一种基于可再生燃料电池的光伏供能系统

1.本实用新型涉及独立式光伏供能技术领域，尤其是一种基于可再生燃料电池的光伏供能系统。


背景技术：

2.随着环境问题日益突出，世界各国陆续提出“碳中和”和“碳达峰”目标。当前我国的能源结构仍然以化石能源为主，能源消耗和二氧化碳排放量都居世界首位，为实现我国的减排目标，必然要大力发展可再生能源。近年来，我国光伏发电装机总量飞快发展，越来越多的家庭也开始使用光伏能源系统。
3.然而，太阳能资源由时间和气候条件因素决定，光伏系统的产能和负载的用能在时间和容量通常存在差异性。要真正实现能源的自产自消，需要在光伏能源系统中配备一定容量的储能装置。
4.蓄电池储能是目前应用最广泛的储能方式，但蓄电池存在能量密度小、储能时效短、成本高、寿命短等问题。氢气的能量密度高、热值高，燃烧产物仅为水，是一种极具应用前景的储能介质。专利cn109617215a提供了一种分布式光伏发电氢储能系统及方法，将多余发电量通过电解水模块制取氢气，当光伏发电系统不能满足电力需求时，燃料电池模块工作，消耗氢气并产生电能。但是该系统中电解水制氢模块和燃料电池发电模块是独立的两套装置，存在以下问题：(1)由于系统没有储电装置，在没有太阳辐射或者太阳辐射较弱的情况下，意味着只要有电力需求，燃料电池就需要处在工作状态，当用电负载较小时，系统能效较低；(2)燃料电池模块频繁启停，影响使用寿命；(3)制氢和发电需要两套独立的设备，系统复杂，占地面积大，较高的系统成本会限制该技术的应用。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本实用新型提供一种基于可再生燃料电池的光伏供能系统，解决了由于缺乏储电装置导致系统能效低、燃料电池频繁启动影响使用寿命的技术问题。
6.本实用新型采用的技术方案如下：
7.一种基于可再生燃料电池的光伏供能系统，包括光伏模块，还包括直流
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直流转换器，所述直流
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直流转换器分别与所述光伏模块、储电模块、可再生燃料电池模块和直流
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交流转换器连接，所述直流
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交流转换器和所述用电负载连接；所述可再生燃料电池模块具备发电模式和制氢模式；所述直流
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直流转换器可单独控制所连接设备的启停，使所述用电负载所需电能由所述光伏模块、所述储电模块、所述可再生燃料电池模块、或者所述光伏模块与所述储电模块联合提供，即实现四种供电方式。
8.其进一步技术方案为：
9.所述储电模块包括并联连接的蓄电池组件和电容器组件。
10.所述可再生燃料电池模块包括电池本体和分别与所述电池本体连接的空气管路、
氢气管路、水管路以及散热管路；
11.所述空气管路与所述电池本体的空气管路接口连接；
12.所述氢气管路的结构包括储氢罐、高压供气管和低压回气管，所述储氢罐通过高压供气管与所述电池本体的氢气入口连接，通过低压回气管与所述电池本体的氢气出口连接；
13.所述水管路的结构包括水箱，所述水箱入口、出口分别通过连接管与所述电池本体的水管路接口连接，形成回路；水箱与水管路接口之间的连接管上还设有第二气水分离器；
14.通过各所述连接管上阀门启闭及方向切换，实现所述可再生燃料电池模块分别在制氢模式和发电模式下运行。
15.所述高压供气管上连接有引射器，所述低压回气管通过支管与所述引射器连接。
16.所述高压供气管上依次连接第二电磁阀、所述引射器和减压阀；所述低压回气管上依次连接第四电磁阀、第一气水分离器、脱氧器、干燥器和增压泵；所述支管上连接有第三电磁阀。
17.所述散热管路的两端分别与所述电池本体的冷却液入口、冷却液出口连接形成循环回路，用于对所述电池本体降温散热。
18.所述散热管路上通过三通阀并联连接有风冷式散热器和热回收换热器，所述热回收换热器上连接有热回收管路。
19.所述散热管路上设有温度传感器。
20.本技术的可再生燃料电池模块还可以采用现有技术中的同时具备制氢和发电功能的各种燃料电池。
21.本实用新型的有益效果如下：
22.本实用新型可在太阳辐射充足的时通过电解水制取氢气储存能量，并在无太阳辐射时，使用氢燃料电池发电。本实用新型的储电模块可稳定系统的电流与电压，避免各模块的电力冲击，避免可再生燃料电池模块的频繁启停，有效减少可再生燃料电池的启停次数，延长可再生燃料电池模块的使用寿命，同时保持系统效率维持在较高水平。
23.本实用新型的可再生燃料电池模块利用一套装置实现制氢模式和发电模式的功能切换，可缩小设备空间、节约设备成本。制取的氢气不但可以跨季节储存，还可以供氢动力汽车等设备使用，可全年实现能源自供给。
24.本实用新型的可再生燃料电池模块中氢气管路中采用引射器，可在不发生额外耗功的情况下，将未参与反应的低压氢气引射到高压氢气管路，提高氢气利用率；
25.本实用新型的可再生燃料电池模块中散热管路中设置热回收换热器和风冷式散热器；当使用场所有热水需求时，可回收可再生燃料电池模块在发电模式下产生的废热；风冷式散热器用于辅助散热，将冷却液的温度维持在一定范围内。
附图说明
26.图1为本实用新型光伏供能系统的结构示意图。
27.图2为本实用新型光伏供能系统的储电模块的结构原理图。
28.图3为本实用新型光伏供能系统的可再生燃料电池模块在发电模式下的工作流程
示意图。
29.图4为本实用新型光伏供能系统的可再生燃料电池模块在制氢模式下的工作流程示意图。
30.图中：
31.1、光伏模块；101、光伏模块电极；
32.2、直流
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直流转换器；
33.3、直流
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交流转换器；301、直流
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交流转换器直流电极；302、直流
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交流转换器交流电极；
34.4、储电模块；401、储电模块电极；402、蓄电池组件；403、电容器组件；
35.5、可再生燃料电池模块；501、可再生燃料电池模块电极；
36.6、用电负载；
37.7、空气管路；701、风机；702、第一电磁阀；703、空气管路接口；
38.8、氢气管路；801、储氢罐；802、第二电磁阀；803、引射器；804、减压阀；805、氢气入口；806、氢气出口；807、第三电磁阀；808、第四电磁阀；809、第一气水分离器；810、脱氧器；811、干燥器；812、增压泵；
39.9、水管路；901、水管路接口；902、第五电磁阀；903、第二气水分离器；904、水箱；905、第六电磁阀；906、水泵；
40.10、散热管路；1001、冷却液出口；1002、三通阀；1003、风冷式散热器；1004、热回收换热器；1005、冷却液泵；1006、温度传感器；1007、冷却液入口；
41.11、热回收管路。
具体实施方式
42.以下结合附图说明本实用新型的具体实施方式。
43.本实施例的一种基于可再生燃料电池的光伏供能系统，可参考图1，包括光伏模块1，还包括直流
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直流转换器2；直流
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直流转换器2分别与光伏模块1、储电模块4、可再生燃料电池模块5和直流
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交流转换器3连接，直流
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交流转换器3和用电负载6连接；可再生燃料电池模块5具备发电模式和制氢模式，可利用同一套设备分别实现发电和制氢；直流
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直流转换器2可单独控制所连接设备的启停，使用电负载6所需电能由光伏模块1、储电模块4、可再生燃料电池模块5、或者光伏模块1与储电模块4联合提供，即实现四种供电方式。
44.具体地，上述直流
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直流转换器2分别连接光伏模块电极101、直流
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交流转换器直流电极301、储电模块电极401和可再生燃料电池模块电极501。直流
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交流转换器交流电极302与用电负载6相连。
45.可参考图2，本实施例的储电模块4包括储电模块电极401、蓄电池组件402和电容器组件403；蓄电池组件402和电容器组件403并联，然后通过储电模块电极401与直流
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直流转换器2连接。在此结构中，电容器组件403相当于一个电流滤波器，能够显著地使蓄电池的峰值电流均匀化，可减小蓄电池组件402的电压降，从而便于控制储电模块4的能量输入和输出。储电模块4内的蓄电池组件402可以为具有储电功能的各种蓄电池，电容器组件403可以为具有储电功能的各种电容器，可通过市售获得。
46.可参考图3和图4，本技术的可再生燃料电池模块5包括电池本体和分别与电池本
体连接的空气管路7、氢气管路8、水管路9以及散热管路10。
47.空气管路7与电池本体的空气管路接口703连接，用于输入空气或排出氧气；沿图3中箭头方向，空气管路7上依次连接风机701、第一电磁阀702；
48.氢气管路8的结构包括储氢罐801、高压供气管和低压回气管，储氢罐801通过高压供气管与电池本体的氢气入口805相连，通过低压回气管与氢气出口806相连。
49.具体地，高压供气管上沿图3中箭头方向依次连接第二电磁阀802、引射器803和减压阀804；低压回气管上依次连接第四电磁阀808、第一气水分离器809、脱氧器810、干燥器811和增压泵812；
50.位于第四电磁阀808上游侧的低压回气管，通过支管与引射器803连接，支管上连接有第三电磁阀807。
51.水管路9的结构包括水箱904，水箱904入口、出口分别通过连接管与电池本体的水管路接口901连接，形成回路；水箱904入口与水管路接口901之间的连接管上还设有第二气水分离器903；
52.具体地，水管路9沿图3中箭头方向依次连接水管路接口901、第五电磁阀902、第二气水分离器903、水箱904、第六电磁阀905和水泵906，水泵906的出口连接在水管路接口901和第五电磁阀902之间的管路；
53.散热管路10的两端分别与电池本体的冷却液入口1007、冷却液出口1001连接形成循环回路，用于对电池本体降温散热。散热管路10上通过三通阀1002并联连接有风冷式散热器1003和热回收换热器1004，热回收换热器1004上连接有热回收管路11。散热管路10上设有温度传感器1006。散热管路10上设置的热回收换热器1004，可回收可再生燃料电池模块5在发电模式下产生的废热。
54.具体地，三通阀1002为电动阀，散热管路10沿图3中箭头方向依次连接冷却液出口1001、三通阀1002、风冷式散热器1003、热回收换热器1004、冷却液泵1005、温度传感器1006和冷却液入口1007，三通阀1002的三个接口分别连接在冷却液出口1001、风冷式散热器1003的入口管路和热回收换热器1004的入口管路；
55.风冷式散热器1003的出口连接在热回收换热器1004和冷却液泵1005之间的管路，风冷式散热器1003将冷却液的热量释放到外界环境，热回收换热器1004将热量释放给热回收管路11中的水。
56.通过各连接管路上阀门启闭及方向切换，实现可再生燃料电池模块5分别在制氢模式和发电模式下运行。
57.可再生燃料电池模块5在发电模式运行的工作流程，如图3所示，箭头方向表示管路中流体流动的方向，此时第四电磁阀808和第六电磁阀905关闭，增压泵812和水泵906关闭，其余设备处于开启状态，可再生燃料电池模块5进行的化学反应式为：
58.2h2+o2→
2h2o
59.反应过程中，反应物氧气由空气管路7提供，反应物氢气由氢气管路8提供，未参与反应的氢气从氢气出口806流出，引射器803引射未参与反应的氢气，未参与反应的氢气与来自储氢罐801的氢气混合，再次作为反应气体进入氢气入口805；生成物水依次经过水管路接口901、第五电磁阀902、第二气水分离器903，被储存在储水箱904中；空气乏气同样经水管路9流出，并通过第二气水分离器903排放；反应所产生的电力通过可再生燃料电池模
块电极501供给直流
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直流转换器2，由直流
‑
直流转换器2进行电力输出和分配。
60.散热管路10中的冷却液携带反应过程中生成的热量，电动三通阀1002调整开度，使冷却液优先通过热回收换热器1004，将热量供给热回收管路11。当温度传感器1006的温度高于预设定的温度范围，则开启风冷式散热器1003，并逐渐调节三通阀1002的开度，使部分冷却液通过风冷式散热器1003散热，直到冷却液温度在预设定的温度范围。所述预设定的温度范围由可再生燃料电池模块的种类决定。
61.可再生燃料电池模块5在制氢模式运行的工作流程，如图4所示，箭头方向表示管路中流体流动的方向，此时第二电磁阀802、第三电磁阀807和第五电磁阀902关闭，风机701和冷却液泵1005关闭，其余设备处于开启状态，可再生燃料电池模块5进行的化学反应式为：
62.2h2o
→
2h2+o263.反应过程中，储水箱904通过水泵906提供反应物水；生成物氢气依次经过氢气出口806、第四电磁阀808、第一气水分离器809、脱氧器810、干燥器811，最后由增压泵812将氢气储存在储氢罐801中；生成物氧气通过空气管路7直接排放到环境中。当使用场所有热水需求时，可回收可再生燃料电池模块5在发电模式下产生的废热，风冷式散热器1003用于辅助散热，将冷却液的温度维持在一定范围内；光伏模块1通过直流
‑
直流转换器2为可再生燃料电池模块电极501提供反应所需的电能。
64.可再生燃料电池模块5可在制氢模式和发电模式两种运行模式下切换，同一模块具备两种运行模式，节省系统的安装空间和投资成本。储电模块4可有效减少可再生燃料电池模块5的启停次数，保持系统效率维持在较高水平。
65.本实施例的一种基于可再生燃料电池的光伏供能系统的光伏供能方法，在不同运行场景的工作方式如下：
66.当光伏发电量大于用电负载6所需的电能(电量)时，将光伏模块1产生的电能通过直流
‑
直流转换器2分配给储电模块4、可再生燃料电池模块5和直流
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交流转换器3，此时可再生燃料电池模块5切换到制氢模式，将制取的氢气储存到储氢罐801中；用电负载6所需的电能仅由光伏模块1提供；
67.当光伏发电量小于用电负载6所需的电能(电量)时，此时可再生燃料电池模块5不工作，用电负载6所需的电能由光伏模块1和储电模块4联合提供；
68.当光伏发电量为零时，若用电负载6的电能小于功率设定值，则用电负载6所需的电能仅由储电模块4提供；若用电负载6的电能大于功率设定值时或储电模块4电量过低时，此时可再生燃料电池模块5切换到发电模式，即利用储存的氢发电，并将电能通过直流
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直流转换器2分配给用电负载6和储电模块4，用电负载6所需的电能仅由可再生燃料电池模块5提供。功率设定值应根据具体应用场景决定，合理的功率设定值可减少可再生燃料电池模块5的启停次数。
69.与现有的光伏供能系统相比，本技术对光伏供能系统的结构和运行方式进行了优化，采用的可再生燃料电池模块可节省系统的安装空间和投资成本；采用的储电模块可稳定系统的电流与电压，避免各模块的电力冲击，避免燃料电池的频繁启停；采用的引射器可在不发生额外耗功的情况下，将未参与反应的低压氢气引射到高压氢气管路。本技术可应用于具有铺设足够光伏组件场地的建筑或独立用电设备，可高效利用太阳能，真正实现能
源的自供给，在独立式光伏供能领域具有广阔的应用前景。