一种基于可再生能源的制氢及发电系统 |
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| 申请号 | CN202311289910.1 | 申请日 | 2023-10-08 | 公开(公告)号 | CN117535691A | 公开(公告)日 | 2024-02-09 |
| 申请人 | 湖北省电力规划设计研究院有限公司; | 发明人 | 曹传胜; 唐畅; 阎瑞敏; 康慨; 李启宏; 郑开琦; 缪翼军; 张云龙; 龚琪; 施念; 宁可; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种基于 可再生 能源 的制氢及发电系统，其集成 太阳能 、 生物 质 沼气能等清洁 可再生能源 驱动的高温固体 氧 化物制氢系统，将 波动 较大的太阳能、以及污染性较大的沼气转换为可清洁可存储的氢气能，并且进一步利用氢 燃料 电池 发电系统，可将氢气能转换为稳定的电 力 输出，解决太阳能波动较大的问题；同时 回收利用 高温固体氧化物 电解 水 系统中的高温氧气和氢气‑水蒸气 热能 ，以及 燃料电池 产生的余热，提高本系统的 能量 利用效率。本发明所述系统的太阳能集热系统采用线性菲涅尔形式，具有系统及布置简单、占地小、投资相对少的特点，具有广泛的适用性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于可再生能源的制氢及发电系统，其特征在于：包括线性菲涅尔光热系统(1)、太阳能集热蒸发器(2)、沼气池(3)、沼气燃烧蒸发器(4)、换热器A(5)、换热器B(6)、光伏发电系统(7)、电加热器(8)、高温固体氧化物电解槽(9)、氧气储存系统(10)、氢气储存系统(11)、氢气‑水分离器(12)、水箱(13)、除盐水补水系统(14)、氢燃料电池发电系统(15)、给水泵(16)和氢燃料电池余热回收装置(17)，所述太阳能集热蒸发器(2)通过第二管路连接换热器A(5)、通过第一管路连接换热器B(6)，所述第一管路和所述第二管路串联，所述第二管路上串联有阀门A(18)，所述第一管路和所述第二管路之间通过第三管路连通，第三管路上串联设置有沼气燃烧蒸发器(4)和阀门B(19)，所述沼气燃烧蒸发器(4)通过第四管路连通所述沼气池(3)，所述第四管路上串联设置有阀门C(20)，所述换热器B(6)上还连接第五管路，所述第五管路上串联设置有电加热器(8)、高温固体氧化物电解槽(9)，所述光伏发电系统(7)与所述电加热器(8)和所述高温固体氧化物电解槽(9)电连接，所述高温固体氧化物电解槽(9)通过第六管路依次连通换热器B(6)、换热器A(5)和氧气储存系统(10)，所述高温固体氧化物电解槽(9)通过第七管路依次连通换热器B(6)、换热器A(5)和氢气‑水分离器(12)，所述第六管路和所述第七管路平平行布置，所述氢气‑水分离器(12)上连接有并联设置的第八管路和第九管路，所述第八管路连接氢气储存系统(11)，所述第九管路连接水箱(13)，所述水箱(13)设置有一个进水口、一个回水口和一个出水口，所述水箱(13)的进水口通过第十管路连接所述除盐水补水系统(14)，所述水箱(13)的出水口通过第十一管路连接所述氢燃料电池余热回收装置(17)，所述氢燃料电池余热回收装置(17)通过第十二管路连通所述水箱(13)的回水口，所述氢燃料电池余热回收装置(17)通过第十三管路连通所述换热器A(5)，所述十三管路上串联有给水泵(16)，所述氢燃料电池余热回收装置(17)通过第十四管路与所述第八管路连通。 |
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| 说明书全文 | 一种基于可再生能源的制氢及发电系统技术领域背景技术[0002] 氢能技术：氢能被认为是一种清洁能源载体，具有高能量密度和零排放等优点。然而，它也存在一些技术缺陷。首先，氢气储存和运输方面存在挑战，因为氢气具有较低的能量密度，需要高压或低温储存，这增加了安全风险和成本。因此，氢能的合理、高效和安全利用仍然面临技术难题。 [0003] 太阳能和生物质能：太阳能和生物质能是重要的清洁可再生能源，具有丰富的资源。然而，太阳能具有不稳定和间歇性的特点，对电力系统的安全稳定运行产生影响。因此，需要结合储能技术来消除这种影响。此外，生物质能源如沼气在农村地区可以解决一些能源问题，但沼气的储存和运输困难，并且需要净化处理，这也是一个技术挑战，同时沼气中包含硫化氢和二氧化碳等杂质，需要耗能进行净化处理，否则会损害设备和环境。 [0004] 太阳能光伏发电：太阳能光伏发电在我国取得迅猛发展，但仍然面临挑战。虽然具有巨大储量，但由于太阳能的不稳定性，对电力系统的安全稳定性产生影响。因此，需要储能技术来消除这种波动性。另外，光伏发电的普及需要政策支持，尤其是在农村地区。 [0005] 太阳能光热发电：太阳能光热发电也在发展中，其中线性菲涅尔技术具有一些优点。然而，太阳能光热发电仍然受到太阳能资源波动的限制，因此需要储能技术来提高其稳定性。此外，高温固体氧化物电解水制氢技术虽然有潜力，但仍需要更多研究和发展来实现高效制氢。 [0007] 综上可知，上述各种可再生能源技术即存在优点，也存在缺陷，故如何将上述可再生能源技术整合实现取长补短形成一种基于可再生能源的制氢及发电系统是亟待解决的技术问题。 发明内容[0008] 本申请实施例提供了一种基于可再生能源的制氢及发电系统，其集成太阳能、生物质沼气能等清洁可再生能源驱动的高温固体氧化物制氢系统，将波动较大的太阳能、以及污染性较大的沼气转换为可清洁可存储的氢气能，并且进一步利用氢燃料电池发电系统，可将氢气能转换为稳定的电力输出，解决太阳能波动较大的问题；同时回收利用高温固体氧化物电解水系统中的高温氧气和氢气‑水蒸气热能，以及燃料电池产生的余热，提高本系统的能量利用效率。本发明所述系统的太阳能集热系统采用线性菲涅尔形式，具有系统及布置简单、占地小、投资相对少的特点，具有广泛的适用性。 [0009] 本申请实施例提供了一种基于可再生能源的制氢及发电系统，括线性菲涅尔光热系统、太阳能集热蒸发器、沼气池、沼气燃烧蒸发器、换热器A、换热器B、光伏发电系统、电加热器、高温固体氧化物电解槽、氧气储存系统、氢气储存系统、氢气‑水分离器、水箱、除盐水补水系统、氢燃料电池发电系统、给水泵和氢燃料电池余热回收装置，所述太阳能集热蒸发器通过第二管路连接换热器A、通过第一管路连接换热器B，所述第一管路和所述第二管路串联，所述第二管路上串联有阀门A，所述第一管路和所述第二管路之间通过第三管路连通，第三管路上串联设置有沼气燃烧蒸发器和阀门B，所述沼气燃烧蒸发器通过第四管路连通所述沼气池，所述第四管路上串联设置有阀门C，所述换热器B上还连接第五管路，所述第五管路上串联设置有电加热器、高温固体氧化物电解槽，所述光伏发电系统与所述电加热器和所述高温固体氧化物电解槽电连接，所述高温固体氧化物电解槽通过第六管路依次连通换热器B、换热器A和氧气储存系统，所述高温固体氧化物电解槽通过第七管路依次连通换热器B、换热器A和氢气‑水分离器，所述第六管路和所述第七管路平平行布置，所述氢气‑水分离器上连接有并联设置的第八管路和第九管路，所述第八管路连接氢气储存系统，所述第九管路连接水箱，所述水箱设置有一个进水口、一个回水口和一个出水口，所述水箱的进水口通过第十管路连接所述除盐水补水系统，所述水箱的出水口通过第十一管路连接所述氢燃料电池余热回收装置，所述氢燃料电池余热回收装置通过第十二管路连通所述水箱的回水口，所述氢燃料电池余热回收装置通过第十三管路连通所述换热器A，所述十三管路上串联有给水泵，所述氢燃料电池余热回收装置通过第十四管路与所述第八管路连通。 [0010] 在本发明的一种优选实施方案中，所述光伏发电系统与所述高温固体氧化物电解槽电连接之间的导通线路上并联有电解槽供电功率表；所述光伏发电系统与所述电加热器之间的导通线路上并联有光伏发电功率表；所述第八管路上并联有氢气储存系统入口氢气流量计；所述第十四管路上并联有氢燃料电池入口氢气流量计；位于所述电加热器和所述高温固体氧化物电解槽之间第五管路上并联有过热蒸汽温度测量仪；所述氢燃料电池余热回收装置上连接有氢燃料电池发电功率表；所述阀门A上连接有阀门A控制机构；所述阀门B上连接有阀门B控制机构；所述阀门C上连接有阀门C控制机构；所述第十三管路上并联有给水流量计；所述给水泵上连接有水泵控制机构。 [0011] 在本发明的一种优选实施方案中，还包括物联网网关和控制管理平台，所述控制管理平台和所述物联网网关通讯连接，所述物联网网关的信号输入端通讯连接有光伏发电功率表、电解槽供电功率表、氢气储存系统入口氢气流量计、氢燃料电池入口氢气流量计、过热蒸汽温度测量仪、氢燃料电池发电功率表和给水流量计，所述物联网网关的信号输出端通讯连接有阀门A控制机构、阀门B控制机构、阀门C控制机构和给水泵控制机构。 [0012] 在本发明的一种优选实施方案中，当太阳能辐射强度降低时，控制管理系统感知控制层的光伏发电功率表、电解槽供电功率表将电量降低的信号、过热蒸汽温度测量仪将温度降低的信号，通过网络传输层，传输到控制管理平台，管理控制平台经过分析发出指令，通过网络传输层，将指令传递给阀门A控制机构、阀门B控制机构、阀门C控制机构，增加阀门C开度、增加阀门B开度、减少阀门A开度，同时，过热蒸汽温度测量仪将温度降低的信号，通过网络传输层，反馈到控制管理平台，以监测过热蒸汽温度是否提升到设定的控制目标温度T；同时氢气储存系统入口氢气流量计、氢燃料电池入口氢气流量计、氢燃料电池发电功率表将信号反馈给控制管理平台，以监控氢气产量和发电量是否保持稳定状态。 [0013] 在本发明的一种优选实施方案中，当太阳能辐射强度升高时，控制管理系统感知控制层的光伏发电功率表、电解槽供电功率表将电量升高的信号、过热蒸汽温度测量仪将温度升高的信号，通过网络传输层，传输到控制管理平台，管理控制平台经过分析发出指令，通过网络传输层，将指令传递给阀门A控制机构、阀门B控制机构、阀门C控制机构，降低阀门C开度、增加阀门B开度、降低阀门A开度，同时，过热蒸汽温度测量仪将温度降低的信号，通过网络传输层，反馈到控制管理平台，以监测过热蒸汽温度是否降低到设定控制目标值T；同时氢气储存系统入口氢气流量计、氢燃料电池入口氢气流量计、氢燃料电池发电功率表将信号反馈给控制管理平台，以监控氢气产量和发电量是否保持稳定状态。 [0014] 在本发明的一种优选实施方案中，当电力负荷升高或降低时，控制管理系统感知控制层的氢燃料电池发电功率表将电负荷变化的信号，通过网络传输层，传输到控制管理平台，管理控制平台经过分析发出指令，通过网络传输层，将指令传递给给水泵控制机构，调整给水流量；同时给水流量计、氢气储存系统入口氢气流量计、氢燃料电池入口氢气流量计、氢燃料电池发电功率表将信号反馈给控制管理平台，以监控给水流量、氢气产量和发电量是否按照设定值进行了调整。 [0016] 在本发明的一种优选实施方案中，电解水制氢所需的总能量ΔH(T)来源由电能ΔG(T)和热能Q(T)构成，ΔH(T)＝ΔG(T)+Q(T)，热能Q(T)，与电解槽工作温度T之间的关系为Q(T)＝0.0588*(T+273.15)‑6.04。 [0017] 在本发明的一种优选实施方案中，通过控制阀门A的开度大小控制流向太阳能集热蒸发器的给水流量。 [0018] 在本发明的一种优选实施方案中，通过控制阀门B的开度大小，控制流向沼气燃烧蒸发器的给水流量。 [0019] 本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：本发明基于可再生能源制氢及发电，利用可再生能源太阳能、生物质能，以及高温固体氧化物电解水技术制氢，提高了制氢效率。同时联合储氢及氢燃料电池发电，通过控制管理系统实时调整整个系统的工作状态，解决可再生能源发电间歇性和波动性较大的问题。本发明回收利用了氢燃料电池余热及电解水制氢产物所带的高温热量，提高了整个系统的能量综合利用效率。本发明回收利用部分水，包括制氢系统产物氢气带出的水，及氢燃料电池发电产生的水，都被回收循环使用，节约了用水；具体的，本发明具有如下优点： [0020] 1、上述高温固体氧化物电解槽需要高温蒸汽进行电解制氢时，最初水箱中的水依次经过氢燃料电池余热回收装置、换热器A后，水温逐渐升高，再经过太阳能集热蒸发器或者沼气燃烧蒸发器后，水蒸气被加热成水蒸气，水蒸气经过换热器B后，温度进一步升高，再经过电加热器后，过热蒸汽温度达到高温固体氧化物电解槽工作所需的温度，水在高温热能和电能的共同作用下分界产生氢气和氧气，制氢过程完成。整个流程中，高温固体氧化物电解水所需要的热能来自于可再生的太阳能热能或生物质沼气能，所需要的电能来源于太阳能光伏系统产生的绿电，有效的利用了绿色可再生能源制氢。制得的氢气可以根据实际需求，最终部分进入氢气储存系统储存，部分进入氢燃料电池系统发电。制得的氧气最终进入氢气储存系统储存。制氢系统产生的氢气+水蒸气中，水蒸气被冷却为水，回收至水箱循环利用，节约了用水。 [0021] 2、上述可再生能源利用系统中设置了太阳能热蒸发器和沼气燃烧蒸发器两套装置。当太阳能辐射波动或者生物质沼气量波动时，太阳能集热蒸发器或者沼气燃烧蒸发器产生的水蒸气参数不能满足需求，可以通过调节阀门A和阀门B，重新分配流过上述两套装置的水量，以满足高温水蒸气参数需求。因此，太阳能热蒸发器和沼气燃烧蒸发器两套装置提高了可再生能源利用系统的适应性和稳定性。 [0022] 3、上述氢燃料电池发电系统利用制氢系统产生的氢气生产稳定的电力，电力可以自用或上网。上述氢燃料电池发电系统产生的回水回收的到水箱中供制氢系统循环使用，节约了用水。 [0023] 4、上述余热回收系统中，氢燃料电池余热回收装置将氢燃料电池工作中产生的热量转换为水的热量带走，既冷却了氢燃料电池，又回收利用了余热。上述高温固体氧化物电解产生的高温氢气+水蒸汽和高温氧气，依次流过换热器B、换热器A，依次将热量传递给水蒸气及给水，既冷却了高温氢气，又回收利用了热能。余热回收系统回收利用热能，提高了可再生能源的制氢及发电系统的能源综合利用效率。 [0024] 5、上述基于可再生能源的制氢及发电系统，通过高温固体氧化物制氢，同时联合储氢及氢燃料电池发电，解决光伏发电间歇性和波动性较大的问题。高温固体氧化物制氢效率与其他电解水制氢方式相比更高，采用可再生能源光热、生物质、光伏联合制氢，解决了目前常温电解水制氢效率较低的问题。 [0025] 6、上述控制管理系统通过设置感知控制层、网络传输层、管理平台层，可以实时根据太阳能辐射的波动，以及氢燃料电池发电负荷的波动，动态调整系统的工作状态，保证制氢系统和发电系统的稳定运行，提高系统使用寿命。 [0026] 7、上述基于可再生能源的制氢及发电系统适用范围广泛，可在光资源好的“三北”地区使用，也可在生物质沼气资源丰富的偏远山区、农牧地区使用，也可以在海岛等无电力供应的特殊环境使用。上述线性菲涅尔光热系统布置灵活方便、结构简单，运维成本低。附图说明 [0027] 为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0028] 图1为本申请实施例的一种基于可再生能源的制氢及发电系统的示意图； [0029] 图2为本申请实施例的一种基于可再生能源的制氢及发电系统的控制管理系统示意图； [0030] 图中，1‑线性菲涅尔光热系统，2‑太阳能集热蒸发器，3‑沼气池，4‑沼气燃烧蒸发器，5‑换热器A，6‑换热器B，7‑光伏发电系统，8‑电加热器，9‑高温固体氧化物电解槽，10‑氧气储存系统，11‑氢气储存系统，12‑氢气‑水分离器，13‑水箱，14‑除盐水补水系统，15‑氢燃料电池发电系统，16‑给水泵，17‑氢燃料电池余热回收装置，18‑阀门A，19‑阀门B，20‑阀门C，101‑光伏发电功率表，102‑电解槽供电功率表，103‑氢气储存系统入口氢气流量计，104‑氢燃料电池入口氢气流量计，105‑过热蒸汽温度测量仪，106‑氢燃料电池发电功率表，107‑阀门A控制机构，108‑阀门B控制机构，109‑阀门C控制机构，112‑给水流量计，113‑给水泵控制机构。 具体实施方式[0031] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。 [0032] 本发明公开了一种基于可再生能源的制氢及发电系统，本发明的目的在于，集成太阳能、生物质沼气能等清洁可再生能源驱动的高温固体氧化物制氢系统，将波动较大的太阳能、以及污染性较大的沼气转换为可清洁可存储的氢气能，并且进一步利用氢燃料电池发电系统，可将氢气能转换为稳定的电力输出，解决太阳能波动较大的问题；同时回收利用高温固体氧化物电解水系统中的高温氧气和氢气‑水蒸气热能，以及燃料电池产生的余热，提高本系统的能量利用效率。本发明所述系统的太阳能集热系统采用线性菲涅尔形式，具有系统及布置简单、占地小、投资相对少的特点，具有广泛的适用性。 [0033] 具体的，本发明公开了一种基于可再生能源的制氢及发电系统，包括线性菲涅尔光热系统1、太阳能集热蒸发器2、沼气池3、沼气燃烧蒸发器4、换热器A5、换热器B6、光伏发电系统7、电加热器8、高温固体氧化物电解槽9、氧气储存系统10、氢气储存系统11、氢气‑水分离器12、水箱13、除盐水补水系统14、氢燃料电池发电系统15、给水泵16和氢燃料电池余热回收装置17，太阳能集热蒸发器2通过第二管路连接换热器A5、通过第一管路连接换热器B6，第一管路和第二管路串联，第二管路上串联有阀门A18，第一管路和第二管路之间通过第三管路连通，第三管路上串联设置有沼气燃烧蒸发器4和阀门B19，沼气燃烧蒸发器4通过第四管路连通沼气池3，第四管路上串联设置有阀门C20，换热器B6上还连接第五管路，第五管路上串联设置有电加热器8、高温固体氧化物电解槽9，光伏发电系统7与电加热器8和高温固体氧化物电解槽9电连接，高温固体氧化物电解槽9通过第六管路依次连通换热器B6、换热器A5和氧气储存系统10，高温固体氧化物电解槽9通过第七管路依次连通换热器B6、换热器A5和氢气‑水分离器12，第六管路和第七管路平平行布置，氢气‑水分离器12上连接有并联设置的第八管路和第九管路，第八管路连接氢气储存系统11，第九管路连接水箱13，水箱13设置有一个进水口、一个回水口和一个出水口，水箱13的进水口通过第十管路连接除盐水补水系统14，水箱13的出水口通过第十一管路连接氢燃料电池余热回收装置17，氢燃料电池余热回收装置17通过第十二管路连通水箱13的回水口，氢燃料电池余热回收装置17通过第十三管路连通换热器A5，十三管路上串联有给水泵16，氢燃料电池余热回收装置17通过第十四管路与第八管路连通。 [0034] 优选地，光伏发电系统7与高温固体氧化物电解槽9电连接之间的导通线路上并联有电解槽供电功率表102；光伏发电系统7与电加热器8之间的导通线路上并联有光伏发电功率表101；第八管路上并联有氢气储存系统入口氢气流量计103；第十四管路上并联有氢燃料电池入口氢气流量计104；位于电加热器8和高温固体氧化物电解槽9之间第五管路上并联有过热蒸汽温度测量仪105；氢燃料电池余热回收装置17上连接有氢燃料电池发电功率表106；阀门A18上连接有阀门A控制机构107；阀门B19上连接有阀门B控制机构108；阀门C20上连接有阀门C控制机构109；第十三管路上并联有给水流量计112；给水泵16上连接有水泵控制机构113。 [0035] 优选地，还包括物联网网关110和控制管理平台111，控制管理平台111和物联网网关110通讯连接，物联网网关110的信号输入端通讯连接有光伏发电功率表101、电解槽供电功率表102、氢气储存系统入口氢气流量计103、氢燃料电池入口氢气流量计104、过热蒸汽温度测量仪105、氢燃料电池发电功率表106和给水流量计112，物联网网关110的信号输出端通讯连接有阀门A控制机构107、阀门B控制机构108、阀门C控制机构109和给水泵控制机构113。 [0036] 优选地，当太阳能辐射强度降低时，控制管理系统感知控制层的光伏发电功率表101、电解槽供电功率表102将电量降低的信号、过热蒸汽温度测量仪105将温度降低的信号，通过网络传输层，传输到控制管理平台111，管理控制平台经过分析发出指令，通过网络传输层，将指令传递给阀门A控制机构107、阀门B控制机构108、阀门C控制机构109，增加阀门C开度、增加阀门B开度、减少阀门A开度，同时，过热蒸汽温度测量仪105将温度提升的信号，通过网络传输层，反馈到控制管理平台111，以监测过热蒸汽温度是否提升到设定的控制目标温度T；同时氢气储存系统入口氢气流量计103、氢燃料电池入口氢气流量计104、氢燃料电池发电功率表106将信号反馈给控制管理平台111，以监控氢气产量和发电量是否保持稳定状态。 [0037] 优选地，当太阳能辐射强度升高时，控制管理系统感知控制层的光伏发电功率表101、电解槽供电功率表102将电量升高的信号、过热蒸汽温度测量仪105将温度升高的信号，通过网络传输层，传输到控制管理平台111，管理控制平台经过分析发出指令，通过网络传输层，将指令传递给阀门A控制机构107、阀门B控制机构108、阀门C控制机构109，降低阀门C开度、增加阀门B开度、降低阀门A开度，同时，过热蒸汽温度测量仪105将温度降低的信号，通过网络传输层，反馈到控制管理平台111，以监测过热蒸汽温度是否降低到设定控制目标值T；同时氢气储存系统入口氢气流量计103、氢燃料电池入口氢气流量计104、氢燃料电池发电功率表106将信号反馈给控制管理平台111，以监控氢气产量和发电量是否保持稳定状态。 [0038] 优选地，当电力负荷升高或降低时，控制管理系统感知控制层的氢燃料电池发电功率表106将电负荷变化的信号，通过网络传输层，传输到控制管理平台111，管理控制平台经过分析发出指令，通过网络传输层，将指令传递给给水泵控制机构113，调整给水流量；同时给水流量计112、氢气储存系统入口氢气流量计103、氢燃料电池入口氢气流量计104、氢燃料电池发电功率表106将信号反馈给控制管理平台111，以监控给水流量、氢气产量和发电量是否按照设定值进行了调整。 [0039] 优选地，设定控制目标值T计算公式如下：ΔG(T)＝246.12‑0.0527*(T+273.15)，其中，ΔG(T)为电能，ΔG(T)通过电解槽供电功率表102获取。 [0040] 优选地，电解水制氢所需的总能量ΔH(T)来源由电能ΔG(T)和热能Q(T)构成，ΔH(T)＝ΔG(T)+Q(T)，热能Q(T)，与电解槽工作温度T之间的关系为Q(T)＝0.0588*(T+273.15)‑6.04。 [0041] 优选地，通过控制阀门A的开度大小控制流向太阳能集热蒸发器2的给水流量。 [0042] 优选地，通过控制阀门B的开度大小，控制流向沼气燃烧蒸发器4的给水流量。 [0043] 如图1所示，其中1为线性菲涅尔光热系统，2为太阳能集热蒸发器，3为沼气池，4为沼气燃烧蒸发器，5为换热器A，6为换热器B，7为光伏发电系统，8为电加热器，9为高温固体氧化物电解槽，10为氧气储存系统，11为氢气储存系统，12为氢气‑水分离器，13为水箱，14为除盐水补水系统，15为氢燃料电池发电系统，16为给水泵，17为氢燃料电池余热回收装置，18为阀门A，19为阀门B，20为阀门C，101为光伏发电功率表，102为电解槽供电功率表，103为氢气储存系统入口氢气流量计，104为氢燃料电池入口氢气流量计，105为过热蒸汽温度测量仪，106为氢燃料电池发电功率表，107为阀门A控制机构，108为阀门B控制机构，109为阀门C控制机构，112为给水流量计，113为给水泵控制机构； [0044] 如图2所示，其中101为光伏发电功率表，102为电解槽供电功率表，103为氢气储存系统入口氢气流量计，104为氢燃料电池入口氢气流量计，105为过热蒸汽温度测量仪，106为氢燃料电池发电功率表，107为阀门A控制机构，108为阀门B控制机构，109为阀门C控制机构，112为给水流量计，113为给水泵控制机构，110为物联网网关，111为控制管理平台。 [0045] 本发明为一种基于可再生能源的制氢及发电系统，可以将波动的太阳能、生物质沼气能转换为氢能储存，并进一步将氢能转换为稳定的电能输出。系统可以分为可再生能源利用系统、制氢系统、余热回收系统、发电系统、以及控制管理系统。 [0046] 可再生能源利用系统包含线性菲涅尔光热系统(含太阳能集热蒸发器)、沼气池、沼气燃烧蒸发器、光伏发电系统、电加热器，以及阀门A、阀门B和阀门C。线性菲涅光热系统的太阳能集热蒸发器给水入口与阀门A出口相连，通过控制阀门A的开度大小，控制流向太阳能集热蒸发器的给水流量。电加热器水蒸气出口与高温固体氧化物电解槽高温水蒸气入口相连。光伏发电系统与电加热器和高温固体氧化物电解槽相连。沼气池沼气出口与沼气燃烧蒸发器沼气入口相连，通过控制阀门C的开度大小，控制流向沼气燃烧器的沼气量。沼气燃烧蒸发器给水入口与阀门B出口相连，通过控制阀门B的开度大小，控制流向沼气燃烧蒸发器的给水流量。 [0047] 制氢系统包括高温固体氧化物电解槽、氢气储存系统、氧气储存系统、氢气‑水分离器。高温固体氧化物电解槽的水蒸气入口与电加热器过热蒸汽出口相连。电解用电接口与光伏发电系统相连。高温固体氧化物电解槽氢气+水蒸气出口与换热器B高温氢气入口相连，换热器B高温氢气出口与换热器A氢气入口相连，换热器A氢气出口与氢气‑水分离器入口相连，氢气‑水分离器氢气出口与氢气储存系统及氢燃料电池系统相连，氢气‑水分离器水出口与水箱相连。高温固体氧化物电解槽氧气出口与换热器B高温氧气入口相连，换热器B高温氧气出口与换热器A氧气入口相连，换热器A氧气出口与氧气存储系统相连。 [0048] 余热回收系统包括换热器A、换热器B、氢燃料电池余热回收装置，以及配套的除盐水补给系统、水箱、给水泵。水箱的除盐水补给入口与除盐水补水系统相连。水箱的给水出口与氢燃料电池余热回收装置冷却水入口相连，氢燃料电池余热回收装置冷却水出口与给水泵入口相连，给水泵出口与换热器A给水入口相连，换热器A给水出口与分两路分别与阀门A和阀门B入口相连。太阳能集热蒸发器水蒸气出口、沼气燃烧蒸发器水蒸汽出口与换热器B水蒸气入口相连，换热器B水蒸气出口与电加热器水蒸气入口相连。 [0049] 发电系统包括氢燃料电池发电系统。氢燃料电池氢气入口与氢气‑水分离器出口相连。氢燃料电池空气入口与大气相连。氢燃料电池出水口与水箱回水接口相连。氢燃料电池输出的稳定电力可上网或者用户自用。 [0050] 控制管理系统的架构包括感知控制层、网络传输层、管理平台层。 [0051] 感知控制层包括光伏发电功率表101，电解槽供电功率表102，氢气储存系统入口氢气流量计103，氢燃料电池入口氢气流量计104，过热蒸汽温度测量仪105，氢燃料电池发电功率表106，阀门A控制机构107，阀门B控制机构108，阀门C控制机构109，给水流量计112，给水泵控制机构113。光伏发电功率表设置在光伏发电系统出口线路上，用于监控光伏发电系统的供电量(含对电加热器供电和对高温固体氧化物电解槽供电)。电解槽供电功率表设置在高温固体氧化物电解槽供电线路入口，用于监控对电解槽的供电量。氢气存储系统入口氢气流量计设置在氢气存储系统入口管道上，用于监控进入到氢气存储系统的氢气量。氢燃料电池入口氢气流量计设置在氢燃料电池氢气入口管路上，用于监控燃料电池用氢气量。过热蒸汽温度测量仪设置在高温固体氧化物电解槽的水蒸气入口管路上，用于监控参与电解反应的过热蒸汽温度。氢燃料电池发电功率表设置在输出电力线路上，用于监控系统输出的电量。阀门A控制机构、阀门B控制机构、阀门C控制机构分别设置在阀门A、B、C上，用于控制阀门的开度，以便调整相应管路上的流量。给水流量计设置在给水泵出口管路上，用于监控给水流量。给水泵控制机构设置在给水泵上，用于调整通过给水泵的给水流量。 [0052] 网络传输层包括物联网网关110，设置在感知控制层与管理平台层之间，用于各传感设备和控制机构的信号汇集和传输。 [0054] 1)情景一：当太阳能辐射强度降低时，光伏发电系统发电量降低，导致输入到固体氧化物电解槽的供电量降低；同时，线性菲涅尔光热系统集热量降低，导致集热器蒸汽出口的蒸汽热量降低。根据电解水制氢原理，电解水制氢所需的总能量(ΔH)来源由电能(ΔG)和热能(Q)构成，即： [0055] ΔH(T)＝ΔG(T)+Q(T) (1) [0056] 根据公式(1)可知，当保持总能量需求不变时，如果输入电能降低，则热能需求升高，如果输入电能升高，则热能需求降低。因此，当太阳能辐射强度降低，输入的电能量降低时，需要提高输入电解槽的热量，以保持电解槽输入总能量不变。在太阳能辐射强度降低，线性菲涅尔光热系统集热量降低导致集热器蒸汽出口的蒸汽热量降低时，为了提升输入电解槽的热量，则需要提高沼气燃烧器蒸汽出口蒸汽热量，因此需要增加进入沼气燃烧器燃烧的沼气量，同时增加进入沼气燃烧器换热的给水流量、降低进入线性菲涅尔光热系统集热器的给水流量，以提升沼气燃烧器出口蒸汽热量，进而提升输入到电解槽的总热量。 [0057] 通过研究，电能(ΔG)与电解槽工作温度(T)之间存在以下关系： [0058] ΔG(T)＝246.12‑0.0527*(T+273.15) (2) [0059] 上式中输入电能ΔG可以通过电解槽供电功率表(102)获取，根据公式(2)，可以计算得到所需的工作温度T1，在控制系统中，将此温度设置为控制目标温度T1。 [0060] 通过研究，热能(Q)与电解槽工作温度(T)之间存在以下关系： [0061] Q(T)＝0.0588*(T+273.15)‑6.04 (3) [0062] 通过公式(3)可知，当输入热量升高时，温度会随之升高。 [0063] 根据以上原理，控制管理系统感知控制层的光伏发电功率表101、电解槽供电功率表102将电量降低的信号、过热蒸汽温度测量仪105将温度降低的信号，通过网络传输层，传输到控制管理平台111，管理控制平台经过分析发出指令，通过网络传输层，将指令传递给阀门A控制机构107、阀门B控制机构108、阀门C控制机构109，增加阀门C开度、增加阀门B开度、减少阀门A开度。同时，过热蒸汽温度测量仪105将温度降低的信号，通过网络传输层，反馈到控制管理平台111，以监测过热蒸汽温度是否提升到设定的控制目标温度T1；同时氢气储存系统入口氢气流量计103、氢燃料电池入口氢气流量计104、氢燃料电池发电功率表106将信号反馈给控制管理平台111，以监控氢气产量和发电量是否保持稳定状态。 [0064] 情景二：当太阳能辐射强度升高时，光伏发电系统发电量升高，导致输入到固体氧化物电解槽的供电量升高；同时，线性菲涅尔光热系统集热量升高，导致集热器蒸汽出口的蒸汽热量升高。为保证电解槽输入能量稳定，以及产氢量稳定，则需要降低输入到电解槽的热量。根据公式(2)计算得到所需的工作温度T2，在控制系统中，将此温度设置为控制目标温度T2。 [0065] 根据以上原理，控制管理系统感知控制层的光伏发电功率表101、电解槽供电功率表102将电量升高的信号、过热蒸汽温度测量仪105将温度升高的信号，通过网络传输层，传输到控制管理平台111，管理控制平台经过分析发出指令，通过网络传输层，将指令传递给阀门A控制机构107、阀门B控制机构108、阀门C控制机构109，降低阀门C开度、增加阀门B开度、降低阀门A开度。同时，过热蒸汽温度测量仪(105)将温度降低的信号，通过网络传输层，反馈到控制管理平台111，以监测过热蒸汽温度是否降低到设定控制目标值T2；同时氢气储存系统入口氢气流量计103、氢燃料电池入口氢气流量计104、氢燃料电池发电功率表106将信号反馈给控制管理平台111，以监控氢气产量和发电量是否保持稳定状态。 [0066] 情景三：当电力负荷变化(升高或降低)时，即发电系统氢燃料电池发电量变化时(氢气供应量变化)，若需要保证输入到储氢系统的氢气量不变，则需要调整(升高或降低)电解槽的产氢量，因此需要调整(增加或降低)系统给水量。根据以上原理，控制管理系统感知控制层的氢燃料电池发电功率表106将电负荷变化的信号，通过网络传输层，传输到控制管理平台111，管理控制平台经过分析发出指令，通过网络传输层，将指令传递给给水泵控制机构113，调整给水流量；同时给水流量计112、氢气储存系统入口氢气流量计103、氢燃料电池入口氢气流量计104、氢燃料电池发电功率表106将信号反馈给控制管理平台111，以监控给水流量、氢气产量和发电量是否按照设定值进行了调整。 [0067] 本发明的有益效果为： [0068] 上述高温固体氧化物电解槽需要高温蒸汽进行电解制氢时，最初水箱中的水依次经过氢燃料电池余热回收装置、换热器A后，水温逐渐升高，再经过太阳能集热蒸发器或者沼气燃烧蒸发器后，水蒸气被加热成水蒸气，水蒸气经过换热器B后，温度进一步升高，再经过电加热器后，过热蒸汽温度达到高温固体氧化物电解槽工作所需的温度，水在高温热能和电能的共同作用下分界产生氢气和氧气，制氢过程完成。整个流程中，高温固体氧化物电解水所需要的热能来自于可再生的太阳能热能或生物质沼气能，所需要的电能来源于太阳能光伏系统产生的绿电，有效的利用了绿色可再生能源制氢。制得的氢气可以根据实际需求，最终部分进入氢气储存系统储存，部分进入氢燃料电池系统发电。制得的氧气最终进入氢气储存系统储存。制氢系统产生的氢气+水蒸气中，水蒸气被冷却为水，回收至水箱循环利用，节约了用水。 [0069] 上述可再生能源利用系统中设置了太阳能热蒸发器和沼气燃烧蒸发器两套装置。当太阳能辐射波动或者生物质沼气量波动时，太阳能集热蒸发器或者沼气燃烧蒸发器产生的水蒸气参数不能满足需求，可以通过调节阀门A和阀门B，重新分配流过上述两套装置的水量，以满足高温水蒸气参数需求。因此，太阳能热蒸发器和沼气燃烧蒸发器两套装置提高了可再生能源利用系统的适应性和稳定性。 [0070] 上述氢燃料电池发电系统利用制氢系统产生的氢气生产稳定的电力，电力可以自用或上网。上述氢燃料电池发电系统产生的回水回收的到水箱中供制氢系统循环使用，节约了用水。 [0071] 上述余热回收系统中，氢燃料电池余热回收装置将氢燃料电池工作中产生的热量转换为水的热量带走，既冷却了氢燃料电池，又回收利用了余热。上述高温固体氧化物电解产生的高温氢气+水蒸汽和高温氧气，依次流过换热器B、换热器A，依次将热量传递给水蒸气及给水，既冷却了高温氢气，又回收利用了热能。余热回收系统回收利用热能，提高了可再生能源的制氢及发电系统的能源综合利用效率。 [0072] 上述基于可再生能源的制氢及发电系统，通过高温固体氧化物制氢，同时联合储氢及氢燃料电池发电，解决光伏发电间歇性和波动性较大的问题。高温固体氧化物制氢效率与其他电解水制氢方式相比更高，采用可再生能源光热、生物质、光伏联合制氢，解决了目前常温电解水制氢效率较低的问题。 [0073] 上述控制管理系统通过设置感知控制层、网络传输层、管理平台层，可以实时根据太阳能辐射的波动，以及氢燃料电池发电负荷的波动，动态调整系统的工作状态，保证制氢系统和发电系统的稳定运行，提高系统使用寿命。 [0074] 上述基于可再生能源的制氢及发电系统适用范围广泛，可在光资源好的“三北”地区使用，也可在生物质沼气资源丰富的偏远山区、农牧地区使用，也可以在海岛等无电力供应的特殊环境使用。上述线性菲涅尔光热系统布置灵活方便、结构简单，运维成本低。 [0075] 实施例： [0076] 一种基于可再生能源的制氢及发电系统包括可再生能源利用系统、制氢系统、余热回收系统和发电系统。 [0077] 可再生能源利用系统包含线性菲涅尔光热系统(含太阳能集热蒸发器)、沼气池、沼气燃烧蒸发器、光伏发电系统、电加热器，以及阀门A和阀门B。线性菲涅光热系统将太阳能聚集到太阳能集热蒸发器，加热蒸发器内的给水产生水蒸气(250～500℃)，水蒸气通过换热器B加热至过热蒸汽(600～800℃)，过热蒸汽通过电加热后达到高温固体氧化物电解槽所需的工作温度(700～900℃)。电加热器以及高温固体氧化物制氢所需电力均由光伏发电系统提供。沼气燃烧蒸发器燃烧利用沼气池来的生物质沼气，加热给水至水蒸气(250～500℃)。通过阀门A和阀门B控制水的流向及流量。通过控制阀门A的开度大小，控制流向太阳能集热蒸发器的给水流量。通过控制阀门B的开度大小，控制流向沼气燃烧蒸发器的给水流量。当太阳能辐射降低时，通过控制阀门A减少流过太阳能集热器的水量，控制阀门B增加流过沼气燃烧蒸发器的水量，此时更多的通过沼气燃烧蒸发器来加热给水产生满足需求的蒸汽。当生物质沼气量降低时，通过控制阀门B减少流过沼气燃烧蒸发器的水流量，控制阀门A增加流过太阳能集热器的水量，此时更多的通过太阳能集热蒸发器来加热给水产生满足需求的蒸汽。 [0078] 制氢系统包括高温固体氧化物电解槽、氢气储存系统、氧气储存系统、氢气‑水分离器。高温固体氧化物电解槽利用来自电加热器蒸汽出口的高温过热蒸汽(700～900℃)以及光伏发电系统来的电力将水电解生成高温氢气和高温氧气。高温氢气+水蒸气依次经过换热器B和换热器A换热冷却后，进入氢气‑水分离器，分离出的氢气部分进入到氢气储存系统，部分进入到氢气燃料电池发电系统，分离的水进入到水箱。高温氧气依次经过换热器B和换热器A换热冷却后，进入到氧气存储系统。高温氢气+水蒸气冷却后的水进入水箱回收循环使用。对于制氢系统消耗的水及损失的水，采用除盐水补水的方式，补给到水箱。 [0079] 余热回收系统包括换热器A、换热器B、氢燃料电池余热回收装置，以及配套的除盐水补给系统、水箱、给水泵。除盐水补水系统将常温补水注入到水箱汇总，水箱出口给水流经氢燃料电池余热回收装置，升温后进入给水泵加压，随后给水进入换热器A回收氢气‑水蒸气及氧气所带热量，加热后的给水分两路进入阀门A和阀门B入口。太阳能集热蒸发器产生的水蒸气、沼气燃烧蒸发器产生的水蒸汽流过换热器B回收高温氢气‑水蒸气及高温氧气所带热量，加热后的水蒸气进入电加热器。余热回收系统回收利用了氢燃料电池工作产生的余热和高温氢气‑水蒸气及高温氧气所带的热量，提高了整个系统的能量利用效率。 [0080] 发电系统包括氢燃料电池发电系统。氢气进入氢燃料电池发电，电力可上网或者用户自用。氢燃料电池发电系统产生的回水回收的到水箱中供制氢系统循环使用，节约了用水。 [0081] 控制管理系统的架构包括感知控制层、网络传输层、管理平台层。感知控制层将光伏发电功率表101、电解槽供电功率表102、氢气储存系统入口氢气流量计103、氢燃料电池入口氢气流量计104、过热蒸汽温度测量仪105、氢燃料电池发电功率表106实时采集到的信号，通过网络传输层设备物联网网关110，传输到控制管理平台111，管理控制平台分析后发出指令，通过网络传输层，传递给感知控制层，阀门A控制机构107，阀门B控制机构108，阀门C控制机构109，给水流量计112，给水泵控制机构113等机构执行执行。指令执行完成后，感知控制层的光伏发电功率表101、电解槽供电功率表102、氢气储存系统入口氢气流量计103、氢燃料电池入口氢气流量计104、过热蒸汽温度测量仪105、氢燃料电池发电功率表106等将实时采集到的信号反馈到管理控制平台，以监控系统调整是否完成，以便进一步发出指令。 [0082] 综上，本发明基于可再生能源制氢及发电，利用可再生能源太阳能、生物质能，以及高温固体氧化物电解水技术制氢，提高了制氢效率。同时联合储氢及氢燃料电池发电，通过控制管理系统实时调整整个系统的工作状态，解决可再生能源发电间歇性和波动性较大的问题。本发明回收利用了氢燃料电池余热及电解水制氢产物所带的高温热量，提高了整个系统的能量综合利用效率。本发明回收利用部分水，包括制氢系统产物氢气带出的水，及氢燃料电池发电产生的水，都被回收循环使用，节约了用水。 [0083] 在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。 [0084] 需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。 [0085] 以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。 |
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