一种联合电解铝和铝水反应制氢的调峰储能系统的制作方法

本发明属于储能技术领域，具体涉及一种联合电解铝和铝水反应的调峰储能系统及调峰储能方法。

背景技术：

生产生活用电都具有用电高峰和用电低谷，这导致电网需要专门的电力储能设施来缓冲用电峰谷冲击。而太阳能、风能等新能源发电，由于受外界条件限制，在不同时间输出功率也存在巨大差异，也需要通过专门的电力储能设施对电能缓冲后才能进入电网供居民使用。

储能技术目前可分为机械储能、电磁储能、化学储能以及热电储能。机械储能的主要应用形式为抽水蓄能、空气压缩储能和飞轮储能。抽水蓄能选址要求较高，需要大面积土地，且对环境造成一定影响。空气压缩储能能量密度较低，且适合地点有限。飞轮储能持续时间短，具有机械损耗，存在自放电问题。电磁储能的主要应用形式为超导储能和超级电容器。超导储能能量密度低，持续时间秒级，成本高。超级电容器储能容量有限，投资成本高，且有一定的自放电率。化学储能主要是各种金属电池。目前大功率大容量储能电池主要有铅酸电池、锂离子电池和液态钒氧化还原电池等几个方向。其中铅酸电池价格低廉、但重量大，寿命短。锂离子电池充放电速度较快，比能量大，但其价格昂贵，资源总量有限，且安全风险较高。全钒液流电池可以按需定制，但高成本，且钒资源有限，难以大规模应用。热储能技术需要各种高温化学热工质，应用场合受限。

发展储能系统对降低环境污染，提高能源利用率、开发利用可再生能源、实现可持续发展起着重要作用。因此，开发一种低成本具有普适意义的储能系统十分有价值，这也必定是智能电网的关键技术之一。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种可用适用于广泛领域的调峰储能系统，联合电解铝和铝水反应制氢技术，用在如大型电厂的调峰储能，旨在解决现有存在的用电高低峰集中的问题以及利用可再生能源的不稳定性。

本发明的第二个目的是提出一种调峰储能方法。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种联合电解铝和铝水反应制氢的调峰储能系统，包括高温电解铝和铝水反应制氢两个子系统；其中，高温电解铝子系统包括设置在加热炉内的电解槽以及电解槽顶部的电解原料进料口，电解槽底部设置铝液成型装置，所述铝液成型装置连接有铝单质容器；铝水反应制氢子系统包括铝水反应室和分离装置，所述铝水反应室设置有进料口，所述进料口用于投入电解生成的铝单质、液态金属和水溶液，所述分离装置位于铝水反应室底部，所述分离装置设置有氢氧化铝出料口和液态金属出料口，所述氢氧化铝出料口连接所述电解槽的电解原料进料口，所述液态金属出料口连接铝水反应室进料口。

其中，所述高温电解铝子系统包括阳极和阴极，所述阳极和阴极连接有直流电源，所述直流电源通过整流器连接于电网或发电厂；或所述直流电源为可持续能源发电装置。

进一步地，所述高温电解铝子系统包括阳极、阴极、加热元件、控温热电偶、电解槽和排气口；所述阳极为碳阳极，所述阴极为惰性阴极，所述电解槽放置于加热炉中，电解槽内设置有控温热电偶，电解槽的顶部设置所述排气口。电解槽底部连接铝液成形装置。

电解槽可以是石英材质、石墨材质、或内衬石英、石墨或陶瓷层的复合材质。电解铝生成的铝为高温单质，不便储存，因此先凝固成型，固体便于储存和携带。

所述的电解电极采用碳阳极和惰性阴极。阳极上的反应为碳电极被氧化生成二氧化碳，阴极反应为氧化铝被还原生成铝单质。

所述的冰晶石为六氟铝酸钠，用来溶解氧化铝，使氧化铝更容易呈现熔融状态，便于分解为铝单质和氧气。

其中，所述铝水反应制氢子系统包括铝水反应室，所述铝水反应室内放置有液态金属，液态金属上为水溶液层，水溶液层液面高度不超过所述铝水反应室的2/3，铝水反应室顶部设置有氢气集气口，铝水反应室底部连接有离心结构的分离装置。

本发明进一步优选技术方案为，所述液态金属为镓，或是以镓为基底，添加了铟、锡、锌、铋中的一种或多种形成的液态金属合金。

其中，所述的水溶液层可通过加入纯水构成、或通过加入卤族离子水溶液构成，所述卤族离子的水溶液为钠盐、钾盐、氢卤酸溶液中的一种或多种。所述卤族离子的水溶液的浓度为0.05-0.6mol/l。

反应物中，为使金属铝充分活化参与反应，液态金属的质量应大于铝的质量。考虑到反应热会使部分水蒸发，水溶液的质量应大于四倍铝的质量。

其中，所述氢气集气口连接于氢气收集系统，所述氢气收集系统包括储氢罐，或，所述氢气收集系统通过缓冲罐连接有氢气燃料电池。

一种联合电解铝和铝水反应制氢的调峰储能方法，采用所述的调峰储能系统，用电低谷时，电解炼铝子系统工作，将电厂富余电能或可再生能源不平稳发电时的电能转化为化学能，储存在单质铝中；需要使用能量时，铝水反应制氢子系统工作，铝水反应制取氢气，将氢气直接用于氢氧燃料电池发电、或储存运输。

进一步地，需要使用能量时，将单质铝加入铝水反应室中，单质铝被液态金属激活、开始与水反应，生成的氢氧化铝沉淀和未反应的液态金属进入分离装置，用离心方式分离出氢氧化铝，经过140～160℃加热分解为氧化铝，以用于铝电解。

其中，氢氧化铝加入到电解槽中，在140～160℃温度下分解为氧化铝，然后将冰晶石加入到电解槽中，在950-1200℃下电解，生成单质铝。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的调峰储能系统在非峰值时电解氧化铝制得金属铝储存能量，在负荷峰值期间通过铝水反应释放绿色氢能，既对绿色能源的发展起着重要作用，又有利于电力系统稳定高效运行，推动智能电网的发展。

本发明的提出的调峰储能方法，采用低廉易得的铝为反应工质，设备的占地面积小，没有排放污染，规模可调，即可用于大型火力电厂的调峰储能，也可以用于太阳能、风力发电的并网调峰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。

图1为本发明的电解炼铝子系统结构示意图，

图2为本发明的铝水反应制氢子系统结构示意图。

其中，1—直流电源；2—氢氧化铝和冰晶石进料口；3—加热炉；4—控温热电偶；5—碳阳极；6—回收阀门；7—排气口；8—电解液，熔融冰晶石和氧化铝；9—惰性阴极；10—电解槽；11—铝液成形装置；12—铝水反应室；13—水溶液；14—金属铝；15—液态金属；16—回收阀门；17—液态金属、铝和水溶液进料口；18—氢气集气口；19—分离装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种联合电解铝和铝水反应制氢的调峰储能系统，包括高温电解铝和铝水反应制氢两个子系统；其中，高温电解铝子系统包括设置在电解槽底部的单质铝管道；铝水反应制氢子系统包括铝水反应室，所述铝水反应室设置有进料口，所述进料口与所述单质铝管道连接，该单质铝管道上设置回收阀门6。

参见图1，所述高温电解铝子系统包括碳阳极5和惰性阴极9(石墨阴极)，所述阳极和阴极连接有直流电源1，所述直流电源1通过整流器连接于需储存的电能，例如火力发电厂。

高温电解铝子系统包括设置在加热炉内的电解槽10以及电解槽顶部的进料口，电解槽底部设置的铝液成型装置；所述铝液成型装置连接有单质铝容器。所述高温电解铝子系统包括电解槽10，电解槽10上设置氢氧化铝和冰晶石进料口2、加热炉3、控温热电偶4，电解槽的顶部设置有排气口7。电解槽底部连接铝液成形装置11。

参见图2，所述铝水反应制氢子系统包括铝水反应室，所述铝水反应室内放置有液态金属15，其中加有金属铝14，液态金属15上为水溶液13层，水溶液层上液面位于所述铝水反应室的2/3高度处(空腔占1/3)，铝水反应室顶部设置有氢气集气口18，铝水反应室底部连接有离心结构的分离装置19，该分离装置设置有氢氧化铝出料口和液态金属出料口，分别通过氢氧化铝输送装置连接所述电解槽的电解原料进料口和通过液态金属输送装置连接所述铝水反应室进料口。

本实施例中，所述液态金属为镓。所述的水溶液为氯化钠溶液，浓度为0.1mol/l，从铝水反应室顶部的液态金属、铝和水溶液进料口17装入。

反应物中，液态金属的质量≥铝的质量。

理论上，水的质量＞2*铝的质量即可，但是由于一方面反应热可使部分水蒸发，另一方面需要稀释产生的氢氧化铝等，以防氢氧化铝附着在铝表面，影响进一步反应，所以实验中需要水的质量＞50*铝的质量，最好是流动水。本实施例中，水、液态金属和铝的质量比为70：20：1。

所述氢气集气口18连接于氢气收集系统，所述氢气收集系统包括储氢罐，储氢罐通过缓冲罐连接有氢气燃料电池。

运行时，铝水反应容器中装有水溶液和液态金属，将原料铝通过进料口投入铝水反应室，被液态金属激活的铝开始与水反应，产生氢氧化铝沉淀和氢气，氢气通过氢气收集口收集，通过氢气缓冲罐进入储氢罐或氢氧燃料电池。反应结束后，氢氧化铝沉淀和未参与反应的的液态金属通过出料口进入分离装置，通过离心作用分离开来。在电负荷低，电力富余时，分离得到的液态金属重回铝水反应室，氢氧化铝沉淀进入加热室，被加热到150℃以上，分解为水和氧化铝。接下来，在氧化铝中加入冰晶石，加热至1000℃以上，形成熔融氧化铝。电解槽两电极接通富余电能电源，熔融氧化铝在电解槽中被电解，生成铝单质和二氧化碳。在需要使用能量时，将电解回收的铝单质投入铝水反应室，即可重复上述过程，实现电解炼铝-铝水反应制氢的能量循环系统。

实施例2

本实施例中，所述铝水反应制氢子系统包括铝水反应室，所述铝水反应室内放置有液态金属15，液态金属15上为水溶液13层，水溶液层上液面不超过所述铝水反应室的1/3，铝水反应室顶部设置有氢气集气口18，铝水反应室底部连接有离心结构的分离装置19。本实施例中，所述液态金属为镓ga中熔有1％的铋的合金。所述的水溶液为氯化钾溶液，浓度为0.5mol/l。本实施例中，氯化钾溶液、液态金属和铝的质量比为70：10：1。

本实施例调峰储能系统的电解供电来源于太阳能发电不稳定运行时的供电能。

其他操作同实施例1。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。