基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置及其儲(chǔ)能方法和發(fā)電方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置，包括電解水制氫裝置、儲(chǔ)氫組件、蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電組件和電力系統(tǒng)；儲(chǔ)氫組件包括第一冷凝器、氣體混合器、儲(chǔ)氫罐和蒸汽發(fā)生器；蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電組件包括燃燒室、燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)、第一發(fā)電機(jī)、第二冷凝器和第二發(fā)電機(jī)；電力系統(tǒng)分別與電解水制氫裝置、第一發(fā)電機(jī)和第二發(fā)電機(jī)電連接。該儲(chǔ)能裝置可解決傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式中存在的裝機(jī)容量小、系統(tǒng)效率低、儲(chǔ)能成本高問(wèn)題。同時(shí)本發(fā)明還公開一種儲(chǔ)能方法，該儲(chǔ)能方法解決了電能難以大規(guī)模的存儲(chǔ)問(wèn)題。本發(fā)明還公開一種發(fā)電方法，該發(fā)電方法解決了電力系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)慢的問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置及其儲(chǔ)能方法和發(fā)電方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)領(lǐng)域中的一種儲(chǔ)能系統(tǒng)，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置，同時(shí)還涉及該儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能方法和發(fā)電方法。

【背景技術(shù)】
[0002]由于傳統(tǒng)化石能源的枯竭和其造成的環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，開發(fā)清潔能源，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)資源和能源的優(yōu)化配置已成為世界各國(guó)的共同選擇和新一輪國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。截止2013年年底，中國(guó)已經(jīng)超越美國(guó)成為世界上裝機(jī)容量和發(fā)電量最大的國(guó)家。然而，隨著新能源時(shí)代的到來(lái)，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)面臨著峰谷負(fù)荷差大、可再生能源兼容性不足、系統(tǒng)整體效率低下等諸多挑戰(zhàn)。因此，針對(duì)現(xiàn)階段電網(wǎng)運(yùn)行的突出問(wèn)題，建設(shè)具有可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好新型能源網(wǎng)絡(luò)(智能電網(wǎng))具有十分重要的意義。
[0003]應(yīng)用大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化配置和控制，增強(qiáng)間歇式能源的兼容性，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性的必然選擇，是發(fā)展堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)技術(shù)的先決條件。常用儲(chǔ)能技術(shù)主要有物理儲(chǔ)能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等)、電化學(xué)儲(chǔ)能(如鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池、鈉硫電池、液流電池等)和電磁儲(chǔ)能(如超導(dǎo)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能等)。在諸多儲(chǔ)能技術(shù)中，除抽水蓄能外，大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)中僅有壓縮空氣儲(chǔ)能和部分電化學(xué)儲(chǔ)能。壓縮空氣儲(chǔ)能，對(duì)地下洞室的地質(zhì)條件、嚴(yán)密性等有比較苛刻的要求，同時(shí)在儲(chǔ)能過(guò)程中需要消耗大量燃?xì)?。電化學(xué)儲(chǔ)能存在深度充放電時(shí)間長(zhǎng)、效率衰減快和單位投資高、廢舊電池電解液對(duì)環(huán)境污染大等問(wèn)題，目前規(guī)模化程度也十分有限。
[0004]與這些儲(chǔ)能方式相比，抽水蓄能由于其負(fù)荷調(diào)節(jié)快、裝機(jī)容量大、儲(chǔ)能成本低等特點(diǎn)得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用，目前已經(jīng)成為世界上技術(shù)最為成熟應(yīng)用最普遍的儲(chǔ)能方式。然而，抽水蓄能系統(tǒng)需要消耗大量水資源，而中國(guó)燃煤電廠大多位于水資源相對(duì)匱乏的北方地區(qū)，而且隨著近年來(lái)風(fēng)電和光伏發(fā)電的大力發(fā)展，處于偏遠(yuǎn)缺水地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)和光伏電廠對(duì)于廉價(jià)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求也越發(fā)迫切。因此，發(fā)展地理適應(yīng)性更好，調(diào)峰能力強(qiáng)，儲(chǔ)能成本低，易于規(guī)模化的新型儲(chǔ)能技術(shù)具有十分重要的意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置，該儲(chǔ)能裝置可解決傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式中存在的地理適應(yīng)性差、裝機(jī)容量小、系統(tǒng)效率低、儲(chǔ)能成本高等問(wèn)題。同時(shí)還提供一種儲(chǔ)能方法，利用該儲(chǔ)能裝置進(jìn)行儲(chǔ)能，該儲(chǔ)能方法解決了電能難以大規(guī)模的存儲(chǔ)問(wèn)題，同時(shí)在存儲(chǔ)過(guò)程中能量耗散率低。還提供一種發(fā)電方法，利用該儲(chǔ)能裝置進(jìn)行發(fā)電，該發(fā)電方法解決了電力系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)慢的問(wèn)題。
[0006]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置，該儲(chǔ)能裝置包括電解水制氫裝置、儲(chǔ)氫組件、蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電組件和電力系統(tǒng)；所述的儲(chǔ)氫組件包括第一冷凝器、氣體混合器、儲(chǔ)氫罐和蒸汽發(fā)生器，其中，氣體混合器的氫氣入口與電解水制氫裝置的氫氣出口相連，氣體混合器的氣相入口與第一冷凝器的氣相出口相連，氣體混合器的氫氣出口和儲(chǔ)氫罐的氫氣入口相連，儲(chǔ)氫罐的產(chǎn)物出口與第一冷凝器的入口相連，第一冷凝器的液相出口和電解水制氫裝置的給水入口相連，蒸汽發(fā)生器的蒸汽出口與儲(chǔ)氫罐的蒸汽入口相連；所述的蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電組件包括燃燒室、燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)、第一發(fā)電機(jī)、第二冷凝器和第二發(fā)電機(jī)，其中，燃燒室的燃?xì)獬隹诤腿細(xì)廨啓C(jī)的燃?xì)馊肟谙噙B，燃?xì)廨啓C(jī)的乏氣出口和余熱鍋爐的燃?xì)馊肟谙噙B，余熱鍋爐的蒸汽出口分別蒸汽輪機(jī)的蒸汽入口和儲(chǔ)氫罐的蒸汽入口相連，第二冷凝器的入口分別與蒸汽輪機(jī)的乏汽出口和儲(chǔ)氫罐的產(chǎn)物出口相連，第二冷凝器的氣相出口與燃燒室的氫氣入口相連，第二冷凝器的液相出口與余熱鍋爐的給水入口相連；第一發(fā)電機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)同軸相連，第二發(fā)電機(jī)與蒸汽輪機(jī)同軸相連；電力系統(tǒng)分別與電解水制氫裝置、第一發(fā)電機(jī)和第二發(fā)電機(jī)電連接。
[0007]一種基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能方法，該儲(chǔ)能方法為:當(dāng)電力負(fù)荷較低需要進(jìn)行削峰時(shí)，首先在儲(chǔ)氫罐中盛放載氧體，然后將電力系統(tǒng)中冗余的電能引入到電解水制氫裝置中，制取氫氣；產(chǎn)生的氫氣通過(guò)氣體混合器進(jìn)入儲(chǔ)氫罐中，利用氫氣與儲(chǔ)氫罐中的載氧體的氧化還原反應(yīng)，將氫能儲(chǔ)存在載氧體中。
[0008]進(jìn)一步，所述的基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能方法，所述的該儲(chǔ)能方法的具體過(guò)程為:首先電力系統(tǒng)將冗余的電能引入到電解水制氫裝置中，電能通過(guò)電解水反應(yīng)產(chǎn)生高純氫氣，高純氫氣進(jìn)入氣體混合器中，在氣體混合器中，氫氣與第一冷凝器流入到氣體混合器中的氣相組分均勻混合，然后通入儲(chǔ)氫罐中，儲(chǔ)氫罐利用電力系統(tǒng)產(chǎn)生的冗余電能進(jìn)行加熱，控制儲(chǔ)氫罐的溫度在900~950°C，在儲(chǔ)氫罐中，氫氣與載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生固相的載氧體和氣相的高溫蒸汽與氫氣的混合物，儲(chǔ)氫罐中的高溫蒸汽與氫氣的混合物進(jìn)入第一冷凝器中，與第一冷凝器中的給水換熱，混合物中的高溫蒸汽被冷凝下來(lái)，得到濃度較高的氣相組分；高溫蒸汽冷凝后產(chǎn)生的冷凝水與給水混合后，進(jìn)入電解水制氫裝置電解。
[0009]一種所述的基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置的發(fā)電方法，該發(fā)電方法為:當(dāng)電力負(fù)荷較高需要進(jìn)行填谷時(shí)，儲(chǔ)氫罐中儲(chǔ)存有氫能的載氧體與高溫水蒸氣反應(yīng)，將氫氣釋放出來(lái)，產(chǎn)生氫氣通過(guò)燃燒室燃燒釋放熱能，并推動(dòng)蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電組件發(fā)電。
[0010]進(jìn)一步，所述的基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置的發(fā)電方法，所述的發(fā)電方法的具體過(guò)程是:首先啟動(dòng)蒸汽發(fā)生器，對(duì)蒸汽發(fā)生器進(jìn)行電加熱，使得蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生溫度為170°C，壓力為0.7Mpa的蒸汽；對(duì)儲(chǔ)氫罐進(jìn)行電加熱，溫度保持為800~850°C ;蒸汽發(fā)生器中的蒸汽進(jìn)入儲(chǔ)氫罐中，蒸汽與載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將載氧體氧化再生，產(chǎn)生高溫的蒸汽和氫氣的混合物，該混合物進(jìn)入第二冷凝器中，混合物中的蒸汽被冷凝，得到純度較高的氫氣，該氫氣進(jìn)入燃燒室中燃燒，燃燒過(guò)程中通入部分二次空氣降溫，燃燒溫度控制在1400~1600°C，燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)馔苿?dòng)燃?xì)廨啓C(jī)做功，并通過(guò)第一發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，燃?xì)廨啓C(jī)乏氣在余熱鍋爐中與從第二冷凝器流入的給水換熱產(chǎn)生高溫過(guò)熱蒸汽，蒸汽溫度為450~500°C，蒸汽壓力為0.5-0.8Mpa，一部分高溫過(guò)熱蒸汽流入到蒸汽輪機(jī)中做功，并推動(dòng)第二發(fā)電機(jī)發(fā)電，另一部分高溫過(guò)熱蒸汽流入到儲(chǔ)氫罐中，與載氧體發(fā)生反應(yīng)生成氫氣；余熱鍋爐產(chǎn)生高溫過(guò)熱蒸汽后，系統(tǒng)啟動(dòng)完成，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器，儲(chǔ)氫罐僅依靠余熱鍋爐提供汽源，第一發(fā)電機(jī)和第二發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能輸入到電力系統(tǒng)中，滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷要求。
[0011]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果: (I)系統(tǒng)所需的原料僅有載氧體和水，載氧體可選擇鐵礦石，原料來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，而且對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何污染，因此能夠有效解決傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式中原料成本高，地理適應(yīng)性差，污染嚴(yán)重，難規(guī)?；膯?wèn)題。
[0012](2)系統(tǒng)采用氫能氫氣作為儲(chǔ)能載體，有效的避免了電能難以大規(guī)模儲(chǔ)存的問(wèn)題，而且氫能氫氣是一種清潔高效的無(wú)碳能源，不僅能夠再生，而且燃燒后的產(chǎn)物僅有水，對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何污染。
[0013](3)氫氣與載氧體反應(yīng)速率快，存儲(chǔ)和釋放的時(shí)間短，能量轉(zhuǎn)換效率高，同時(shí)，氫氣質(zhì)量能量密度大，燃燒能夠釋放能量快，能很好的適應(yīng)電力系統(tǒng)快速的負(fù)荷變化。
[0014](4)利用載氧體的氧化還原反應(yīng)儲(chǔ)氫，解決了傳統(tǒng)儲(chǔ)氫技術(shù)中安全性低、儲(chǔ)氫量小，能量耗散率高，成本高昂的問(wèn)題。以廉價(jià)鐵礦石作為儲(chǔ)氫材料，不僅成本低，儲(chǔ)氫量大，而且載氧體性質(zhì)穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。
[0015](5)系統(tǒng)通過(guò)第一冷凝器和第二冷凝器實(shí)現(xiàn)了水的回收利用，有效降低了系統(tǒng)的水耗量。
[0016](6)系統(tǒng)采用余熱鍋爐利用燃?xì)廨啓C(jī)乏氣余熱，實(shí)現(xiàn)了能量的多級(jí)利用，提高了系統(tǒng)的整體效率。
[0017](7)儲(chǔ)氫罐尾氣通過(guò)冷凝提高氫氣分壓實(shí)現(xiàn)氫氣的再循環(huán)，有效的克服儲(chǔ)氫反應(yīng)中由于熱力學(xué)限制造成氫氣轉(zhuǎn)化率較低的問(wèn)題，從而提高了儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫效率。
[0018](8)載氧體在儲(chǔ)氫罐中發(fā)生鏈?zhǔn)窖h(huán)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了載氧體的再生和循環(huán)利用，因此，儲(chǔ)氫罐只需要在開始時(shí)盛放一定量的載氧體，便能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行而不需要進(jìn)行載氧體的更換，有效的節(jié)省了原料成本。
[0019](9)在儲(chǔ)氫罐中，載氧體發(fā)生還原反應(yīng)存儲(chǔ)氫氣，發(fā)生氧化反應(yīng)制取氫氣，因此，儲(chǔ)氫罐實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)氫制氫的一體化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明的儲(chǔ)能裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
[0021]圖中有:電解水制氫裝置1、第一冷凝器2、氣體混合器3、儲(chǔ)氫罐4、蒸汽發(fā)生器5、燃燒室6、燃?xì)廨啓C(jī)7、余熱鍋爐8、蒸汽輪機(jī)9、第一發(fā)電機(jī)10、第二冷凝器11、第二發(fā)電機(jī)12、電力系統(tǒng)13、儲(chǔ)氫組件I和蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電組件II。

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面將參照附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明的一種基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置，包括電解水制氫裝置1、儲(chǔ)氫組件1、蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電組件II和電力系統(tǒng)13。儲(chǔ)氫組件包括第一冷凝器2、氣體混合器3、儲(chǔ)氫罐4和蒸汽發(fā)生器5。氣體混合器3的氫氣入口與電解水制氫裝置I的氫氣出口相連，氣體混合器3的氣相入口與第一冷凝器2的氣相出口相連，氣體混合器3的氫氣出口和儲(chǔ)氫罐4的氫氣入口相連，儲(chǔ)氫罐4的產(chǎn)物出口與第一冷凝器2的入口相連，第一冷凝器2的液相出口和電解水制氫裝置I的給水入口相連，蒸汽發(fā)生器5的蒸汽出口與儲(chǔ)氫罐4的蒸汽入口相連。蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電組件包括燃燒室6、燃?xì)廨啓C(jī)7、余熱鍋爐8、蒸汽輪機(jī)9、第一發(fā)電機(jī)10、第二冷凝器11和第二發(fā)電機(jī)12。燃燒室6的燃?xì)獬隹诤腿細(xì)廨啓C(jī)7的燃?xì)馊肟谙噙B，燃?xì)廨啓C(jī)7的乏氣出口和余熱鍋爐8的燃?xì)馊肟谙噙B，余熱鍋爐8的蒸汽出口分別蒸汽輪機(jī)9的蒸汽入口和儲(chǔ)氫罐4的蒸汽入口相連，第二冷凝器11的入口分別與蒸汽輪機(jī)9的乏汽出口和儲(chǔ)氫罐4的產(chǎn)物出口相連，第二冷凝器11的氣相出口與燃燒室6的氫氣入口相連，第二冷凝器11的液相出口與余熱鍋爐8的給水入口相連。第一發(fā)電機(jī)10與燃?xì)廨啓C(jī)7同軸相連，第二發(fā)電機(jī)12與蒸汽輪機(jī)9同軸相連。電力系統(tǒng)13分別與電解水制氫裝置1、第一發(fā)電機(jī)10和第二發(fā)電機(jī)12電連接。
[0024]上述結(jié)構(gòu)的基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能方法:當(dāng)電力負(fù)荷較低需要進(jìn)行削峰時(shí)，首先在儲(chǔ)氫罐4中盛放載氧體，然后將電力系統(tǒng)13中冗余的電能引入到電解水制氫裝置I中，制取氫氣；產(chǎn)生的氫氣通過(guò)氣體混合器3進(jìn)入儲(chǔ)氫罐4中，利用氫氣與儲(chǔ)氫罐4中的載氧體的氧化還原反應(yīng)，將氫能儲(chǔ)存在載氧體中。具體來(lái)說(shuō)，上述該儲(chǔ)能方法的過(guò)程為:首先電力系統(tǒng)13將冗余的電能引入到電解水制氫裝置I中，電能通過(guò)電解水反應(yīng)產(chǎn)生高純氫氣，高純氫氣進(jìn)入氣體混合器3中，在氣體混合器3中，氫氣與第一冷凝器2流入到氣體混合器3中的氣相組分均勻混合，然后通入儲(chǔ)氫罐4中，儲(chǔ)氫罐4利用電力系統(tǒng)13產(chǎn)生的冗余電能進(jìn)行加熱，控制儲(chǔ)氫罐4的溫度在900~950°C，在儲(chǔ)氫罐4中，氫氣與載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生固相的載氧體和氣相的高溫蒸汽與氫氣的混合物，儲(chǔ)氫罐4中的高溫蒸汽與氫氣的混合物進(jìn)入第一冷凝器2中，與第一冷凝器2中的給水換熱，混合物中的高溫蒸汽被冷凝下來(lái)，得到濃度較高的氣相組分；高溫蒸汽冷凝后產(chǎn)生的冷凝水與給水混合后，進(jìn)入電解水制氫裝置I電解。
[0025]上述結(jié)構(gòu)的基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置的發(fā)電方法:當(dāng)電力負(fù)荷較高需要進(jìn)行填谷時(shí)，儲(chǔ)氫罐4中儲(chǔ)存有氫能的載氧體與高溫水蒸氣反應(yīng)，將氫氣釋放出來(lái)，產(chǎn)生氫氣通過(guò)燃燒室6燃燒釋放熱能，并推動(dòng)蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電組件發(fā)電。具體來(lái)說(shuō)，該發(fā)電方法的過(guò)程是:首先啟動(dòng)蒸汽發(fā)生器5，對(duì)蒸汽發(fā)生器5進(jìn)行電加熱，使得蒸汽發(fā)生器5內(nèi)產(chǎn)生溫度為170°C，壓力為0.7Mpa的蒸汽；對(duì)儲(chǔ)氫罐4進(jìn)行電加熱，溫度保持為800~850°C ;蒸汽發(fā)生器5中的蒸汽進(jìn)入儲(chǔ)氫罐4中，蒸汽與載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將載氧體氧化再生，產(chǎn)生高溫的蒸汽和氫氣的混合物，該混合物進(jìn)入第二冷凝器11中，混合物中的蒸汽被冷凝，得到純度較高的氫氣，該氫氣進(jìn)入燃燒室6中燃燒，燃燒過(guò)程中通入部分二次空氣降溫，燃燒溫度控制在1400~1600°C，燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)馔苿?dòng)燃?xì)廨啓C(jī)7做功，并通過(guò)第一發(fā)電機(jī)10產(chǎn)生電能，燃?xì)廨啓C(jī)7乏氣在余熱鍋爐8中與從第二冷凝器11流入的給水換熱產(chǎn)生高溫過(guò)熱蒸汽，蒸汽溫度為450~500°C，蒸汽壓力為0.5-0.8Mpa，一部分高溫過(guò)熱蒸汽流入到蒸汽輪機(jī)9中做功，并推動(dòng)第二發(fā)電機(jī)12發(fā)電，另一部分高溫過(guò)熱蒸汽流入到儲(chǔ)氫罐4中，與載氧體發(fā)生反應(yīng)生成氫氣；余熱鍋爐8產(chǎn)生高溫過(guò)熱蒸汽后，系統(tǒng)啟動(dòng)完成，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器5，儲(chǔ)氫罐4僅依靠余熱鍋爐8提供汽源，第一發(fā)電機(jī)10和第二發(fā)電機(jī)12產(chǎn)生的電能輸入到電力系統(tǒng)13中，滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷要求。
[0026]本發(fā)明的基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置是由電解水制氫裝置、儲(chǔ)氫組件、蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電組件和電力系統(tǒng)四個(gè)單元組成。當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)荷較低需要削峰時(shí)，冗余的電能被引入到電解水制氫裝置中，通過(guò)電解水法制得氫氣，氫氣隨即與儲(chǔ)氫罐中的載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成低價(jià)態(tài)載氧體，實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)過(guò)程。當(dāng)電力系統(tǒng)負(fù)荷較高需要填谷時(shí)，低價(jià)態(tài)的載氧體再與高溫蒸汽反應(yīng)將氫氣釋放出來(lái)，并通過(guò)蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電組件發(fā)電，實(shí)現(xiàn)電能的釋放過(guò)程。此外，在不同單元之間，本發(fā)明還采用了余熱回收、水汽和氫氣再循環(huán)的方式來(lái)提高系統(tǒng)的整體效率。
[0027]本發(fā)明的基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置中，電解水制氫裝置I為一般工業(yè)用電解水制氫系統(tǒng)，當(dāng)電力系統(tǒng)13需要削峰時(shí)，冗余的電能首先進(jìn)入電解水制氫裝置1，在該裝置中，電能通過(guò)電解水法制得氫氣和氧氣，從而將電能轉(zhuǎn)化為氫能。儲(chǔ)氫組件I是整個(gè)儲(chǔ)能裝置的核心部分，是電能存儲(chǔ)和釋放的中間載體。電力系統(tǒng)13可以是風(fēng)電場(chǎng)、光伏電場(chǎng)等間歇式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，也可以是燃煤電廠等傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電系統(tǒng)。
[0028]下面例舉一具體實(shí)施例。
[0029]儲(chǔ)能過(guò)程:采用廉價(jià)赤鐵礦作為載氧體。當(dāng)電力系統(tǒng)需要儲(chǔ)能時(shí)，首先將冗余的電能引入電解水制氫裝置I進(jìn)行電解，裝置采用單極性堿性水溶液電解池，電解溫度控制在70~80°C。電解產(chǎn)生的氫氣隨即進(jìn)入氣體混合器3，在氣體混合器3中，電解產(chǎn)生的氫氣與第一冷凝器2得到的氣相組分均勻混合，混合后的氫氣隨后引入儲(chǔ)氫罐4，儲(chǔ)氫罐4采用電加熱，溫度控制在900~950°C，壓力為常壓。在儲(chǔ)氫罐4中，氫氣首先將載氧體Fe2O3還原到Fe3O4，這一過(guò)程不儲(chǔ)存氫氣。隨后載氧體進(jìn)一步與氫氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將氫能以低價(jià)載氧體FeO的形式封存。儲(chǔ)氫過(guò)程中產(chǎn)生的氫水混合物被引入到第一冷凝器2中。在第一冷凝器2中，產(chǎn)物中的水蒸氣被冷凝下來(lái)，得到氫氣濃度較高的氣相組分。氣相組分與電解產(chǎn)生的氫氣均勻混合再次送入儲(chǔ)氫罐4中，實(shí)現(xiàn)了氫氣的循環(huán)再利用。冷凝得到的冷卻水與給水混合后進(jìn)入電解水制氫裝置1，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的再利用。
[0030]發(fā)電過(guò)程:首先啟動(dòng)蒸汽發(fā)生器5，蒸汽發(fā)生器5采用電加熱，產(chǎn)生溫度為170°C，壓力為0.7Mpa的飽和蒸汽，蒸汽隨后被引入到儲(chǔ)氫罐4，在儲(chǔ)氫罐4中，蒸汽與載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將低價(jià)FeO氧化到Fe3O4,同時(shí)產(chǎn)生大量氫水混合氣。此時(shí)，載氧體完成第一次氧化還原，之后載氧體均在FeO和Fe3O4之間循環(huán)?；旌蠚庠诘诙淠?1中冷凝后得到較為純凈的氫氣，氫氣隨后進(jìn)入燃燒室6中燃燒，產(chǎn)生高溫燃?xì)?。為防止燃燒溫度過(guò)高，燃燒時(shí)混入部分二次空氣降溫，燃?xì)鉁囟瓤刂圃?400~1600°C，高溫燃?xì)膺M(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)7中，推動(dòng)燃?xì)廨?7機(jī)做功，并通過(guò)第一發(fā)電機(jī)10產(chǎn)生電能，具有較高溫度的燃?xì)廨啓C(jī)乏氣進(jìn)入余熱鍋爐8中，與鍋爐給水換熱產(chǎn)生高溫過(guò)熱蒸汽。蒸汽參數(shù)控制在溫度450~500°C，壓力0.5-0.8Mpa，產(chǎn)生的高溫過(guò)熱蒸汽一部分進(jìn)入蒸汽輪機(jī)9中推動(dòng)蒸汽輪機(jī)9做功，并通過(guò)第二發(fā)電機(jī)12產(chǎn)生電能，另一部分蒸汽則進(jìn)入儲(chǔ)氫罐4中，此時(shí)，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器5，儲(chǔ)氫罐4僅由余熱鍋爐8提供汽源。第一發(fā)電機(jī)10和第二發(fā)動(dòng)機(jī)12分別與電力系統(tǒng)13相連，產(chǎn)生的電能輸入到電力系統(tǒng)13中滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷要求。
[0031]本發(fā)明的基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，首先將冗余的電能通過(guò)電解水法制取氫氣，實(shí)現(xiàn)電能向氫能的轉(zhuǎn)化，然后以氫能作為儲(chǔ)能載體，利用氧化還原反應(yīng)將氫能存儲(chǔ)在低價(jià)態(tài)的載氧體中。當(dāng)系統(tǒng)需要產(chǎn)生電能滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷要求時(shí)，載氧體再將存儲(chǔ)的氫能釋放出來(lái)，并通過(guò)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，從而又將氫能轉(zhuǎn)化為電能。整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)載氧體的氧化還原反應(yīng)完成了電能和氫能的相互轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰填谷、平滑負(fù)荷的目的。
[0032]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置，其特征在于，該儲(chǔ)能裝置包括電解水制氫裝置(1)、儲(chǔ)氫組件、蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電組件和電力系統(tǒng)(13)， 所述的儲(chǔ)氫組件包括第一冷凝器(2)、氣體混合器(3)、儲(chǔ)氫罐(4)和蒸汽發(fā)生器(5)，其中，氣體混合器(3)的氫氣入口與電解水制氫裝置(I)的氫氣出口相連，氣體混合器(3)的氣相入口與第一冷凝器(2)的氣相出口相連，氣體混合器(3)的氫氣出口和儲(chǔ)氫罐(4)的氫氣入口相連，儲(chǔ)氫罐(4)的產(chǎn)物出口與第一冷凝器(2)的入口相連，第一冷凝器(2)的液相出口和電解水制氫裝置(I)的給水入口相連，蒸汽發(fā)生器(5)的蒸汽出口與儲(chǔ)氫罐(4)的蒸汽入口相連； 所述的蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電組件包括燃燒室(6)、燃?xì)廨啓C(jī)(7)、余熱鍋爐(8)、蒸汽輪機(jī)(9)、第一發(fā)電機(jī)(10)、第二冷凝器(11)和第二發(fā)電機(jī)(12)，其中，燃燒室(6)的燃?xì)獬隹诤腿細(xì)廨啓C(jī)(7)的燃?xì)馊肟谙噙B，燃?xì)廨啓C(jī)(7)的乏氣出口和余熱鍋爐(8)的燃?xì)馊肟谙噙B，余熱鍋爐(8)的蒸汽出口分別蒸汽輪機(jī)(9)的蒸汽入口和儲(chǔ)氫罐(4)的蒸汽入口相連，第二冷凝器(11)的入口分別與蒸汽輪機(jī)(9)的乏汽出口和儲(chǔ)氫罐(4)的產(chǎn)物出口相連，第二冷凝器(11)的氣相出口與燃燒室(6 )的氫氣入口相連，第二冷凝器(11)的液相出口與余熱鍋爐(8)的給水入口相連；第一發(fā)電機(jī)(10)與燃?xì)廨啓C(jī)(7)同軸相連，第二發(fā)電機(jī)(12)與蒸汽輪機(jī)(9)同軸相連； 電力系統(tǒng)(13)分別與電解水制氫裝置(I)、第一發(fā)電機(jī)(10)和第二發(fā)電機(jī)(12)電連接。
2.—種根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能方法，其特征在于，該儲(chǔ)能方法為:當(dāng)電力負(fù)荷較低需要進(jìn)行削峰時(shí)，首先在儲(chǔ)氫罐(4)中盛放載氧體，然后將電力系統(tǒng)(13)中冗余的電能引入到電解水制氫裝置(I)中，制取氫氣；產(chǎn)生的氫氣通過(guò)氣體混合器(3)進(jìn)入儲(chǔ)氫罐(4)中，利用氫氣與儲(chǔ)氫罐(4)中的載氧體的氧化還原反應(yīng)，將氫能儲(chǔ)存在載氧體中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能方法，其特征在于，所述的該儲(chǔ)能方法的具體過(guò)程為:首先電力系統(tǒng)(13)將冗余的電能引入到電解水制氫裝置(I)中，電能通過(guò)電解水反應(yīng)產(chǎn)生高純氫氣，高純氫氣進(jìn)入氣體混合器(3 )中，在氣體混合器(3)中，氫氣與第一冷凝器(2)流入到氣體混合器(3)中的氣相組分均勻混合，然后通入儲(chǔ)氫罐(4)中，儲(chǔ)氫罐(4)利用電力系統(tǒng)(13)產(chǎn)生的冗余電能進(jìn)行加熱，控制儲(chǔ)氫罐(4)的溫度在900~950°C，在儲(chǔ)氫罐(4)中，氫氣與載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生固相的載氧體和氣相的高溫蒸汽與氫氣的混合物，儲(chǔ)氫罐(4)中的高溫蒸汽與氫氣的混合物進(jìn)入第一冷凝器(2)中，與第一冷凝器(2)中的給水換熱，混合物中的高溫蒸汽被冷凝下來(lái)，得到濃度較高的氣相組分；高溫蒸汽冷凝后產(chǎn)生的冷凝水與給水混合后，進(jìn)入電解水制氫裝置(I)電解。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置的發(fā)電方法，其特征在于，該發(fā)電方法為:當(dāng)電力負(fù)荷較高需要進(jìn)行填谷時(shí)，儲(chǔ)氫罐(4)中儲(chǔ)存有氫能的載氧體與高溫水蒸氣反應(yīng)，將氫氣釋放出來(lái)，產(chǎn)生氫氣通過(guò)燃燒室(6)燃燒釋放熱能，并推動(dòng)蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電組件發(fā)電。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于氧化還原反應(yīng)的儲(chǔ)能裝置的發(fā)電方法，其特征在于，所述的發(fā)電方法的具體過(guò)程是:首先啟動(dòng)蒸汽發(fā)生器(5)，對(duì)蒸汽發(fā)生器(5)進(jìn)行電加熱，使得蒸汽發(fā)生器(5)內(nèi)產(chǎn)生溫度為170°C，壓力為0.7Mpa的蒸汽；對(duì)儲(chǔ)氫罐(4)進(jìn)行電加熱，溫度保持為800~850°C ;蒸汽發(fā)生器(5)中的蒸汽進(jìn)入儲(chǔ)氫罐(4)中，蒸汽與載氧體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將載氧體氧化再生，產(chǎn)生高溫的蒸汽和氫氣的混合物，該混合物進(jìn)入第二冷凝器(11)中，混合物中的蒸汽被冷凝，得到純度較高的氫氣，該氫氣進(jìn)入燃燒室(6)中燃燒，燃燒過(guò)程中通入部分二次空氣降溫，燃燒溫度控制在1400~1600°C，燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)馔苿?dòng)燃?xì)廨啓C(jī)(7 )做功，并通過(guò)第一發(fā)電機(jī)(10 )產(chǎn)生電能，燃?xì)廨啓C(jī)(7 )乏氣在余熱鍋爐(8 )中與從第二冷凝器(11)流入的給水換熱產(chǎn)生高溫過(guò)熱蒸汽，蒸汽溫度為450~500°C，蒸汽壓力為0.5-0.8Mpa，一部分高溫過(guò)熱蒸汽流入到蒸汽輪機(jī)(9)中做功，并推動(dòng)第二發(fā)電機(jī)(12)發(fā)電，另一部分高溫過(guò)熱蒸汽流入到儲(chǔ)氫罐(4)中，與載氧體發(fā)生反應(yīng)生成氫氣；余熱鍋爐(8)產(chǎn)生高溫過(guò)熱蒸汽后，系統(tǒng)啟動(dòng)完成，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器(5)，儲(chǔ)氫罐(4)僅依靠余熱鍋爐(8)提供汽源，第一發(fā)電機(jī)(10)和第二發(fā)電機(jī)(12)產(chǎn)生的電能輸入到電力系統(tǒng)(13)中，滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷要求。
【文檔編號(hào)】C25B1/04GK104481617SQ201410604000
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】肖睿, 曾德望, 張帥 申請(qǐng)人:東南大學(xué)