专利名称：一种电力储能装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电力储能领域，涉及通过电解水制氢系统、储氢与储氧系统和燃料电池发电系统，实现电力存储的电化学储能技术，尤其涉及一种电力储能装置。
背景技术：
随着国民经济的迅速增长，对能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所产生的环境污染问题日益尖锐。新能源资源潜力大，可持续利用，在满足能源需求、改善能源结构、减少环境污染、促进经济发展等方面发挥了重要作用，已引起了国际社会的广泛关注。在能源安全与环境保护的双重压力下，技术相对成熟、具备规模化开发条件的风力发电和太阳能发电等可再生能源发电在世界范围内取得了飞速发展。特别是，近年来风力发电和太阳能发电的产业规模和市场化程度逐年提高，也催生了智能电网技术的发展。风能与太阳能资源的自身特点决定了风能和太阳能发电具有不稳定性和不连续性，是典型的随机性、间歇性电源。由于风电和太阳能发电的难以预测性，使其无法按照实际电力负荷需求调整电力供应，目前需通过化石能源发电的调节来适应其并网发电的要求，使新能源发电难以成为主力电源，仅能作为辅助电源使用；其次，风电和太阳能发电的不稳定性，使其大规模并网发电对电网的安全稳定运行等诸多方面有很大影响。这些均已成为目前制约风电和太阳能发电大规模发展的较大障碍。储能系统具有动态吸收能量并适时平稳释放的特点，能有效弥补风电和太阳能发电间歇性、波动性的缺点，改善电场输出功率的可控性，提升发电的稳定性水平。在风电和太阳能发电中引入储能系统，可有效抑制功率波动，平滑输出电压，提高电能质量，是保证风电和太阳能发电并网运行的关键技术和主流方式。目前大规模电力储能技术既是制约可再生能源发电的“瓶颈”，也是制约智能电网发展的“瓶颈”。大规模电力储能技术发展对能源和电力的发展变革具有重要影响，有可能改变未来的能源生产、运输和使用方式。根据能量转换形式不同，储能技术可分为机械储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)；电磁储能(如超导磁储能、超级电容器等)；电化学储能(如铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等)。抽水蓄能和压缩空气储能受地域限制影响很大；飞轮储能、超导磁储能和超级电容器储能的持续时间较短，一般不超过15min。
发明内容为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种电力储能装置， 具有能量密度大，持续时间长，且不受地域限制的优点。为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是一种电力储能装置，包括AC/DC变换系统III，将需要储存的电能由交流电能转换为直流电能；电解水制氢系统IV，将AC/DC变换系统III转换的直流电能转换为化学能，释放纯氢和纯氧；储氢系统V，储存直流电能转换为化学能的过程中生成的氢气；储氧系统VI，储存直流电能转换为化学能的过程中生成的氧气；燃料电池发电系统VII，将储氢系统V和储氧系统VI中的化学能氢气和氧气转换为直流电能；储水系统X，储存化学能氢气和氧气转换为直流电能的过程中生成的水并供常规电解水制氢系统IV使用；DC/AC变换系统VII，将燃料电池发电系统VII转换的直流电能转换为交流电能后并入电网。其中，所述输入到AC/DC变换系统III的电能来源于风力发电系统、太阳能发电系统、火力发电系统、水力发电系统、核电站或者运行中的电网。所述的电解水制氢系统IV为常规碱性电解水制氢系统、纯水电解制氢箱体、质子交换膜水电解制氢系统或者固体氧化物水电解制氢系统。所述燃料电池发电系统VII为碱性燃料电池发电系统、磷酸燃料电池发电系统、 熔融碳酸盐燃料电池发电系统或者固体氧化物燃料电池发电系统，燃料电池运行采用纯氢 /纯氧燃料运行。所述储氢系统V和储氧系统VI和采用常压存储、中压存储或者高压存储，压力范围 0 80MPa。所述电解水制氢系统IV和燃料电池发电系统VII既可以分时工作，即充电和放电过程独立运行，实现大规模电力储存，又可以同时工作，动态吸收能量并适时平稳释放，有效平滑太阳能、风能等可再生能源发电的波动性，改善电场输出功率的可控性，提升发电的稳定性水平。本实用新型与现有技术相比具有以下优点1)容量大目前蓄电池储能技术尚不具备在大规模电力储能系统推广应用的条件，其原因除成本因素外，主要是由于蓄电池储能容量较低，这是由于蓄电池的活性物质封闭在电池内部的正负极片上，考虑到蓄电池的制备工艺、安全性等因素，其活性物质填充量有一定限制，因此，蓄电池的储能容量有限，难以满足电力储能领域对储能系统大容量的要求。而本实用新型的大规模电力储能装置，活性物质氢气和氧气采用外部储存的方式，分别储存在储氢系统和储氧系统中，该储能装置的储能容量仅由储氢系统和储氧系统的体积和压力决定，通过增加储氢和储氧系统的体积和储存压力，该电力储能装置的储能容量可达到10 100万千瓦时的储能容量。2)寿命长、成本低本实用新型的大规模电力储能装置的主要组成部分常规电解水制氢系统IV技术成熟，已有广泛的商业化应用，成本较低，且其使用寿命可达15年；碱性燃料电池发电系统VII最早成功应用于美国“阿波罗”登月计划，至今美国航天飞机已用碱性燃料电池飞行了 93次。碱性燃料电池的主要问题是C02的毒化作用，使碱性电解质生成碳酸根离子，对电池的效率和使用寿命造成影响，但在本实用新型中，碱性燃料电池的使用纯氢和纯氧为燃料，可完全避免C02的毒化作用。随着碱性燃料电池技术的发展，目前其在纯氢和纯氧环境下的使用寿命超过2万次，若以该储能装置每天运行证计算，则其使用寿命可达10年以上；其次碱性燃料电池可不使用Pt等贵金属催化剂，且其隔膜等电池材料价格低廉，使得碱性燃料电池的成本很低，非常适宜作为本实用新型大规模电力储能装置中的发电系统。3)环境友好本实用新型的大规模电力储能装置输入能源为电能，经过将电能转换为化学能(氢气和氧气)进行储存，在电网负荷峰高峰期通过化学能直接转换为电能输出至电网，整个过程中所消耗和生成物均为水，通过水的循环利用可实现该电力储能装置的封闭运行，不会对周围环境不产生不利影响；且该电力储能装置的各部分组成材料也均不会对环境产生不利影响。综合来看，本实用新型的大规模电力储能装置具有大容量、长寿命、低成本及环境友好等优势，且其各主要组成部分的技术成熟度较高，在电力领域具有极其广阔的应用前
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图1为本实用新型的结构示意图。图2为本发明不同储能容量所对应的储氢系统体积，其中横坐标为储能容量，单位万千瓦时；纵坐标为储氢系统的体积，单位立方米。图3为本发明不同储能容量所对应的储氧系统体积，其中横坐标为储能容量，单位万千瓦时；纵坐标为储氧系统的体积，单位立方米。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。如图1所示，本实用新型为一种电力储能装置，包括AC/DC变换系统III，将需要储存的电能由交流电能转换为直流电能；电解水制氢系统IV，将AC/DC变换系统III转换的直流电能转换为化学能，释放氢气和氧气；储氢系统V，储存电解水制氢系统IV在直流电能转换为化学能的过程中生成的氢气；储氧系统VI，储存电解水制氢系统IV在直流电能转换为化学能的过程中生成的
氧气；燃料电池发电系统VII，将储氢系统V和储氧系统VI中的化学能氢气和氧气转换为直流电能；储水系统X，储存燃料电池发电系统VII将化学能转换为直流电能的过程中生成的水并供常规电解水制氢系统IV使用；DC/AC变换系统VII，将燃料电池发电系统VII转换的直流电能转换为交流电能后并入电网。下面假设设计功率为一万千瓦，储能容量为一万千瓦，则(1)碱性燃料电池发电系统VII设计，根据图1，本实用新型的大规模电力储能装置结构图，由于该电力储能装置额定功率为一万千瓦，相应碱性燃料电池发电系统的额定功率为一万千瓦，一般设计采用碱性燃料电池模块串联的方式使燃料电池发电系统达到所需额定功率；[0040](2)储氢V和储氧系统VI设计，根据图2和图3储能装置不同储能容量所对应的储氢和储氧系统体积，设计出该储能装置中储氢和储氧系统的体积，以碱性燃料电池发电系统效率为70%计算，则储氢和储氧系统的体积仅分别为120m3和60m3，其中储氢和储氧系统的设计压力均为5MPa，即该储能装置实际所需的氢气和氧气量分别为6000Nm3和 3000Nm3。(3)储水系统X设计，根据上述储能装置实际所需的氢气和氧气量分别为 BOOONm3和3000Nm3，则相应运行过程中所需产物水的体积为4. 82m3，考虑到实际运行过程将有部分水份的损失，因此储水系统X的体积不小于6m3。(4)电解水制氢系统IV设计，根据储能装置氢气和氧气的实际需求量，及储能装置充电(电解)过程的时间，并考虑到电解水制氢系统实际电解效率，确定电解水制氢系统的额定功率与实际产氢量。若以该储能装置的充电(电解)过程时间为池，即通过对该储能装置进行池充电可使其达到额定储能容量，电解水制氢系统实际电解效率为85%，则电解水制氢系统的实际产氢量为3000Nm3/h，额定功率为8400千瓦(一千瓦电功率的理论产氢量为 0. 42Nm3/h)。(5) AC/DC变换系统III、DC/AC变换系统VIII的设计与选型，依据碱性燃料电池发电系统VII额定功率及电网IX的并网要求，设计DC/AC变换系统VIII，并进行设备选型； 依据电解水制氢系统IV额定功率及太阳能、风能发电场I或电网II的具体要求，设计AC/ DC变换系统III，并进行设备选型。本实用新型一种电力储能装置的具体操作方法(1)充电过程在电网负荷低谷期将太阳能、风能发电场I或电网II电能存储于该储能装置内，该过程需要控制运行的部分有AC/DC变换系统III、电解水制氢系统IV、储水系统X、储氢系统V和储氧系统VI。其中AC/DC变换系统III和电解水制氢系统IV均采用模块化设计以适应不同输入功率下的充电过程；(2)储能过程完成充电过程后，输入电能转换为化学能(氢气和氧气)，分别储存在储氢系统V和储氧系统VI内进行储存，由于该储存过程为物理存储，存储容量和储存时间均可灵活控制；(3)放电过程在电网负荷高峰期将存储于该储能装置内的化学能(氢气和氧气) 通过碱性燃料电池发电系统VII转换为电能，并通过DC/AC变换系统VIII送入电网，以满足电网负荷高峰期的用电需求。该过程需要控制运行的部分有储氢系统V、储氧系统VI、 碱性燃料电池发电系统VII、储水系统X、DC/AC变换系统VIII。其中碱性燃料电池发电系统VII、DC/AC变换系统VIII均采用模块化设计以适应不同输出功率下的放电过程。本实用新型一种电力储能装置不仅可通过充电过程和放电过程的独立运行，实现大规模电力储存；也可通过充电过程和放电过程的同时运行，动态吸收电能并适时平稳释放，有效平滑太阳能、风能等可再生能源发电的波动性，改善电场输出功率的可控性，提升发电的稳定性水平。
权利要求1.一种电力储能装置，其特征在于，包括AC/DC变换系统(III)，将需要储存的电能由交流电能转换为直流电能；电解水制氢系统(IV)，将AC/DC变换系统(III)转换的直流电能转换为化学能，释放氢气和氧气；储氢系统(V)，储存直流电能转换为化学能的过程中生成的氢气；储氧系统(VI)，储存直流电能转换为化学能的过程中生成的氧气；燃料电池发电系统(VII)，将储氢系统(V)和储氧系统(VI)中的化学能氢气和氧气转换为直流电能；储水系统(X)，储存化学能氢气和氧气转换为直流电能的过程中生成的水并供常规电解水制氢系统(IV)使用；DC/AC变换系统(VII)，将燃料电池发电系统(VII)转换的直流电能转换为交流电能后并入电网。
2.根据权利要求1所述的一种电力储能装置，其特征在于，所述输入到AC/DC变换系统 (III)的电能来源于风力发电系统、太阳能发电系统、火力发电系统、水力发电系统、核电站或者运行中的电网。
3.根据权利要求1所述的一种电力储能装置，其特征在于，所述电解水制氢系统(IV) 为常规碱性电解水制氢系统、纯水电解制氢箱体、质子交换膜水电解制氢系统或者固体氧化物水电解制氢系统。
4.根据权利要求1所述的一种电力储能装置，其特征在于，所述燃料电池发电系统 (VII)为碱性燃料电池发电系统、磷酸燃料电池发电系统、熔融碳酸盐燃料电池发电系统或者固体氧化物燃料电池发电系统。
5.根据权利要求1所述的一种电力储能装置，其特征在于，所述燃料电池发电系统 (VII)采用氢气和氧气燃料运行。
6.根据权利要求1所述的一种电力储能装置，其特征在于，所述储氢系统(V)采用常压存储、中压存储或者高压存储，压力范围ο 80MPa。
7.根据权利要求1所述的一种电力储能装置，其特征在于，所述储氧系统(VI)采用常压存储、中压存储或者高压存储，压力范围ο 80MPa。
8.根据权利要求1所述的一种电力储能装置，其特征在于，所述电解水制氢系统(IV) 和燃料电池发电系统(VII)同时工作，即充电和放电过程同时运行。
9.根据权利要求1所述的一种电力储能装置，其特征在于，所述电解水制氢系统(IV) 和燃料电池发电系统(VII)分时工作，即充电和放电过程独立运行。
专利摘要本实用新型公开了一种电力储能装置，属于电化学储能技术；该装置主要由电解水制氢系统、储氢系统、储氧系统、储水系统、碱性燃料电池发电系统、AC/DC变换系统、DC/AC变换系统及相应控制系统组成；通过将电能直接转化为化学能，分别储存于储氢和储氧系统中，在电网负荷峰高峰期将存储的氢气和氧气通过碱性燃料电池发电系统，将化学能直接转化为电能，进行电力供应；整个装置在电解过程消耗的水可通过燃料电池发电过程生成的水进行循环利用，具有大容量、长寿命、低成本及环境友好等优势，且其各主要组成部分的技术成熟度较高，在电力领域具有极其广阔的应用前景。
文档编号H01M8/04GK202034791SQ20112008605
公开日2011年11月9日 申请日期2011年3月28日 优先权日2011年3月28日
发明者刘明义, 徐越, 王保民, 程健, 许世森 申请人:中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司