本發(fā)明涉及氫儲能，具體涉及一種新型的可再生能源氫儲能系統(tǒng)。

背景技術：

1、目前，全球可再生能源發(fā)電量占比逐年增加，清潔能源已成為能源發(fā)展的主題。清潔能源中風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的裝機容量占比較高。我國地域遼闊，具有豐富的風能和太陽能資源，但是受到氣候、地理位置和工業(yè)建設發(fā)展的影響，在西北、華北和東北等地區(qū)存在大量的“棄風棄光”的現(xiàn)象。氫能作為清潔無污染的二次能源，受到世界各國的關注。電解水制氫已成為解決可再生能源消納問題的新途徑?？稍偕茉粗茪涞脑硎菍⒍嘤嗟陌l(fā)電量輸入到電解槽中進行電解水制氫，生產(chǎn)的氫氣和氧氣經(jīng)過壓縮機后輸入到儲氣罐，實現(xiàn)了電能向氫能的存儲?？稍偕茉吹陌l(fā)電量不足時，將氫氣和氧氣輸入到氫燃料電池內，通過氫燃料電池將氫氣轉化為電能釋放。通過“電能-氫能-電能”的轉化實現(xiàn)可再生能源儲能和釋能循環(huán)，從而提高可再生能源的利用率。

技術實現(xiàn)思路

1、針對可再生能源氫儲能系統(tǒng)調節(jié)靈活性差、熱量損失大和能量轉化效率低的問題。本發(fā)明在可再生能源氫儲能系統(tǒng)中耦合氫燃料電池、燃氣輪機和氫氣膨脹機等設備，實現(xiàn)了“電能-熱能-氫能”多聯(lián)產(chǎn)，并可根據(jù)用電需求切換不同的發(fā)電模式，低用電需求時啟動氫燃料電池發(fā)電、中等用電需求時啟動燃氣輪機發(fā)電、高用電需求時啟動氫燃料電池和燃氣輪機同時發(fā)電。此外，對系統(tǒng)運行過程中電解槽、壓縮機、氫燃料電池和燃氣輪機等設備產(chǎn)生的廢熱進行回收和多級利用，提高了氫氣的做功能力，節(jié)約了運行過程的能量消耗，使系統(tǒng)具有更高的能量轉化效率。

2、一種新型的可再生能源氫儲能系統(tǒng)，所述氫儲能系統(tǒng)中主要包括儲能循環(huán)系統(tǒng)和釋能循環(huán)系統(tǒng)凈水罐、儲氫罐、儲氧罐、冷水罐、熱水罐。

3、進一步地，所述儲能循環(huán)系統(tǒng)包括電解槽，電解槽的內部設置有第一換熱器，所述凈水罐通過第一泵體與電解槽相連，所述電解槽的第一出口與第一氫氣換熱器的第一入口相連，第一氫氣換熱器的第一出口與氫氣壓縮機的入口相連，氫氣壓縮機的出口與第二氫氣換熱器的第一入口相連，第二氫氣換熱器的第一出口與儲氫罐相連。

4、進一步地，電解槽的第二出口與第一氧氣換熱器的第一入口相連，第一氧氣換熱器的第一出口與氧氣壓縮機的入口相連，氧氣壓縮機的出口與第二氧氣換熱器的第一入口相連，第二氧氣換熱器的第一出口與儲氧罐相連。

5、進一步地，冷水罐的第一出口與第二泵體的一端連接，第二泵體的另一端一共分出三個管路，第一管路流經(jīng)電解槽內部的第一換熱器后與熱水罐相連，第一管路上設置有第一閥門，第二管路與第一氫氣換熱器的第二入口以及第一氧氣換熱器的第二入口相連，第三管路與第二氫氣換熱器的第二入口以及第二氧氣換熱器的第二入口相連，第一氫氣換熱器的第二出口、第一氧氣換熱器的第二出口相連、第二氫氣換熱器的第二出口以及第二氧氣換熱器的第二出口均與熱水罐的第一進口相連。

6、進一步地，所述釋能循環(huán)系統(tǒng)包括第一氫氣膨脹機和第二氫氣膨脹機，儲氫罐的第一出口與第四氫氣換熱器的第一入口相連，第四氫氣換熱器的第一出口與第一氫氣膨脹機的進氣口相連，第一氫氣膨脹機連接第一發(fā)電機，第一氫氣膨脹機的出氣口與氫燃料電池的第一進氣口相連；儲氫罐的第二出口與第三氫氣換熱器的第一入口相連，第三氫氣換熱器的第一出口與第二氫氣膨脹機的進氣口相連，第二氫氣膨脹機連接第二發(fā)電機，第二氫氣膨脹機的出氣口與燃燒室相連。

7、進一步地，儲氫罐與第三氫氣換熱器之間設置有第二閥門，儲氫罐與第四氫氣換熱器之間設置有第三閥門。

8、進一步地，儲氧罐的第一出口與氫燃料電池的第二進口相連，儲氧罐的第二出口與燃燒室相連；氫燃料電池的出口與三通閥的第一端相連接，三通閥的第二端連接燃燒室，三通閥的第三端連接氫氣循環(huán)泵的進口，氫氣循環(huán)泵的出口與氫燃料電池的第一進氣口相連。

9、進一步地，燃燒室的出氣口與燃氣輪機的進氣口相連，燃氣輪機的出氣口分別與第三氫氣換熱器的第二進口和尾氣換熱器的第一進口相連，第三氫氣換熱器的第二出口和尾氣換熱器的第一出口均和外界大氣相連，用于排氣，燃氣輪機與尾氣換熱器之間的管路上設置有第四閥門；燃氣輪機連接第三發(fā)電機。

10、進一步地，氫燃料電池的內部設置有第二換熱器，冷水罐的第二出口與第二換熱器的一端相連，第二換熱器的另一端與熱水罐的第二進口相連，冷水罐的第三出口與尾氣換熱器的第二進口相連，尾氣換熱器的第二出口與熱水罐的第三進口相連，熱水罐的出口與第三泵體的一端相連，第三泵體的另一端與第四氫氣換熱器的第二進口相連，第四氫氣換熱器的第二出口與冷水罐的進口相連。

11、一種新型的可再生能源氫儲能系統(tǒng)的工作方法，包括如下步驟：

12、s1.當風力發(fā)電和光伏發(fā)電的輸出電能超過電網(wǎng)的消納能力時，儲能系統(tǒng)的儲能循環(huán)啟動；

13、s2.風力發(fā)電和光伏發(fā)電的輸出電量不能滿足電網(wǎng)的需求時，儲能系統(tǒng)的釋能循環(huán)啟動；

14、s3.將氫儲能系統(tǒng)多余的熱能提供給用戶供熱使用；

15、s4.將氫儲能系統(tǒng)多余的氫氣輸送給加氫站。

16、進一步地，s1具體為：

17、將風力發(fā)電機和光伏發(fā)電板多余的電能接入到電解槽中，凈化水通過第一泵體輸入到電解槽中，與此同時，將第一閥門打開，冷卻水分別流入電解槽內的第一換熱器、第一氫氣換熱器、第一氧氣換熱器、第二氫氣換熱器和第二氧氣換熱器；利用電能將電解槽中的水電解槽成氫氣和氧氣，氫氣通過電解槽的第一出口進入到第一氫氣換熱器，氫氣在第一氫氣換熱器內與冷水進行熱量交換，經(jīng)過降溫后的氫氣輸入到氫氣壓縮機，常溫高壓的氫氣經(jīng)過壓縮后轉變到高溫高壓狀態(tài)，并輸入到第二氫氣換熱器中，高溫高壓狀態(tài)的氫氣在第二氫氣換熱器內與冷水進行熱量交換，轉變到常溫高壓狀態(tài)后輸入到儲氫罐內存儲。氧氣電解槽的第二出口進入到第一氧氣換熱器，氧氣在第一氧氣換熱器內與冷水進行熱量交換，經(jīng)過降溫后的氧氣輸入到氧壓縮機，常溫高壓的氧氣經(jīng)過壓縮后轉變到高溫高壓狀態(tài)，并輸入到第二氧氣換熱器中，高溫高壓狀態(tài)的氧氣在第二氧氣換熱器內與冷水進行熱量交換，轉變到常溫高壓狀態(tài)后輸入到儲氧罐內存儲。

18、當?shù)谝婚y門打開后，第二泵體將冷水罐內的冷卻水輸入電解槽內的第一換熱器，吸收多余的熱量，將熱量交換后的熱水輸入儲熱罐內存儲。第二泵體將另一部分的冷卻水分別泵送至第一氫氣換熱器、第一氧氣換熱器、第二氫氣換熱器和第二氧氣換熱器，利用冷卻水與氫氣和氧氣進行熱量交換，吸收氫氣和氧氣的余熱。熱量交換后的熱水從第一氫氣換熱器、第一氧氣換熱器、第二氫氣換熱器和第二氧氣換熱器的熱水出口輸入到儲熱罐內存儲。

19、進一步地，s2具體為：

20、s21.當電網(wǎng)處于低負荷需求時，打開第三閥門，氫氣輸入到第四氫氣換熱器內，與此同時，儲熱罐的熱水經(jīng)第三泵體也流入第四氫氣換熱器內，氫氣被高溫水加熱，高溫的氫氣輸入到第一氫氣膨脹機內膨脹做功，并通過第一發(fā)電機將機械能轉化為電能。膨脹后的氫氣和儲氧罐內的氧氣輸入到氫燃料電池，氫燃料電池內未完全反應的氫氣通過三通閥和氫氣循環(huán)泵再次輸入到氫燃料電池內。

21、s22.當電網(wǎng)處于中負荷需求時，第二閥門打開，氫氣輸入到第三氫氣換熱器的內被燃氣輪機的尾氣加熱，高溫的氫氣輸入到第二氫氣膨脹機內膨脹做功，并通過第二發(fā)電機將機械能轉化為電能。將膨脹后的氫氣、儲氧罐內的氧氣和環(huán)境中的空氣輸入到燃燒室內，氫氣和氧氣經(jīng)過燃燒后輸入到燃氣輪機內，高溫高壓氣體在燃氣輪機內膨脹做功，并通過第三發(fā)電機將機械能轉化為電能。燃氣輪機的尾氣,一部分用于加熱氫氣，另一部分通過尾氣換熱器與冷卻水進行熱量交換生成高溫熱水，并將高溫熱水輸入熱水罐內存儲。

22、s23.當電網(wǎng)處于高負荷需求時，將第二閥門和第三閥門同時打開，氫氣分兩路被輸入燃氣輪機和氫燃料電池內，系統(tǒng)通過燃氣輪機和氫燃料電池兩種方式補充發(fā)電量。此外，在氫燃料電池內未完全反應的氫氣將經(jīng)過三通閥輸入到燃燒室內，不在經(jīng)過氫氣循環(huán)泵將氫氣輸入到氫燃料電池。

23、進一步地，s3具體為：

24、釋能循環(huán)啟動時，通過第三泵體將儲熱罐內的高溫熱水第四氫氣換熱器內加熱氫氣，高溫熱水經(jīng)過與氫氣熱量交換后從第四氫氣換熱器的冷水出口輸入到冷水罐內。冷水罐內的冷卻水一部分輸入到氫燃料電池內吸收余熱，防止氫燃料電池超溫運行；另一部分冷卻水輸入到尾氣換熱器吸收尾氣的余熱，回收尾氣中的熱量。冷卻水經(jīng)過熱量交換后輸入到熱水罐內存儲，在適當?shù)臅r候，將高溫熱水向用戶供熱使用。

25、進一步地，s4具體為：

26、當儲能循環(huán)啟動時，為了增大系統(tǒng)的儲能容量，可以將儲氫罐內的一部分氫氣輸送給加氫站，供用戶使用。

27、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益的技術效果：

28、1、本發(fā)明提供的一種新型的可再生能源氫儲能系統(tǒng)及其運行方法，將系統(tǒng)運行過程中的余熱存儲，利用燃氣輪機的尾氣和設備的余熱提高膨脹機前氫氣的溫度，提升了高壓氫氣的做功能力，并利用氫氣膨脹機回收壓縮過程的耗功，從而節(jié)約了系統(tǒng)的能量成本。

29、2、本發(fā)明提供的一種新型的可再生能源氫儲能系統(tǒng)及其運行方法，可根據(jù)電網(wǎng)負荷需求通過第二閥門、第三閥門和三通閥等工作狀態(tài)，及時調整氫燃料電池和燃氣輪機的運行方法，提升系統(tǒng)的響應靈活性，并拓寬了系統(tǒng)釋能功率的應用區(qū)間。

30、3、本發(fā)明提供的一種新型的可再生能源氫儲能系統(tǒng)及其運行方法，使用冷卻水作為熱交換介質，通過對系統(tǒng)電解槽、壓縮機、氫燃料電池和燃氣輪機等設備余熱的多級回收和利用，實現(xiàn)電能、氫能和熱能的相互轉化，并提高了系統(tǒng)的能量轉化效率。