本發(fā)明涉及光伏制氫，尤其涉及一種利用光伏熱能及電能聯(lián)合制氫系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著全球能源需求不斷增長和環(huán)境保護意識的增強，可再生能源的開發(fā)利用成為當(dāng)前研究的熱點。太陽能作為一種主要的可再生能源，具有取之不盡、用之不竭的特點。然而，光伏發(fā)電系統(tǒng)在實際應(yīng)用中面臨多重挑戰(zhàn)，包括效率不高、廢熱管理和過剩電能利用等問題。

2、光伏發(fā)電是利用光電效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的過程，其中光伏組件在轉(zhuǎn)換太陽輻射能為電能的過程中會產(chǎn)生一定量的廢熱。在光伏組件中，太陽光線被吸收后，一部分光能會被轉(zhuǎn)化為電能，而另一部分則會被組件吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，造成組件的發(fā)熱。這部分熱能會導(dǎo)致光伏組件溫度升高，從而產(chǎn)生廢熱。光伏組件的峰值功率溫度系數(shù)一般在-0.38％～-0.44％/℃之間，即隨著溫度升高，光伏組件的輸出功率會降低。在太陽能光伏發(fā)電過程中，太陽能輻射在組件表面轉(zhuǎn)換成電能的同時也會造成一部分熱損耗，導(dǎo)致光伏能源利用效率降低。

3、此外，當(dāng)太陽輻射過強時，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量會超過電力系統(tǒng)的負荷承載能力，導(dǎo)致部分電能無法被納入電網(wǎng)進行有效利用，從而產(chǎn)生棄電現(xiàn)象。此外，光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性和時空分布性也使得其與電網(wǎng)之間的功率匹配成為一大挑戰(zhàn)，進一步加劇了棄電問題。

4、氫能作為一種高能量密度、零排放的清潔能源，具有廣泛的應(yīng)用前景。利用電解水制氫技術(shù)，可以將光伏發(fā)電過程中產(chǎn)生的過剩電能轉(zhuǎn)化為氫能存儲，從而緩解棄電問題。然而，僅利用過剩電能進行制氫，仍然未能充分利用光伏發(fā)電系統(tǒng)中的廢熱資源。

5、在電解制氫過程中，為了提高制氫效率，現(xiàn)有技術(shù)中還會采用其它發(fā)電手段來發(fā)電和光伏過剩電能聯(lián)合制氫，反向電滲析(reverse?electrodialysis,red)是一種利用鹽度梯度發(fā)電的技術(shù)，通過高濃度和低濃度溶液之間的離子遷移，產(chǎn)生電勢差，從而進行電能的輸出。然而，反向電滲析系統(tǒng)在長期運行過程中，隨著高濃度溶液的濃度降低和低濃度溶液的濃度升高，濃度梯度逐漸減小，導(dǎo)致輸出電勢和電流減弱，影響了系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)電能力。如果能夠?qū)⒐夥l(fā)電系統(tǒng)中的廢熱利用在反向電滲析上，則可以大大提高鹽度梯度發(fā)電的效率。

6、因此，將光伏發(fā)電過程中產(chǎn)生的余熱與過剩電能相結(jié)合，進行綜合利用，不僅可以提高能源利用效率，還能顯著提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體效益。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出了一種利用光伏熱能及電能聯(lián)合制氫系統(tǒng)及方法，通過有效利用光伏發(fā)電過程中產(chǎn)生的廢熱進行鹽度梯度發(fā)電，并利用光伏發(fā)電的過剩電能進行制氫，從而提高光伏能源的整體利用率。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

3、一方面，本發(fā)明提供了一種利用光伏熱能及電能聯(lián)合制氫系統(tǒng)，包括：

4、光伏發(fā)電單元，包括電氣變換裝置及與其電性連接的多個光伏面板，所述電氣變換裝置用于通過光伏面板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能；

5、余熱回收單元，用于通過循環(huán)流動的蓄熱流質(zhì)來吸收光伏面板因太陽輻射所產(chǎn)生的余熱；

6、鹽度梯度發(fā)電單元，包括熱交換器、氣隙蒸餾裝置及反向電滲析裝置，反向電滲析裝置順次與氣隙蒸餾裝置、熱交換器及余熱回收單元相連接，氣隙蒸餾裝置聯(lián)合熱交換器及余熱回收單元輸入到熱交換器中的蓄熱介質(zhì)，對反向電滲析裝置通入的鹽溶液進行濃度調(diào)控和再生，所述反向電滲析裝置依靠鹽溶液的濃度梯度發(fā)電；

7、電解制氫單元，與電氣變換裝置及鹽度梯度發(fā)電單元連接，用于將光伏過剩電能和鹽度梯度發(fā)電單元所發(fā)的電能聯(lián)合參與電解水制氫。

8、在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，余熱回收單元包括換熱板、進液管道、出液管道及水泵，所述換熱板固定設(shè)于光伏面板的下表面，水泵的兩端分別連接進液管道和出液管道，進液管道遠離水泵的一端與換熱板的進液端連接，出液管道遠離水泵的一端與換熱板的出液端連接，水泵用于將蓄熱流質(zhì)在進液管道、換熱板及出液管道構(gòu)成的熱流質(zhì)回路中循環(huán)流動。

9、在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述反向電滲析裝置包括：

10、陽離子交換膜和陰離子交換膜，所述陽離子交換膜和陰離子交換膜交替排列，形成多個膜對；

11、陽極和陰極，分別位于所述膜對的兩端，所述陽極和陰極用于提供電化學(xué)反應(yīng)的電極；

12、電解液，設(shè)置在所述陽極和陰極周圍，用于維持電化學(xué)反應(yīng)的平衡和導(dǎo)電性能；

13、高濃度溶液流道和低濃度溶液流道，在膜對之間交替排列，以形成鹽度梯度，所述高濃度溶液流道用于輸送高濃度溶液，所述低濃度溶液流道用于輸送低濃度溶液，且高濃度溶液流道和低濃度溶液流道和氣隙蒸餾裝置相連接。

14、在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述氣隙蒸餾裝置包括箱體、冷流管道、冷卻器、熱流管道、冷凝板、蒸發(fā)器、第一輸送泵、第二輸送泵及第三輸送泵；

15、所述熱流管道、蒸發(fā)器、冷凝板及冷流管道層疊設(shè)置于箱體內(nèi)部；

16、冷流管道的進口端通過冷卻液、第一輸送泵與高濃度溶液流道和低濃度溶液流道的出液端相連接；

17、冷凝板的出口端通過第二輸送泵與低濃度溶液流道的進液端相連接；

18、熱流管道的出口端通過第三輸送泵與高濃度溶液流道的進液端相連接；

19、冷流管道的出口端及熱流管道的進口端與熱交換器連接，且熱交換器串聯(lián)在所述熱流質(zhì)回路上。

20、進一步，優(yōu)選的，所述低濃度溶液流道的出液端還與第二輸送泵的輸出端相連接。

21、在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述熱交換器包括殼體，殼體內(nèi)具有相互獨立的進液腔室、出液腔室和換熱腔室，殼體頂面設(shè)置有和換熱腔室相連通的熱流質(zhì)入口，殼體底面設(shè)置有和換熱腔室相連通的熱流質(zhì)出口，所述熱流質(zhì)入口及熱流質(zhì)出口串聯(lián)在熱流質(zhì)回路上，冷流管道的出口端與進液腔室相連通，熱流管道的進口端與出液腔室相連通，換熱腔室內(nèi)布置有多個換熱管束，換熱管束的兩端分別與進液腔室及出液腔室連通，換熱腔室內(nèi)沿液體流動方向交錯設(shè)置有多個隔板。

22、在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，電解制氫單元包括電解槽、恒壓電路蓄電池，所述恒壓電路的輸入端與電氣變換裝置的輸出端電性連接，蓄電池的輸入端與反向電滲析裝置電性連接，蓄電池的輸出端與恒壓電路的輸入端電性連接，恒壓電路用于對鹽度梯度所發(fā)的電和光伏過剩電能進行穩(wěn)壓處理，恒壓電路的輸出端與電解槽的輸入端電性連接。

23、進一步，優(yōu)選的，所述恒壓電路包括濾波器、開關(guān)管、高頻換流變壓器、高頻整流濾波器、脈沖調(diào)制器及驅(qū)動放大器，所述濾波器對輸入電壓進行濾波，開關(guān)管用于將濾波后的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電壓，高頻換流變壓器用于將高頻電壓轉(zhuǎn)換為設(shè)定的電壓，高頻整流濾波器用于輸出電解槽所需的穩(wěn)定電壓；開關(guān)管受脈沖調(diào)制器和驅(qū)動放大器的控制，當(dāng)輸出電壓變化時，來自輸出端的取樣信號通過比較電路產(chǎn)生誤差信號，該誤差信號通過脈沖調(diào)制器調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比，以確保聯(lián)合電解制氫的電解電壓維持在所需穩(wěn)定值。

24、在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，還包括調(diào)控平臺，所述調(diào)控平臺包括電力監(jiān)測模塊、控制模塊及數(shù)據(jù)處理模塊，所述電力監(jiān)測模塊用于監(jiān)測所述光伏發(fā)電單元發(fā)電量，所述數(shù)據(jù)處理模塊用于計算和平衡電網(wǎng)負載，所述控制模塊用于在總發(fā)電量超過接入的電力系統(tǒng)負載量時，將過剩電能接入到恒壓電路中。

25、第二方面，本發(fā)明還公開了一種利用光伏熱能及電能聯(lián)合制氫方法，其利用了第一方面所述的光伏熱能及電能聯(lián)合制氫系統(tǒng)，包括步驟如下：

26、s1、監(jiān)測光伏發(fā)電總量是否超過電網(wǎng)負荷承載能力；

27、s2、當(dāng)不超過時，并入電網(wǎng)，超過時，計算為平衡電網(wǎng)需切斷原流向光伏面板的數(shù)量，切斷相應(yīng)數(shù)量流向電網(wǎng)的線路，接入電解制氫單元；

28、s3、監(jiān)測余熱回收單元中的蓄熱流質(zhì)的溫度，當(dāng)蓄熱流質(zhì)的溫度大于鹽溶液的溫度時，將余熱回收單元中的蓄熱流質(zhì)循環(huán)通入到熱交換器中；

29、s4、將反向電滲析裝置通入的鹽溶液經(jīng)氣隙蒸餾裝置及熱交換器進行濃度調(diào)節(jié)，恢復(fù)鹽溶液工作溶液濃度，依靠鹽溶液的濃度梯度發(fā)電；

30、s5、將鹽溶液的濃度梯度發(fā)的電接入到電解制氫單元，和光伏過剩電能聯(lián)合進行電解制氫。

31、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：

32、(1)本發(fā)明的反向電滲析裝置利用鹽溶液的濃度梯度來發(fā)電，而這種濃度梯度的形成和維持依賴于氣隙蒸餾裝置的工作，氣隙蒸餾裝置通過熱交換器提供的余熱，對鹽溶液進行蒸餾和濃縮，從而保持了反向電滲析所需的濃度梯度。這一過程確保了鹽度梯度發(fā)電單元能夠持續(xù)、高效地發(fā)電；鹽度梯度發(fā)電單元通過結(jié)合氣隙蒸餾裝置和熱交換器，有效利用了光伏面板產(chǎn)生的余熱。這種利用方式不僅提高了整個系統(tǒng)的熱能利用率，還提高了發(fā)電效率；通過將光伏發(fā)電過程中產(chǎn)生的過剩電能用于電解水制氫，有效緩解了過剩電能無法被電網(wǎng)吸納的問題，減少了棄電現(xiàn)象，通過余熱回收和多能互補(光伏電能和鹽度梯度電能)方式，提升了光伏發(fā)電制氫的綜合效益，同時提高了光伏能源的整體利用率；

33、(2)鹽度梯度發(fā)電單元利用的是可再生能源和余熱，減少了對環(huán)境的污染和資源的消耗。與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，這種方法更加環(huán)保，有助于減少碳足跡和保護生態(tài)環(huán)境。鹽度梯度發(fā)電單元通過利用光伏系統(tǒng)的余熱和鹽溶液的濃度梯度，實現(xiàn)了高效發(fā)電。它不僅提升了系統(tǒng)的整體能源利用效率，減少了能源浪費，還通過多能互補和可持續(xù)利用，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟效益。

34、(3)通過熱交換器及余熱回收單元聯(lián)合使用，從反向電滲析裝置中流出的鹽溶液通過冷卻器，再自下而上進入冷流管道，吸收蒸汽的冷凝熱，再通過熱交換器，由所述蓄熱流質(zhì)帶來的低品位熱加熱，再在重力作用下進入熱流管道中，通過蒸發(fā)器的多孔介質(zhì)(疏水性材料，如海綿)，蒸汽在冷凝之前蒸發(fā)擴散到整個多孔介質(zhì)和氣孔間隙中，然后在冷凝板冷凝并流出，與一定量的低濃度流出物混合進而恢復(fù)到所需濃度，剩余的高濃度流出物恢復(fù)到所需濃度，確保鹽溶液具備較高的濃度梯度，提高鹽度梯度發(fā)電效率，進而提高制氫效率。

35、(4)本發(fā)明公開的制氫系統(tǒng)利用光伏發(fā)電裝置產(chǎn)生電能，并通過電氣變換裝置處理后供給電解槽，反向電滲析裝置通過鹽度梯度發(fā)電，將電能存儲于蓄電池中，恒壓電路對光伏發(fā)電和反向電滲析裝置產(chǎn)生的電能進行穩(wěn)壓處理，確保電解槽電能輸入的穩(wěn)定性，提高了電解制氫的效率和可靠性。通過光伏發(fā)電和反向電滲析發(fā)電，系統(tǒng)能充分利用可再生能源，實現(xiàn)綠色制氫。

36、(5)恒壓電路通過濾波、高頻轉(zhuǎn)換和閉環(huán)控制，實現(xiàn)了對輸入電能的高效穩(wěn)壓處理。其設(shè)計不僅保證了電解槽在電解制氫過程中的工作電壓穩(wěn)定，還能快速響應(yīng)電壓變化，提供恒定的電能輸出。這種高效、穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)換和管理方式，提升了聯(lián)合制氫系統(tǒng)的整體性能和可靠性。

37、(6)調(diào)控平臺通過電力監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理和控制模塊的協(xié)同工作，實現(xiàn)了對光伏發(fā)電單元發(fā)電量的實時監(jiān)控和智能管理。在發(fā)電量超過電網(wǎng)負載需求時，能夠?qū)⑦^剩電能高效地引導(dǎo)至恒壓電路，用于電解制氫過程，最大化地利用可再生能源，提升系統(tǒng)的能源利用效率和經(jīng)濟效益。這一設(shè)計不僅優(yōu)化了電能的管理和分配，還增強了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。