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CN116154975A - 一种离网型清洁能源综合储能供能系统 - Google Patents

一种离网型清洁能源综合储能供能系统 Download PDF

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CN116154975A
CN116154975A CN202211600753.7A CN202211600753A CN116154975A CN 116154975 A CN116154975 A CN 116154975A CN 202211600753 A CN202211600753 A CN 202211600753A CN 116154975 A CN116154975 A CN 116154975A
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hydrogen
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power generation
water
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CN202211600753.7A
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焦洋
曹蕃
郭婷婷
宋寅
李同辉
吕训邦
马康
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China Datang Corp Science and Technology Research Institute Co Ltd
Original Assignee
China Datang Corp Science and Technology Research Institute Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种离网型清洁能源综合储能供能系统，包括发电装置、超临界CO2储能系统(4)、电解水制氢装置(5)、储氢罐(6)、燃料电池(7)、水箱(8)、交通工具(9)、供热/供冷系统(10)和供热系统(11)；所述发电装置包括风力发电组件(1)、光伏发电组件(2)、核电小堆(3)中一种或多种资源发电组合；本发明充分整合某地理区域内的风能、光能、核能等资源，利用超临界CO2储能技术实现电热转换和电能储存，绿色电力制氢、储氢，并通过燃料电池的转化实现供能供热需求，构建离网型系统直接消纳清洁能源，并同时解决了偏远地区供热/供冷/供汽等能源供应问题。

Description

一种离网型清洁能源综合储能供能系统
技术领域
本发明涉及储能供能技术领域，尤其涉及一种离网型清洁能源综合储能供能系统。
背景技术
全球能源危机、环境危机以及我国实现双碳目标的需求促使利用清洁能源发电的技术成熟推广应用，我国地域辽阔，风光资源分布广泛，风电、光伏发电装机容量逐步提升，同时，由于其丰富的能量来源和清洁无污染的运行方式，正在现代电力系统中占据越来越重要的位置。此外，随着核能发电的快速发展，小型先进模块化多用途反应堆(核电小堆)因其具有高安全性、小身形、方便搭建移动、成本低、工期短等优点得到了重视和推广，不仅可用于发电，还可为工业园区的工业厂房供热供汽、为城镇供暖，用于沿海或海上可发挥海水淡化、海水制氢、海洋开发等作用。
清洁能源发电有利于构建低碳的发电系统，目前风电、光伏发电和大型核反应堆的电能输出多以并网型结构为主，分布式发电系统与现有电力系统并网运行可有效降低电力峰荷、缓解电压骤降、消除过负荷和阻塞、增加输电裕度。但不容忽视的是仍有一定数量小规模分散的分布式清洁电源存在，其发电后并网，配电系统将发生根本性的变化，带来电能质量变化、继电保护和电网安全等多方面问题。特别是对于偏远地区(陆地、海上、海岛等)，风光资源丰富的区域，电网未能全部覆盖，风力、光伏、小型核反应堆发电不便并网，因此，需要一种涵盖核电小堆、风力发电、光伏发电、超临界CO2储能、制氢用氢等的离网型综合储能供能系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种离网型清洁能源综合储能供能系统，充分整合某地理区域内(偏远陆地、海上、海岛等)的风能、光能、核能等资源，利用超临界CO2储能技术实现电热转换和电能储存，绿色电力制氢、储氢，并通过燃料电池的转化实现供能供热需求，构建离网型系统直接消纳清洁能源，并同时解决偏远地区供热/供冷/供汽等能源供应问题。
本发明提供了一种离网型清洁能源综合储能供能系统，包括发电装置、超临界CO2储能系统、电解水制氢装置、储氢罐、燃料电池、水箱、交通工具、供热/供冷系统和供热系统；所述发电装置包括风力发电组件、光伏发电组件、核电小堆中一种或多种资源发电组合；
所述发电装置电能输出端构成微电网并与所述超临界CO2储能系统电能输入端相连，，用于在所述超临界CO2储能系统进行电热交换，将电能以热能的形式进行储存；反之，储存在所述超临界CO2储能系统的热能通过热电交换可输出电能至微电网；
所述发电装置、超临界CO2储能系统的电能输出端连接微电网，并与所述电解水制氢装置的电能输入端相连；
所述超临界CO2储能系统高温蒸汽输出端与所述电解水制氢装置热能输入端相连，用于满足电解水制氢的供电供热；
所述电解水制氢装置氢气输出端与所述储氢罐氢气输入端相连，氢气经高压处理后储存在所述储氢罐内；
所述储氢罐氢气输出端的一支路与所述燃料电池相连，用于向所述燃料电池供应氢气，通过所述燃料电池将氢气和氧气的化学能转换成电能热能，并产生水和电热，所述燃料电池能量输出端与所述供热系统相连，用于向系统外供应热量；
所述储氢罐氢气输出端的另一支路与交通工具氢气输入端相连，供应氢气作为燃料，为交通工具供应氢气作为燃料，或经过高压长管拖车的高压氢瓶将氢气运输至加氢站；
所述燃料电池产出的纯水储存在所述水箱，用于为电解水制氢提供原材料补充，和/或在所述超临界CO2储能系统的储冷介质需要时实现系统内水资源的供应；
所述超临界CO2储能系统热量输出端与所述供热/供冷系统能量输入端相连，用于通过热交换实现向系统外供热或供冷。
进一步地，所述风力发电组件、光伏发电组件在海上建造使用固定式或漂浮式装置，浮式风电机组为Spar式、半潜式或张力腿式。
进一步地，所述核电小堆为小型模块化多用途反应堆，用于发电、供热、供汽、海水淡化、电解水制氢，规模为300MWe以下。
进一步地，所述超临界CO2储能系统包括压缩机、膨胀机、电动机、发电机、储热装置、储冷装置、循环工质、储热介质、储冷介质、控制系统，循环工质为超临界CO2，储热介质包括液态水、石蜡、生物质油、熔融盐、金属及其合金等，储冷介质包括冰浆、密封冰球、沙石子、金属物质等。
进一步地，所述电解水制氢装置采用碱性、质子交换膜、高温固体氧化物中的一种或多种方法实现电解水制氢，电解槽内为纯水、淡水、或海水。
借由上述方案，通过离网型清洁能源综合储能供能系统，具有如下技术效果：
1)通过构建离网型储能供能系统，实现就近就地消纳绿电，提高清洁能源消纳率。
2)超临界CO2作为新兴长时储能技术，通过电热交换实现本离网型系统稳定的电能储存和供应。
3)以清洁能源发电量制氢，有效降低电解水制氢的电耗能耗。
4)系统绿色清洁无污染、零排放，具备向系统外廉价供热/供冷的能力。
5)可以充分利用当地资源发电功能，解决海岛或偏远地区化石能源供应不足或电网建设成本高的问题。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明离网型清洁能源综合储能供能系统的结构框图；
图2是本发明的工作流程图。
图中标号：
1-风力发电机组；2-光伏发电组件；3-核电小堆；4-超临界CO2储能系统；5-电解水制氢装置；6-储氢罐：7-燃料电池；8-水箱；9-交通工具；10-供热/供冷系统；11-供热系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参图1、图2所示，本实施例提供了一种离网型清洁能源综合储能供能系统，包括发电装置、超临界CO2储能系统4、电解水制氢装置5、储氢罐6、燃料电池7、水箱8、交通工具9、供热/供冷系统10和供热系统11；发电装置包括风力发电组件1、光伏发电组件2、核电小堆3中一种或多种资源发电组合；发电装置电能输出端构成微电网并与超临界CO2储能系统4电能输入端相连，用于在超临界CO2储能系统4进行电热交换，将电能以热能的形式进行储存；反之，储存在所述超临界CO2储能系统(4)的热能通过热电交换可输出电能至微电网；；发电装置、超临界CO2储能系统4的电能输出端连接微电网，并与电解水制氢装置5的电能输入端相连；超临界CO2储能系统4高温蒸汽输出端与电解水制氢装置5热能输入端相连，用于充分满足电解水制氢的供电供热；电解水制氢装置5氢气输出端与所述储氢罐6氢气输入端相连，氢气经高压处理后储存在储氢罐6内；储氢罐6氢气输出端的一支路与燃料电池7相连，用于向燃料电池7供应氢气，通过所述燃料电池7将氢气和氧气的化学能转换成电能热能，并产生水和电热，燃料电池7能量输出端与供热系统11相连，用于向系统外供应热量；对于系统所在地理区域内的交通工具9，若存在氢燃料电池汽车或船舶，将储氢罐6氢气输出端的另一支路与交通工具氢气输入端相连，供应氢气作为燃料，为交通工具供应氢气作为燃料，或经过高压长管拖车的高压氢瓶将氢气运输至加氢站；燃料电池7产出的纯水储存在水箱8，用于为电解水制氢提供原材料补充，和/或在超临界CO2储能系统4的储冷介质需要时实现系统内水资源的供应，无需向外界额外取水；超临界CO2储能系统4热量输出端与供热/供冷系统10能量输入端相连，用于通过热交换实现向系统外供热或供冷。
本实施例中发电组件1、光伏发电组件2、核电小堆3指利用某地理区域内的风能、光能、核能一种或多种资源发电，上述发电装置、机组和用能具有小型和分散特征，中小规模(几十kW到几十MW)的发电装置经济、高效、可靠地发电，发电后不连接公共电网，而是构成不依赖电网可独立运行的本离网型系统。发电组件1、光伏发电组件2、核电小堆3均泛指常规发电机组，既可在陆地上搭建发电装置，也适用于在海上或海岛利用风能、太阳能、核能发电，多为分散或中小规模的机组，在本实施例中可同时存在多种类型的发电装置，也可为其中一种。发电组件1、光伏发电组件2、核电小堆3电能输出端不与公共电网相连，为解决电能储存，利用超临界CO2储能技术实现电热转换储存电能，解决清洁能源消纳的同时解决区域内储能供能的问题。
本实施例中发电组件1、光伏发电组件2在海上建造使用固定式或漂浮式装置，浮式风电机组可为Spar式、半潜式或张力腿式。核电小堆3即小型模块化多用途反应堆，具备发电、供热、供汽、海水淡化、电解水制氢等多用途，是小型的核能发电和产热机组，规模为300MWe以下。由一回路和二回路系统组成，一回路系统包含反应堆、主泵、主管道、稳压器、蒸汽发生器和辅助系统等，二回路包含汽轮机、汽水分离再热器、冷凝器、发电机、用电系统和热力系统等。
本实施例中超临界CO2储能系统4由压缩机、膨胀机、电动机、发电机、储热装置、储冷装置、循环工质、储热介质、储冷介质、控制系统等组成。循环工质为超临界CO2，储热介质为液态水，储冷介质为冰浆(含23.3％NaCl的盐水)。超临界CO2储能系统4循环效率受循环工质与储热、储冷介质之间的热匹配性及涡轮机械的等熵效率等因素影响。超临界CO2储能系统4储能效率由“电→热”转换效率和“热→电”效率共同决定。
超临界CO2储能系统4是本实施例离网型系统的重要储能、供能装置，将风光核发电装置的输出电量转换为热能储存下来。在超临界CO2储能系统4中，以超临界CO2为循环工质，利用其临界温度低、临界压力适中的优势，通过机械设备实现CO2的跨临界动力学循环；以热水作为储热介质，水具有良好的热容量、流动性和传热性能；以冰浆为储冷介质。当本系统内需要储存电能时，电能驱动电动机，带动压缩机，超临界CO2从低温热源(冰浆)吸热，并向高温热源(水)放热，从而将电能以热能的形式存储在水中。当系统需要超临界CO2储能系统4向各环节供电时，超临界CO2经泵或压缩机压缩后，从水中吸热，在膨胀机中膨胀做功，驱动发电机发电产生电能，膨胀后的超临界CO2被冰浆冷却。热电储能将本离网型系统的电能转化为热能储存，需要时利用存储的热能发电，并同时具备向系统外供热/供冷的功能，即供热/供冷系统10。超临界CO2储能系统4耦合发电装置中发电组件1、光伏发电组件2、核电小堆3的一个或多个，实现电能储存，提高清洁能源消纳率。
本实施例中电解水制氢装置5采用碱性(ALK)、质子交换膜(PEM)、高温固体氧化物(SOEC)的一种或多种方法实现电解水制氢，电解槽内既可为纯水、淡水，也可以是海水。电解水制氢为电化学反应，且遵循法拉第定律，氢气氧气产量与电流和通电时间成正比。在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，电解产生氢气和氧气。对于陆地上的装置以纯水或淡水为电解液，对于海上或沿海地区可电解海水制氢。在本离网型系统中发电组件1、光伏发电组件2、核电小堆3、超临界CO2储能系统4可向电解水制氢装置5供应绿色电能制氢，若采用高温固体氧化物电解水制氢技术，超临界CO2储能系统4可满足向电解水制氢装置5供应高温热量的需求。电解水制氢装置5制备得到的氢气以高压气态储氢的形式存储在储氢罐6中以备系统后续使用。储氢罐6既可连接氢燃料电7的氢气供给其所需氢气，也可通过运输至加氢站向本系统所在地理区域内的交通工具9(氢燃料电池汽车或船舶)供应。
本实施例中储氢罐6使用成熟度较高且广泛应用的高压气态储氢技术。燃料电池7特指氢燃料电池，即以纯氢作为燃料的固体高分子型质子交换膜燃料电池(PEMFC)，由电堆、氢气供给系统、空气供给系统、催化剂、水热管理系统和控制系统等组成，产出为水、电能和热能。
氢燃料电池7的化学反应过程与电解水制氢装置5电解水制氢正相反，通过氢气、空气供给系统分别将氢氧供至阳极和阴极，阳极处的氢气经过催化剂的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的H+(质子)穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板，与氧原子和H+结合成水。氢燃料电池7将化学能转化为电能，无需经过热能和机械能的中间转换。氢燃料电池7产生的水储存在水箱中供本系统内各环节的水量补充。由于氢燃料电池的电化学过程有热量产生，故可向系统外供应一部分热量，即供热系统11。
本实施例中交通工具9指以氢气为燃料的交通工具，在原有区域内通过车辆更替或新车部署尽可能实现氢燃料电池汽车的覆盖，主要涉及氢能公交车、大巴车、重卡、物流车、船舶等。若需氢气短途运输，采用储氢瓶+长管拖车的形式，工作压力20MPa。
该系统适用于偏远地区，如偏远陆地、海岛等，综合利用地区资源禀赋，在系统内实现发电、供电、储能、供能、制氢、用氢等多种功能。小规模风力、光伏、核反应堆发电后不直接接入电网，而是构成本发明的离网系统，利用超临界CO2储能装置进行电热转换，实现电能储存和热能供应，解决区域清洁能源的消纳问题。区域内不同种类发电机组可为电解水制氢供电，实现绿电清洁制氢，氢气采用高压气态储存的方式储存在储氢罐内以备使用。一方面氢气用在氢燃料电池，通过电堆将氢氧化学能转化为电能和热能，另一方面，氢气可供应区域内氢燃料交通工具，如车辆、船舶等，低碳清洁环保。本发明整套系统设置超临界CO2储能系统的供热/供冷管道和燃料电池的供热管道，充分解决偏远地区的用能需求。
该离网型清洁能源综合储能供能系统，具有如下技术效果：
1)通过构建离网型储能供能系统，实现就近就地消纳绿电，提高清洁能源消纳率。
2)超临界CO2作为新兴长时储能技术，通过电热交换实现本离网型系统稳定的电能储存和供应。
3)以清洁能源发电量制氢，有效降低电解水制氢的电耗能耗。
4)系统绿色清洁无污染、零排放，具备向系统外廉价供热/供冷的能力。
5)可以充分利用当地资源发电功能，解决海岛或偏远地区化石能源供应不足或电网建设成本高的问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种离网型清洁能源综合储能供能系统，其特征在于，包括发电装置、超临界CO2储能系统(4)、电解水制氢装置(5)、储氢罐(6)、燃料电池(7)、水箱(8)、交通工具(9)、供热/供冷系统(10)和供热系统(11)；所述发电装置包括风力发电组件(1)、光伏发电组件(2)、核电小堆(3)中一种或多种资源发电组合；
所述发电装置电能输出端构成微电网并与所述超临界CO2储能系统(4)电能输入端相连，用于在所述超临界CO2储能系统(4)进行电热交换，将电能以热能的形式进行储存；反之，储存在所述超临界CO2储能系统(4)的热能通过热电交换输出电能至微电网；
所述发电装置、超临界CO2储能系统(4)的电能输出端连接微电网，并与所述电解水制氢装置(5)的电能输入端相连；
所述超临界CO2储能系统(4)高温蒸汽输出端与所述电解水制氢装置(5)热能输入端相连，用于满足电解水制氢的供电供热；
所述电解水制氢装置(5)氢气输出端与所述储氢罐(6)氢气输入端相连，氢气经高压处理后储存在所述储氢罐(6)内；
所述储氢罐(6)氢气输出端的一支路与所述燃料电池(7)相连，用于向所述燃料电池(7)供应氢气，通过所述燃料电池(7)将氢气和氧气的化学能转换成电能热能，并产生水和电热，所述燃料电池(7)能量输出端与所述供热系统(11)相连，用于向系统外供应热量；
所述储氢罐(6)氢气输出端的另一支路与交通工具氢气输入端相连，供应氢气作为燃料，为交通工具供应氢气作为燃料，或经过高压长管拖车的高压氢瓶将氢气运输至加氢站；
所述燃料电池(7)产出的纯水储存在所述水箱(8)，用于为电解水制氢提供原材料补充，和/或在所述超临界CO2储能系统(4)的储冷介质需要时实现系统内水资源的供应；
所述超临界CO2储能系统(4)热量输出端与所述供热/供冷系统(10)能量输入端相连，用于通过热交换实现向系统外供热或供冷。
2.根据权利要求1所述的离网型清洁能源综合储能供能系统，其特征在于，所述风力发电组件(1)、光伏发电组件(2)在海上建造使用固定式或漂浮式装置，浮式风电机组为Spar式、半潜式或张力腿式。
3.根据权利要求1所述的离网型清洁能源综合储能供能系统，其特征在于，所述核电小堆(3)为小型模块化多用途反应堆，用于发电、供热、供汽、海水淡化、电解水制氢，规模为300MWe以下。
4.根据权利要求1所述的离网型清洁能源综合储能供能系统，其特征在于，所述超临界CO2储能系统(4)包括压缩机、膨胀机、电动机、发电机、储热装置、储冷装置、循环工质、储热介质、储冷介质、控制系统，循环工质为超临界CO2，储热介质包括液态水、石蜡、生物质油、熔融盐、金属及其合金，储冷介质包括冰浆、密封冰球、沙石子、金属物质。
5.根据权利要求1所述的离网型清洁能源综合储能供能系统，其特征在于，所述电解水制氢装置(5)采用碱性、质子交换膜、高温固体氧化物中的一种或多种方法实现电解水制氢，电解槽内为纯水、淡水、或海水。
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