一种风力光伏及氢燃料电池联合发电系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种风力光伏及氢燃料联合发电系统及控制方法，包括可再生能源发电单元

【技术实现步骤摘要】
一种风力光伏及氢燃料电池联合发电系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及电力行业
，特别涉及一种风力光伏及氢燃料联合发电系统及控制方法
。

技术介绍

[0002]在寻找并开发可再生清洁能源的同时，设置合适的储能设备是解决风力及光伏发电波动性的有效途径，其中氢储能与氢燃料电池的搭配就是研究热点之一，利用过剩电能电解水制氢，随后氢气在氢燃料电池中反应放电，氢气与空气中的氧气反应的产物为水，无其他污染物生成，可以直接排向周围环境中，
2020
年我国首次将推动氢能产业创新列入可持续发展的顶层设计之中，目前我国已成为世界上最大的制氢国，年产量达到了
3300
万吨
。
[0003]但是如何以较低成本实现碳捕获，实现制氢过程近零排放，一直本领域人员亟待解决的技术问题
。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种包含制氢及氢储能的风力光伏及氢燃料联合发电系统及控制方法
。
[0005]本专利技术结合现有风力发电
、
光伏发电
、
电解水
、
氢燃料电池
、
天然气蒸汽重整制氢及天然气部分氧化制氢的工作原理及各个组件设置，通过引入氢储能及氢燃料电池来平衡风力及光伏发电的波动
。
本专利技术将可再生能源发电
、
电解水制氢气
、
氢燃料电池
、
天然气蒸汽重整制氢及天然气部分氧化制氢进行耦合，同时利用
LNG
冷能冷却液化回收制氢产生的二氧化碳，在保证系统整体电能平稳输出的同时实现了整体近零碳排放
。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0007]一种风力光伏及氢燃料联合发电系统，包括可再生能源发电单元
、
电解水单元
、
天然气部分氧化制氢单元
、
天然气蒸汽重整制氢单元
、
氢燃料电池单元及
LNG
冷能利用单元
。
[0008]所述可再生能源发电单元包括风力发电机及光伏阵列，两者通过将风能及太阳能转化为电能从而向电网供电
。
[0009]所述电解水单元包含电解池，利用风力发电机及光伏阵列提供的电能来电解经过锅炉预热的含盐水，从而产生氢气与氧气，其中氢气储存在储氢罐中，氧气储存在氧气储罐中
。
[0010]所述天然气部分氧化制氢单元包含天然气部分氧化反应器，由经过脱硫器后的天然气与氧气储罐输出的氧气在该单元中进行反应，初步生成氢气及一氧化碳，随后一氧化碳与锅炉提供的热蒸汽进一步进行反应，生成二氧化碳与氢气，氢气在第一分离器中被分离并储存在储氢罐中，二氧化碳和水等其他产物则通入过滤器中
。
[0011]所述天然气蒸汽重整制氢单元包含天然气蒸汽重整反应器，由经过脱硫器后的天然气与锅炉提供的热蒸汽在该单元中进行反应，生成氢气及二氧化碳，氢气在第二分离器中被分离并储存在储氢罐中，二氧化碳和水等其他产物则通入过滤器中，由于该反应过程
需要持续供热，因此部分天然气在经过分流器后被供应至该单元，与空气反应燃烧来持续供热，反应产物主要为二氧化碳与水，在经过第二分离器后被转运至过滤器
。
[0012]所述氢燃料电池单元包含储氢罐及氢燃料电池模块，由储氢罐提供的氢气与空气在氢燃料电池中进行反应，释放电能给电网供电，同时反应产生的热量用于给锅炉供热，实现热电联供，反应产物为水，因此该反应无任何污染物产生
。
[0013]所述
LNG
冷能利用单元包含
LNG
储罐
、LNG
泵
、
换热器
、
液态二氧化碳储罐及压缩机，天然气蒸汽重整制氢及天然气部分氧化制氢的非氢气产物在过滤器中进行提纯，滤除水等其他杂质，提纯后的二氧化碳经过压缩机被加压至能够液化的最低压力，随后在换热器中被
LNG
冷却并液化，随后储存在液体二氧化碳储罐中，实现系统的近零碳排放
。
[0014]作为本专利技术的进一步优选，使用氢燃料电池代替汽轮机作为备用供能单元，精简了汽轮机及辅机等配套设备，使得整个系统的工艺流程得到简化
。
[0015]作为本专利技术的进一步优选，将氢燃料电池工作产生的热量用于给锅炉供热，利用锅炉余热给电解池的电解水预热，提升了电解水的分解效率及氢燃料电池的综合能源利用率，从而有效提升了氢储能过程中电能
‑
氢气
‑
电能的转化效率
。
[0016]作为本专利技术的进一步优选，将电解水产生的氧气用于天然气部分氧化重整制氢，使得电解水的产物均得到有效利用，整个系统无副产物输出
。
[0017]作为本专利技术的进一步优选，利用
LNG
冷能将提纯加压后的二氧化碳进行冷却液化，随后储存在液态二氧化碳储罐中，以较低成本实现碳捕获，从而达成系统近零碳排放
。
[0018]作为本专利技术的进一步优选，该系统除了向电网提供电能外，还可向周边用能单位灵活提供氢气
、
氧气
、
热水
、
冷水
、
二氧化碳等资源，实现系统的综合能源供应
。
[0019]作为本专利技术的进一步优选，氢气作为可再生能源的备用能源，当储氢罐中氢气存量达到设定下限值时，优先启动天然气部分氧化制氢单元，当氧气储罐中氧气存量达到设定下限值时，启动天然气蒸汽重整制氢单元，以此给储氢罐补充氢气
。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0021](1)
以氢储能的方式将过剩可再生能源转化为氢能，再以氢燃料电池的方式补充向电网供电，在实现较高的可再生能源渗透率的同时保证电网供电的稳定性；
[0022](2)
采用天然气部分氧化制氢与天然气蒸汽重整制氢两种制氢工艺，在保证氢气供应的同时将电解水产生的氧气也进行了消纳，结合氢燃料电池工作余热用于给锅炉供热以及锅炉给电解池电解水进行预热，从电解水效率
、
电解水产物利用及氢燃料电池电能热能综合利用三个方面提升了氢储能及放能的转化效率，有效改善了氢储能的能量转化效率；
[0023](3)LNG
一方面为锅炉提供热量及为制氢反应提供原料及热量，另一方面其在气化过程中释放的冷能也被用于冷却液化系统产生的二氧化碳，制氢反应主要产物为二氧化碳与水，其中的水蒸气较易进行液化分离，之后高纯度二氧化碳可以通过加压冷能进行回收，压缩机只需将其压缩至
0.52MPa
即可将其冷却液化，从而以较低成本实现碳捕获，实现系统近零碳排放；
[0024](4)
系统在无汽轮机的情况下实现了对电网的稳定供能，通过氢燃料电池进行供电，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种风力光伏及氢燃料联合发电系统，其特征在于，包括可再生能源发电单元
、
电解水单元
、
天然气部分氧化制氢单元
、
天然气蒸汽重整制氢单元
、
氢燃料电池单元及
LNG
冷能利用单元；所述可再生能源发电单元包括风力发电机及光伏阵列，所述风力发电机产生的风能及光伏阵列产生的电能向电网供电；所述电解水单元包括电解池，利用风力发电机及光伏阵列提供的电能电解含盐水，产生氢气和氧气，其中氢气储存在储氢罐中，氧气储存在氧气储罐中，所述含盐水通过锅炉预热；所述天然气部分氧化制氢单元，包括天然气部分氧化反应器，经过脱硫器脱硫后的天然气与氧气储罐输出的氧气在天然气部分氧化反应器中反应，生成氢气及一氧化碳，随后一氧化碳与锅炉提供的热蒸汽进一步反应，生成二氧化碳与氢气，氢气经过第一分离器分离储存在储氢罐中，二氧化碳和水通入过滤器中；所述天然气蒸汽重整制氢单元，包括天然气蒸汽重整反应器，经过脱硫器脱硫后的天然气与锅炉提供的热蒸汽在所述天然气蒸汽重整反应器中进行反应，生成氢气及二氧化碳，氢气在第二分离器中被分离储存在储氢罐中，二氧化碳和水通入过滤器中；所述氢燃料电池单元，包括储氢罐及氢燃料电池，所述储氢罐提供的氢气与空气在氢燃料电池中进行反应，释放电能向电网供电，同时反应产生的热量用于锅炉供热；所述
LNG
冷能利用单元，用于对过滤器输出的二氧化碳进行冷却液化，并储存，实现系统的近零碳排放
。2.
根据权利要求1所述的风力光伏及氢燃料联合发电系统，其特征在于，所述
LNG
冷能利用单元包括
LNG
储罐
、LNG
泵
、
换热器
、
液态二氧化碳储罐及压缩机，天然气蒸汽重整制氢单元及天然气部分氧化制氢单元的非氢气产物在过滤器中进行提纯，提纯后的二氧化碳经过压缩机被加压至能够液化的最低压力，随后在换热器中被
LNG
冷却并液化，随后储存在液体二氧化碳储罐中，实现系统的近零碳排放
。3.
根据权利要求1或2所述的风力光伏及氢燃料联合发电系统，其特征在于，所述天然气蒸汽重整制氢单元的反应过程需要持续加热，经过分流器的部分天然气输入天然气蒸汽重整制氢单元，与空气反应燃烧持续供热，反应产物为二氧化碳和水，再经过第二分离器后输入过滤器
。4.
根据权利要求1所述的风力光伏及氢燃料联合发电系统，其特征在于，所述氧气储罐设定氧气存量的高位值及低位值，当氧气储罐中氧气存量达到设定高位值时则强制启动天然气部分氧化反应单元，当氧气储罐中氧气存量达到设定低位值时则强制关闭天然气部分氧化反应单元
。5.
根据权利要求1所述的风力光伏及氢燃料联合发电系统，其特征在于，所述氢燃料...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖艳芬，韩逸骁，马晓茜，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：