一种户用光氢储能热电联供系统及其控制方法与流程

本发明涉及氢能及分布式能源系统，具体为一种综合利用市电和太阳能源发电制氢和储能的小型户用热电联供系统及其控制方法。

背景技术：

1、随着国家大力推动能源绿色低碳转型，相较于传统集中式能源发电，用户侧分布式能源已开始快速发展，其通过利用可再生清洁能源，实现本地能源的转化储存的梯次利用，具有良好的发展前景。

2、对于分布式户用供电使用场景，现有的技术方案：1、采用单一市网电源电解水制氢储能的经济性较低，而采用离网式光伏电解水制氢的热电联供系统，会受到阴雨天气等环境影响，无法具备为负载不间断供电的能力，实用性受限；2、采用单一燃料电池的热电联供系统，提供的热能有限，并且需要外部运输氢气或现场制备氢气，对于氢气成本较高、来源不便利或不具备现场制氢条件的地区使用受限；3、采用储氢罐等压力容器储存氢气，需要增加压缩装置，压力容器安装通常要求一定的安全距离，对于一般用户的操作和维护要求较高。另外，如何有效对发电产生的热能进行有效利用，减少能源损耗，也是值得研究的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种户用光氢储能热电联供系统及其控制方法，在充分有效利用太阳能源的基础上，保障用户侧能源储存和转化的安全性和可持续性。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种户用光氢储能热电联供系统，包括光伏并网系统和热电联供系统，所述热电联供系统包括单相电路、电源变换器一、电源变换器二、双向逆变器、储能电池、燃料电池、电解水系统、储氢罐、水净化系统、热交换系统、保温水箱、水泵和水源；所述光伏并网系统输出端分别与单相电路、电源变换器一以及电源变换器二并联；所述单相电路直接与双向逆变器连接；所述电源变换器一与储能电池连接，所述储能电池与双向逆变器连接；所述电源变换器二与电解水系统连接，所述电解水系统与储氢罐连接，所述储氢罐与燃料电池系统连接，所述燃料电池系统分别与储能电池和双向逆变器连接；所述水源分别与水净化系统、热交换系统连接，所述水净化系统输出端与电解水系统连接，所述燃料电池、电解水系统分别与热交换系统连接，所述热交换系统输出端与保温水箱连接，所述保温水箱通过水泵与家用热水箱连接。

4、优选地，所述热电联供系统包括光照传感器、通讯模块、中央控制器，所述光照传感器用于实时采集、存储系统外部光照强度变化情况，通过通讯模块与中央控制器进行数据交互，实现远程电量控制、热水管理控制、信息采集记录、数据远程通信等管理和控制功能。

5、优选地，所述储能电池采用磷酸铁锂电池组。

6、优选地，所述燃料电池采用石墨电堆或金属电堆。

7、优选地，所述电解水系统采用alk碱性电解槽、pem质子交换膜电解槽或aem阴离子交换膜电解槽，在电解槽两极施加直流电源，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气，经过气液分离、气体纯化干燥等后处理环节，产生99.999%纯度的氢气。

8、优选地，所述储氢罐采用常温型的钛基金属合金或镁基金属合金。

9、优选地，所述热交换系统为板面式换热器，将电解水系统散热装置、燃料电池系统散热装置的热量传递到自来水中，实现热量的转移利用。

10、优选地，所述保温水箱内部还设置有交流电加热器，在持续阴雨天等气候条件下，光伏发电功率受限，系统储热量下降时，电加热器可启动为水箱应急加热储水。

11、一种户用光氢储能热电联供控制方法，具体包括以下步骤：

12、（1）获取时间信息，判断系统处于白天工作模式或夜间工作模式；

13、（2）白天时段，通过计算获取前一日日间储能量和夜间耗电量，判断系统能量日均变化趋势控制系统维持正常工作模式或异常维持模式；

14、在异常维持模式下，切换市电电源维持系统工作；正常模式下通过采集判断光伏日照强度和实时发电量，选择光伏电解水制氢储氢、光伏电池充电储能的分级能源利用模式；

15、（3）夜间时段，系统储能转换为提供用电负载，优先锂电池放电，达到设定电量时燃料电池启动持续供电，储氢量接近下限值时燃料电池系统停机，电池soc达到下限值时锂电池停止放电，切换市电电源维持；

16、（4）利用电解水系统和燃料电池工作的余热，经热交换系统为保温水箱蓄存热水，在外部有供热需求的情况下，通过水泵向外输出。

17、优选地，所述步骤（2）正常工作模式下具体控制步骤为：

18、比较当光照强度达到电解水制氢系统启动功率时，进入光伏发电制氢模式，盈余的光伏功率为锂电池充电或提供用电负载，负载功率需求不足时自动切换市电维持；

19、比较当光照强度低于电解水制氢系统启动功率，且高于锂电池额定充电功率时，电解水系统停止工作，光伏发电功率为锂电池充电，盈余的光伏功率提供用电负载，负载功率需求不足时自动切换市电维持；

20、比较当光照强度低于锂电池额定功率时，锂电池停止充电，少量的光伏功率提供用电负载，负载功率需求不足时自动切换市电维持。

21、与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

22、1、通过获取对比日均累积储能量和日均累积耗电量，在系统储能量达到安全下限时，系统自动切换到市电供电，保障了用电负载的可持续性；

23、2、通过水净化系统和电解水装置，实现了在市政自来水覆盖区域氢气的自产自用，同时采用常温低压型的金属储氢罐，提高了户用操作和维护的安全性；

24、3、通过实时采集光照强度，以及与光伏并网系统通信获取实时发电功率，实现系统在日间光照充足时启动电解水制氢储氢，光照较弱时利用电池充电储能，光照不足及夜间模式下系统储能转换为负载供电，实现了可再生能源的分时利用和能源利用的经济性；

25、4、夜间模式下系统储能转换为提供用电负载使用，合理利用了锂电池和燃料电池特性，优先锂电池放电，达到设定电量时燃料电池系统启动持续供电，储氢量接近下限值时燃料电池系统停机，提高了金属储氢和锂电池储能耦合利用的安全性。

技术特征：

1.一种户用光氢储能热电联供系统，其特征在于：包括光伏并网系统和热电联供系统，所述热电联供系统包括单相电路、电源变换器一、电源变换器二、双向逆变器、储能电池、燃料电池、电解水系统、储氢罐、水净化系统、热交换系统、保温水箱、水泵和水源；所述光伏并网系统输出端分别与单相电路、电源变换器一以及电源变换器二并联；所述单相电路直接与双向逆变器连接；所述电源变换器一与储能电池连接，所述储能电池与双向逆变器连接；所述电源变换器二与电解水系统连接，所述电解水系统与储氢罐连接，所述储氢罐与燃料电池系统连接，所述燃料电池系统分别与储能电池和双向逆变器连接；所述水源分别与水净化系统、热交换系统连接，所述水净化系统输出端与电解水系统连接，所述燃料电池、电解水系统分别与热交换系统连接，所述热交换系统输出端与保温水箱连接，所述保温水箱通过水泵与家用热水箱连接。

2.如权利要求1所述的一种户用光氢储能热电联供系统，其特征在于：所述热电联供系统包括光照传感器、通讯模块、中央控制器，所述光照传感器用于实时采集、存储系统外部光照强度变化情况，通过通讯模块与中央控制器进行数据交互，实现远程电量控制、热水管理控制、信息采集记录、数据远程通信等管理和控制功能。

3.如权利要求1所述的一种户用光氢储能热电联供系统，其特征在于：所述储能电池采用磷酸铁锂电池组。

4.如权利要求1所述的一种户用光氢储能热电联供系统，其特征在于：所述燃料电池采用石墨电堆或金属电堆。

5.如权利要求1所述的一种户用光氢储能热电联供系统，其特征在于：所述电解水系统采用alk碱性电解槽、pem质子交换膜电解槽或aem阴离子交换膜电解槽。

6.如权利要求1所述的一种户用光氢储能热电联供系统，其特征在于：所述储氢罐采用常温型的钛基金属合金或镁基金属合金。

7.如权利要求1所述的一种户用光氢储能热电联供系统，其特征在于：所述热交换系统为板面式换热器。

8.如权利要求1所述的一种户用光氢储能热电联供系统，其特征在于：所述保温水箱内部还设置有交流电加热器。

9.一种户用光氢储能热电联供控制方法，具体包括以下步骤：

10.如权利要求9所述的一种户用光氢储能热电联供控制方法，其特征在于：所述步骤（2）正常工作模式下具体控制步骤为：

技术总结
本发明涉及氢能及分布式能源系统，具体提供了一种户用光氢储能热电联供系统及其控制方法，系统包括光伏并网系统和热电联供系统，所述热电联供系统包括单相电路、电源变换器一、电源变换器二、双向逆变器、储能电池、燃料电池、电解水系统、储氢罐、水净化系统、热交换系统、保温水箱、水泵和水源。系统能源来源以太阳能源为主，市电电源为辅，白天光伏日照强度足够时电解水装置自动启动，经直流电源电解纯水产生氢气，储存在金属储氢模块中，产生的废热通过热换热器存储或输出热水；光伏日照较弱时进行电池充电储能，光照不足及夜间模式下系统储能转换为提供家用负载供电，储能不足时自动切换市电维持，从而实现可再生能源的分时存储和利用。

技术研发人员：张伟夫,陆海英,黄嘉南
受保护的技术使用者：爱普车辆股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1