一种基于可再生能源的电热氢多源协调供能系统及方法

1.本发明属于可再生能源发电与电热氢联供技术领域，具体涉及一种基于可再生能源的电热氢多源协调供能系统及方法。

背景技术：

2.随着可再生能源的快速发展，装机容量不断增加。风资源的波动、风力机调峰能力弱，风电出力存在的季节性和时域性反调峰特性，是造成出现严重弃风问题的主要原因之一。同时，光伏发电严重依赖光照情况，存在天然的不确定性和间歇性，造成输电上网质量难控制，数量难预测。弃风弃光限电问题不仅严重影响了发电企业的经济效益，同时造成大量能源浪费，已成为影响可再生能源健康发展的主要矛盾。多能互补系统是解决这些问题的一种可行的解决方案。

技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于可再生能源的电热氢多源协调供能系统及方法，以解决现有技术中弃风弃光限电的问题。
4.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.第一方面，一种基于可再生能源的电热氢多源协调供能系统，包括光伏发电子系统、风力发电子系统、光热发电子系统、质子交换膜电解池子系统和质子交换膜燃料电池发电子系统；
6.所述光伏发电子系统和风力发电子系统用于发电并输送给用户，富余电力输入到质子交换膜电解池子系统进行制氢；光热发电子系统和质子交换膜燃料电池发电子系统作为调峰电源，与光伏发电子系统和风力发电子系统共同承担电负荷；其中质子交换膜燃料电池发电子系统发电所用氢气为质子交换膜电解池子系统制备。
7.进一步的，所述光伏发电子系统包括光伏电池板和第一逆变器，所述光伏电池板的电能输出端连接至质子交换膜电解池子系统以及通过第一逆变器连接至用户。
8.进一步的，所述风力发电子系统包括风力发电机和第二逆变器，风力发电机的电能输出端连接至质子交换膜电解池子系统以及通过第二逆变器连接至用户。
9.进一步的，所述光热发电子系统包括集热场、热盐罐、过热器、蒸汽发生器、预热器、冷盐罐、高压缸、低压缸和汽轮机；
10.所述集热场的热量输送端连接至热盐罐，热盐罐的高温熔盐输出端次连接至过热器、蒸汽发生器、预热器和冷盐罐，过热器、蒸汽发生器、预热器用于加热给水产生过热蒸汽给高压缸；冷盐罐的低温熔盐输出端连接至集热场的熔盐进口；所述高压缸的蒸汽出口连接至低压缸的入口，所述低压缸的气体输送端与汽轮机连通，用于驱动汽轮机带动发电机进行发电，发电机的电能输出端连接至用户。
11.进一步的，所述质子交换膜电解池子系统包括：质子交换膜电解槽和储氢罐，用于利用富裕的电能电解制氢，并将氢气存储于储氢罐之内。
12.进一步的，所述燃料电池发电子系统包括：质子交换膜燃料电池和第三逆变器，质子交换膜燃料电池用于利用质子交换膜电解池子系统所制氢气发电，电能通过第三逆变器逆变后送入用户使用。
13.进一步的，所述光伏电池板的电能输出端还连接至电加热器，所述电加热器用于加热冷盐罐输出的低温熔盐。
14.进一步的，所述风力发电机的电能输出端还连接至电加热器，所述电加热器用于加热冷盐罐输出的低温熔盐。
15.进一步的，所述热盐罐的高温熔盐输出端还连接有再热器，所述再热器用于加热高压缸排出的蒸汽并输送至低压缸。
16.第二方面，一种电热氢多源协调供能系统的运行方法，包括以下步骤：
17.光伏发电子系统、风力发电子系统所产生的电能首先提供给用户，如果满足用户负荷，则剩余部分电能送入质子交换膜电解池子系统制氢；
18.当储氢达到设定值时，卖出多余的氢能；
19.如果光伏发电子系统、风力发电子系统所产生的电能仅满足一部分用户负荷时，质子交换膜燃料电池发电子系统将首先启动进行发电，剩余部分由光热发电子系统发电弥补。
20.本发明的有益效果如下：
21.1、本发明实施例提供的电热氢多源协调供能系统，通过光热发电功率和燃料电池可自主调节的特性，使得综合能源系统可以参与调峰，基本满足了电网负荷需求，实现了高效、安全稳定地平抑风力发电、光伏发电带来的负荷波动。。
22.2、本发明实施例提供的电热氢多源协调供能系统，通过质子交换膜电解池消纳了光伏发电和风力发电的富余电力，转化为氢能进行储存利用，此外电能转化为储热罐中的热能进行储存，提高了系统整体效率。
23.3、本发明实施例提供的电热氢多源协调供能系统，系统完全由可再生能源驱动，发出绿电，制取绿氢，不存在废弃物、低碳环保。
附图说明
24.构成本技术的一部分的说明书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。在附图中：
25.图1为本发明实施例提供的电热氢多源协调供能系统的结构框图；
26.图2为本发明实施例提供的电热氢多源协调供能系统的连接详图；
27.其中：1-光伏电池板；2-风力发电机；3-集热场；4-电加热器；5-热盐罐；6-过热器；7-蒸汽发生器；8-预热器；9-冷盐罐；10-再热器；11-高压缸；12-第一低压加热器；13-第二低压加热器；14-除氧器；15-低压缸；16-第三低压加热器；17-第四低压加热器；18-第五低压加热器；19-汽轮机；20-冷凝器；21-第一逆变器；22-第二逆变器；23-质子交换膜电解池；24-储氢罐；25-质子交换膜燃料电池；26-第三逆变器；27-用户；100-光伏发电子系统；200-风力发电子系统；300-光热发电子系统；400-质子交换膜电解池子系统；500-质子交换膜燃料电池发电子系统。
具体实施方式
28.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
29.以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本技术所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
30.实施例1
31.如图1所示，一种基于可再生能源的电热氢多源协调供能系统，包括光伏发电子系统100、风力发电子系统200、光热发电子系统300、质子交换膜电解池子系统400和质子交换膜燃料电池发电子系统500。光伏发电子系统100和风力发电子系统200将电能输送给用户27使用，富余的电力输入到质子交换膜电解池子系统400进行制氢；质子交换膜燃料电池发电子系统500利用质子交换膜电解池子系统400所制氢气发电；光热发电子系统300和质子交换膜燃料电池发电子系统500作为调峰电源，与光伏发电子系统100和风力发电子系统200共同承担电负荷。
32.本实施例1提供的基于可再生能源的电热氢多源协调供能系统，通过将光热发电子系统300和质子交换膜燃料电池发电子系统500作为调峰电源，富余的电力输入到质子交换膜电解池子系统400进行制氢，能够平抑可再生能源的波动，提高与用户负荷的匹配；消纳弃风弃光，并将其转换成氢能和热能进行储存；多余的氢气输送给用户使用，满足用户电能、热能、氢能的用能需求。
33.如图2所示，光伏发电子系统100包括：光伏电池板1、第一逆变器21，光伏电池板1的电能输出端一方面连接至质子交换膜电解池23以及通过第一逆变器21连接至用户27。光伏电池板1的电能输出端另一方面连接至电加热器4。从而光伏发电经逆变后直接供给用户27，富余的电量通入到质子交换膜电解池23或/和电加热器4。
34.风力发电子系统200包括：风力发电机2、第二逆变器22，风力发电机2的电能输出端一方面连接质子交换膜电解池23以及通过第二逆变器22连接至用户27。风力发电机2的电能输出端另一方面连接至电加热器4。风力发电经过第二逆变器22逆变后直接供给用户27，富余的电量通入到质子交换膜电解池23或/和电加热器4。
35.光热发电子系统300包括：集热场3、电加热器4、热盐罐5、冷盐罐9、过热器6、蒸汽发生器7、预热器8、再热器10、除氧器14、高压缸11、低压缸15、第一低压加热器12、第二低压加热器13、第三低压加热器16、第四低压加热器17、第五低压加热器18、汽轮机19和冷凝器20。
36.集热场3的热量输送端通过第一管路连接至热盐罐5，热盐罐5的高温熔盐输出端一方面通过第二管路依次连接至过热器6、蒸汽发生器7和预热器8，在过热器6、蒸汽发生器7和预热器8内发生换热后连接至冷盐罐9；热盐罐5的高温熔盐输出端的另一方面连接至再热器10，在再热器10内换热，再热器10连接至蒸汽发生器7。冷盐罐9的低温熔盐输出端一方面连接至集热场3的熔盐进口，冷盐罐9的低温熔盐输出端另一方面连接至电加热器4，电加热器4的高温熔盐输出端通过第一管路连接至热盐罐5。高压缸11的蒸汽出口连接分成3路，第一路连接至低压缸15的入口；第二路连接至第一低压加热器12和第二低压加热器13，用
于加热给水；第三路连接至再热器10的换热侧，在再热器10内吸收热量后连接至低压缸15的入口。低压缸15的气体输送端与汽轮机19连通，用于驱动汽轮机19带动发电机进行发电，发电机的电能输出端连接至用户27的电能输入端，用做调峰电源；驱动汽轮机19做工后的乏汽，一方面连接至冷凝器20进行冷凝回收，另一方面连接至第三低压加热器16、第四低压加热器17、第五低压加热器18用于加热给水，再一方面通入除氧器14加热给水。经过第一低压加热器12、第二低压加热器13、第三低压加热器16、第四低压加热器17和第五低压加热器18加热后的给水进入预热器8进行预热，再进入蒸汽发生器7吸收热量生成高温蒸汽，高温蒸汽进入过热器6生成过热蒸汽，过热蒸汽送入高压缸11。
37.质子交换膜电解池子系统400包括：质子交换膜电解槽23和储氢罐24，用于利用富裕的电能进行电解反应，生成氢气并存储于储氢罐24之内。
38.燃料电池发电子系统包括：质子交换膜燃料电池25和第三逆变器26。质子交换膜燃料电池25用于利用储氢罐24之内的氢气进行发电，电能通过第三逆变器26逆变后送入用户27使用。储氢罐24之内的氢气也可以直接供给用户27使用。
39.本方案所采用的光热发电因其具有良好的调峰性能，可作为调峰电源促进太阳能、风能与电网系统良好兼容，协同发展。将太阳能热发电与风电以及光伏发电结合，一方面可利用光热发电的稳定、连续、可调度性抑制风电的波动性，实现高品质的电力输出；另一方面可以通过电加热器，利用弃风弃光的电力进行储热从而减小弃风弃光量。将太阳能热发电与风电、光伏发电集成，是解决风电、光伏发电并网消纳的有效途径。
40.本方案所采用的质子交换膜电解池因其技术、经济优势和其出口压力较高而被广泛应用于生产绿氢。质子交换膜燃料电池是一种高效的发电设备，具有启停速度快、体积小、灵活性高等特点。可以弥补光热爬坡速率慢的特点。
41.实施例2
42.一种实施例1电热氢多源协调供能系统的运行方法，包括步骤：为尽可能提高可再生能源与用户的匹配度，尽可能消纳可再生能源，光伏发电子系统100、风力发电子系统200所产生的电能首先提供给用户，如果足以满足用户负荷，则剩余部分通过电解水生产设备转换为氢能，并储存在储氢罐中，当储氢罐规模达到其容量的设定值时，则卖出多余的氢能；其余富余的电能转换为热能并储存在储热罐中，当储热罐和储氢罐容量达到最大值时，剩余的电力将被浪费。如果光伏发电和风力发电仅满足一部分用户负荷时，质子交换膜燃料电池发电子系统500将首先启动进行发电，剩余部分由光热发电子系统300发电弥补。
43.下面提供一个具体实施例说明本发明提供的联供系统的技术效果。该实施例中，天气数据选用河北某一典型年数据；表1列出了联供系统的热力学分析基础数据。
44.表1联供系统热力学分析基础数据a.系统能流分布
[0045][0046]
b.系统流分布
[0047][0048]
由表1可知，联供系统在河北某一典型年数据运行时，系统能量效率达16.03％，效率为17.94％。
[0049]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于可再生能源的电热氢多源协调供能系统，其特征在于，包括光伏发电子系统(100)、风力发电子系统(200)、光热发电子系统(300)、质子交换膜电解池子系统(400)和质子交换膜燃料电池发电子系统(500)；所述光伏发电子系统(100)和风力发电子系统(200)用于发电并输送给用户(27)，富余电力输入到质子交换膜电解池子系统(400)进行制氢；光热发电子系统(300)和质子交换膜燃料电池发电子系统(500)作为调峰电源，与光伏发电子系统(100)和风力发电子系统(200)共同承担电负荷；其中，质子交换膜燃料电池发电子系统(500)发电所用氢气为质子交换膜电解池子系统(400)制备。2.根据权利要求1所述的基于可再生能源的电热氢多源协调供能系统，其特征在于，所述光伏发电子系统(100)包括光伏电池板(1)和第一逆变器(21)，所述光伏电池板(1)的电能输出端连接质子交换膜电解池子系统(400)以及通过第一逆变器(21)连接至用户(27)。3.根据权利要求2所述的基于可再生能源的电热氢多源协调供能系统，其特征在于，所述风力发电子系统(200)包括风力发电机(2)和第二逆变器(22)，风力发电机(2)的电能输出端连接质子交换膜电解池子系统(400)以及通过第二逆变器(22)连接至用户(27)。4.根据权利要求3所述的基于可再生能源的电热氢多源协调供能系统，其特征在于，所述光热发电子系统(300)包括集热场(3)、热盐罐(5)、过热器(6)、蒸汽发生器(7)、预热器(8)、冷盐罐(9)、高压缸(11)、低压缸(15)和汽轮机(19)；所述集热场(3)的热量输送端连接至热盐罐(5)，热盐罐(5)的高温熔盐输出端次连接至过热器(6)、蒸汽发生器(7)、预热器(8)和冷盐罐(9)，过热器(6)、蒸汽发生器(7)、预热器(8)用于加热给水产生过热蒸汽给高压缸(11)；冷盐罐(9)的低温熔盐输出端连接至集热场(3)的熔盐进口；所述高压缸(11)的蒸汽出口连接至低压缸(15)的入口，所述低压缸(15)的气体输送端与汽轮机(19)连通，用于驱动汽轮机(19)带动发电机进行发电，发电机的电能输出端连接至用户(27)。5.根据权利要求1所述的基于可再生能源的电热氢多源协调供能系统，其特征在于，所述质子交换膜电解池子系统(400)包括：质子交换膜电解槽(23)和储氢罐(24)，用于利用富裕的电能电解制氢，并将氢气存储于储氢罐(24)之内。6.根据权利要求1所述的基于可再生能源的电热氢多源协调供能系统，其特征在于，所述燃料电池发电子系统包括：质子交换膜燃料电池(25)和第三逆变器(26)，质子交换膜燃料电池(25)用于利用质子交换膜电解池子系统(400)所制氢气发电，电能通过第三逆变器(26)逆变后送入用户(27)使用。7.根据权利要求4所述的基于可再生能源的电热氢多源协调供能系统，其特征在于，所述光伏电池板(1)的电能输出端还连接至电加热器(4)，所述电加热器(4)用于加热冷盐罐(9)输出的低温熔盐。8.根据权利要求4所述的基于可再生能源的电热氢多源协调供能系统，其特征在于，所述风力发电机(2)的电能输出端还连接至电加热器(4)，所述电加热器(4)用于加热冷盐罐(9)输出的低温熔盐。9.根据权利要求4所述的基于可再生能源的电热氢多源协调供能系统，其特征在于，所述热盐罐(5)的高温熔盐输出端还连接有再热器(10)，所述再热器(10)用于加热高压缸(11)排出的蒸汽并输送至低压缸(15)。
10.一种权利要求1所述电热氢多源协调供能系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：光伏发电子系统(100)、风力发电子系统(200)所产生的电能首先提供给用户，如果满足用户负荷，则剩余部分电能送入质子交换膜电解池子系统(400)制氢；当储氢达到设定值时，卖出多余的氢能；如果光伏发电子系统(100)、风力发电子系统(200)所产生的电能仅满足一部分用户负荷时，质子交换膜燃料电池发电子系统(500)将首先启动进行发电，剩余部分由光热发电子系统(300)发电弥补。

技术总结

本发明公开了一种基于可再生能源的电热氢多源协调供能系统及方法，系统包括光伏发电子系统、风力发电子系统、光热发电子系统、质子交换膜电解池子系统和质子交换膜燃料电池发电子系统；光伏发电子系统和风力发电子系统用于发电并输送给用户，富余电力输入质子交换膜电解池子系统制氢；光热发电子系统和质子交换膜燃料电池发电子系统作为调峰电源，与光伏发电子系统和风力发电子系统共同承担电负荷；质子交换膜燃料电池发电子系统发电所用氢气为质子交换膜电解池子系统制备。通过光热发电功率和燃料电池可自主调节的特性，使得综合能源系统可以参与调峰，基本满足了电网负荷需求，实现了高效、安全稳定地平抑风力发电、光伏发电带来的负荷波动。电带来的负荷波动。电带来的负荷波动。