理，所述氢气纯化装置与电解水制氢装置连接，用于分离洗涤电解水产生的氢气，所述氧气纯化装置与电解水制氢装置连接，用于分离洗涤电解水产生和氧气，所述低压氢气储存装置和低压氧气储存装置分别与氢气纯化装置和氧气纯化装置连接，分别用于存储经分离洗涤后的氢气和氧气，所述燃料电池装置分别与低压氢气储存装置和低压氧气储存装置连接，用于将存储的氢气和氧气通过电化学反应产生电能并传输至电网，所述排水收集装置分别与换热装置和燃料电池装置连接，用于收集燃料电池装置运行后排出的纯水并循环用于电解制氢。
2.根据权利要求1所述的一种风电制氢储能***，其特征在于：所述风力发电机为陆上风力发电机。
3.根据权利要求1所述的一种风电制氢储能***，其特征在于：所述风力发电机为海上风力发电机，并配套有海水过滤装置，该海水过滤装置与补水装置连接，用于对海水进行过滤处理，去除海水中的浮游生物、固体颗粒及钙镁离子。
4.根据权利要求3所述的一种风电制氢储能***，其特征在于：所述补水装置和海水过滤装置之间还设有海水淡化装置，用于淡化海水中的含盐量，以避免海水中的氯离子腐蚀电解水制氢装置。
5.根据权利要求3所述的一种风电制氢储能***，其特征在于：所述电解水制氢装置的阳极网为抗海水腐蚀阳极网。
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