基于燃料电池的风力发电机组备用电源系统及工作方法
【专利摘要】基于燃料电池的风力发电机组备用电源系统及工作方法，该系统包括与电网连接的风力发电机组，风力发电机组的电能输出端连接的电解制氢装置的电能输入端，电解制氢装置的水入口端连接储水罐的水出口端，电解制氢装置的氢气出口端连接储氢罐的氢气入口端，电解制氢装置的氧气出口端连接到大气中，储氢罐的氢气出口端连接燃料电池装置的氢气入口端，燃料电池装置的水出口端连接储水罐的水入口端，燃料电池装置还包括空气入口端；本发明还公开了该系统的工作方法；本发明可实现全自动运行，无需额外燃料的补充，运行维护成本低。
【专利说明】
基于燃料电池的风力发电机组备用电源系统及工作方法
技术领域
[0001]本发明属于发电技术领域，尤其涉及一种基于燃料电池的风力发电机组备用电源系统及工作方法。
【背景技术】
[0002]随着国民经济的迅速增长，对能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所产生的环境污染问题日益尖锐。新能源资源潜力大，可持续利用，在满足能源需求、改善能源结构、减少环境污染、促进经济发展等方面发挥了重要作用，已引起了国际社会的广泛关注。在能源安全与环境保护的双重压力下，技术相对成熟、具备规模化开发条件的风力发电技术作为一种清洁的可再生能源，在世界范围内取得了飞速发展。特别是近年来，风力发电的产业规模和市场化程度逐年提高。截至2015年底，全年风电新增装机容量3297万千瓦，新增装机容量再创历史新高，累计并网装机容量达到1.29亿千瓦，占全部发电装机容量的8.6%，全国风电产业继续保持强劲增长势头。
[0003]风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电机根据轴向的差别，可分为两类:①水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行;②垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。其中水平轴风力机又可分为升力型和阻力型两类。由于水平轴风力发电机较垂直轴风力发电机的启动性能好，而且升力型旋转速度快，阻力型旋转速度慢，因此目前大型风力发电机组多采用升力型水平轴风力机(注:后文中无特殊说明，所述风力发电机均为升力型水平轴风力发电机)。
[0004]由于风能自身特点决定了风力发电是典型的随机性、间歇性，其大规模并网发电对电网的安全稳定和运行调度等诸多方面均有很大影响。而且风力发电机组所能利用风能的风速也具有一定的范围要求，启动风速一般为3?5m/s，停机风速一般为15?35m/s。受限于风电并网以及有效风速范围的限制，当前风电厂的风力发电机组并不能持续稳定的运行，而风力发电机组属于转动机械，长时间的停止工作会导致风力发电机组内润滑油、转动部件的损坏，因此目前风电厂中需要配置备用电源，利用备用电源的电能带动停止的风力发电机转动，以保持风力发电机的性能和寿命。此外，为了确保风力发电机组在台风等极端天气时的安全性，也需要事故备用电源，向风力发电机组的变桨子系统和偏航子系统提供电能，使机组始终处于迎风面，同时桨叶顺桨到90°的位置，以确保风力发电机组的安全性。
[0005]根据风力发电机组的功率需求，风力发电厂用备用电源一般需满足以下条件:
[0006](I)单台风力发电机所需备用电源功率需要达到50kW:包括偏航电机8?I OkW，液压电机20kW左右，及其他负荷10kW，无功功率为40?50kVar。
[0007](2)启动速度快:启动时间<30s。
[0008]目前风力发电厂常用的备用电源系统多采用柴油发电机组，主要是因为柴油发电机组的环境适应性好、成本低廉，而且能够长时间的连续运行。但是，无论是陆上风电厂还是海上风电厂，地理位置均较为偏僻，需要长距离运送柴油，使得采用柴油发电机组的运行成本和维护成本大大提高，而且柴油发电机组的效率低、污染严重。
【发明内容】
[0009]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于燃料电池的无人值守型风力发电机组备用电源系统及工作方法，可实现全自动运行，无需额外燃料的补充，运行维护成本低。
[0010]为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0011]基于燃料电池的风力发电机组备用电源系统，包括与电网2连接的风力发电机组I，风力发电机组I的电能输出端连接的电解制氢装置3的电能输入端，电解制氢装置3的水入口端连接储水罐4的水出口端，电解制氢装置3的氢气出口端连接储氢罐5的氢气入口端，电解制氢装置3的氧气出口端连接到大气中，储氢罐5的氢气出口端连接燃料电池装置6的氢气入口端，燃料电池装置6的水出口端连接储水罐4的水入口端，燃料电池装置6还包括空气入口端。
[0012]上述所述基于燃料电池的风力发电机组备用电源系统的工作方法，在风力发电机组I正常工作的情况下，风力发电机组I将发出的电能输送给电网2，同时风力发电机组I所发出的电能输送给电解制氢装置3，电解制氢装置3将储水罐4中的水电解成氢气和氧气，氢气被储存于储氢罐5中，氧气直接排放到大气中；在风力发电机组I非工作的情况下，电网2能够将电能输送风力发电机组I维持风力发电机组I在非工作情况下的用电；在风力发电机组I非工作且电网2被切断的情况下，燃料电池装置6利用储氢罐5中的氢气和空气中的氧气，将氢气的化学能通过电化学反应转化为电能和H2O,其中产生的H2O被储存于储水罐4中，所产生的电能供给风力发电机组I作为备用电力，从而保障风力发电机组I的安全运行。
[0013]所述风力发电机组I，是指将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。
[0014]所述电网2，是指与风力发电机组连接的输配电线路，能够实现电能的输入和输出。
[0015]所述电解制氢装置3，米用质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)电解水制氢技术，电解槽由PEM膜电极、双极板等部件组成。PEM电解技术能够将反应物氢气和氧气分隔开避免串气，安全性好、产物气体纯度高。系统的负荷可以从O?100%连续调节，能够与风电的波动性相适应。电解制氢装置启停速度快，5min内可产生H2，输出氢气的压力可达3MPa0
[0016]所述储水罐4，能够储存去离子水，并对水进行保温，防止水凝结成冰。
[0017]所述储氢罐5，采用高压储氢方式，能够在常温下进行快速的充放气。储氢罐的压力为3MPa。
[0018]所述燃料电池装置6，米用质子交换膜燃料电池(Proton Exchange MembraneFuel Cell,PEMFC)发电技术，由阴极腔室、阴极、阳极腔室、阳极、电解质等部件组成。PEMFC装置系统发电效率可达50 % LHV，启停速度快(<30s)。
[0019]本发明所提出的风电电解水制氢-燃料电池发电系统具有以下优点:
[0020](I)可实现全自动运行，无需额外燃料的补充，运行维护成本低。
[0021](2)利用风力发电机组所发出的电能，污染零排放。
[0022](3)可通过运输氢气来延长备用时间。
【附图说明】
[0023]图1是本发明一种基于燃料电池的无人值守型风力发电机组备用电源系统的示意图。
[0024]1-风力发电机组，2-电网，3-电解制氢装置，4-储水罐，5-储氢罐，6-燃料电池装置
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0026]如图1所示，本发明基于燃料电池的风力发电机组备用电源系统，包括与电网2连接的风力发电机组I，风力发电机组I的电能输出端连接的电解制氢装置3的电能输入端，电解制氢装置3的水入口端连接储水罐4的水出口端，电解制氢装置3的氢气出口端连接储氢罐5的氢气入口端，电解制氢装置3的氧气出口端连接到大气中，储氢罐5的氢气出口端连接燃料电池装置6的氢气入口端，燃料电池装置6的水出口端连接储水罐4的水入口端，燃料电池装置6还包括空气入口端。
[0027]本发明基于燃料电池的风力发电机组备用电源系统的工作方法，在风力发电机组I正常工作的情况下，风力发电机组I将发出的电能输送给电网2，同时风力发电机组I所发出的电能输送给电解制氢装置3，电解制氢装置3将储水罐4中的水电解成氢气和氧气，氢气被储存于储氢罐5中，氧气直接排放到大气中；在风力发电机组I非工作的情况下，电网2能够将电能输送风力发电机组I维持风力发电机组I在非工作情况下的用电;在风力发电机组I非工作且电网2被切断的情况下，燃料电池装置6利用储氢罐5中的氢气和空气中的氧气，将氢气的化学能通过电化学反应转化为电能和H2O,其中产生的H2O被储存于储水罐4中，所产生的电能供给风力发电机组I作为备用电力，从而保障风力发电机组I的安全运行。
[0028]实施例1
[0029]风力发电机组I正常工作，风力发电机组I所发出的电能一部分输送给电网2，一部分输入到PEM电解制氢装置3中，电耗为40.8kW，消耗水量为5.5L/h，制氢量达到6Nm3/h，产生氢气的压力为SMPac3PEM电解制氢装置3所产生的氢气，输送到储氢罐5中，储氢罐5的容积为13.9m3，设计压力3.5MPa。电解制氢装置3经过累计运行67个小时将储氢罐5储满。
[0030]在风力发电机组I非工作且电网2被切断的情况下，PEMFC燃料电池装置6利用储氢罐5中的氢气和空气中的氧气进行发电，发电功率50kW，发电效率50%LHV，氢气消耗速率700L/min@50kW，可持续发电9.5h，为风力发电机组提供必要的电能。
[0031]实施例2
[0032]风力发电机组I正常工作，风力发电机组I所发出的电能一部分输送给电网2，一部分输入到PEM电解制氢装置3中，电耗为408kW，消耗水量为55L/h，制氢量达到60Nm3/h，产生氢气的压力为SMPac3PEM电解制氢装置3所产生的氢气，输送到储氢罐5中，储氢罐5由10个容积为13.9m3的储氢罐组成，设计压力3.5MPa。电解制氢装置3经过累计运行67个小时将储氢罐5充满。
[0033]在风力发电机组I非工作且电网2被切断的情况下，燃料电池装置6利用储氢罐5中的氢气和空气中的氧气进行发电，燃料电池装置6由10台发电功率50kW的PEMFC发电系统组成。单台PEMFC发电系统发电效率50%LHV，氢气消耗速率700L/min@50kW。燃料电池装置6可同时为10台风力发电机组提供电能，在50kW下可持续发电9.5h，保障风力发电机组所需电會K。
【主权项】
1.基于燃料电池的风力发电机组备用电源系统，其特征在于:包括与电网(2)连接的风力发电机组(I)，风力发电机组(I)的电能输出端连接的电解制氢装置(3)的电能输入端，电解制氢装置(3)的水入口端连接储水罐(4)的水出口端，电解制氢装置(3)的氢气出口端连接储氢罐(5)的氢气入口端，电解制氢装置(3)的氧气出口端连接到大气中，储氢罐(5)的氢气出口端连接燃料电池装置(6)的氢气入口端，燃料电池装置(6)的水出口端连接储水罐(4)的水入口端，燃料电池装置(6)还包括空气入口端。2.根据权利要求1所述的基于燃料电池的风力发电机组备用电源系统，其特征在于:所述电解制氢装置(3)采用质子交换膜电解水制氢技术，电解制氢装置启停速度快，5min内能够产生氢气，输出氢气的压力能够达到3MPa。3.根据权利要求1所述的基于燃料电池的风力发电机组备用电源系统，其特征在于:所述储水罐(4)上设置有防止水凝结成冰的保温层。4.根据权利要求1所述的基于燃料电池的风力发电机组备用电源系统，其特征在于:所述储氢罐(5)采用高压储氢方式，能够在常温下进行快速的充放气，储氢罐(5)的压力为3MPa05.根据权利要求1所述的基于燃料电池的风力发电机组备用电源系统，其特征在于:所述燃料电池装置(6)采用质子交换膜燃料电池发电技术，发电效率能够达50%LHV，启停速度<30s。6.权利要求1至5任一项所述基于燃料电池的风力发电机组备用电源系统的工作方法，其特征在于:在风力发电机组(I)正常工作的情况下，风力发电机组(I)将发出的电能输送给电网(2)，同时风力发电机组(I)所发出的电能输送给电解制氢装置(3)，电解制氢装置(3)将储水罐(4)中的水电解成氢气和氧气，氢气被储存于储氢罐(5)中，氧气直接排放到大气中；在风力发电机组(I)非工作的情况下，电网(2)能够将电能输送风力发电机组(I)维持风力发电机组(I)在非工作情况下的用电；在风力发电机组(I)非工作且电网(2)被切断的情况下，燃料电池装置(6)利用储氢罐(5)中的氢气和空气中的氧气，将氢气的化学能通过电化学反应转化为电能和H2O,其中产生的H2O被储存于储水罐(4)中，所产生的电能供给风力发电机组(I)作为备用电力，从而保障风力发电机组(I)的安全运行。
【文档编号】H01M8/10GK105871057SQ201610383928
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】许世森, 王洪建, 程健, 张瑞云, 王鹏杰, 任永强
【申请人】中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司