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一種風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:5182161閱讀:418來源:國知局
專利名稱:一種風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域,特別是涉及能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電輸出的電量和功率進 行調(diào)控,并且利用氫能源的存儲技術(shù)解決風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng),特別是解決大型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)問 題的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)。
背景技術(shù)
目前,風(fēng)力發(fā)電機電能的并網(wǎng),特別是大型風(fēng)力發(fā)電廠的發(fā)電并網(wǎng)的難題還有待 于解決。首先以一臺1000千瓦的風(fēng)力發(fā)電機組為例,傳統(tǒng)的并網(wǎng)模式是風(fēng)力發(fā)電機必須 加上高精度的電能控制系統(tǒng)(千瓦級容量的電子調(diào)控設(shè)備),需要將風(fēng)電調(diào)整到與電網(wǎng)一 致的電壓、周率、波形、相序,還要調(diào)整有功和無功功率,達(dá)到電網(wǎng)最基本的并網(wǎng)需求,并且 還要輸出電流基本穩(wěn)定,才能夠并入電網(wǎng),這些都依靠大功率的電子調(diào)控設(shè)備實現(xiàn),價格極 高,又極容易損壞。這部分占到整個機組造價的50%,現(xiàn)在的1000千瓦機組的大功率電子 器件市場價大概是800到1000萬元/臺。不僅使整個風(fēng)電機組的造價大幅度上升,而且故 障點增多幾十倍,這些大功率電子器件的穩(wěn)定性較差,特別容易損壞,損壞后的維修、更換 成本一直居高不下。特別是利用風(fēng)能的效率方面更是有太大的差別,并網(wǎng)模式在風(fēng)速小時產(chǎn)生的電能 不夠,不能并網(wǎng),風(fēng)速太大時并網(wǎng)發(fā)電機組因為安全問題會進行“自動保護”(就是在極短的 時間里甩掉負(fù)荷,保護發(fā)電機組不會損壞)突然脫離電網(wǎng),這對電網(wǎng)的危害最大。巨大容量 的電能突然脫離電網(wǎng),會造成電網(wǎng)電壓的大幅度下降,影響整個電網(wǎng)的平穩(wěn)。即使在風(fēng)力發(fā) 電機可使用的風(fēng)速變化范圍(3-20米/秒)內(nèi),大部分的風(fēng)力發(fā)電機僅僅能夠使用總有效 風(fēng)速總量的40%左右(8-14米/秒),這也是為什么大型風(fēng)力發(fā)電機組成本如此的巨大、結(jié) 構(gòu)如此復(fù)雜、工作性能如此不穩(wěn)定的原因所在,再加上對有效風(fēng)速的利用率低,所以造成每 度電的成本很高,并且很難上網(wǎng)并網(wǎng)。另外,風(fēng)力發(fā)電受自然界各種不可控制因素的影響,非常不穩(wěn)定,對電網(wǎng)的安全供 電造成較大沖擊,以風(fēng)力發(fā)電為基礎(chǔ)電源系統(tǒng)的能量輸出受到嚴(yán)厲的短期和季節(jié)性變化限 制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠有效解決風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)問題的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng) 系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供了一種風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng),包括風(fēng)力發(fā)電裝 置、氫氣發(fā)生器、氫氣存儲器以及氫能發(fā)電裝置,所述風(fēng)力發(fā)電裝置的電能輸出端直接或間 接與氫氣發(fā)生器相連,所述氫氣發(fā)生器的氫氣輸出端與所述氫氣儲存器相連,所述氫氣儲 存器與氫能發(fā)電裝置相連,由氫能發(fā)電裝置消耗氫氣儲存器中的氫氣進行發(fā)電并輸出至供 電網(wǎng)絡(luò)。
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優(yōu)選地,所述風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出端通過整流器將其發(fā)出的交流電整流成直流 電,然后與氫氣發(fā)生器連接。優(yōu)選地,進一步包括電池組,所述電池組與氫氣發(fā)生器在電路上相連接,當(dāng)所述風(fēng) 力發(fā)電裝置發(fā)出的電力低于所述氫氣發(fā)生器所需電力時,由所述電池組向氫氣發(fā)生器供電 繼續(xù)產(chǎn)生氫氣和氧氣。優(yōu)選地,所述氫氣發(fā)生器的數(shù)量為多個,在電路上相并聯(lián),其參與制氫的數(shù)量與所 述風(fēng)力發(fā)電裝置的發(fā)電量相匹配;當(dāng)風(fēng)力超過風(fēng)力發(fā)電裝置允許的范圍時,立即耦合下一 個或多個氫氣發(fā)生器,從而快速地減少電流和電功率,降低風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。 優(yōu)選地,所述氫能發(fā)電裝置具體為氫燃料電池或氫內(nèi)燃發(fā)電機。優(yōu)選地,所述氫氣發(fā)生器產(chǎn)生的氫氣通過氫氣管道長距離輸送到缺電缺水地區(qū), 并且與氫燃料電池或氫內(nèi)燃機相連,在發(fā)電的同時生產(chǎn)出潔凈水。優(yōu)選地,所述氫氣發(fā)生器包括氫燃料罐體,所述氫燃料罐體可進行燃料液和電極 反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氧氣,其罐體為雙層結(jié)構(gòu),內(nèi)壁和外壁之間的兩壁空間充滿散熱材料,所述 內(nèi)壁或外壁上設(shè)有散熱壁翅片,罐體底部一側(cè)設(shè)有散熱材料進出口,罐體下方設(shè)有散熱風(fēng) 扇;所述罐體中有兩個電極,分別是氫電極和氧電極;所述兩個電極分別連接氫氣收集器 和氧氣收集器,兩個收集器中分別具有氫氣和氧氣滲透膜,兩個收集器收集的氫氣和氧氣 會分別送到氫氣存儲器和氧氣存儲器。優(yōu)選地,所述罐體內(nèi)的氫電極和氧電極與活塞軸連接,所述活塞軸連接到氣缸的 活塞,所述活塞由驅(qū)動裝置執(zhí)行器驅(qū)動,由所述活塞帶動所述氫電極和氧電極進行上下運 動;當(dāng)氫電極和氧電極向燃料液移動時,產(chǎn)氫率增大,當(dāng)氫電極和氧電極遠(yuǎn)離燃料液移動 時,產(chǎn)氫率減小。優(yōu)選地,所述氫氣發(fā)生器包括氫燃料罐體,所述氫燃料罐體可進行燃料液和電極 反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氧氣,其罐體為雙層結(jié)構(gòu),內(nèi)壁和外壁之間的兩壁空間充滿散熱材料,所述 內(nèi)壁或外壁上設(shè)有散熱壁翅片,罐體底部一側(cè)設(shè)有散熱材料進出口,罐體下方設(shè)有散熱風(fēng) 扇;所述氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的氫氣通過管道輸送至分離室,分離室內(nèi)的氫氣通過滲透膜后 經(jīng)輸出管道進入儲氫罐或氫消耗負(fù)載,氧氣通過滲透膜后經(jīng)輸出管道進入儲氧氣罐或氧氣 消耗負(fù)載。優(yōu)選地,所述催化劑室與活塞軸連接,所述活塞軸由驅(qū)動裝置執(zhí)行器驅(qū)動,所述活 塞軸驅(qū)動所述催化劑室旋轉(zhuǎn)并且可以進行上下運動,所述催化劑室為倒漏斗型的網(wǎng)狀體, 當(dāng)催化劑室朝向燃料液移動時,或催化劑室遠(yuǎn)離燃料液移動時,氫氣和氧氣的生產(chǎn)率呈線 性的增加或減少,從而使氫氣和氧氣的產(chǎn)量盡量均勻。本發(fā)明的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機的輸出端,通過整流器將風(fēng)力發(fā)電 機發(fā)出的交流電整流成直流電,然后與氫電解槽裝置連接,不僅能夠根據(jù)風(fēng)能發(fā)電的電功 率的大小來電解生產(chǎn)氫氣,而且還能夠提高生產(chǎn)氫氣的產(chǎn)量和降低產(chǎn)氫成本,對風(fēng)力發(fā)電 的輸出的電量和功率進行調(diào)控,氫能源的存儲技術(shù)可以積累在低需求期間產(chǎn)生的能量,可 以確保高需求時利用它的能量,也可充分利用間歇性的能源需要,可有效解決風(fēng)力發(fā)電并 網(wǎng),特別是大型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的問題;同時氫電解槽裝置連接的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)可反發(fā)過來 調(diào)控風(fēng)力發(fā)電機對風(fēng)速的反應(yīng),減少風(fēng)速變化對風(fēng)力發(fā)電機的影響,增加風(fēng)力發(fā)電機的可 使用風(fēng)速變化范圍,提高風(fēng)力發(fā)電機的效率。


圖1為本發(fā)明所提供風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)的一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為本發(fā)明所提供風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)的另一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意 圖;圖3為本發(fā)明所提供風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程輸送的結(jié)構(gòu)示意圖;圖4為氫氣發(fā)生器的一種結(jié)構(gòu)示意圖;圖5為氫氣發(fā)生器的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖 4 中200.氫氣發(fā)生器 201.罐體 202.內(nèi)壁 203.外壁 204.散熱翅片205.高 導(dǎo)熱材料 206.風(fēng)扇 207.出水進水口 208.氫電極 209.氧電極210.氫氣收集器 212.氧氣收集器214.活塞軸216.驅(qū)動執(zhí)行器圖 5 中300.氫氣發(fā)生器301.罐體302.內(nèi)壁303.外壁304.散熱翅片305.高導(dǎo) 熱材料306.風(fēng)扇 307.出水進水口 308.管道312.分離室316.活塞軸 318.驅(qū)動 執(zhí)行器311.催化劑室
具體實施例方式為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案,下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明的申請人曾于2009年09月09日和2010年07月28日分別向國家知識產(chǎn) 權(quán)局提交了名稱為“水流海浪潮汐動能和風(fēng)能太陽能發(fā)電的綜合系統(tǒng)”和“一種自然能源 發(fā)電及電解海水或苦咸水的綜合應(yīng)用系統(tǒng)”的發(fā)明專利申請,其公開號為CN101649813和 CN101010240101。專利公布了利用自然能源發(fā)電以及電解海水或苦咸水產(chǎn)生氫氣和氧氣的 技術(shù)。氫氣能源可以長時間儲存、可以管道長距離輸送,可以直接用來大規(guī)模發(fā)電,更可 以提供給汽車、火車、飛機、輪船等移動的交通運輸工具使用,氫氣能源可以直接提供給燃 料電池也可以直接提供給氫內(nèi)燃機燃燒產(chǎn)生動力,其反應(yīng)產(chǎn)物是水,對環(huán)境沒有污染,用氫 代替目前所用的燃料是唯一既沒有溫室效應(yīng)、也沒有污染物威脅的方法。氫氣能源也可以直接提供給發(fā)電廠發(fā)電,可以由大型燃料電池發(fā)電,也可以直接 在燃?xì)廨啓C內(nèi)燃燒發(fā)電,產(chǎn)生的電力在電網(wǎng)高峰需要時大量的并入電網(wǎng)。這兩種電能都是 高質(zhì)量的特別平穩(wěn)可調(diào)可控的電流,都是電網(wǎng)十分歡迎的高質(zhì)量電能。這種高質(zhì)量的電能 也會對電網(wǎng)的穩(wěn)定起到很大的作用。我國是氫能源大國,但是大部分的氫氣是由燃燒煤制氫,這種氫能源因為消耗了 煤,產(chǎn)生了二氧化碳,不是清潔能源。如果利用燃煤電廠的電力制氫和壓縮氫,那么氫氣也 不是清潔能源(沒有尾氣,但消耗了電力,即消耗了煤)。即便是用天然氣燃?xì)獍l(fā)電廠的電 力制氫,也不是清潔的。如果利用太陽能、水能、風(fēng)能發(fā)電制氫,則是真正的清潔的無碳能 源,由此產(chǎn)生的經(jīng)濟才是真正的無碳經(jīng)濟。請參考圖1、圖2,圖1為本發(fā)明所提供風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)的一種具體實施方
5式的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為本發(fā)明所提供風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)的另一種具體實施方式
的結(jié) 構(gòu)示意圖;圖1與圖2的差別在于圖1的氫能源直接進入氫燃料電池而發(fā)電,圖2是氫能源 直接進入氫內(nèi)燃機燃燒發(fā)電并入電網(wǎng)。如圖1和圖2所示,本發(fā)明的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)是由風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的風(fēng)電 只需進行最簡單的變壓、整流處理(采用現(xiàn)有技術(shù)即可實現(xiàn)),將電壓通過變壓器調(diào)整到所 需電壓,交流電整流為直流電;使用該直流電對制氫電解槽中的水或燃料液體(含有金屬 氫化物的液體),進行電解產(chǎn)生氫氣和氧氣,其中氧氣可以醫(yī)用也可以工業(yè)使用;氫氣儲存 在氫能存儲器中,并且直接提供給燃料電池,重新產(chǎn)生電能;或儲存在氫能存儲器中的氫氣 直接提供給氫內(nèi)燃機,燃燒發(fā)電重新產(chǎn)生電能。氫的燃燒熱為28900千卡/千克,大約是汽 油燃燒熱的三倍,不論是從燃料電池所發(fā)的電,還是氫內(nèi)燃機燃燒所發(fā)的電都是符合電網(wǎng) 要求的電能。圖1和圖2中的變流器是指穩(wěn)壓穩(wěn)流和交流整流器。圖1和圖2中的電池組是指 一系列蓄電池組是用來調(diào)節(jié)穩(wěn)定直流線路中的直流電;并且部分緩沖,阻尼和吸收由風(fēng)力 發(fā)電機發(fā)出的強電流。若采用新的鈷和磷酸鹽的比例約為1 2的催化劑和電極可以大量地產(chǎn)生氫氣, 同時減少使用的電解電能,低于傳統(tǒng)電極的一半以下。本發(fā)明電解水產(chǎn)生一立方米氫氣所 需要的電能低于兩度,傳統(tǒng)方法所使用的電能為五度。而且該鈷磷酸鹽催化劑是從地球豐 富的礦產(chǎn)制成的,比傳統(tǒng)方法的鈀和白金(鉬)催化劑價格大幅降低。本發(fā)明在直流電電路中,設(shè)計了電池組,可以在空當(dāng)風(fēng)速時(風(fēng)速低于2.7米/ 秒),也能使氫電解槽產(chǎn)生氧氣和氫氣,當(dāng)風(fēng)電發(fā)電產(chǎn)能低時,氫氣流量的產(chǎn)出也隨之降低。本發(fā)明的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)在利用風(fēng)能的效率方面與傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機有 很大差別,傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機的并網(wǎng)模式在風(fēng)速小時產(chǎn)生的電能不夠,不能并網(wǎng)。本發(fā)明在 風(fēng)電發(fā)電產(chǎn)能低時,氫氣流量的產(chǎn)出也低,而且用于另外加入的蓄電池組,仍然會有氫氣產(chǎn) 出,仍然能夠?qū)崿F(xiàn)累積性的大規(guī)模的氫能量儲存,流入氫氣輸出壓縮器。風(fēng)速太大時傳統(tǒng)風(fēng) 力發(fā)電機的并網(wǎng)發(fā)電機組因為安全問題會進行“自動保護”(就是在極短的時間里甩掉負(fù) 荷,保護發(fā)電機組不會損壞)突然脫離電網(wǎng),這對電網(wǎng)的危害最大。巨大容量的電能突然脫 離電網(wǎng),會造成電網(wǎng)電壓的大幅度下降,影響整個電網(wǎng)的平穩(wěn)。而風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)與 之不同,不需要昂貴的高精度的電子、電能調(diào)控設(shè)備,無論什么樣的風(fēng)速,只要發(fā)電機發(fā)電 就能夠利用,風(fēng)小電量小時電解的氫氣數(shù)量較少,風(fēng)大電量大時產(chǎn)生的氫氣就多,在整個的 發(fā)電制氫過程中大部分電能可以轉(zhuǎn)化為氫氣。并且本風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)可以根據(jù)電功 率的大小來自動調(diào)控電解生產(chǎn)氫氣,而且同時提高生產(chǎn)氫氣的產(chǎn)量和降低產(chǎn)氫氣的產(chǎn)生成 本,風(fēng)力發(fā)電機在強風(fēng)速時所產(chǎn)生的一部分電流,還可以存儲在蓄電池組中。本發(fā)明的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)實際上完全起到風(fēng)力發(fā)電機的“功率阻尼器”(也 可以叫電力調(diào)節(jié)器),隨時在反向調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機的“發(fā)電”(功率輸出),風(fēng)速變大時這些 電能功率會自動的加大產(chǎn)氫氣的數(shù)量,風(fēng)速變小時可以“隨時減少的發(fā)電”,降低產(chǎn)氫氣的 數(shù)量。對于風(fēng)能利用方面,很特別的地方就是“風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電輸出與風(fēng)速的比是3次方 的關(guān)系”,即風(fēng)速增大一倍,輸出功率增大八倍,這也是為什么在風(fēng)速特別大時風(fēng)力發(fā)電機 需要快速卸載進行保護的原因,因為功率的變化幅度太大,速度又太快,如果不能夠在極短 的時間里“卸載”,超大的風(fēng)能能量肯定會損壞機組,制氫方式正好可以迅速地對功率進行快速大幅度的調(diào)整,甚至在風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生出具大電能時,可以同時并聯(lián)多個制氫電解槽, 一個或多個制氫電解槽以及蓄電池組的使用都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。本發(fā)明的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)可以大大提供風(fēng)力發(fā)電機可使用的風(fēng)速變化范 圍(3-20米/秒),目前本系統(tǒng)能夠在風(fēng)速高達(dá)25米/秒時,仍然沒有出現(xiàn)問題。如果加入 多個并聯(lián)制氫電解槽,有可能達(dá)到30米/秒。這樣不僅大大地提高了傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機的 發(fā)電能力和效率,也大大地降低了傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機的制造成本和維護成本。目前大多數(shù)的太陽能和風(fēng)能存儲方法是低能量密度的儲存,不能對大型風(fēng)能和太 陽能項目起到任何作用。這包括電池最高的能量密度僅為3.0兆焦耳/公斤。相反,燃料 電池的能量密度為電池密度的10的二次方倍大,氫能源(氫氣)比電池存儲容量更是大到 10的三次方倍大。事實上,我們可以直觀地理解到,所有的大規(guī)模能源儲存是以燃料形式 存儲。這些都是碳基燃料,如石油,天然氣和煤炭。而本發(fā)明是無碳性的,可持續(xù)的,易于擴 展,又便宜的能量燃料貯存的氫能源方法。從根本上脫離原先的碳能源模式,進入到氫能源 模式。因此利用氫能源(氫氣)來存儲大型風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電作為能源存儲系統(tǒng),也 落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。請參考圖3,圖3顯示了風(fēng)電制氫遠(yuǎn)程輸送并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。該風(fēng)電制氫遠(yuǎn)程輸送并網(wǎng)系統(tǒng)是將氫氣發(fā)生器產(chǎn)生的氫氣由氫氣輸送管道或其 它方法運送到缺少電和或缺少水源的地區(qū),通過氫氣與空氣的反應(yīng),生產(chǎn)出非常穩(wěn)定的電 能和純凈水。該系統(tǒng)發(fā)出的電能完全可以上網(wǎng)或直接應(yīng)用于當(dāng)?shù)氐挠秒娯?fù)荷中。這種方法 使所產(chǎn)生的氫氣可以用管道或其它交通工具輸送,類似于天然氣輸送,可通往城市,小鎮(zhèn), 農(nóng)村或海島等需要用電或需要用水的地方,然后由燃料氫電池以氫和空氣為原料產(chǎn)生電能 和清潔的水,將氫氣重新轉(zhuǎn)化為電能,清潔的水以供飲用。本發(fā)明的申請人在2010年07月28日向國家知識產(chǎn)權(quán)局提交了名稱為“一種自然 能源發(fā)電及電解海水或苦咸水的綜合應(yīng)用系統(tǒng)”的發(fā)明專利申請中,公布的氫電同軸電纜 (CN101010240101),可以遠(yuǎn)距離輸送氫能。電纜中心的部分輸送液態(tài)氫,同時利用液態(tài)氫極 低的溫度保持外層金屬處于超導(dǎo)狀態(tài)來輸送電能,因為沒有電阻(電阻很低),電流通過就 不會發(fā)熱,能夠大規(guī)模輸送電能,大大減少了輸電的損耗。由于液態(tài)氫的重量輕,在電纜的 中心,揮發(fā)也少,又有利于減少液態(tài)氫的損耗長距離管道輸送氫氣效益最高??梢詫⒌?飲用水和電能通過輸送氫氣,運送到邊遠(yuǎn)缺水的西部地區(qū)。圖1、圖2和圖3都顯示了氫能源的存儲設(shè)備,氫氣的存儲幾乎是無消耗并且可以 長期存儲,也沒有容量的限制,可以無限增加存儲氫氣罐的數(shù)量。目前市場上已經(jīng)有了各種 型號和大小的儲氫罐可供選擇。目前風(fēng)力發(fā)電,特別是大型風(fēng)力發(fā)電項目只能并網(wǎng)上網(wǎng),還 沒有任何存儲風(fēng)力發(fā)電機所發(fā)電的方法,本發(fā)明正是提供風(fēng)力發(fā)電機所發(fā)電的最好的存儲 方法。請參考圖4,圖4為氫氣發(fā)生器的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖中所示為具有自我調(diào)節(jié)功能的氫氣發(fā)生器200。該氫氣發(fā)生器200包括一個單 一的氫燃料罐體201,該氫燃料罐體201可進行燃料液和電極反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氧氣,燃料液 可以是水,也可以是非純凈水、海水,也可以是加入氫化金屬燃料液體,對于某些應(yīng)用來說, 還包含穩(wěn)定劑,如氫氧化鈉。由于氫的生成是一個放熱反應(yīng),對于高產(chǎn)量的氫氣發(fā)生器,其 罐體201最好設(shè)計成雙層結(jié)構(gòu),具有內(nèi)壁202和外壁203,在內(nèi)壁202和外壁203之間的兩壁空間可以充滿高導(dǎo)熱材料205,例如水。它可以為系統(tǒng)散熱服務(wù),也可以充分利用氫氣發(fā) 生器產(chǎn)生的熱能。這種熱轉(zhuǎn)移可以進一步通過加入燃料箱的多元化散熱翅片204實現(xiàn),散 熱翅片204可以設(shè)于內(nèi)壁202和外壁203上,散熱壁翅片204從外壁203伸出,風(fēng)扇206是 用來降低溫度,當(dāng)燃料液降低達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度時,風(fēng)扇206將會自動開閉,罐體底部一 側(cè)設(shè)有出水進水口 207,可以使冷水流入熱水流出,進行熱交換還可以充分利用該產(chǎn)氫裝置 的熱能。上述氫燃料罐體201中的燃料液包括一個或多個具有氫的復(fù)合金屬,一般化學(xué)式 為MBH 4。M是一個堿金屬從第一組(原集團1A)條的元素周期表中選擇,其中包括如鋰, 鈉,鉀或在某些情況下M也可以是銨或有機體。B是從組13元素周期表(前組)第IIIA部 選定的元素,其中的例子包括硼,鋁和鎵,H是氫元素。本發(fā)明使用的是復(fù)雜的金屬氫化物硼氫化鈉(NaBH4)。使用鈉硼氫化物作為氫能 燃料的成分,特別某些應(yīng)用是非??扇〉?。使用硼氫化鈉所生產(chǎn)的氫氣是典型的高純度無 碳雜質(zhì)和高濕度的。任何化學(xué)氫化物水解所產(chǎn)生的化學(xué)氫將有類似的特征。硼氫化鈉生產(chǎn) 氫能時沒有被檢測到一氧化碳?xì)怏w。這是值得注意的,因為大多數(shù)燃料電池,尤其是質(zhì)子交 換膜燃料電池和堿性燃料電池,需要高品質(zhì)的氫氣和一氧化碳將會使催化劑中毒,最終將 破壞燃料電池。碳?xì)浠衔镏卣a(chǎn)生氫氣的方法,含有一氧化碳和二氧化碳,一氧化碳需要 進一步處理,然后將一氧化碳去除。如圖所示,罐體201中有兩個電極,分別是氫電極208和氧電極209 ;兩個電極又 分別連接氫氣收集器210和氧氣收集器212。兩個收集器中分別具有氫氣和氧氣滲透膜,該 兩種滲透膜只分別允許氫氣和氧氣通過,進入氫氣收集器210和氧氣收集器212。兩個收集 器收集的氫氣和氧氣會分別送到氫氣存儲器和氧氣存儲器(圖中沒有顯示)。水,燃料液體 和硼酸都不能通過滲透膜,只能回到罐體201中。兩個收集器的滲透膜也同樣阻止水蒸氣 通過,水蒸氣也只能回到罐體201中。這種滲透膜主要是疏水性膜,包括硅橡膠、氟聚合物 膜、或共同氫滲透的金屬膜,如鈀金合金制成的任何產(chǎn)品。本發(fā)明優(yōu)選氟聚合物膜,氫氣通 過氫氣收集器210的滲透膜后經(jīng)輸出管道進入儲氫罐或氫消耗負(fù)載,如氫燃料電池或氫內(nèi) 燃機;氧氣通過氧氣收集器212的滲透膜后經(jīng)輸出管道進入儲氧罐或氧消耗負(fù)載,如醫(yī)用 氧或工業(yè)用氧。罐體201中的氫電極208和氧電極209與可移動的活塞軸214連接?;钊S214 連接到驅(qū)動執(zhí)行器216上,由驅(qū)動執(zhí)行器216驅(qū)動。驅(qū)動執(zhí)行器216可以是任何一種驅(qū)動 執(zhí)行器,包括但不限于彈簧、液壓泵或馬達(dá),對于某些應(yīng)用使用彈簧作為驅(qū)動執(zhí)行器也是可 以的,特別是在驅(qū)動時不需要外來動力。此外,具有內(nèi)部彈簧的驅(qū)動執(zhí)行器可以移動活塞筒 和其輸出軸。在選擇使用驅(qū)動執(zhí)行器時,液壓泵、馬達(dá)或類似的作為驅(qū)動執(zhí)行器,它們的通 斷操作是通過一個敏感器和控制傳導(dǎo)器所控制(圖中未示出)?;钊S214本身被套住或 包含針槽結(jié)構(gòu),使用這種套式或針槽結(jié)構(gòu)能夠讓氫電極208和氧電極209旋轉(zhuǎn)并且進行上 下運動。從而達(dá)到調(diào)節(jié)控制氫氣和氧氣產(chǎn)量的目的,風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電量大時,生產(chǎn)的氫氣和 氧氣多;風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電量小時,生產(chǎn)的氫氣和氧氣少。本發(fā)明公布了氫電極和氧電極設(shè)置在一個包含燃料液的罐體中的方法,氫電極和 氧電極與燃料液進行相對的運動,當(dāng)氫電極和氧電極向燃料液移動時,可提高產(chǎn)氫率,當(dāng)氫 電極和氧電極遠(yuǎn)離燃料液移動時,可減少產(chǎn)氫率。該發(fā)明的優(yōu)點是這種自我調(diào)節(jié)和自動控
8制的功能不需要外接電源或外在動力,即可滿足各種不同商業(yè)應(yīng)用的需求,特別是風(fēng)力發(fā) 電儲能調(diào)控和并網(wǎng)的需要,整個系統(tǒng)可以使用一個單一的罐體,其結(jié)構(gòu)緊湊,大大地減少了 產(chǎn)氫總體積,并且可使用市售的零件制造。請參考圖5,圖5為氫氣發(fā)生器的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示,顯示了本發(fā)明的另一種方案,使用倒漏斗型網(wǎng)狀體的催化劑室來代替 前述電極,催化劑室311是倒漏斗型的網(wǎng)狀體,內(nèi)有電解水產(chǎn)生氫和氧的催化劑,通過燃料 室和催化劑室的相對運動,以增加或減少氫氣和氧氣生成率(氫和氧產(chǎn)生率)。這種相對運 動是氫氣和氧氣生成過程中的一個或多個參數(shù)監(jiān)測所產(chǎn)生的反應(yīng)結(jié)果。這是一種具有自我 調(diào)節(jié)功能的生產(chǎn)氫和氧氣的系統(tǒng)。該氫氣發(fā)生器300包括一個單一的氫燃料罐體301,該 氫燃料罐體可注入燃料液產(chǎn)生氫氣。該燃料液可以是水,也可以是非純凈水、海水,也可以 是加入氫化金屬燃料液體,對于某些應(yīng)用來說,還包含穩(wěn)定劑如氫氧化鈉。由于氫的生成是 一個放熱反應(yīng),對于高產(chǎn)量的氫氣發(fā)生器,罐體301需設(shè)計成雙層罐體,包括內(nèi)壁302和外 壁303,在內(nèi)壁302和外壁303之間的兩壁空間充滿高導(dǎo)熱材料305,例如水。它可以為系 統(tǒng)散熱服務(wù),也可以充分利用其熱能。這種熱轉(zhuǎn)移可以進一步通過加入燃料箱的多元化散 熱翅片304實現(xiàn),散熱翅片304從外壁303伸出,風(fēng)扇306用來降低溫度,當(dāng)燃料液降低達(dá) 到預(yù)先設(shè)定的溫度時,風(fēng)扇306將會自動開閉,罐體底部一側(cè)設(shè)有出水進水口 307,可以使 冷水流入熱水流出。由氫氣發(fā)生器300產(chǎn)生的氫氣可通過管道308至分離室312,分離室312內(nèi)的氫 氣通過滲透膜(圖中未示出),水、液體和硼酸不能通過滲透膜,從而回到分離室312內(nèi),最 后還是要回流到罐體中。滲透膜可以由只允許氫氣通過而且同時阻止水蒸氣通過的任何物 質(zhì)。例如,疏水性膜可以使用,包括硅橡膠、氟聚合物膜或共同氫滲透的金屬膜,如鈀金合金 制成的任何產(chǎn)品。本發(fā)明優(yōu)選氟聚合物膜,氫氣通過滲透膜后經(jīng)輸出管道進入儲氫罐或氫 消耗負(fù)載,如氫燃料電池或氫內(nèi)燃機,氧氣通過滲透膜后經(jīng)輸出管道進入儲氧氣罐或氧氣 消耗負(fù)載,例如醫(yī)學(xué)用氧或工業(yè)用氧。催化劑室與活塞軸316連接,活塞軸316由驅(qū)動執(zhí)行器318驅(qū)動,活塞軸316驅(qū)動 催化劑室311旋轉(zhuǎn)并且可以進行上下運動。這種運作旋轉(zhuǎn)機制允許催化劑室旋轉(zhuǎn)甩干,因 為它移出氫燃料的接觸,加快以防止任何硼酸會在液體催化劑室中沉淀。此外,催化劑室 311的旋轉(zhuǎn),有助于確保燃料溶液的均勻性。催化劑室311呈倒漏斗型的網(wǎng)狀體,可以確保 催化劑室311內(nèi)的催化劑與燃料溶液充分地均勻接觸。倒漏斗型網(wǎng)狀體的催化劑室311內(nèi) 具有電解水和燃料溶液的催化劑。由于是倒漏斗型的網(wǎng)狀體,所以隨著催化劑室與燃料液 的相對運動,當(dāng)催化劑室朝向燃料液移動時,或催化劑室遠(yuǎn)離燃料液移動時,氫氣和氧氣的 生產(chǎn)率是呈線性的增加或減少,從而使氫氣和氧氣的產(chǎn)量盡量均勻。圖4和圖5都是能夠自我調(diào)節(jié)并在不同的風(fēng)力情況下生產(chǎn)氫的儲能調(diào)控系統(tǒng)。當(dāng) 風(fēng)力很小時如每秒2. 7米,只要風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)葉轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生電能時,圖4中的電極或圖5中 的催化劑室,就會與燃料溶液接觸,產(chǎn)生氫氣和氧氣。當(dāng)風(fēng)力加大時圖4中的電極或圖5 中的催化劑室,就會向燃料溶液中移動,就會與燃料溶液接觸更加廣泛,從而產(chǎn)生更多的氫 氣。當(dāng)風(fēng)力更大時因為產(chǎn)生的氣體過多,使得產(chǎn)氣室內(nèi)的壓力加大,自動調(diào)節(jié)將圖4中的電 極或圖5中的催化劑室抬高,從而降低了氣體的產(chǎn)量。這個降低產(chǎn)量的過程實際上是個軟 性功率阻尼的作用,這種風(fēng)電制氫儲能調(diào)控和并網(wǎng)的方法對于風(fēng)力發(fā)電機組簡化控制方面還有特別好的輔助性能制氫電解設(shè)備與風(fēng)力發(fā)電機組連接后在制氫時實際上就成了機組 的功率阻尼器(也可以叫電力制動器),隨時根據(jù)風(fēng)力的大小來調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機的功率輸 出(即電能的輸出),風(fēng)速變大時這些電能功率會自動的加大產(chǎn)氫氣的數(shù)量,風(fēng)速變小時可 以“隨時減少風(fēng)力發(fā)電機組的輸出,降低產(chǎn)生氫氣的數(shù)量和產(chǎn)量。電解制氫方式可以迅速的對功率進行快速大幅度的調(diào)整,當(dāng)風(fēng)力超過風(fēng)力發(fā)電機 允許的范圍時如風(fēng)速超過每秒20米時,傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機組就會自動關(guān)閉,保護發(fā)電機 組,而本發(fā)明所設(shè)計的儲能調(diào)控和并網(wǎng)的氫能源技術(shù)會立即耦合另一個或多個氫氣發(fā)生 器,從而快速地減少電流和電功率,快速有效地降低風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。這種電力制動效應(yīng) 方法可以拖住風(fēng)力發(fā)電機不致于發(fā)生飛車或轉(zhuǎn)速過快,有效地保護風(fēng)力發(fā)電機。并且至少 可以在風(fēng)力發(fā)電機需要進行“偏頭調(diào)速”(風(fēng)力發(fā)電機的效果最好的調(diào)速方式,只是調(diào)速時 間長)時在電力制動的制動力上進行“柔性降速”或“軟性減速”作用下,機組有充裕的時 間保證安全偏頭調(diào)速進行安全停機,這些都是傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)無法實現(xiàn)的特點。這 樣本發(fā)明不僅大大地提高了風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電能力和效率,也大大地降低了風(fēng)力發(fā)電機的 制造成本和維護成本,也大大地提高了風(fēng)力發(fā)電機的使用壽命。以上對本發(fā)明所提供的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng)進行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具 體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述,以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā) 明的核心思想。應(yīng)當(dāng)指出,對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明原理的前 提下,還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾,這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保 護范圍內(nèi)。
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權(quán)利要求
一種風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng),其特征在于,包括風(fēng)力發(fā)電裝置、氫氣發(fā)生器、氫氣存儲器以及氫能發(fā)電裝置,所述風(fēng)力發(fā)電裝置的電能輸出端直接或間接與氫氣發(fā)生器相連,所述氫氣發(fā)生器的氫氣輸出端與所述氫氣儲存器相連,所述氫氣儲存器與氫能發(fā)電裝置相連,由氫能發(fā)電裝置消耗氫氣儲存器中的氫氣進行發(fā)電并輸出至供電網(wǎng)絡(luò)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng),其特征在于,所述風(fēng)力發(fā)電裝置的 輸出端通過整流器將其發(fā)出的交流電整流成直流電,然后與氫氣發(fā)生器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng),其特征在于,進一步包括電池組,所 述電池組與氫氣發(fā)生器在電路上相連接,當(dāng)所述風(fēng)力發(fā)電裝置發(fā)出的電力低于所述氫氣發(fā) 生器所需電力時,由所述電池組向氫氣發(fā)生器供電繼續(xù)產(chǎn)生氫氣和氧氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng),其特征在于,所述氫氣發(fā)生器的數(shù) 量為多個,在電路上相并聯(lián),其參與制氫的數(shù)量與所述風(fēng)力發(fā)電裝置的發(fā)電量相匹配;當(dāng)風(fēng) 力超過風(fēng)力發(fā)電裝置允許的范圍時,自動耦合下一個或多個氫氣發(fā)生器,從而快速地減少 電流和電功率,降低風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng),其特征在于,所述氫能發(fā)電裝置具 體為氫燃料電池或氫內(nèi)燃發(fā)電機。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng),其特征在于,所述氫氣發(fā)生器產(chǎn)生 的氫氣通過氫氣管道長距離輸送到缺電缺水地區(qū),并且與氫燃料電池或氫內(nèi)燃機相連,在 發(fā)電的同時生產(chǎn)出潔凈水。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項所述的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng),其特征在于,所述氫氣發(fā) 生器包括氫燃料罐體,所述氫燃料罐體可進行燃料液和電極反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氧氣,其罐體 為雙層結(jié)構(gòu),內(nèi)壁和外壁之間的兩壁空間充滿散熱材料,所述內(nèi)壁或外壁上設(shè)有散熱壁翅 片,罐體底部一側(cè)設(shè)有散熱材料進出口,罐體下方設(shè)有散熱風(fēng)扇;所述罐體中有兩個電極, 分別是氫電極和氧電極;所述兩個電極分別連接氫氣收集器和氧氣收集器,兩個收集器中 分別具有氫氣和氧氣滲透膜,兩個收集器收集的氫氣和氧氣會分別送到氫氣存儲器和氧氣 存儲器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng),其特征在于,所述罐體內(nèi)的氫電極 和氧電極與活塞軸連接,所述活塞軸連接到氣缸的活塞,所述活塞由驅(qū)動裝置執(zhí)行器驅(qū)動, 由所述活塞帶動所述氫電極和氧電極進行上下運動;當(dāng)氫電極和氧電極向燃料液移動時, 產(chǎn)氫率增大,當(dāng)氫電極和氧電極遠(yuǎn)離燃料液移動時,產(chǎn)氫率減小。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項所述的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng),其特征在于,所述氫氣發(fā) 生器包括氫燃料罐體,所述氫燃料罐體可進行燃料液和電極反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氧氣,其罐體 為雙層結(jié)構(gòu),內(nèi)壁和外壁之間的兩壁空間充滿散熱材料,所述內(nèi)壁或外壁上設(shè)有散熱壁翅 片,罐體底部一側(cè)設(shè)有散熱材料進出口,罐體下方設(shè)有散熱風(fēng)扇;所述氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生的 氫氣通過管道輸送至分離室,分離室內(nèi)的氫氣通過滲透膜后經(jīng)輸出管道進入儲氫罐或氫消 耗負(fù)載,氧氣通過滲透膜后經(jīng)輸出管道進入儲氧氣罐或氧氣消耗負(fù)載。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng),其特征在于,所述催化劑室與活塞軸連 接,所述活塞軸由驅(qū)動裝置執(zhí)行器驅(qū)動,所述活塞軸驅(qū)動所述催化劑室旋轉(zhuǎn)并且可以進行上下運 動,所述催化劑室為倒漏斗型的網(wǎng)狀體,當(dāng)催化劑室朝向燃料液移動時,或催化劑室遠(yuǎn)離燃料液 移動時,氫氣和氧氣的生產(chǎn)率呈線性的增加或減少,從而使氫氣和氧氣的產(chǎn)量盡量均勻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)電制氫調(diào)控并網(wǎng)系統(tǒng),包括風(fēng)力發(fā)電裝置、氫氣發(fā)生器、氫氣存儲器以及氫能發(fā)電裝置,所述風(fēng)力發(fā)電裝置的電能輸出端直接或間接與氫氣發(fā)生器相連,所述氫氣發(fā)生器的氫氣輸出端與所述氫氣儲存器相連,所述氫氣儲存器與氫能發(fā)電裝置相連,由氫能發(fā)電裝置消耗氫氣儲存器中的氫氣進行發(fā)電并輸出至供電網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)利用氫能源的存儲技術(shù),可有效解決風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng),特別是大型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的問題。
文檔編號F03D9/00GK101976853SQ201010538149
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者張建洲 申請人:張建洲
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