一种用于电解槽的变功率运行系统及其控制方法

本发明涉及电解制氢，具体涉及一种用于电解槽的变功率运行系统及其控制方法。

背景技术：

1、随着社会与经济的发展，全球能源需求的增速已经远远高于化石燃料再生的速度，化石燃料形成至少需要亿年时间，目前已经面临枯竭。因此寻求清洁、可再生的能源是全球应对人类社会可持续发展的新举措。我国一直致力于发展可再生能源，包括太阳能、水能、风能等清洁能源。相对于传统的化石能源，可再生能源是一种取之不尽的能源，并且其副产物对生态环境的影响非常小。

2、由于太阳能、风能会受到地理纬度、季节天气的影响，呈现出波动性、间歇性较强的特性，因此经常产生电网无法消纳的电量，即使在被储能系统削峰填谷后，“弃风弃光”的电量仍然十分可观，随着新装机量的扩增这种现象还在快速增加。如今，电解水制氢技术逐渐成熟，可利用电网无法消纳的“弃风弃光”。

3、随着光伏发电和风力发电的装机容量越来越大，逐渐形成了大规模的光伏阵列以及风力发电机组。在这些光伏阵列中的某一些光伏板，会因为乌云遮挡、灰尘、自身老化受损等原因，出现局部阴影现象；并且风力发电机组也会受到风力等级影响，这些将会导致光伏发电以及风力发电系统的输出功率不稳定，呈现多峰值现象。

4、然而传统电解槽工作过程需要稳定的功率供应，以保证稳定的工作条件，稳定的槽体温度，稳定的产氢性能等。不稳定的工作会降低能量转化率甚至可能存在生产安全风险，这就要求电解槽需要具备能够适应变功率条件下仍能正常工作的功能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于电解槽的变功率运行系统及其控制方法，本系统具有适应可再生能源的波动特性，从而增强运行性能，提高能量转化率；本方法操作简单，响应速度快，提高适用性。

2、为了实现上述目的，本发明的系统包括：依次相连的可再生能源模块、功率控制柜和可变功率电解槽；所述可变功率电解槽两侧端板上分别安装有直流正极和直流负极的接线柱，所述可变功率电解槽两侧端板之间相间安装有若干个电解小室和电极集流体，每个电极集流体上端安装有一个变功率控制开关，每个相邻的电解小室和电极集流体以及变功率控制开关构成一个功率单元；所述功率单元的变功率控制开关之间并联，并与所述直流正极相连。

3、所述可再生能源模块包括风力模块和光伏模块。

4、所述功率控制柜包括具有跟踪光伏和风力发电最大功率点功能的光伏最大功率跟踪装置、风力发电最大功率跟踪装置以及直流整流装置和功率输出控制装置。

5、所述光伏最大功率跟踪装置和所述风力发电最大功率跟踪装置输出的功率，通过所述直流整流装置进行直流整流。

6、所述可变功率电解槽采用碱性电解槽、质子交换膜电解槽、阴离子交换膜电解槽或固体氧化物电解槽中的一种。

7、所述变功率开关采用空气开关或超导开关。

8、所述变功率开关采用滑块导杆机构。

9、所述滑块导杆机构包括齿条、滑动架和绝缘导杆；所述滑动架安装在齿条背板上，滑动架中间设有直齿轮，直齿轮与齿条啮合，滑动架上端侧板设有大伞齿轮，滑动架下端侧板设有伺服电机，伺服电机顶部设有小伞齿轮，小伞齿轮与大伞齿轮啮合；所述绝缘导杆与齿条背板相接，绝缘导杆上安装有间隔分布的导电环和绝缘环，导电环与所述电极集流体连，滑动架下端与绝缘导杆上的导电环和绝缘环面接触。

10、基于以上系统的用于电解槽的变功率运行的控制方法，可再生能源模块产生的电能供给至功率控制柜，功率控制柜产生控制信号传递到变功率控制开关，通过控制变功率控制开关的通断，控制可变功率电解槽的功率；当可再生能源模块输出的功率变小时，功率控制柜发出相应控制信号，临近直流正极的功率单元的变功率控制开关断开，实际接入可变功率电解槽的功率单元的电解小室数目减少，从而减小可变功率电解槽的功率；当可再生能源模块输出的功率变大时，功率控制柜变控制信号，控制相应功率单元的变功率控制开关闭合，实际接入可变功率电解槽的功率单元的电解小室数目增加，从而增大可变功率电解槽的功率。

11、本发明与现有技术相比，有益效果如下：

12、(1)本发明通过功率控制柜产生控制信号，传递至功率单元的变功率控制开关来控制电解槽所需功率，消除可再生能源电力的间歇性波动对电解槽运行性能的影响，提高电解槽及系统的运行寿命、安全性和稳定性，能更好地与新能源发电系统相适应，降低系统损耗，提高经济效益。

13、(2)本发明通过功率单元的变功率开关的断开或闭合来改变接入电解电路的实际电解小室数量，改变电解槽的消耗功率，从而与新能源发电功率波动相适应，此调节方式操作简单、响应速度快、精度高、同时电解槽维护组装方便。

14、(3)本发明电解槽的最大电解功率由功率单元的电解小室的数量决定，在实际的应用中，可以根据所需的产氢量和新能源发电的最大输出功率大小对电解槽的电解小室数量灵活增减，提高了电解槽的通用性和适用性。

15、(4)本发明各模块依次相连是采用了直接耦合的方法，相比间接耦合方法减少了蓄电池的使用，简化了系统成本，此方法具有普适性，亦能应用于其它系统中。

技术特征：

1.一种用于电解槽的变功率运行系统，其特征在于：包括依次相连的可再生能源模块、功率控制柜(9)和可变功率电解槽(10)；所述可变功率电解槽(10)两侧端板(1)上分别安装有直流正极(3)和直流负极(5)的接线柱，所述可变功率电解槽(10)两侧端板(1)之间相间安装有若干个电解小室(2)和电极集流体(4)，每个电极集流体(4)上端安装有一个变功率控制开关(6)，每个相邻的电解小室(2)和电极集流体(4)以及变功率控制开关(6)构成一个功率单元；所述功率单元的变功率控制开关(6)之间并联，并与所述直流正极(3)相连。

2.如权利要求1所述的用于电解槽的变功率运行系统，其特征在于：所述可再生能源模块包括风力模块(1)和光伏模块(2)。

3.如权利要求1所述的用于电解槽的变功率运行系统，其特征在于：所述功率控制柜(9)包括具有跟踪光伏和风力发电最大功率点功能的光伏最大功率跟踪装置、风力发电最大功率跟踪装置以及直流整流装置和功率输出控制装置。

4.如权利要求3所述的用于电解槽的变功率运行系统，其特征在于：所述光伏最大功率跟踪装置和所述风力发电最大功率跟踪装置输出的功率，通过所述直流整流装置进行直流整流。

5.如权利要求1所述的用于电解槽的变功率运行系统，其特征在于：所述可变功率电解槽(10)采用碱性电解槽、质子交换膜电解槽、阴离子交换膜电解槽或固体氧化物电解槽中的一种。

6.如权利要求1所述的用于电解槽的变功率运行系统，其特征在于：所述变功率开关(6)采用空气开关或超导开关。

7.如权利要求1所述的用于电解槽的变功率运行系统，其特征在于：所述变功率开关(6)采用滑块导杆机构。

8.如权利要求7所述的用于电解槽的变功率运行系统，其特征在于：所述滑块导杆机构包括齿条(11)、滑动架(12)和绝缘导杆(19)；所述滑动架(12)安装在齿条(11)背板上，滑动架(12)中间设有直齿轮(13)，直齿轮(13)与齿条(11)啮合，滑动架(12)上端侧板设有大伞齿轮(14)，滑动架(12)下端侧板设有伺服电机(16)，伺服电机(16)顶部设有小伞齿轮(15)，小伞齿轮(15)与大伞齿轮(14)啮合；所述绝缘导杆(19)与齿条(11)背板相接，绝缘导杆(19)上安装有间隔分布的导电环(17)和绝缘环(18)，导电环(17)与所述电极集流体(4)相连，滑动架(12)下端与绝缘导杆(19)上的导电环(17)和绝缘环(18)面接触。

9.一种如权利要求1-7任一项所述的用于电解槽的变功率运行系统的控制方法，其特征在于：可再生能源模块产生的电能供给至功率控制柜(9)，功率控制柜(9)产生控制信号传递到变功率控制开关(6)，通过控制变功率控制开关(6)的通断，控制可变功率电解槽(10)的功率；当可再生能源模块输出的功率变小时，功率控制柜(9)发出相应控制信号，临近直流正极(3)的功率单元的变功率控制开关(6)断开，实际接入可变功率电解槽(10)的功率单元的电解小室数目减少，从而减小可变功率电解槽(10)的功率；当可再生能源模块输出的功率变大时，功率控制柜(9)改变控制信号，控制相应功率单元的变功率控制开关(6)闭合，实际接入可变功率电解槽(10)的功率单元的电解小室数目增加，从而增大可变功率电解槽(10)的功率。

技术总结
本发明公开一种用于电解槽的变功率运行系统及其控制方法，包括依次相连的可再生能源模块、功率控制柜和可变功率电解槽；可变功率电解槽两侧端板上分别安装有直流正负极的接线柱，端板之间相间安装有若干个电解小室和电极集流体，每个电极集流体上端安装有一个变功率控制开关，每个相邻的电解小室和电极集流体以及变功率控制开关构成一个功率单元；变功率控制开关之间并联，与直流正极相连。本发明通过功率控制柜及功率单元的配合，可以适应可再生能源的波动特性，从而增强性能，消除可再生能源电力的间歇性波动对电解槽运行性能的影响，提高电解槽及系统的运行寿命、安全性和稳定性，更好地与可再生能源系统相适应，降低系统损耗，提高经济效益。

技术研发人员：李印实,张锐金
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4