基于氢燃料电池的水电站直流系统的制作方法

本发明涉及水利水电机电技术领域，具体涉及一种基于氢燃料电池的水电站直流系统。

背景技术：

水电站设直流系统为给信号设备、保护、自动装置、事故照明、应急电源及断路器分、合闸操作提供直流电源。直流系统在水电厂中是一个相对独立的电源系统，正常运行时由外部提供交流电源，经过直流充电装置整流后提供直流电源，在外部交流电中断的情况下，由直流蓄电池继续提供直流电源，以保证控制、保护设备的供电连续性。目前，水电站直流系统的电池大都采用铅酸或者镉镍蓄电池，无论是铅酸还是镉镍电池，都具有一定的腐蚀性和毒性，不仅需要专门的隔室单独布置，而且一旦泄露会造成严重的环境污染，甚至危及人身安全，因此需要采取相关防护措施。此外，蓄电池寿命有限，随着运行时间增加，电池的性能会逐渐下降，当蓄电池寿命到期后需要更换新电池以保证系统直流的连续、可靠供电。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于氢燃料电池的水电站直流系统，有效提高运行人员的安全性，降低设备节能降耗，替换高耗能高污染传统设备，实现水电站运行维护的零排放。

本发明提供了一种基于氢燃料电池的水电站直流系统，其特征在于包括水电站制氢系统、水电站储氢系统、压力传感器、.输氢管路、氢燃料电池电堆、可调节阀门、电流变送器、电压变送器、氢-电联合控制柜、直流开关柜；其中水电站制氢系统的输出端通过输氢管路与水电站储氢系统相连通；水电站储氢系统通过输氢管路与氢燃料电池电堆相连通；氢燃料电池电堆的输出端与直流开关柜的输入端电连接；直流开关柜的输出端与水电站直流用电负荷电连接；水电站储氢系统内部设置有压力传感器；水电站储氢系统与氢燃料电池之间的输氢管路上设置有可调节阀门；氢燃料电池电堆与直流开关柜电连接的线路上设置有电流变送器和电压变送器；压力传感器、可调节阀门、电流变送器、电压变送器分别与氢-电联合控制柜电连接。

上述技术方案中，所述氢燃料电池电堆的正极输出端与直流开关柜的正极电连接，所述氢燃料电池电堆的负极输出端与直流开关柜的负极电连接；电流变送器串联于氢燃料电池电堆的正极输出端与直流开关柜的正极之间；电压变送器串联于直流开关柜的正极和负极之间。

上述技术方案中，输氢管路采用钢材料、焊接工艺，运输压力8mpa,管径根据氢燃料电池电堆容量确定。

上述技术方案中，氢能燃料电池电堆采用质子交换膜燃料电池,氢能燃料电池的容量根据水电站的直流负荷确定，容量在100kw以内。

上述技术方案中，直流开关柜设置有直流母线和直流断路器，通过电缆连接到水电站各个直流负荷中心的直流配电分柜供电。

上述技术方案中，氢电联合控制柜采用plc进行控制，利用闭环控制方式，分别通过电流变送器和电压变送器采集氢能燃料电池电堆的输出电流、电压，通过压力传感器监视储氢系统的压力；通过控制可调节阀门调整氢燃料电池电堆的氢气进气量，从而控制氢燃料电池电堆的直流输出容量。

上述技术方案中，储氢系统采用高压储氢罐，布置在水电站蓄电池室附近，储氢罐采用包括钢、铝或者碳纤维制作，存储压力10～70mpa,储氢罐的容积大小根据氢燃料电池电堆的容量确定。

本发明为一种全新方式的水电站直流电源，可以实现水电站运行设备中不含有毒有害的铅酸物资，并可在长期运行及维护过程中实现零排放、零污染的要求。

本发明方法采用水电站制氢、储氢、氢能燃料电池一列氢能开发应用技术可完全替代高污染、高排放的传统铅酸蓄电池直流电源系统。尤其对于现实水电站发电-输电-运维全过程零排放和100％清洁可再生能源开发和利用具有重要意义。(1)能实现直流系统电池的完全清洁化，对环境污染降到最低；(2)利用电站发电制氢，实现能源的就地有效回收和利用；(3)弃水发电制氢，有效平衡电网，节省制氢成本。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

其中，1.水电站制氢系统，2.水电站储氢系统，2.1.压力传感器，3.输氢管路，4.氢燃料电池电堆，5.可调节阀门,6.电流变送器，7.电压变送器，8.氢-电联合控制柜，9.直流开关柜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供一种基于氢燃料电池的新型水电站直流系统，水电站制氢系统1，水电站储氢系统2，压力传感器2.1，输氢管路3，氢燃料电池电堆4，可调节阀门5,电流变送器6，电压变送器7，氢-电联合控制柜8，直流开关柜9。

水电站制氢系统1,利用电站内厂用电，采用电解制氢原理制造氢气，通过输氢管路3送至储氢系统2。氢气源可以采用水电站弃水发电来制造氢气，该方案可以避免传统电解制氢的能耗高的问题，实现多余电能能源的存储

水电站储氢系统2采用高压储氢罐储存，布置在水电站蓄电池室附近，储氢罐采用包括钢、铝或者碳纤维等材料制作，存储压力10～70mpa,储氢罐的容积大小根据燃料电池的容量确定，在储氢罐上设置压力传感器或者压力变送器2.1，对罐体气体压力进行实时监测；

储氢系统2通过输氢管路3向氢燃料电池电堆4提供氢气；

输氢管路3采用钢材料、焊接工艺，运输压力8mpa,管径根据燃料电池容量确定；

氢能燃料电池电堆4将输入的氢气能源转换为电能，输出直流电压，经电缆连接到直流开关柜9的母线。氢能燃料电池采用质子交换膜燃料电池,氢能燃料电池的容量根据水电站的直流负荷确定，容量在100kw以内，在氢燃料电池电堆输出端设置电流变送器6和电压变送器7，实现对输出功率的实时监视；

氢电联合控制柜8，采用plc进行控制，利用闭环控制方式，通过电流变送器6和电压变送器7采集氢能燃料电池电堆的输出电流、电压，分析制氢燃料电池电堆的输出状态，自动调整可调节阀门5开度，从而调整氢燃料电池电堆的进气量，控制氢燃料电池电堆4的直流输出容量，使燃料电池电堆的输出电压保持在220v～253v，或者110v～126.5v或者48v～55.2v(输出电压根据负荷要求确定)，同时利用压力变送器2.1，对储氢罐的压力进行监视，压力过高时释放报警信号；氢燃料电池控制柜自动调节氢燃料电池的工作特性，通过反馈的制氢燃料电池电堆负荷电流、电压等参数，对氢燃料电池进行自动调节，通过在储氢罐内设置传感器，实现对电池、储氢设备的各项参数的监视和发报警信号。

直流开关柜9,设置直流母线和直流断路器，通过电缆连接到水电站各个直流负荷中心的直流配电分柜供电。

本发明的目的在于使用氢能燃料电池(电化学反应)方式克服上述水电站以铅酸蓄电池为后备电源的泄露后污染高、毒性缺陷，而提供一种完全零排放、清洁环保的水电站“新直流系统”电源新方式。基于氢能的水电站直流系统电源的氢气源可以来自电站弃水发电的电解氢，该方法适用所有水电站(厂)，对电站提高运行人员的安全性、降低设备节能降耗、替换高耗能高污染传统设备、实现水电站运行维护的零排放具有重要意义。

传统直流系统由于电池容量有限，不能直接供负荷，而需要外部供交流电后，经充电装置整流给负荷供电，蓄电池仅作为备用，而且容量有限，备用时间不超过2h。采用氢燃料电池后，只需提供足够的氢气，直流电源将不受备用时间限制，能够可靠保障负荷用电；同时氢燃料电池输出直流电压后，经过电压调节，直接接到直流主盘，然后由直流主盘给各个负荷点供电，减少了传统的充电装置环节。统类型电池需要定期进行充电、放电，增加了能耗和运行维护工作量，而且电池具备记忆效应，导致电池的性能逐年下降，氢燃料电池不需要定期充放电，而且没有记忆效应。

本发明为一种全新方式的水电站直流电源，可以实现水电站运行设备中不含有毒有害的铅酸物资，并可在长期运行及维护过程中实现零排放、零污染的要求。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。