一种光伏制-储氢耦合燃料电池发电系统及其施工方法与流程

本发明涉及新能源，具体来说涉及一种光伏制-储氢耦合燃料电池发电系统及其施工方法。

背景技术：

1、我国是矿产资源大国，拥有大量因资源枯竭而报废或即将报废的矿山，且分布相对广泛，尤其在不便利用抽水蓄能的北方平原地区，利用废弃矿山进行光伏发电不仅可以有效应对矿山报废退出后的经济和社会问题，还可为电网的稳定和矿区生态环境的健康发展提供关键支撑。但光伏发电存在周期性、随机性及波动性等问题，为了维持电网安全和功率平滑运行，可利用过剩或非峰值电能进行电解水制氢，将氢气储存于密封容器内，在用电高峰时，将氢气和氧气分别引出驱动氢燃料电池进行发电，提升用电高峰期电网供应保障能力。此种模式可将间歇、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，利用氢的储能特性和电-氢灵活转化关系，发挥氢储能在电网中“填谷”作用。

2、目前氢气储存大多数以地面罐装储藏为主，其大规模储存及安全运维受到诸多限制。鉴于此，为了更好地促进氢能产业的发展，可通过废弃矿洞进行氢气储存，地下储氢不仅可提高废弃矿山土地资源有效利用率，对矿产资源枯竭型城市转型升级具有重要意义。还可利用废弃矿洞的巨大地下空间实现长时间、大容量的氢气存储和释放，并且可节约投资和运营成本,促进我国氢能产业高速发展。

技术实现思路

1、为了提高废弃矿山资源利用率，发挥氢储能在电网中“削峰填谷”作用，本发明提出了一种光伏制-储氢耦合燃料电池发电系统及其施工方法，既能解决废弃矿山土地资源有效利用问题，又能实现氢电之间深度耦合互补，提高能源综合利用效率。

2、为了达到上述技术目的，本发明提供了一种光伏制-储氢耦合燃料电池发电系统，所述光伏制-储氢耦合燃料电池发电系统包括光伏发电模块、制氢模块、储氢模块和发电模块，所述光伏发电模块和制氢模块通过输电母线串联运行，所述制氢模块、储氢模块和发电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光伏发电输出端相连，且制氢模块的氢气输出端通过输氢管道输送至储氢模块；所述储氢模块为矿洞储氢库，设置在废弃矿洞内，从外向内依次包括初期支护层、排水结构、防渗透混凝土层、钢衬层和封口装置，所述封口装置设置在废弃矿洞的洞口，并与钢衬层的敞口面密封连接，在封口装置内部设置有进出气通道；所述矿洞储氢库的氢气输出端通过输氢管道与氢燃料电池相连，所述发电模块由氢燃料电池和逆变器组成，氢燃料电池以氢气为燃料，将氢能转化为电能，并通过逆变器将直流电转化为交流电输送至电网。

3、本发明较优的技术方案：所述矿洞储氢库为双圆形截面结构的储氢库，所述钢衬层为双层夹层结构，包括外层钢衬、内层钢衬和填充在两层钢衬之间的uhpc混凝土，所述外层钢衬包括外衬钢板、拱顶钢板和封底钢板，所述内层钢衬由内衬钢板焊接组成两个圆筒状钢衬结构，形成两个独立的圆形储氢腔，在每个内层钢衬的内壁分别设有阻气层；所述封口装置呈圆台形双层结构，其材质为高合金不锈钢材料，封口装置与钢衬层焊接，并将两个圆形储氢腔的腔口密封，所述进出气通道至少设有两根，分别与两个圆形储氢腔连通。

4、本发明较优的技术方案：在废弃矿洞的洞口设有矿洞储氢库的加固结构，所述加固结构包括加固板和锚杆，所述加固板为钢筋混凝土结构，设置于废弃矿洞的洞口，其面积大于废弃矿洞的截面面积，所述锚杆设有多个，以加固板轴线为轴心呈圆周阵列通过锚具锚定于在加固板超出废弃矿洞洞口的区域；所述封口装置设置在加固板内，且进出气通道穿过加固板伸出废弃矿洞。

5、本发明较优的技术方案：所述排水结构设置在初期支护层与防渗透混凝土层之间，所述排水结构由环状排水板、纵向排水板及排水管组成，所述环状排水板沿矿洞储氢库纵深方向阵列分布，所述纵向排水板沿环状排水板间隔设置，所述纵向排水板与环状排水板相互连通构成网格状排水结构，所述环向排水板的两端分别连接两侧排水管进行排水，在排水结构外包覆有土工布。

6、本发明较优的技术方案：所述外衬钢板及内衬钢板依次焊接组合双圆环结构，所述双圆环结构、拱顶钢板及封底钢板焊接构成环状一体结构；在外衬钢板与内衬钢板之间设有多块支撑钢板，所述支撑钢板将外衬钢板与内衬钢板之间的区域分隔成格栅形状，所述uhpc混凝土填充在格栅内。

7、本发明较优的技术方案：在防渗透混凝土层和钢衬层之间设有沥青砂胶缓冲层，所述沥青砂胶缓冲层通过环氧树脂胶粘贴在钢衬层的外层钢衬外表面，所述阻气层为烯烃类可塑性聚合物，粘贴于钢衬层内层钢衬的内壁，其厚度为5～15mm。

8、本发明较优的技术方案：所述排水板截面呈梯形凹槽形状，其宽度为30～100mm，厚度为5～10mm，间距为200～500mm，所述排水管的直径为100～200mm。

9、本发明较优的技术方案：所述外层钢衬、内层钢衬和支撑钢板均采用厚度为20～60mm的高合金不锈钢钢板；钢衬层的相邻钢板焊接处设置坡口，使得两块钢板坡口配合形成近似“x”形，在靠近防渗透混凝土层结构侧的一面的坡口角度为40～50°，靠近阻气层侧相对的一面的坡口的角度为20～30°。

10、本发明较优的技术方案：所述沥青砂胶缓冲层为沥青与矿粉按比例拌合而成，其厚度为10～50mm。

11、本发明提供了一种光伏制-储氢耦合燃料电池发电系统的施工方法，具体施工步骤如下：

12、s1.光伏板布置；对废弃矿山进行修复治理，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；通过光伏支撑架在矿山表面布置光伏板，光伏板倾斜设置，保证光伏板阵列前后互不遮挡；

13、s2.设置制氢模块；制氢模块由多个电解槽串联而成，通过输电母线将光伏发电模块产生的直流电传输至电解槽进行电解水制氢；

14、s3.废弃矿洞修复；首先对废弃矿洞围岩情况进行勘测，查明其垮塌破损、松散断层等不稳定区域，接着对废弃矿洞薄弱区域进行注浆加固，实现矿洞洞壁平缓稳定；

15、s4.初期支护层施工；支设初期支护层模板，在指定位置布置排水结构并用土工布进行隔离过滤，最后浇筑混凝土并养护成型；

16、s5.储氢库钢衬层焊接成型；在两块相邻内衬钢板焊接处设置“x”形坡口，将坡口及坡口附近区域清理干净，在钢板预热至指定温度后进行焊接，外层钢衬、内层钢衬和支撑钢板组装焊接成型，成型后的钢衬层为双层夹层结构，内层钢衬形成两个独立的圆形储氢腔，通过环氧树脂胶将沥青砂胶缓冲层粘贴在钢衬层外表面，并在储氢库的两个圆形储氢腔内壁涂抹阻气层形成密封层；

17、s6.储氢库钢衬层沉放；将s5步骤中组装好的钢衬层沉放至废弃矿洞内，向钢衬层的内外层之间的空间灌注uhpc混凝土并振捣密实；

18、s7.防渗透混凝土层施工；采用聚乙烯塑料软管沿废弃矿洞与组装好的钢衬之间的环状空间送入洞底，最后用汽车泵将配制好的防渗透混凝土沿聚乙烯塑料软管送入洞底，一边灌注一边提升聚乙烯塑料软管，直至混凝土浸满整个环状空间；

19、s8.加固结构施工；在储氢库封头位置焊接封口装置，接着平整场地，施工放线，定位锚杆孔道位置，使用钻孔机进行锚杆孔道钻孔，接着下放锚杆至设计标高，灌注水泥浆充满整个孔道，最后施工加固板并使用锚具将锚杆锚定于加固板上；

20、s9.发电模块施工；使用输氢管道输出氢气驱动氢燃料电池进行发电，并通过逆变器将直流电转化为交流电输送至电网，至此完成光伏制-储氢耦合燃料电池发电系统的施工。

21、本发明的有益效果：

22、(1)光伏发电具有季节性、波动性特点，造成了可再生能源一定程度上的弃电浪费；本发明可利用弃电进行电解水制氢，在用电高峰期时引出氢气驱动氢燃料电池发电，实现太阳能、氢能及电能之间的高效转化，提高电网供应能力。

23、(2)本发明中储氢库处于矿洞中，可利用矿洞温度、湿度等环境因素较为稳定的优势，实现安全化储存，同时周围岩土体可提供天然围护效果，提高储氢库结构的安全性。

24、(3)本发明中通过加固结构对储氢库结构进行结构加固，并通过锚杆提高加固结构的锚固力，防止循环注、采氢气期间储氢库封口装置冲出发生安全事故。

25、(4)本发明中通过排水结构进行快速、高效排水，防止外界环境腐蚀储氢库结构，影响储氢井耐久性。

26、(5)本发明中利用双圆形截面储氢库结构进行氢气储存，双圆形截面结构可调整结构应力作用，防止拱顶应力过大导致结构坠落变形。此种结构形式既保证了矿洞储氢库的整体稳定性和安全性，又降低了工程造价和施工难度，为氢气大规模储存提供了可能性。

27、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，过剩电量或谷电时段电量用于电解水制氢，接着通过输氢管道将氢气运输至矿洞储氢库，用电高峰期时将氢气引出驱动氢燃料电池发电以保障电网供应能力。本发明既可应对矿山报废退出后的经济和社会问题，还可消纳清洁能源，减缓光伏发电间歇波动，为电网的稳定和风光发电的健康发展提供关键支撑。