一種電力儲能裝置的製作方法
2023-05-07 07:37:56 1
專利名稱：一種電力儲能裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電力儲能領域，涉及通過電解水制氫系統、儲氫與儲氧系統和燃料電池發電系統，實現電力存儲的電化學儲能技術，尤其涉及一種電力儲能裝置。
背景技術：
隨著國民經濟的迅速增長，對能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所產生的環境汙染問題日益尖銳。新能源資源潛力大，可持續利用，在滿足能源需求、改善能源結構、減少環境汙染、促進經濟發展等方面發揮了重要作用，已引起了國際社會的廣泛關注。在能源安全與環境保護的雙重壓力下，技術相對成熟、具備規模化開發條件的風力發電和太陽能發電等可再生能源發電在世界範圍內取得了飛速發展。特別是，近年來風力發電和太陽能發電的產業規模和市場化程度逐年提高，也催生了智能電網技術的發展。風能與太陽能資源的自身特點決定了風能和太陽能發電具有不穩定性和不連續性，是典型的隨機性、間歇性電源。由於風電和太陽能發電的難以預測性，使其無法按照實際電力負荷需求調整電力供應，目前需通過化石能源發電的調節來適應其併網發電的要求，使新能源發電難以成為主力電源，僅能作為輔助電源使用；其次，風電和太陽能發電的不穩定性，使其大規模併網發電對電網的安全穩定運行等諸多方面有很大影響。這些均已成為目前制約風電和太陽能發電大規模發展的較大障礙。儲能系統具有動態吸收能量並適時平穩釋放的特點，能有效彌補風電和太陽能發電間歇性、波動性的缺點，改善電場輸出功率的可控性，提升發電的穩定性水平。在風電和太陽能發電中引入儲能系統，可有效抑制功率波動，平滑輸出電壓，提高電能質量，是保證風電和太陽能發電併網運行的關鍵技術和主流方式。目前大規模電力儲能技術既是制約可再生能源發電的「瓶頸」，也是制約智能電網發展的「瓶頸」。大規模電力儲能技術發展對能源和電力的發展變革具有重要影響，有可能改變未來的能源生產、運輸和使用方式。根據能量轉換形式不同，儲能技術可分為機械儲能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等)；電磁儲能(如超導磁儲能、超級電容器等)；電化學儲能(如鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等)。抽水蓄能和壓縮空氣儲能受地域限制影響很大；飛輪儲能、超導磁儲能和超級電容器儲能的持續時間較短，一般不超過15min。
發明內容為了克服上述現有技術的缺點，本實用新型的目的在於提供一種電力儲能裝置， 具有能量密度大，持續時間長，且不受地域限制的優點。為了解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案是一種電力儲能裝置，包括AC/DC變換系統III，將需要儲存的電能由交流電能轉換為直流電能；電解水制氫系統IV，將AC/DC變換系統III轉換的直流電能轉換為化學能，釋放純氫和純氧；儲氫系統V，儲存直流電能轉換為化學能的過程中生成的氫氣；儲氧系統VI，儲存直流電能轉換為化學能的過程中生成的氧氣；燃料電池發電系統VII，將儲氫系統V和儲氧系統VI中的化學能氫氣和氧氣轉換為直流電能；儲水系統X，儲存化學能氫氣和氧氣轉換為直流電能的過程中生成的水並供常規電解水制氫系統IV使用；DC/AC變換系統VII，將燃料電池發電系統VII轉換的直流電能轉換為交流電能後併入電網。其中，所述輸入到AC/DC變換系統III的電能來源於風力發電系統、太陽能發電系統、火力發電系統、水力發電系統、核電站或者運行中的電網。所述的電解水制氫系統IV為常規鹼性電解水制氫系統、純水電解制氫箱體、質子交換膜水電解制氫系統或者固體氧化物水電解制氫系統。所述燃料電池發電系統VII為鹼性燃料電池發電系統、磷酸燃料電池發電系統、 熔融碳酸鹽燃料電池發電系統或者固體氧化物燃料電池發電系統，燃料電池運行採用純氫 /純氧燃料運行。所述儲氫系統V和儲氧系統VI和採用常壓存儲、中壓存儲或者高壓存儲，壓力範圍 0 80MPa。所述電解水制氫系統IV和燃料電池發電系統VII既可以分時工作，即充電和放電過程獨立運行，實現大規模電力儲存，又可以同時工作，動態吸收能量並適時平穩釋放，有效平滑太陽能、風能等可再生能源發電的波動性，改善電場輸出功率的可控性，提升發電的穩定性水平。本實用新型與現有技術相比具有以下優點1)容量大目前蓄電池儲能技術尚不具備在大規模電力儲能系統推廣應用的條件，其原因除成本因素外，主要是由於蓄電池儲能容量較低，這是由於蓄電池的活性物質封閉在電池內部的正負極片上，考慮到蓄電池的製備工藝、安全性等因素，其活性物質填充量有一定限制，因此，蓄電池的儲能容量有限，難以滿足電力儲能領域對儲能系統大容量的要求。而本實用新型的大規模電力儲能裝置，活性物質氫氣和氧氣採用外部儲存的方式，分別儲存在儲氫系統和儲氧系統中，該儲能裝置的儲能容量僅由儲氫系統和儲氧系統的體積和壓力決定，通過增加儲氫和儲氧系統的體積和儲存壓力，該電力儲能裝置的儲能容量可達到10 100萬千瓦時的儲能容量。2)壽命長、成本低本實用新型的大規模電力儲能裝置的主要組成部分常規電解水制氫系統IV技術成熟，已有廣泛的商業化應用，成本較低，且其使用壽命可達15年；鹼性燃料電池發電系統VII最早成功應用於美國「阿波羅」登月計劃，至今美國太空梭已用鹼性燃料電池飛行了 93次。鹼性燃料電池的主要問題是C02的毒化作用，使鹼性電解質生成碳酸根離子，對電池的效率和使用壽命造成影響，但在本實用新型中，鹼性燃料電池的使用純氫和純氧為燃料，可完全避免C02的毒化作用。隨著鹼性燃料電池技術的發展，目前其在純氫和純氧環境下的使用壽命超過2萬次，若以該儲能裝置每天運行證計算，則其使用壽命可達10年以上；其次鹼性燃料電池可不使用Pt等貴金屬催化劑，且其隔膜等電池材料價格低廉，使得鹼性燃料電池的成本很低，非常適宜作為本實用新型大規模電力儲能裝置中的發電系統。3)環境友好本實用新型的大規模電力儲能裝置輸入能源為電能，經過將電能轉換為化學能(氫氣和氧氣)進行儲存，在電網負荷峰高峰期通過化學能直接轉換為電能輸出至電網，整個過程中所消耗和生成物均為水，通過水的循環利用可實現該電力儲能裝置的封閉運行，不會對周圍環境不產生不利影響；且該電力儲能裝置的各部分組成材料也均不會對環境產生不利影響。綜合來看，本實用新型的大規模電力儲能裝置具有大容量、長壽命、低成本及環境友好等優勢，且其各主要組成部分的技術成熟度較高，在電力領域具有極其廣闊的應用前
旦
ο
圖1為本實用新型的結構示意圖。圖2為本發明不同儲能容量所對應的儲氫系統體積，其中橫坐標為儲能容量，單位萬千瓦時；縱坐標為儲氫系統的體積，單位立方米。圖3為本發明不同儲能容量所對應的儲氧系統體積，其中橫坐標為儲能容量，單位萬千瓦時；縱坐標為儲氧系統的體積，單位立方米。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例詳細說明本實用新型的實施方式。如圖1所示，本實用新型為一種電力儲能裝置，包括AC/DC變換系統III，將需要儲存的電能由交流電能轉換為直流電能；電解水制氫系統IV，將AC/DC變換系統III轉換的直流電能轉換為化學能，釋放氫氣和氧氣；儲氫系統V，儲存電解水制氫系統IV在直流電能轉換為化學能的過程中生成的氫氣；儲氧系統VI，儲存電解水制氫系統IV在直流電能轉換為化學能的過程中生成的
氧氣；燃料電池發電系統VII，將儲氫系統V和儲氧系統VI中的化學能氫氣和氧氣轉換為直流電能；儲水系統X，儲存燃料電池發電系統VII將化學能轉換為直流電能的過程中生成的水並供常規電解水制氫系統IV使用；DC/AC變換系統VII，將燃料電池發電系統VII轉換的直流電能轉換為交流電能後併入電網。下面假設設計功率為一萬千瓦，儲能容量為一萬千瓦，則(1)鹼性燃料電池發電系統VII設計，根據圖1，本實用新型的大規模電力儲能裝置結構圖，由於該電力儲能裝置額定功率為一萬千瓦，相應鹼性燃料電池發電系統的額定功率為一萬千瓦，一般設計採用鹼性燃料電池模塊串聯的方式使燃料電池發電系統達到所需額定功率；[0040](2)儲氫V和儲氧系統VI設計，根據圖2和圖3儲能裝置不同儲能容量所對應的儲氫和儲氧系統體積，設計出該儲能裝置中儲氫和儲氧系統的體積，以鹼性燃料電池發電系統效率為70%計算，則儲氫和儲氧系統的體積僅分別為120m3和60m3，其中儲氫和儲氧系統的設計壓力均為5MPa，即該儲能裝置實際所需的氫氣和氧氣量分別為6000Nm3和 3000Nm3。(3)儲水系統X設計，根據上述儲能裝置實際所需的氫氣和氧氣量分別為 BOOONm3和3000Nm3，則相應運行過程中所需產物水的體積為4. 82m3，考慮到實際運行過程將有部分水份的損失，因此儲水系統X的體積不小於6m3。(4)電解水制氫系統IV設計，根據儲能裝置氫氣和氧氣的實際需求量，及儲能裝置充電(電解)過程的時間，並考慮到電解水制氫系統實際電解效率，確定電解水制氫系統的額定功率與實際產氫量。若以該儲能裝置的充電(電解)過程時間為池，即通過對該儲能裝置進行池充電可使其達到額定儲能容量，電解水制氫系統實際電解效率為85%，則電解水制氫系統的實際產氫量為3000Nm3/h，額定功率為8400千瓦(一千瓦電功率的理論產氫量為 0. 42Nm3/h)。(5) AC/DC變換系統III、DC/AC變換系統VIII的設計與選型，依據鹼性燃料電池發電系統VII額定功率及電網IX的併網要求，設計DC/AC變換系統VIII，並進行設備選型； 依據電解水制氫系統IV額定功率及太陽能、風能發電場I或電網II的具體要求，設計AC/ DC變換系統III，並進行設備選型。本實用新型一種電力儲能裝置的具體操作方法(1)充電過程在電網負荷低谷期將太陽能、風能發電場I或電網II電能存儲於該儲能裝置內，該過程需要控制運行的部分有AC/DC變換系統III、電解水制氫系統IV、儲水系統X、儲氫系統V和儲氧系統VI。其中AC/DC變換系統III和電解水制氫系統IV均採用模塊化設計以適應不同輸入功率下的充電過程；(2)儲能過程完成充電過程後，輸入電能轉換為化學能(氫氣和氧氣)，分別儲存在儲氫系統V和儲氧系統VI內進行儲存，由於該儲存過程為物理存儲，存儲容量和儲存時間均可靈活控制；(3)放電過程在電網負荷高峰期將存儲於該儲能裝置內的化學能(氫氣和氧氣) 通過鹼性燃料電池發電系統VII轉換為電能，並通過DC/AC變換系統VIII送入電網，以滿足電網負荷高峰期的用電需求。該過程需要控制運行的部分有儲氫系統V、儲氧系統VI、 鹼性燃料電池發電系統VII、儲水系統X、DC/AC變換系統VIII。其中鹼性燃料電池發電系統VII、DC/AC變換系統VIII均採用模塊化設計以適應不同輸出功率下的放電過程。本實用新型一種電力儲能裝置不僅可通過充電過程和放電過程的獨立運行，實現大規模電力儲存；也可通過充電過程和放電過程的同時運行，動態吸收電能並適時平穩釋放，有效平滑太陽能、風能等可再生能源發電的波動性，改善電場輸出功率的可控性，提升發電的穩定性水平。
權利要求1.一種電力儲能裝置，其特徵在於，包括AC/DC變換系統(III)，將需要儲存的電能由交流電能轉換為直流電能；電解水制氫系統(IV)，將AC/DC變換系統(III)轉換的直流電能轉換為化學能，釋放氫氣和氧氣；儲氫系統(V)，儲存直流電能轉換為化學能的過程中生成的氫氣；儲氧系統(VI)，儲存直流電能轉換為化學能的過程中生成的氧氣；燃料電池發電系統(VII)，將儲氫系統(V)和儲氧系統(VI)中的化學能氫氣和氧氣轉換為直流電能；儲水系統(X)，儲存化學能氫氣和氧氣轉換為直流電能的過程中生成的水並供常規電解水制氫系統(IV)使用；DC/AC變換系統(VII)，將燃料電池發電系統(VII)轉換的直流電能轉換為交流電能後併入電網。
2.根據權利要求1所述的一種電力儲能裝置，其特徵在於，所述輸入到AC/DC變換系統 (III)的電能來源於風力發電系統、太陽能發電系統、火力發電系統、水力發電系統、核電站或者運行中的電網。
3.根據權利要求1所述的一種電力儲能裝置，其特徵在於，所述電解水制氫系統(IV) 為常規鹼性電解水制氫系統、純水電解制氫箱體、質子交換膜水電解制氫系統或者固體氧化物水電解制氫系統。
4.根據權利要求1所述的一種電力儲能裝置，其特徵在於，所述燃料電池發電系統 (VII)為鹼性燃料電池發電系統、磷酸燃料電池發電系統、熔融碳酸鹽燃料電池發電系統或者固體氧化物燃料電池發電系統。
5.根據權利要求1所述的一種電力儲能裝置，其特徵在於，所述燃料電池發電系統 (VII)採用氫氣和氧氣燃料運行。
6.根據權利要求1所述的一種電力儲能裝置，其特徵在於，所述儲氫系統(V)採用常壓存儲、中壓存儲或者高壓存儲，壓力範圍ο 80MPa。
7.根據權利要求1所述的一種電力儲能裝置，其特徵在於，所述儲氧系統(VI)採用常壓存儲、中壓存儲或者高壓存儲，壓力範圍ο 80MPa。
8.根據權利要求1所述的一種電力儲能裝置，其特徵在於，所述電解水制氫系統(IV) 和燃料電池發電系統(VII)同時工作，即充電和放電過程同時運行。
9.根據權利要求1所述的一種電力儲能裝置，其特徵在於，所述電解水制氫系統(IV) 和燃料電池發電系統(VII)分時工作，即充電和放電過程獨立運行。
專利摘要本實用新型公開了一種電力儲能裝置，屬於電化學儲能技術；該裝置主要由電解水制氫系統、儲氫系統、儲氧系統、儲水系統、鹼性燃料電池發電系統、AC/DC變換系統、DC/AC變換系統及相應控制系統組成；通過將電能直接轉化為化學能，分別儲存於儲氫和儲氧系統中，在電網負荷峰高峰期將存儲的氫氣和氧氣通過鹼性燃料電池發電系統，將化學能直接轉化為電能，進行電力供應；整個裝置在電解過程消耗的水可通過燃料電池發電過程生成的水進行循環利用，具有大容量、長壽命、低成本及環境友好等優勢，且其各主要組成部分的技術成熟度較高，在電力領域具有極其廣闊的應用前景。
文檔編號H01M8/04GK202034791SQ20112008605
公開日2011年11月9日 申請日期2011年3月28日 優先權日2011年3月28日
發明者劉明義, 徐越, 王保民, 程健, 許世森 申請人:中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司