利用风电、光伏与固体氧化物电解制氢联合运行系统的制作方法

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1.本实用新型涉及利用清洁能源制氢技术领域，特别涉及利用风电、光伏与固体氧化物电解制氢联合运行系统。


背景技术：

2.随着近几年三北地区风电、光伏规模不断扩大，受风电出力、光伏出力特性与用电负荷特点的影响，大部分地区风电场、光伏电站存在弃风、弃光限电现象，由于电网缺少储能设施等调峰手段，不得不限制风电机组与光伏组件出力，对风电、光伏运行时数产生明显影响。
3.目前电解水制氢储能技术有碱性电解技术、固体聚合物电解技术(spe)和固体氧化物电解技术(soec)；其中碱性电解技术最为成熟、成本最低，而且已经实现了大规模制氢应用，但是效率较低，spe电解技术尽管相对碱性电解技术有一定提升，但计及辅助设备的损耗后，系统效率仍然不高，亦非理想的方案；高温soec技术，工作于800℃左右，相对于工作于80℃左右的碱性电解技术和spe电解技术，电解效率有极大提升，是三种技术中极具前景的一种电解水制氢技术。
4.由于soec工作温度约为800～950℃，所以目前通常采用高温气冷反应堆(htgr)同时提供电能和高温热能，目前高温气冷反应堆的电能与热能提供系统是国内、国际普遍的研究方向，而尚未对如风能、太阳能等可再生能源与高温固体氧化物电解池电解制氢耦合技术展开深入研究。
5.鉴于可再生能源大规模弃电现况以及高温soec电解水制氢的高效性，以及氢既可以作为清洁燃料又可以作为化工原料的多领域应用价值，可再生能源与高温soec电解水制氢耦合技术对氢能的推广将带来广阔的应用前景。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种利用风电、光伏与固体氧化物电解制氢联合运行系统，能够将电网富裕风电、光伏的电能转换为热能进行储存，为电网提供削峰填谷手段；并且提供了全新的固体氧化物电解池电解制氢的能量来源方式，即利用风能、太阳能结合电储热设备为固体氧化物电解池提供清洁电能与热能。
7.本实用新型由如下技术方案实施：利用风电、光伏与固体氧化物电解制氢联合运行系统，其包括风力发电单元、光伏发电单元、固体氧化物电解池电堆单元、蒸汽发生单元、热回收利用单元、氢气储罐、氧气储罐、纯水制备单元和配电网；所述风力发电单元的输出端和所述光伏发电单元的输出端分别与所述配电网的输入端电连接，所述配电网的输出端分别与所述固体氧化物电解池电堆单元的用电设备和所述蒸汽发生单元的用电设备电连接；所述固体氧化物电解池电堆单元的氧气出口通过氧气出气总管与氧气储罐连通，所述固体氧化物电解池电堆单元的氢气出口通过氢气出气总管与氢气储罐连通；所述蒸汽发生单元包括固体蓄热锅炉和电阻式电热锅炉；所述纯水制备单元的出水口与所述电阻式电热
锅炉的进水口连通，所述电阻式电热锅炉的蒸汽出口通过管路与所述固体蓄热锅炉的蒸汽进口连通，所述固体蓄热锅炉的蒸汽出口通过水蒸汽进气总管与所述固体氧化物电解池电堆单元的水蒸汽进口连通。
8.进一步地，所述电阻式电热锅炉的蒸汽出口与所述固体蓄热锅炉的蒸汽进口之间的管路上装设有气体流量控制阀。
9.进一步地，所述固体氧化物电解池电堆单元包括固体氧化物电解池、电解制氢变压器和整流逆变器；所述电解制氢变压器的输入端与所述配电网的输出端电连接，所述电解制氢变压器的输出端与所述整流逆变器的输入端电连接，所述整流逆变器的输出端与所述固体氧化物电解池电连接。
10.进一步地，其还包括串接在所述氢气出气总管与所述水蒸汽进气总管之间的截止阀和止回阀。
11.进一步地，其还包括电热系统变压器和锅炉控制柜；所述电热系统变压器的输入端与所述配电网的输出端电连接，所述电热系统变压器的输出端与所述锅炉控制柜的输入端电连接，所述锅炉控制柜的输出端分别与所述电阻式电热锅炉和所述固体蓄热锅炉电连接。
12.进一步地，所述热回收利用单元包括一号预热器和二号预热器；所述氧气出气总管的氧气出口与所述一号预热器的进气口连通，所述一号预热器的出气口通过管路与所述氧气储罐连通；所述氢气出气总管的氢气出口与所述二号预热器的进气口连通，所述二号预热器的出气口通过管路与所述氢气储罐连通；所述纯水制备单元的出水口与所述一号预热器的进水口连通，所述一号预热器的出水口与所述二号预热器的进水口连通，所述二号预热器的出水口与所述电阻式电热锅炉的进水口连通。
13.进一步地，其还包括气水一号分离器和气水二号分离器；所述一号预热器的出气口与所述气水一号分离器的进气口连通，所述气水一号分离器的出气口与所述氧气储罐的进气口连通；所述二号预热器的出气口与所述气水二号分离器的进气口连通，所述气水二号分离器的出气口与所述氢气储罐的进气口连通；所述气水一号分离器的冷凝水出口和所述气水二号分离器的冷凝水出口均与所述纯水制备单元的出水口连通。
14.进一步地，所述纯水制备单元包括原水储罐和纯水制备器，所述原水储罐的出水口与所述纯水制备器的进水口连通。
15.进一步地，所述固体蓄热锅炉包括底座、饱和水蒸汽进气总管、过热水蒸汽出气总管和固定在所述底座顶部的绝热炉壳；所述绝热炉壳内砌筑有蓄热砖层，所述蓄热砖层内埋设有若干根电热丝；所述蓄热砖层内穿设有若干根水蒸汽加热管路，所述饱和水蒸汽进气总管与各所述水蒸汽加热管路的进口连通，各所述水蒸汽加热管路的出口与所述过热水蒸汽出气总管连通；所述饱和水蒸汽进气总管上装设有高温风机。
16.本实用新型的优点：通过风力发电单元和光伏发电单元为固体氧化物电解池电堆单元和蒸汽发生单元提供清洁电能，蒸汽发生单元为固体氧化物电解池电堆单元提供电解反应所需要的清洁热能，即固体氧化物电解池电堆单元所需的电能和热能均由新能源提供；本实用新型不是采用现有的高温气冷反应堆提供电能和热能，而是采用可再生能源作为电能与热能，与现有的高温气冷反应堆相比，本实用新型更有利于节约能源，充分利用可再生能源。
17.通过热回收利用单元实现电解反应产生的氢气和氧气的热量回收循环利用，并且利用电阻式电热锅炉和固体蓄热锅炉能够将电网富裕风电、光伏的电能转换为热能进行储存，并且提供了全新的固体氧化物电解池电解制氢的能量来源方式，包括电能和热能，实现了风电、光伏等新能源与高温固体氧化物电解制氢的技术耦合，同时本实用新型提高了资源利用率，缓解了我国三北地区的弃风限电问题，使多余新能源电力通过氢能、热能进行储存，为电网提供削峰填谷手段。
附图说明：
18.图1为本实用新型的结构示意图。
19.图2为本实用新型所述固体蓄热锅炉的结构示意图。
20.附图中各部件的标记如下：风力发电单元1、风力发电机1.1、风力发电变压器1.2、光伏发电单元2、光伏组件2.1、逆变器2.2、光伏发电变压器2.3、固体氧化物电解池电堆单元3、电解制氢变压器3.1、整流逆变器3.2、固体氧化物电解池3.3、电解池阴极3.31、电解池阳极3.32、电解质3.33、氢气出气总管3.34、水蒸汽进气总管3.35、氧气出气总管3.36、截止阀3.4、止回阀3.5、蒸汽发生单元4、电热系统变压器4.1、锅炉控制柜4.2、电阻式电热锅炉4.3、固体蓄热锅炉4.4、底座4.41、绝热炉壳4.42、蓄热砖层4.43、电热丝4.44、水蒸汽加热管路4.45、饱和水蒸汽进气总管4.46、过热水蒸汽出气总管4.47、高温风机4.48、气体流量控制阀4.5、热回收利用单元5、一号预热器5.1、二号预热器5.2、气水一号分离器5.3、气水二号分离器5.4、氢气储罐6、氧气储罐7、纯水制备单元8、原水储罐8.1、纯水制备器8.2、配电网9。
具体实施方式：
21.如图1和图2所示，本实施例提供利用风电、光伏与固体氧化物电解制氢联合运行系统，其包括风力发电单元1、光伏发电单元2、固体氧化物电解池电堆单元3、蒸汽发生单元4、热回收利用单元5、氢气储罐6、氧气储罐7、纯水制备单元8和配电网9。
22.风力发电单元1的输出端和光伏发电单元2的输出端分别与配电网9的输入端电连接，风力发电单元1包括风力发电机1.1和风力发电变压器1.2，风力发电机1.1的输出端与风力发电变压器1.2的输入端电连接，风力发电变压器1.2的输出端与配电网9的输入端电连接；风力发电单元1所发的电能供给配电网9；光伏发电单元2包括光伏组件2.1、逆变器2.2和光伏发电变压器2.3；光伏组件2.1的输出端与逆变器2.2的输入端电连接，逆变器2.2的输出端与光伏发电变压器2.3的输入端电连接，光伏发电变压器2.3的输出端与配电网9的输入端电连接，光伏发电单元2所发的电能供给配电网9。
23.固体氧化物电解池电堆单元3包括固体氧化物电解池3.3、电解制氢变压器3.1和整流逆变器3.2；配电网9的输出端与固体氧化物电解池电堆单元3的电解制氢变压器3.1的输入端电连接，电解制氢变压器3.1的输出端与整流逆变器3.2的输入端电连接，整流逆变器3.2的输出端与固体氧化物电解池3.3电连接，其中整流逆变器3.2的正极线路与固体氧化物电解池3.3的电解池阳极3.32电连接，整流逆变器3.2的负极线路与固体氧化物电解池3.3的电解池阴极3.31电连接；来自于风力发电单元1和光伏发电单元2的新能源电力通过电解制氢变压器3.1变压后，经过整流逆变器3.2将交流电转为直流电，直流电通入固体氧
化物电解池3.3的电极上，供电解反应；多个固体氧化物电解池3.3通过连接体组成电堆，连接体主要有两种作用，一是分隔阴极室和阳极室的气体，二是在电解池单元间传输电流，目前使用的连接体材料主要有lacro3基陶瓷材料和高温合金材料两类；固体氧化物电解池3.3的电解池阴极3.31材料采用ni/ysz多孔金属陶瓷，电解池阳极3.32的材料主要是钙钛矿氧化物材料，中间的电解质3.33采用ysz氧离子导体，在固体氧化物电解池3.3的两侧电极上施加一定的直流电压后，水分子在电解池阴极3.31发生电解发应分解产生氢气和氧离子，氧离子穿过电解质3.33到达电解池阳极3.32，在电解池阳极3.32失去电子生产氧气；还包括串接在氢气出气总管3.34的出口与水蒸汽进气总管3.35的出口之间的截止阀3.4和止回阀3.5，通过止回阀3.5能够有效防止水蒸汽进气总管3.35内的蒸汽反流到氢气出气总管3.34内，而通过控制截止阀3.4，能够保证氢气出气总管3.34内的少量氢气进入水蒸汽进气总管3.35内，使混有少量氢气的水蒸汽从电解池阴极3.31进入，混氢的目的是保证电解池阴极的还原气氛，防止阴极材料ni被氧化。
24.蒸汽发生单元4包括电热系统变压器4.1、锅炉控制柜4.2、固体蓄热锅炉4.4和电阻式电热锅炉4.3；电热系统变压器4.1的输入端与配电网9的输出端电连接，电热系统变压器4.1的输出端与锅炉控制柜4.2的输入端电连接，锅炉控制柜4.2的输出端分别与电阻式电热锅炉4.3和固体蓄热锅炉4.4电连接；风力发电单元1和光伏发电单元2产生的电能供电阻式电热锅炉4.3和固体蓄热锅炉4.4产生热能，即蒸汽发生单元4将风电和光伏发电产生的电能转化为热能，其中固体蓄热锅炉4.4中的蓄热介质能够将热能进行储存；由此，通过风力发电单元1和光伏发电单元2为固体氧化物电解池电堆单元3和蒸汽发生单元4提供清洁电力。
25.固体氧化物电解池3.3的电解池阴极3.31处连通有氢气出气总管3.34和水蒸汽进气总管3.35，在电解池阳极3.32处连通有氧气出气总管3.36；氧气出气总管3.36的氧气出口与热回收利用单元5的一号预热器5.1的进气口连通，一号预热器5.1的出气口通过管路与氧气储罐7连通，一号预热器5.1的出气口与气水一号分离器5.3的进气口连通，气水一号分离器5.3的出气口与氧气储罐7的进气口连通；氢气出气总管3.34的氢气出口与热回收利用单元5的二号预热器5.2的进气口连通，二号预热器5.2的出气口通过管路与氢气储罐6连通，二号预热器5.2的出气口与气水二号分离器5.4的进气口连通，气水二号分离器5.4的出气口与氢气储罐6的进气口连通；纯水制备单元8包括原水储罐8.1和纯水制备器8.2，原水储罐8.1的出水口与纯水制备器8.2的进水口连通，纯水制备器8.2选用edi去离子水设备或反渗透纯水设备，以制备原料纯水；纯水制备器8.2的出水口与一号预热器5.1的进水口连通，一号预热器5.1的出水口与二号预热器5.2的进水口连通；一号预热器5.1和二号预热器5.2均为板式换热器；固体氧化物电解池3.3电解产生的氧气通入一号预热器5.1，与纯水制备器8.2排出的纯水进行换热，对纯水进行第一次预加热，经第一次预加热后的纯水流入二号预热器5.2，与固体氧化物电解池3.3电解产生的氢气再次进行换热，通过氢气的热量对纯水进行第二次预加热；由此，通过热回收利用单元5能够实现对固体氧化物电解池3.3所产生的氢气和氧气的热量进行回收利用，对纯水制备单元8制备的纯水进行预热，为蒸汽发生单元4提供预热后的纯水，实现整个系统的能源循环利用；通过气水一号分离器5.3将氧气和水进行分离，经分离后的氧气通入氧气储罐7内进行储存，通过气水二号分离器5.4将氢气和水进行分离，经分离后的氢气通入氢气储罐6内进行储存；气水一号分离器5.3的冷
凝水出口和气水二号分离器5.4的冷凝水出口均与纯水制备器8.2的出水口连通；经分离后的冷凝水与纯水制备器8.2所制备的纯水汇入一号预热器5.1，实现冷凝水的回收再利用。
26.二号预热器5.2的出水口与电阻式电热锅炉4.3的进水口连通，电阻式电热锅炉4.3的蒸汽出口通过气体流量控制阀4.5与固体蓄热锅炉4.4的蒸汽进口连通，固体蓄热锅炉4.4的蒸汽出口与水蒸汽进气总管3.35的水蒸汽进口连通；经第二次预加热后的纯水通入电阻式电热锅炉4.3内，通过电阻式电热锅炉4.3将纯水加热生成饱和水蒸汽，再通过固体蓄热锅炉4.4将饱和水蒸汽加热至过热水蒸汽，经加热产生的过热水蒸汽通入固体氧化物电解池3.3内，过热水蒸汽的温度达到800℃，为固体氧化物电解池3.3的电解反应提供了清洁的热能；本实用新型不是采用现有的高温气冷反应堆提供电能和热能，而是采用可再生能源作为电能与热能，与现有的高温气冷反应堆相比，本实用新型更有利于节约能源，充分利用可再生能源，实现了可再生能源发电与高温固体氧化物电解制氢的技术耦合。
27.电阻式电热锅炉4.3为现有技术，具体结构在此不再赘述，电阻式电热锅炉4.3是采用高阻抗管形电热组件，接通电源后，管形电热组件在锅筒内依靠对流换热，使电热组件产生的高热使整个锅筒内变热或产生蒸汽，管形电热组件是由金属置外壳、电热丝和氧化镁三者组成，金属管外壳一般采用不锈钢或10号无缝钢管，氧化镁作为绝缘体和导热介质充填在金属管壁和电热丝之间。
28.固体蓄热锅炉4.4包括底座4.41、饱和水蒸汽进气总管4.46、过热水蒸汽出气总管4.47和固定在底座4.41顶部的绝热炉壳4.42；绝热炉壳4.42内砌筑有蓄热砖层4.43，蓄热砖层4.43内埋设有若干根电热丝4.44；蓄热砖层4.43内穿设有若干根水蒸汽加热管路4.45，饱和水蒸汽进气总管4.46与各水蒸汽加热管路4.45的进口连通，各水蒸汽加热管路4.45的出口与过热水蒸汽出气总管4.47连通；饱和水蒸汽进气总管4.46上装设有高温风机4.48，过热水蒸汽出气总管4.47与水蒸汽进气总管3.35连接；在高温风机4.48的作用下，电阻式电热锅炉4.3的饱和水蒸汽经管路送入铺设在固体蓄热锅炉4.4内的水蒸汽加热管路4.45内，经蓄热砖层4.43加热后，从水蒸汽进气总管3.35送入固体氧化物电解池3.3内，提供热源。
29.本实用新型在原有结构基础上，对固体蓄热锅炉4.4的结构进行改进，原有的固体蓄热锅炉的供热实现途径是通过介质热交换实现，即通过在固体蓄热锅炉4.4外部加装气-水或气-气换热器实现热量的对外输出，本实用新型直接将水蒸汽加热管路4.45均匀的铺设在固体蓄热锅炉4内部，即蓄热砖层4.43的蓄热体间，从而减少换热环节，利用蓄热砖层4.43直接加热水蒸汽；固体蓄热锅炉4.4中的电热丝4.44通电后加热蓄热砖层4.43，蓄热砖层4.43通常为镁系金属氧化物，最高储热温度可达900℃，本实用新型中采用额定储热温度为850℃，固体蓄热锅炉4.4的主要作用有两项，一是将风电与光伏的新能源电能转化为热能并进行储存，由于固体蓄热锅炉4.4本身具有储热功能，因此并入电网后可以作为电网的调峰手段，在电网负荷低谷时期，将新能源电力进行储存，利用固体蓄热锅炉4储存的热能对饱和水蒸汽进行加热，在电网负荷高峰时段电加热功率进行调减，使本技术具备电网友好性；由此，起到了平滑风光出力波动的功能，提高了资源利用率，缓解了我国三北地区的弃风限电问题，使多余新能源电力通过热能进行储存，为电网提供削峰填谷手段；二是将电阻式电热锅炉4.3加热产生的饱和水蒸汽加热至800℃的过热水蒸汽，为固体氧化物电解池3.3提供过热水蒸汽；通过气体流量控制阀4.5调节气体流量，进而实现控制高温原料水蒸
汽的温度。
30.本实用新型利用电阻式电热锅炉4.3和固体蓄热锅炉4.4能够将电网富裕风电、光伏的电能转换为热能进行储存，并且提供了全新的固体氧化物电解池3.3电解制氢的能量来源方式，包括电能和热能，实现了风电、光伏等新能源与高温固体氧化物电解制氢技术耦合，同时本实用新型提高了资源利用率，缓解了我国三北地区的弃风限电问题，使多余新能源电力通过氢能、热能进行储存，为电网提供削峰填谷手段。
31.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。