一种模块化电-氢耦合能源系统及方法与流程

1.本发明涉及能源技术领域，尤其涉及一种模块化电-氢耦合能源系统及方法。


背景技术：

2.随着煤炭的逐步减量，可再生能源与清洁能源在能源比例中迅速增加，以多能互补、电冷热联供为主要形式的分布式能源系统将在国家能源体系中发挥越来越重要的作用。
3.分布式能源系统作为一项先进的节能减排技术，直接面向用户，冷、热、电就地转化消纳，具有与可再生能源互补、实现能源高效梯级利用的巨大潜力，如何实现电-冷-氢之间的耦合成为当前亟待解决的问题，对建设清洁低碳、安全高效现代能源体系具有重要的现实意义和深远的战略意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种模块化电-氢耦合能源系统及方法，用于实现电-冷-氢之间的耦合。
5.第一方面，本发明提供了一种模块化电-氢耦合能源系统，包括：光伏发电设备、电解水制氢设备、氢燃料电池以及用于产生冷负荷的余热利用单元；
6.光伏发电设备的电源接口与电解水制氢设备的电源接口电连接，电解水制氢设备的出气口与氢燃料电池的进气口连通，氢燃料电池的热能出口与余热利用单元的热能入口连通。
7.与现有技术相比，本发明提供的模块化电-氢耦合能源系统中，光伏发电设备的电源接口与电解水制氢设备的电源接口电连接，使得光伏发电设备向电解水制氢设备供电的情况下，电解水制氢设备可以制取氢气。而电解水制氢设备的出气口与氢燃料电池的进气口连通，使得电解水制氢设备制取的氢气可以作为氢燃料电池的燃料，保证氢燃料电池发电。同时，氢燃料电池的热能出口与余热利用单元的热能入口连通，使得氢燃料电池运行过程中产生的热能资源供向余热利用单元，从而保证余热利用单元产生冷负荷。可见，本发明提供的电-氢耦合能源系统可以实现电-冷-氢耦合。
8.第二方面，本发明提供了一种模块化电-氢耦合方法，电-氢耦合方法包括：
9.在光伏发电设备向电解水制氢设备供电的情况下，电解水制氢设备向燃料电池提供燃料；
10.氢燃料电池向余热利用单元提供余热资源；
11.余热利用单元利用余热资源提供冷负荷。
12.与现有技术相比，本发明提供的电-氢耦合方法的有益效果与上述技术方案所述模块化电-氢耦合能源系统的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
13.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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：
14.图1为本发明实施例中模块化电-氢耦合能源系统的系统图；
15.图2为本发明实施例中模块化电-氢耦合能源系统的余热利用单元并联图；
16.图3为本发明实施例中模块化电-氢耦合方法的流程图。
17.附图标记：
18.101-光伏发电设备，102-电解水制氢设备，103-氢燃料电池，104-余热利用单元，1041-吸收式制冷机，1042-吸收式除湿机，105-储氢设备，106-排烟设备，107-冷却设备。
具体实施方式
19.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
20.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
21.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
22.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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发明和简化描述，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发明的限制。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，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或两个元件的相互作用关系。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发明中的具体含义。
24.随着煤炭的逐步减量，可再生能源与清洁能源在能源比例中迅速增加，以多能互补、电冷热联供为主要形式的分布式能源系统将在国家能源体系中发挥越来越重要的作用。
25.分布式能源系统作为一项先进的节能减排技术，直接面向用户，冷、电就地转化消纳，具有与可再生能源互补、实现能源高效梯级利用的巨大潜力，如何实现电-冷-氢之间的耦合成为当前亟待解决的问题，对建设清洁低碳、安全高效现代能源体系具有重要的现实意义和深远的战略意义。
26.基于上述问题，本发明实施例提供一种电-氢耦合能源系统及方法，可以解决分布式能源系统电-冷-氢之间的耦合的问题。
27.图1示出了本发明示例性实施例的电-氢耦合能源系统的系统图。如图1所示，本发明示例性实施例提供的模块化电-氢耦合能源系统包括：光伏发电设备101、电解水制氢设备102、氢燃料电池103以及用于产生冷负荷的余热利用单元104，光伏发电设备101的电源接口与电解水制氢设备102的电源接口电连接，电解水制氢设备102的出气口与氢燃料电池103的进气口连通，氢燃料电池103的热能出口与余热利用单元104的热能入口连通。
28.具体实施时，当光伏发电设备101向电解水制氢设备102供电时，电解水制氢设备102制取氢气，电解水制氢设备102制取的氢气作为氢燃料电池103的燃料，使得氢燃料电池103正常运行。在氢燃料电池103运行的过程中产生的热能资源可以向余热利用单元104供应，余热利用单元104利用热能资源提供冷负荷。
29.由上述具体实施过程可知，光伏发电设备101向电解水制氢设备102供电，电源驱动电解水制氢设备102制取氢气，从而形成了一种电-氢的耦合，电-氢的耦合保障了该能源系统不间断高效运行，同时也提供了该能源系统对氢能的稳定供应，电解水制氢设备102制取的氢气作为氢燃料电池103燃料，氢燃料电池103运行过程中产生的热能资源向余热利用单元104供应，从而形成了电-冷-氢之间的耦合，该系统智能化连续运行，同时输出电、冷、氢等多种能源，使各种能源之间得到充分应用。
30.在一种可选方式中，如图1所示，上述模块化电-氢耦合能源系统还包括冷却设备107，冷却设备107的冷却入口分别与电解水制氢设备102的冷却出口、氢燃料电池103的冷却出口以及余热利用单元104的冷却出口管道连接。
31.在实际应用中，当光伏发电设备101向电解水制氢设备102供电时，电源驱动电解水制氢设备102制取氢气，在这个过程中会伴随着大量的热能出现，同时为了保证电解水制氢设备102机组内的温度恒定，将一部分热量从冷却出口排出，经冷却设备107进行冷却，剩余的另一部分能量伴随着出气口进入到氢燃料电池103中，氢燃料电池103在工作过程中会产生大量的热能，其中为了保证氢燃料电池103中的温度恒定，将一部分热量从冷却出口排出，经冷却设备107进行冷却，另一部分能量进入到余热利用单元104，余热利用单元104利用热能资源得到冷负荷，为了保证余热利用单元104内的温度恒定，余热利用单元104将一部分热能从冷却出口排出经冷却设备107冷却。
32.举例来说，如图1所示，上述冷却设备107与电解水制氢设备102的冷却出口、氢燃料电池103的冷却出口以及余热利用单元104的冷却出口管道连接可以为冷却水管路连接，也可以为一种冷却剂管路连接，或者为其他的管路连接。
33.在一种可选方式中，如图1所示，上述模块化电-氢耦合能源系统还包括排烟设备106，排烟设备106的排烟入口与余热利用单元104的排烟出口管路连通。
34.在实际应用中，氢燃料电池103在工作过程中会产生的大量的烟气，为了确保氢燃料电池103在工作过程中的发电效率以及氢燃料电池103的工作寿命，氢燃料电池103在工作过程中产生的一部分烟气通过排烟出口经排烟设备106排出系统外。剩余的另外一部分烟气通过氢燃料电池103的热能出口进入到余热利用单元104，余热利用单元104利用余热资源排出冷负荷。
35.示例性的，如图1所示，模块化电-氢耦合能源系统还包括储氢设备105，电解水制氢设备102与储氢设备105管道连接，储氢设备105的出气口还与氢燃料电池103的进气口连通。电解水制氢设备102制取的氢气一部分输向氢燃料电池103，供氢燃料电池103发电使
用。其中，氢燃料电池103发的电可以供向氢能源汽车，也可以应用于电动三轮车等交通运输工具。储氢设备105的出气口还与氢燃料电池103的进气口连通，储氢设备105的一部分氢气供向氢燃料电池103，这样可以有助于氢燃料电池103能够减少产生二氧化碳等气体，使得该系统更加的低碳环保。另一部分氢气可通过管道输送至每个用气终端，也可以向加氢站等地方供应。
36.在一种可选方式中，如图1所示，上述余热利用单元104包括吸收式制冷机1041和吸收式除湿机1042，氢燃料电池103的热能出口与吸收式制冷机1041的热能入口连通，吸收式制冷机1041的热能出口与吸收式除湿机1042的热能入口连通。此时，吸收式除湿机1042串联在吸收式制冷机1041的热能出口，氢燃料电池103运行产生的热能向余热利用单元104供应，氢燃料电池103运行过程中产生的热能经氢燃料电池103的热能出口通过吸收式制冷机1041的热能入口进入到吸收式制冷机1041，吸收式制冷机1041中剩余一部分的热能经吸收式制冷机1041的出口通过吸收式除湿机1042的热能入口进入到吸收式除湿机1042内。
37.举例来说，如图1所示，氢燃料电池103在运行时产生的热能以烟气存储热资源，吸收式制冷机1041包括高压发生器和低压发生器，当烟气流入到吸收式制冷机1041，烟气驱动吸收式制冷机1041中的高压发生器和低压发生器开始制冷，得到的冷负荷开始排出系统，此处，应理解，该冷负荷可以作为统一供冷的主要能源来源，也可以用作其他以冷负荷的为主要能源的日常实用。
38.当流经吸收式制冷机1041中的部分烟气流向吸收式除湿机1042时，吸收式制冷机1041的热能出口与吸收式除湿机1042的热能入口连通，流向吸收式除湿机1042的高温烟气进入到吸收式除湿机1042中，利用烟气中的部分余热作为吸收式除湿机1042的热源，吸收式除湿机1042可以排出一种比较干燥的冷负荷，这样就可以实现一种电-冷-氢之间的耦合，真正的按照“温度对口，梯级利用”的原则，在不同的用能条件下，实现了能源的分级利用，实现了对能源的高效利用。
39.示例性的，如图2所示，当吸收式制冷机1041与吸收式除湿机1042并连时，氢燃料电池103的热能出口分别与吸收式制冷机1041的热能入口连通和吸收式除湿机1042的热能入口连通。
40.在实际应用中，氢燃料电池103的分别与吸收式制冷机10411041和吸收式除湿机1042的热能入口连通，此时，吸收式制冷机1041和吸收式除湿机1042并联，烟气流入到吸收式制冷机1041，烟气驱动吸收式制冷机1041中的高压发生器和低压发生器开始制冷，得到的冷负荷开始排出系统供用户使用。烟气也流入到吸收式除湿机1042，得到的干的冷负荷排出系统供用户使用。
41.由上述实施过程可知，当光伏发电设备101发电供向电解水制氢设备102，电源驱动电解水制氢设备102制取氢气，一部分氢气供向储氢设备105，另一部分供向氢燃料电池103，氢燃料电池103运行产生的电供用户端实用，同时氢燃料电池103运行产生的高温烟气作为储能物质，氢燃料电池103中的储能物质向余热利用单元104供能，产生冷负荷，最终形成了一个电-冷-氢之间的耦合，实现了电-冷-氢在不同用能条件下的耦合，实现了该系统之间的智能化运行，既保证了电-冷-氢各个能源的供应，也实现了整个模块化电-氢耦合能源系统中的为可再生能源，不仅低碳环保还提升了整个系统间的综合能源的利用。
42.需要说明的是，上述整个系统为一种模块化安装单元，其中将光伏发电设备101、
电解水制氢设备102、氢燃料电池103以及用于产生冷负荷的余热利用单元104分别以模块化进行安装，可根据用户的不同需求提供电、冷、气，不仅便于运输还方便运输，例：(能源应急场所、孤岛、边缘村庄、独立场所)等场所就适合该模块化能源系统，不仅低碳环保，还安全可靠。
43.本发明示例性实施例还提供一种电-氢耦合方法，图3示出了本发明实施例提供的模块化电-氢耦合方法包括：
44.步骤301：在光伏发电设备101向电解水制氢设备102供电的情况下，电源驱动电解水制氢设备102制取氢气。
45.步骤302：电解水制氢设备102制取氢气为氢燃料电池103提供燃料。
46.步骤303：氢燃料电池103向余热利用单元104提供余热资源。
47.步骤304：余热利用单元104利用余热资源提供冷负荷。当余热资源包括以烟气形式存在的余热资源，余热利用单元104包括吸收式制冷机1041和吸收式除湿机1042。
48.示例性的，当吸收式除湿机1042串联在吸收式制冷机1041的热能出口时，可以利用吸收式制冷机1041吸收烟气的热能，使得吸收式制冷机1041提供冷负荷，吸收式制冷机1041向吸收式除湿机1042提供吸收热能的烟气，利用吸收式除湿机1042吸收烟气的热能，使得吸收式除湿机1042提供冷负荷。
49.示例性的，当吸收式制冷机1041与吸收式除湿机1042串并联在氢燃料电池103的热能出口时，可以利用吸收式制冷机1041吸收余热资源的热能，使得吸收式制冷机1041提供冷负荷。可以利用吸收式除湿机1042吸收余热资源的热能，使得吸收式除湿机1042提供冷负荷。
50.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。