一种利用废弃矿山的光伏制-储-用氢系统及其施工方法与流程

本发明涉及新能源，具体来说涉及一种利用废弃矿山的光伏制-储-用氢系统及其施工方法。

背景技术：

1、传统的矿山生态修复标准较低，往往是简单的削坡、平整，没有充分挖掘矿山的生态、经济、社会价值，难以形成长效机制。为此，探索废弃矿山+能源光伏模式，将废弃矿山变为绿色光伏发电站，促进我国能源绿色低碳转型发展。

2、但光伏发电存在资源的周期性和安全稳定性等问题，会妨碍电网的正常调度，对电网的安全性和稳定性构成了威胁，光伏发电直接并网存在困难。而利用光伏发电进行电解水制氢，不仅能够实现“零碳排放”，获得真正洁净的“绿氢”，还能够将间歇、不稳定的可再生能源转化储存为化学能，构成电氢综合能源系统，促进新能源电力的消化。

3、目前氢气储能主要以地面罐装储藏为主，其运输储存及安全运维存在较大的局限性。鉴于此，为了更好地促进氢能产业的发展，可通过地下分布式储氢井进行地下储氢，地下储氢不仅可减少对城市的土地占用，还可解决氢气储存过程中的安全、消防等问题。同时，由于汽车加氢具有比较大的随机性，受到很多因素例如：时间、温度、天气状况等的影响，会出现波峰与波谷的现象。鉴于此，地下分布式储氢井容积应经过仔细测算后合理确定，在满足汽车加氢速率的同时节约加氢站建设成本。

技术实现思路

1、为了提高废弃矿山资源利用率、太阳能及氢能综合利用率，本发明提出了一种利用废弃矿山的光伏制-储-用氢系统及其施工方法，既能解决废弃矿山土地资源有效利用问题，又能实现太阳能、电能及氢能有效转化和利用。

2、为了达到上述技术目的，本发明提供了一种利用废弃矿山的光伏制-储-用氢系统，其特征在于：所述光伏制-储-用氢系统包括光伏发电模块、能量控制模块、制氢模块、运氢模块、储氢模块和加氢模块，所述光伏发电模块、能量控制模块和制氢模块通过母线串联运行，所述制氢模块、储氢模块和、加氢模块通过输氢管道进行连接；所述光伏发电模块由多块光伏板串联而成，并通过光伏支架安装在修复后废弃矿山上；所述能量控制模块包括光伏控制器和蓄电池，所述光伏控制器的输入端与光伏发电模块的输出端信号连接，所述蓄电池的输入端与光伏控制器的输出端连接；所述制氢模块由多个电解槽串联而成，所述制氢模块的电解槽电源端与蓄电池输出端相连，且制氢模块的氢气输出端通过输氢管道与第一氢气压缩机输送至储氢模块，或通过氢气长管拖车输送至储氢模块附近，并通过卸气柱和第一氢气压缩机输送至储氢模块；所述储氢模块包括多组地下分布式储氢井，所述加氢模块包括第二氢气压缩机和加氢机组成，地下分布式储氢井的输出端通过输氢管道与第二空气压缩机连接，并通过第二氢气压缩机输送至加氢机。

3、本发明较优的技术方案：所述废弃矿山可为废弃煤矿或锡矿的露天矿山，其通过削坡、顶部整平的修复治理方法，满足光伏场地所需的地形起伏角度，修复治理后的废弃矿山的坡面坡度控制在25～35°，地形起伏控制在20°以内；所述光伏板为倾斜设置，所述光伏支架安装在光伏板的一侧端面。

4、本发明较优的技术方案：所述光伏控制器用于将光伏板的功率输出控制在最大功率点附近；所述蓄电池用于平抑光伏功率波动，将功率波动20％～100％的光伏板发电功率控制到40％～100％的电解槽工作范围内。

5、本发明较优的技术方案：所述地下分布式储氢井的外径为200～700mm，井深为80～200m，工作压力为45～70mpa。

6、本发明较优的技术方案：多组地下分布式储氢井之间通过输氢管道并联连通，每组地下分布式储氢井包括高压储氢井、中压储氢井和低压储氢井，同一组的高压储氢井、中压储氢井和低压储氢井通过输氢管道连通，并在每个储氢井的出口管道设有控制阀；在进行加氢过程中，先由低压储氢井对氢能源车充气，当低压储氢井的压力下降到与氢能源车的车载气瓶压力相等时，隔离低压储氢井并切换到中压储氢井，此时利用中压储氢井对氢能源车的车载气瓶进行加氢进行充气，当中压储氢井压力下降到与氢能源车的车载气瓶压力相等时，隔离中压储氢井并切换到高压储氢井，此时利用高压储氢井对氢能源车进行充气，直至高压储氢井的压力下降到与氢能源车的车载气瓶压力相等时，停止从地下分布式储氢井中取气。

7、本发明较优的技术方案：所述高压储氢井、中压储氢井和低压储氢井的最佳容积比为2:3:4，其储氢井取气率为45.57％。

8、本发明还提供了一种利用废弃矿山的光伏制-储-用氢系统的施工方法，其特征在于：具体施工步骤如下：

9、s1.废弃矿山修复；对废弃矿山较为陡峭的外边坡进行坡面分级处理，降低坡度，减小坡长，坡面坡度控制在25～35°，坡道中间设置分级马道，保证坡体稳定；同时对废弃矿山顶部进行场地平整，高差起伏较大的区域要通过削高垫低的方式实现平缓过渡，地形起伏控制在20°以内，整形后顶部平台相对平整；

10、s2.光伏板布置；废弃矿山治理修复后，通过光伏支撑架在矿山表面布置光伏板，光伏板倾斜设置，矿山顶部及边坡光伏板间距以矿山所在地冬至日上午9时和下午15时光伏阵列前后互不遮挡为原则；

11、s3.设置蓄电池；串联多个蓄电池形成蓄电池组将光伏发电模块产生的电能先储存在蓄电池中，经过蓄电池缓冲后输出平稳的电压电流，通过母线将电流输送至制氢模块进行氢气制备；

12、s4.设置制氢模块；制氢模块包括多个电解槽，将多个电解槽串联起来用于制氢，电解槽的数量按照以下公式计算：

13、

14、

15、

16、式中，-制氢速率；η-电解槽电流效率；n-电解槽数量；

17、s-化学反应的接触面积；z-离子价电子数；q-储用氢所需要的容量；

18、f-法拉第常数，为96485c/mol；icell-直流电流；

19、kf、kf0—电流效率相关参数；h-制氢时间；

20、s5.氢气运输；根据废弃矿山场区所在地与加氢站距离远近选择氢气运输方式，距离较近时可选择输氢管道进行氢气运输，距离较远时可选择氢气长管拖车进行氢气运输，接着氢气通过压缩机进行压缩，升压后的氢气储存至氢气储存模块内；

21、s6.地下分布式储氢井制作；储存模块由多组高、中、低压地下分布式储氢井组成，依据质量守恒定律，地下分布式储氢井对氢能源车充气的过程中，地下分布式储氢井中氢气的质量变化应等于车载气瓶中氢气质量变化，根据该规律得到每组地下分布式储氢井中高、中、低压地下分布式储氢井容积之间的关系：

22、avl+bvm+cvh＝δmc        ④

23、其中a、b、c和δmc为常数，可以根据以下公式直接计算得到：

24、

25、

26、式中：δmc-车载气瓶中氢气质量变化；

27、vl、vm、vh-低压、中压、高压储氢井氢气容积；

28、pl1、pm1、ph1-低压、中压、高压储氢井取气前压力；

29、tl1、tm1、th1-低压、中压、高压储氢井取气前气体温度；

30、zl1、zm1、zh1-低压、中压、高压储氢井取气前压缩因子；

31、pl2、pm2、ph2-低压、中压、高压储氢井取气后压力；

32、tl2、tm2、th2-低压、中压、高压储氢井取气后气体温度；

33、zl2、zm2、zh2-低压、中压、高压储氢井取气后压缩因子；

34、pc1、pc2-车载气瓶取气前、取气后压力；

35、zc1、zc2-车载气瓶取气前、取气后压缩因子；

36、tc1、tc2-车载气瓶取气前、取气后气体温度；

37、通过以上的关系式④可以得到每组的高、中、低压地下分布式储氢井的容积比，并将每组的容积比分别代入以下公式计算出该组容积比下的取气率：

38、

39、pv＝zmrt

40、式中：m是每组高、中、低压地下分布式储氢井的储氢气总质量；

41、m0是取完气后每组高、中、低压地下分布式储氢井剩余的质量总和；

42、ξ-地下分布式储氢井取气率；

43、p-氢气压力；v-储气容积；z-氢气压缩因子；

44、t-氢气温度；r-摩尔气体常数，8.314472j/(mol·k)；

45、将通过公式⑤计算出每组的高、中、低压地下分布式储氢井的不同容积比下对应的取气率进行比较，选出最佳的取气率对应的容积比作为最终地下分布式储氢井制备的参数；

46、s7.地下分布式储氢井施工；首先平整场地，进行储氢井井孔定位，然后钻机就位，下放钻头进行钻孔，并将泥渣及时清运，进行成孔验收，通过吊机将储氢井对中沉放至井孔内，至此完成储氢井施工；

47、s8.车辆加氢；在地下分布式储氢井与车载气瓶压力差作用下，氢气通过加氢机快速加注到氢能源汽车的车载气瓶中。

48、本发明较优的技术方案：所述s2步骤中，在光伏板布置后，在光伏板下方种植草本植物，进行植被覆盖；所述s2步骤中的光伏板倾角根据矿山当地月平均辐照度、直射分量辐照度、散射分量辐照度、风速和雨水条件运用pvsyst光伏软件进行设计。

49、本发明较优的技术方案：所述s2步骤中矿山顶部及边坡光伏板间距由以下公式计算得到：

50、l＝l0cosε+l0sinεcotαcosβ

51、

52、式中，α-太阳高度角；β-太阳方位角；γ-矿山边坡光伏板倾角；

53、θ-矿山边坡坡度；l-矿山顶部光伏板间距；ε-矿山顶部光伏板倾角；

54、l0-矿山边坡光伏板间距；l0-光伏板长度。

55、本发明进一步的技术方案：所述s6步骤中公式④是根据地下分布式储氢井中氢气的质量变化应等于车载气瓶中氢气质量变化得到的，其使用到的参数与s6步骤中的参数对应，具体过程如下：

56、

57、

58、

59、

60、

61、δml+δmm+δmh＝δmc

62、

63、式中，δml-低压储氢井氢气质量变化；δmm-中压储氢井氢气质量变化；

64、δmh-高压储氢井氢气质量变化；δmc-车载气瓶中氢气质量变化。

65、本发明的有益效果：

66、(1)本发明中光伏场地为废弃矿山，矿山开采遗弃后，不仅将大量土地资源被闲置，还会造成严重的生态问题；本发明利用废弃的矿山安装光伏发电板，把光伏发电和矿山生态治理相结合，既能解决土地资源有效利用问题，又对生态环境治理具有积极意义，实现了生态修复、发电双丰收。

67、(2)本发明中采用光伏发电-电解水制氢，光伏制氢具有清洁无污染、成本低、转换效率高、储能效用巨大、可解决光伏发电过剩、发电间歇性等光伏发电不稳定性等问题，提高能源利用率。

68、(3)本发明中地下分布式储氢井处于地下，不受天气、人为因素影响，可有效降低事故发生概率；储氢井周围围岩形成天然围护效果，在爆炸发生时不但可以控制爆炸方向为竖直方向，而且可以极大地缩小爆炸影响范围，可有效降低爆炸产生的危害；且处于地下的储氢井能够有效地避免静电产生，从源头避免了事故产生。

69、(4)本发明中采用地下分布式储氢井进行氢气储存，并通过高压、中压、低压储氢井与车载气瓶压力差依次进行氢气加注，使提高地下分布式储氢井的取气率；且本发明中的高压、中压、低压储氢井容积比通过计算得到，避免了储氢井容积过小造成的氢气压缩机频繁启动，延长了氢气压缩机寿命，同时避免了储氢井容积过大造成的建设成本增加。

70、本发明中对废弃矿山进行修复治理后设置光伏发电模块，通过光伏发电模块进行发电，产生的电能通过能量控制模块的调控，使电量存储于蓄电池中，经过蓄电池缓冲后供给制氢模块进行电解水制氢，接着通过输氢管道或长管拖车将氢气运输至地下分布式储氢井，最后通过加氢模块将氢气加注至车载气瓶内。通过本发明中的系统，可解决废弃矿山资源有效利用问题，同时能够在光氢耦合情况下，实现太阳能、电能及氢能有效转化和利用，实现离网分布式光伏能源的有效消纳，提高了可再生能源制备绿色电力的综合利用效率。