一種風電制氫調控併網系統的製作方法

2023-05-13 01:20:46 2

專利名稱：一種風電制氫調控併網系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及風力發電技術領域，特別是涉及能夠對風力發電輸出的電量和功率進 行調控，並且利用氫能源的存儲技術解決風力發電併網，特別是解決大型風力發電併網問 題的風電制氫調控併網系統。
背景技術：
目前，風力發電機電能的併網，特別是大型風力發電廠的發電併網的難題還有待 於解決。首先以一臺1000千瓦的風力發電機組為例，傳統的併網模式是風力發電機必須 加上高精度的電能控制系統(千瓦級容量的電子調控設備)，需要將風電調整到與電網一 致的電壓、周率、波形、相序，還要調整有功和無功功率，達到電網最基本的併網需求，並且 還要輸出電流基本穩定，才能夠併入電網，這些都依靠大功率的電子調控設備實現，價格極 高，又極容易損壞。這部分佔到整個機組造價的50%，現在的1000千瓦機組的大功率電子 器件市場價大概是800到1000萬元/臺。不僅使整個風電機組的造價大幅度上升，而且故 障點增多幾十倍，這些大功率電子器件的穩定性較差，特別容易損壞，損壞後的維修、更換 成本一直居高不下。特別是利用風能的效率方面更是有太大的差別，併網模式在風速小時產生的電能 不夠，不能併網，風速太大時併網發電機組因為安全問題會進行「自動保護」(就是在極短的 時間裡甩掉負荷，保護髮電機組不會損壞)突然脫離電網，這對電網的危害最大。巨大容量 的電能突然脫離電網，會造成電網電壓的大幅度下降，影響整個電網的平穩。即使在風力發 電機可使用的風速變化範圍(3-20米/秒)內，大部分的風力發電機僅僅能夠使用總有效 風速總量的40%左右(8-14米/秒)，這也是為什麼大型風力發電機組成本如此的巨大、結 構如此複雜、工作性能如此不穩定的原因所在，再加上對有效風速的利用率低，所以造成每 度電的成本很高，並且很難上網併網。另外，風力發電受自然界各種不可控制因素的影響，非常不穩定，對電網的安全供 電造成較大衝擊，以風力發電為基礎電源系統的能量輸出受到嚴厲的短期和季節性變化限 制。

發明內容
本發明的目的是提供一種能夠有效解決風力發電併網問題的風電制氫調控併網 系統。為了實現上述目的，本發明提供了一種風電制氫調控併網系統，包括風力發電裝 置、氫氣發生器、氫氣存儲器以及氫能發電裝置，所述風力發電裝置的電能輸出端直接或間 接與氫氣發生器相連，所述氫氣發生器的氫氣輸出端與所述氫氣儲存器相連，所述氫氣儲 存器與氫能發電裝置相連，由氫能發電裝置消耗氫氣儲存器中的氫氣進行發電並輸出至供 電網絡。
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優選地，所述風力發電裝置的輸出端通過整流器將其發出的交流電整流成直流 電，然後與氫氣發生器連接。優選地，進一步包括電池組，所述電池組與氫氣發生器在電路上相連接，當所述風 力發電裝置發出的電力低於所述氫氣發生器所需電力時，由所述電池組向氫氣發生器供電 繼續產生氫氣和氧氣。優選地，所述氫氣發生器的數量為多個，在電路上相併聯，其參與制氫的數量與所 述風力發電裝置的發電量相匹配；當風力超過風力發電裝置允許的範圍時，立即耦合下一 個或多個氫氣發生器，從而快速地減少電流和電功率，降低風力發電機的轉速。 優選地，所述氫能發電裝置具體為氫燃料電池或氫內燃發電機。優選地，所述氫氣發生器產生的氫氣通過氫氣管道長距離輸送到缺電缺水地區， 並且與氫燃料電池或氫內燃機相連，在發電的同時生產出潔淨水。優選地，所述氫氣發生器包括氫燃料罐體，所述氫燃料罐體可進行燃料液和電極 反應產生氫氣和氧氣，其罐體為雙層結構，內壁和外壁之間的兩壁空間充滿散熱材料，所述 內壁或外壁上設有散熱壁翅片，罐體底部一側設有散熱材料進出口，罐體下方設有散熱風 扇；所述罐體中有兩個電極，分別是氫電極和氧電極；所述兩個電極分別連接氫氣收集器 和氧氣收集器，兩個收集器中分別具有氫氣和氧氣滲透膜，兩個收集器收集的氫氣和氧氣 會分別送到氫氣存儲器和氧氣存儲器。優選地，所述罐體內的氫電極和氧電極與活塞軸連接，所述活塞軸連接到氣缸的 活塞，所述活塞由驅動裝置執行器驅動，由所述活塞帶動所述氫電極和氧電極進行上下運 動；當氫電極和氧電極向燃料液移動時，產氫率增大，當氫電極和氧電極遠離燃料液移動 時，產氫率減小。優選地，所述氫氣發生器包括氫燃料罐體，所述氫燃料罐體可進行燃料液和電極 反應產生氫氣和氧氣，其罐體為雙層結構，內壁和外壁之間的兩壁空間充滿散熱材料，所述 內壁或外壁上設有散熱壁翅片，罐體底部一側設有散熱材料進出口，罐體下方設有散熱風 扇；所述氫氣生產系統產生的氫氣通過管道輸送至分離室，分離室內的氫氣通過滲透膜後 經輸出管道進入儲氫罐或氫消耗負載，氧氣通過滲透膜後經輸出管道進入儲氧氣罐或氧氣 消耗負載。優選地，所述催化劑室與活塞軸連接，所述活塞軸由驅動裝置執行器驅動，所述活 塞軸驅動所述催化劑室旋轉並且可以進行上下運動，所述催化劑室為倒漏鬥型的網狀體， 當催化劑室朝向燃料液移動時，或催化劑室遠離燃料液移動時，氫氣和氧氣的生產率呈線 性的增加或減少，從而使氫氣和氧氣的產量儘量均勻。本發明的風電制氫調控併網系統在風力發電機的輸出端，通過整流器將風力發電 機發出的交流電整流成直流電，然後與氫電解槽裝置連接，不僅能夠根據風能發電的電功 率的大小來電解生產氫氣，而且還能夠提高生產氫氣的產量和降低產氫成本，對風力發電 的輸出的電量和功率進行調控，氫能源的存儲技術可以積累在低需求期間產生的能量，可 以確保高需求時利用它的能量，也可充分利用間歇性的能源需要，可有效解決風力發電並 網，特別是大型風力發電併網的問題；同時氫電解槽裝置連接的自動調節系統可反發過來 調控風力發電機對風速的反應，減少風速變化對風力發電機的影響，增加風力發電機的可 使用風速變化範圍，提高風力發電機的效率。


圖1為本發明所提供風電制氫調控併網系統的一種具體實施方式
的結構示意圖；圖2為本發明所提供風電制氫調控併網系統的另一種具體實施方式
的結構示意 圖；圖3為本發明所提供風電制氫調控併網系統遠程輸送的結構示意圖；圖4為氫氣發生器的一種結構示意圖；圖5為氫氣發生器的另一種結構示意圖。圖 4 中200.氫氣發生器 201.罐體 202.內壁 203.外壁 204.散熱翅片205.高 導熱材料 206.風扇 207.出水進水口 208.氫電極 209.氧電極210.氫氣收集器 212.氧氣收集器214.活塞軸216.驅動執行器圖 5 中300.氫氣發生器301.罐體302.內壁303.外壁304.散熱翅片305.高導 熱材料306.風扇 307.出水進水口 308.管道312.分離室316.活塞軸 318.驅動 執行器311.催化劑室
具體實施例方式為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的詳細說明。本發明的申請人曾於2009年09月09日和2010年07月28日分別向國家知識產 權局提交了名稱為「水流海浪潮汐動能和風能太陽能發電的綜合系統」和「一種自然能源 發電及電解海水或苦鹹水的綜合應用系統」的發明專利申請，其公開號為CN101649813和 CN101010240101。專利公布了利用自然能源發電以及電解海水或苦鹹水產生氫氣和氧氣的 技術。氫氣能源可以長時間儲存、可以管道長距離輸送，可以直接用來大規模發電，更可 以提供給汽車、火車、飛機、輪船等移動的交通運輸工具使用，氫氣能源可以直接提供給燃 料電池也可以直接提供給氫內燃機燃燒產生動力，其反應產物是水，對環境沒有汙染，用氫 代替目前所用的燃料是唯一既沒有溫室效應、也沒有汙染物威脅的方法。氫氣能源也可以直接提供給發電廠發電，可以由大型燃料電池發電，也可以直接 在燃氣輪機內燃燒發電，產生的電力在電網高峰需要時大量的併入電網。這兩種電能都是 高質量的特別平穩可調可控的電流，都是電網十分歡迎的高質量電能。這種高質量的電能 也會對電網的穩定起到很大的作用。我國是氫能源大國，但是大部分的氫氣是由燃燒煤制氫，這種氫能源因為消耗了 煤，產生了二氧化碳，不是清潔能源。如果利用燃煤電廠的電力制氫和壓縮氫，那麼氫氣也 不是清潔能源(沒有尾氣，但消耗了電力，即消耗了煤)。即便是用天然氣燃氣發電廠的電 力制氫，也不是清潔的。如果利用太陽能、水能、風能發電制氫，則是真正的清潔的無碳能 源，由此產生的經濟才是真正的無碳經濟。請參考圖1、圖2，圖1為本發明所提供風電制氫調控併網系統的一種具體實施方
5式的結構示意圖；圖2為本發明所提供風電制氫調控併網系統的另一種具體實施方式
的結 構示意圖；圖1與圖2的差別在於圖1的氫能源直接進入氫燃料電池而發電，圖2是氫能源 直接進入氫內燃機燃燒發電併入電網。如圖1和圖2所示，本發明的風電制氫調控併網系統是由風力發電機發出的風電 只需進行最簡單的變壓、整流處理(採用現有技術即可實現)，將電壓通過變壓器調整到所 需電壓，交流電整流為直流電；使用該直流電對制氫電解槽中的水或燃料液體(含有金屬 氫化物的液體)，進行電解產生氫氣和氧氣，其中氧氣可以醫用也可以工業使用；氫氣儲存 在氫能存儲器中，並且直接提供給燃料電池，重新產生電能；或儲存在氫能存儲器中的氫氣 直接提供給氫內燃機，燃燒發電重新產生電能。氫的燃燒熱為28900千卡/千克，大約是汽 油燃燒熱的三倍，不論是從燃料電池所發的電，還是氫內燃機燃燒所發的電都是符合電網 要求的電能。圖1和圖2中的變流器是指穩壓穩流和交流整流器。圖1和圖2中的電池組是指 一系列蓄電池組是用來調節穩定直流線路中的直流電；並且部分緩衝，阻尼和吸收由風力 發電機發出的強電流。若採用新的鈷和磷酸鹽的比例約為1 2的催化劑和電極可以大量地產生氫氣， 同時減少使用的電解電能，低於傳統電極的一半以下。本發明電解水產生一立方米氫氣所 需要的電能低於兩度，傳統方法所使用的電能為五度。而且該鈷磷酸鹽催化劑是從地球豐 富的礦產製成的，比傳統方法的鈀和白金(鉬)催化劑價格大幅降低。本發明在直流電電路中，設計了電池組，可以在空當風速時(風速低於2.7米/ 秒)，也能使氫電解槽產生氧氣和氫氣，當風電發電產能低時，氫氣流量的產出也隨之降低。本發明的風電制氫調控併網系統在利用風能的效率方面與傳統的風力發電機有 很大差別，傳統風力發電機的併網模式在風速小時產生的電能不夠，不能併網。本發明在 風電發電產能低時，氫氣流量的產出也低，而且用於另外加入的蓄電池組，仍然會有氫氣產 出，仍然能夠實現累積性的大規模的氫能量儲存，流入氫氣輸出壓縮器。風速太大時傳統風 力發電機的併網發電機組因為安全問題會進行「自動保護」(就是在極短的時間裡甩掉負 荷，保護髮電機組不會損壞)突然脫離電網，這對電網的危害最大。巨大容量的電能突然脫 離電網，會造成電網電壓的大幅度下降，影響整個電網的平穩。而風電制氫調控併網系統與 之不同，不需要昂貴的高精度的電子、電能調控設備，無論什麼樣的風速，只要發電機發電 就能夠利用，風小電量小時電解的氫氣數量較少，風大電量大時產生的氫氣就多，在整個的 發電制氫過程中大部分電能可以轉化為氫氣。並且本風電制氫調控併網系統可以根據電功 率的大小來自動調控電解生產氫氣，而且同時提高生產氫氣的產量和降低產氫氣的產生成 本，風力發電機在強風速時所產生的一部分電流，還可以存儲在蓄電池組中。本發明的風電制氫調控併網系統實際上完全起到風力發電機的「功率阻尼器」(也 可以叫電力調節器)，隨時在反向調整風力發電機的「發電」(功率輸出)，風速變大時這些 電能功率會自動的加大產氫氣的數量，風速變小時可以「隨時減少的發電」，降低產氫氣的 數量。對於風能利用方面，很特別的地方就是「風力發電機的發電輸出與風速的比是3次方 的關係」，即風速增大一倍，輸出功率增大八倍，這也是為什麼在風速特別大時風力發電機 需要快速卸載進行保護的原因，因為功率的變化幅度太大，速度又太快，如果不能夠在極短 的時間裡「卸載」，超大的風能能量肯定會損壞機組，制氫方式正好可以迅速地對功率進行快速大幅度的調整，甚至在風力發電機產生出具大電能時，可以同時並聯多個制氫電解槽， 一個或多個制氫電解槽以及蓄電池組的使用都在本發明的保護範圍之內。本發明的風電制氫調控併網系統可以大大提供風力發電機可使用的風速變化範 圍(3-20米/秒)，目前本系統能夠在風速高達25米/秒時，仍然沒有出現問題。如果加入 多個並聯制氫電解槽，有可能達到30米/秒。這樣不僅大大地提高了傳統的風力發電機的 發電能力和效率，也大大地降低了傳統的風力發電機的製造成本和維護成本。目前大多數的太陽能和風能存儲方法是低能量密度的儲存，不能對大型風能和太 陽能項目起到任何作用。這包括電池最高的能量密度僅為3.0兆焦耳/公斤。相反，燃料 電池的能量密度為電池密度的10的二次方倍大，氫能源(氫氣)比電池存儲容量更是大到 10的三次方倍大。事實上，我們可以直觀地理解到，所有的大規模能源儲存是以燃料形式 存儲。這些都是碳基燃料，如石油，天然氣和煤炭。而本發明是無碳性的，可持續的，易於擴 展，又便宜的能量燃料貯存的氫能源方法。從根本上脫離原先的碳能源模式，進入到氫能源 模式。因此利用氫能源(氫氣)來存儲大型風力發電和太陽能發電作為能源存儲系統，也 落在本發明的保護範圍之內。請參考圖3，圖3顯示了風電制氫遠程輸送併網系統的結構框圖。該風電制氫遠程輸送併網系統是將氫氣發生器產生的氫氣由氫氣輸送管道或其 它方法運送到缺少電和或缺少水源的地區，通過氫氣與空氣的反應，生產出非常穩定的電 能和純淨水。該系統發出的電能完全可以上網或直接應用於當地的用電負荷中。這種方法 使所產生的氫氣可以用管道或其它交通工具輸送，類似於天然氣輸送，可通往城市，小鎮， 農村或海島等需要用電或需要用水的地方，然後由燃料氫電池以氫和空氣為原料產生電能 和清潔的水，將氫氣重新轉化為電能，清潔的水以供飲用。本發明的申請人在2010年07月28日向國家知識產權局提交了名稱為「一種自然 能源發電及電解海水或苦鹹水的綜合應用系統」的發明專利申請中，公布的氫電同軸電纜 (CN101010240101)，可以遠距離輸送氫能。電纜中心的部分輸送液態氫，同時利用液態氫極 低的溫度保持外層金屬處於超導狀態來輸送電能，因為沒有電阻(電阻很低)，電流通過就 不會發熱，能夠大規模輸送電能，大大減少了輸電的損耗。由於液態氫的重量輕，在電纜的 中心，揮發也少，又有利於減少液態氫的損耗長距離管道輸送氫氣效益最高。可以將淡化的 飲用水和電能通過輸送氫氣，運送到邊遠缺水的西部地區。圖1、圖2和圖3都顯示了氫能源的存儲設備，氫氣的存儲幾乎是無消耗並且可以 長期存儲，也沒有容量的限制，可以無限增加存儲氫氣罐的數量。目前市場上已經有了各種 型號和大小的儲氫罐可供選擇。目前風力發電，特別是大型風力發電項目只能併網上網，還 沒有任何存儲風力發電機所發電的方法，本發明正是提供風力發電機所發電的最好的存儲 方法。請參考圖4，圖4為氫氣發生器的一種結構示意圖。圖中所示為具有自我調節功能的氫氣發生器200。該氫氣發生器200包括一個單 一的氫燃料罐體201，該氫燃料罐體201可進行燃料液和電極反應產生氫氣和氧氣，燃料液 可以是水，也可以是非純淨水、海水，也可以是加入氫化金屬燃料液體，對於某些應用來說， 還包含穩定劑，如氫氧化鈉。由於氫的生成是一個放熱反應，對於高產量的氫氣發生器，其 罐體201最好設計成雙層結構，具有內壁202和外壁203，在內壁202和外壁203之間的兩壁空間可以充滿高導熱材料205，例如水。它可以為系統散熱服務，也可以充分利用氫氣發 生器產生的熱能。這種熱轉移可以進一步通過加入燃料箱的多元化散熱翅片204實現，散 熱翅片204可以設於內壁202和外壁203上，散熱壁翅片204從外壁203伸出，風扇206是 用來降低溫度，當燃料液降低達到預先設定的溫度時，風扇206將會自動開閉，罐體底部一 側設有出水進水口 207，可以使冷水流入熱水流出，進行熱交換還可以充分利用該產氫裝置 的熱能。上述氫燃料罐體201中的燃料液包括一個或多個具有氫的複合金屬，一般化學式 為MBH 4。M是一個鹼金屬從第一組(原集團1A)條的元素周期表中選擇，其中包括如鋰， 鈉，鉀或在某些情況下M也可以是銨或有機體。B是從組13元素周期表(前組)第IIIA部 選定的元素，其中的例子包括硼，鋁和鎵，H是氫元素。本發明使用的是複雜的金屬氫化物硼氫化鈉(NaBH4)。使用鈉硼氫化物作為氫能 燃料的成分，特別某些應用是非常可取的。使用硼氫化鈉所生產的氫氣是典型的高純度無 碳雜質和高溼度的。任何化學氫化物水解所產生的化學氫將有類似的特徵。硼氫化鈉生產 氫能時沒有被檢測到一氧化碳氣體。這是值得注意的，因為大多數燃料電池，尤其是質子交 換膜燃料電池和鹼性燃料電池，需要高品質的氫氣和一氧化碳將會使催化劑中毒，最終將 破壞燃料電池。碳氫化合物重整產生氫氣的方法，含有一氧化碳和二氧化碳，一氧化碳需要 進一步處理，然後將一氧化碳去除。如圖所示，罐體201中有兩個電極，分別是氫電極208和氧電極209 ；兩個電極又 分別連接氫氣收集器210和氧氣收集器212。兩個收集器中分別具有氫氣和氧氣滲透膜，該 兩種滲透膜只分別允許氫氣和氧氣通過，進入氫氣收集器210和氧氣收集器212。兩個收集 器收集的氫氣和氧氣會分別送到氫氣存儲器和氧氣存儲器(圖中沒有顯示)。水，燃料液體 和硼酸都不能通過滲透膜，只能回到罐體201中。兩個收集器的滲透膜也同樣阻止水蒸氣 通過，水蒸氣也只能回到罐體201中。這種滲透膜主要是疏水性膜，包括矽橡膠、氟聚合物 膜、或共同氫滲透的金屬膜，如鈀金合金製成的任何產品。本發明優選氟聚合物膜，氫氣通 過氫氣收集器210的滲透膜後經輸出管道進入儲氫罐或氫消耗負載，如氫燃料電池或氫內 燃機；氧氣通過氧氣收集器212的滲透膜後經輸出管道進入儲氧罐或氧消耗負載，如醫用 氧或工業用氧。罐體201中的氫電極208和氧電極209與可移動的活塞軸214連接。活塞軸214 連接到驅動執行器216上，由驅動執行器216驅動。驅動執行器216可以是任何一種驅動 執行器，包括但不限於彈簧、液壓泵或馬達，對於某些應用使用彈簧作為驅動執行器也是可 以的，特別是在驅動時不需要外來動力。此外，具有內部彈簧的驅動執行器可以移動活塞筒 和其輸出軸。在選擇使用驅動執行器時，液壓泵、馬達或類似的作為驅動執行器，它們的通 斷操作是通過一個敏感器和控制傳導器所控制(圖中未示出)。活塞軸214本身被套住或 包含針槽結構，使用這種套式或針槽結構能夠讓氫電極208和氧電極209旋轉並且進行上 下運動。從而達到調節控制氫氣和氧氣產量的目的，風力發電機發電量大時，生產的氫氣和 氧氣多；風力發電機發電量小時，生產的氫氣和氧氣少。本發明公布了氫電極和氧電極設置在一個包含燃料液的罐體中的方法，氫電極和 氧電極與燃料液進行相對的運動，當氫電極和氧電極向燃料液移動時，可提高產氫率，當氫 電極和氧電極遠離燃料液移動時，可減少產氫率。該發明的優點是這種自我調節和自動控
8制的功能不需要外接電源或外在動力，即可滿足各種不同商業應用的需求，特別是風力發 電儲能調控和併網的需要，整個系統可以使用一個單一的罐體，其結構緊湊，大大地減少了 產氫總體積，並且可使用市售的零件製造。請參考圖5，圖5為氫氣發生器的另一種結構示意圖。如圖所示，顯示了本發明的另一種方案，使用倒漏鬥型網狀體的催化劑室來代替 前述電極，催化劑室311是倒漏鬥型的網狀體，內有電解水產生氫和氧的催化劑，通過燃料 室和催化劑室的相對運動，以增加或減少氫氣和氧氣生成率(氫和氧產生率)。這種相對運 動是氫氣和氧氣生成過程中的一個或多個參數監測所產生的反應結果。這是一種具有自我 調節功能的生產氫和氧氣的系統。該氫氣發生器300包括一個單一的氫燃料罐體301，該 氫燃料罐體可注入燃料液產生氫氣。該燃料液可以是水，也可以是非純淨水、海水，也可以 是加入氫化金屬燃料液體，對於某些應用來說，還包含穩定劑如氫氧化鈉。由於氫的生成是 一個放熱反應，對於高產量的氫氣發生器，罐體301需設計成雙層罐體，包括內壁302和外 壁303，在內壁302和外壁303之間的兩壁空間充滿高導熱材料305，例如水。它可以為系 統散熱服務，也可以充分利用其熱能。這種熱轉移可以進一步通過加入燃料箱的多元化散 熱翅片304實現，散熱翅片304從外壁303伸出，風扇306用來降低溫度，當燃料液降低達 到預先設定的溫度時，風扇306將會自動開閉，罐體底部一側設有出水進水口 307，可以使 冷水流入熱水流出。由氫氣發生器300產生的氫氣可通過管道308至分離室312，分離室312內的氫 氣通過滲透膜(圖中未示出)，水、液體和硼酸不能通過滲透膜，從而回到分離室312內，最 後還是要回流到罐體中。滲透膜可以由只允許氫氣通過而且同時阻止水蒸氣通過的任何物 質。例如，疏水性膜可以使用，包括矽橡膠、氟聚合物膜或共同氫滲透的金屬膜，如鈀金合金 製成的任何產品。本發明優選氟聚合物膜，氫氣通過滲透膜後經輸出管道進入儲氫罐或氫 消耗負載，如氫燃料電池或氫內燃機，氧氣通過滲透膜後經輸出管道進入儲氧氣罐或氧氣 消耗負載，例如醫學用氧或工業用氧。催化劑室與活塞軸316連接，活塞軸316由驅動執行器318驅動，活塞軸316驅動 催化劑室311旋轉並且可以進行上下運動。這種運作旋轉機制允許催化劑室旋轉甩幹，因 為它移出氫燃料的接觸，加快以防止任何硼酸會在液體催化劑室中沉澱。此外，催化劑室 311的旋轉，有助於確保燃料溶液的均勻性。催化劑室311呈倒漏鬥型的網狀體，可以確保 催化劑室311內的催化劑與燃料溶液充分地均勻接觸。倒漏鬥型網狀體的催化劑室311內 具有電解水和燃料溶液的催化劑。由於是倒漏鬥型的網狀體，所以隨著催化劑室與燃料液 的相對運動，當催化劑室朝向燃料液移動時，或催化劑室遠離燃料液移動時，氫氣和氧氣的 生產率是呈線性的增加或減少，從而使氫氣和氧氣的產量儘量均勻。圖4和圖5都是能夠自我調節並在不同的風力情況下生產氫的儲能調控系統。當 風力很小時如每秒2. 7米，只要風力發電機風葉轉動，產生電能時，圖4中的電極或圖5中 的催化劑室，就會與燃料溶液接觸，產生氫氣和氧氣。當風力加大時圖4中的電極或圖5 中的催化劑室，就會向燃料溶液中移動，就會與燃料溶液接觸更加廣泛，從而產生更多的氫 氣。當風力更大時因為產生的氣體過多，使得產氣室內的壓力加大，自動調節將圖4中的電 極或圖5中的催化劑室抬高，從而降低了氣體的產量。這個降低產量的過程實際上是個軟 性功率阻尼的作用，這種風電制氫儲能調控和併網的方法對於風力發電機組簡化控制方面還有特別好的輔助性能制氫電解設備與風力發電機組連接後在制氫時實際上就成了機組 的功率阻尼器(也可以叫電力制動器)，隨時根據風力的大小來調整風力發電機的功率輸 出(即電能的輸出)，風速變大時這些電能功率會自動的加大產氫氣的數量，風速變小時可 以「隨時減少風力發電機組的輸出，降低產生氫氣的數量和產量。電解制氫方式可以迅速的對功率進行快速大幅度的調整，當風力超過風力發電機 允許的範圍時如風速超過每秒20米時，傳統的風力發電機組就會自動關閉，保護髮電機 組，而本發明所設計的儲能調控和併網的氫能源技術會立即耦合另一個或多個氫氣發生 器，從而快速地減少電流和電功率，快速有效地降低風力發電機的轉速。這種電力制動效應 方法可以拖住風力發電機不致於發生飛車或轉速過快，有效地保護風力發電機。並且至少 可以在風力發電機需要進行「偏頭調速」(風力發電機的效果最好的調速方式，只是調速時 間長)時在電力制動的制動力上進行「柔性降速」或「軟性減速」作用下，機組有充裕的時 間保證安全偏頭調速進行安全停機，這些都是傳統的風力發電機併網無法實現的特點。這 樣本發明不僅大大地提高了風力發電機的發電能力和效率，也大大地降低了風力發電機的 製造成本和維護成本，也大大地提高了風力發電機的使用壽命。以上對本發明所提供的風電制氫調控併網系統進行了詳細介紹。本文中應用了具 體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發 明的核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前 提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保 護範圍內。
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權利要求
一種風電制氫調控併網系統，其特徵在於，包括風力發電裝置、氫氣發生器、氫氣存儲器以及氫能發電裝置，所述風力發電裝置的電能輸出端直接或間接與氫氣發生器相連，所述氫氣發生器的氫氣輸出端與所述氫氣儲存器相連，所述氫氣儲存器與氫能發電裝置相連，由氫能發電裝置消耗氫氣儲存器中的氫氣進行發電並輸出至供電網絡。
2.根據權利要求1所述的風電制氫調控併網系統，其特徵在於，所述風力發電裝置的 輸出端通過整流器將其發出的交流電整流成直流電，然後與氫氣發生器連接。
3.根據權利要求2所述的風電制氫調控併網系統，其特徵在於，進一步包括電池組，所 述電池組與氫氣發生器在電路上相連接，當所述風力發電裝置發出的電力低於所述氫氣發 生器所需電力時，由所述電池組向氫氣發生器供電繼續產生氫氣和氧氣。
4.根據權利要求3所述的風電制氫調控併網系統，其特徵在於，所述氫氣發生器的數 量為多個，在電路上相併聯，其參與制氫的數量與所述風力發電裝置的發電量相匹配；當風 力超過風力發電裝置允許的範圍時，自動耦合下一個或多個氫氣發生器，從而快速地減少 電流和電功率，降低風力發電機的轉速。
5.根據權利要求4所述的風電制氫調控併網系統，其特徵在於，所述氫能發電裝置具 體為氫燃料電池或氫內燃發電機。
6.根據權利要求5所述的風電制氫調控併網系統，其特徵在於，所述氫氣發生器產生 的氫氣通過氫氣管道長距離輸送到缺電缺水地區，並且與氫燃料電池或氫內燃機相連，在 發電的同時生產出潔淨水。
7.根據權利要求1至6任一項所述的風電制氫調控併網系統，其特徵在於，所述氫氣發 生器包括氫燃料罐體，所述氫燃料罐體可進行燃料液和電極反應產生氫氣和氧氣，其罐體 為雙層結構，內壁和外壁之間的兩壁空間充滿散熱材料，所述內壁或外壁上設有散熱壁翅 片，罐體底部一側設有散熱材料進出口，罐體下方設有散熱風扇；所述罐體中有兩個電極， 分別是氫電極和氧電極；所述兩個電極分別連接氫氣收集器和氧氣收集器，兩個收集器中 分別具有氫氣和氧氣滲透膜，兩個收集器收集的氫氣和氧氣會分別送到氫氣存儲器和氧氣 存儲器。
8.根據權利要求7所述的風電制氫調控併網系統，其特徵在於，所述罐體內的氫電極 和氧電極與活塞軸連接，所述活塞軸連接到氣缸的活塞，所述活塞由驅動裝置執行器驅動， 由所述活塞帶動所述氫電極和氧電極進行上下運動；當氫電極和氧電極向燃料液移動時， 產氫率增大，當氫電極和氧電極遠離燃料液移動時，產氫率減小。
9.根據權利要求1至6任一項所述的風電制氫調控併網系統，其特徵在於，所述氫氣發 生器包括氫燃料罐體，所述氫燃料罐體可進行燃料液和電極反應產生氫氣和氧氣，其罐體 為雙層結構，內壁和外壁之間的兩壁空間充滿散熱材料，所述內壁或外壁上設有散熱壁翅 片，罐體底部一側設有散熱材料進出口，罐體下方設有散熱風扇；所述氫氣生產系統產生的 氫氣通過管道輸送至分離室，分離室內的氫氣通過滲透膜後經輸出管道進入儲氫罐或氫消 耗負載，氧氣通過滲透膜後經輸出管道進入儲氧氣罐或氧氣消耗負載。
10.根據權利要求9所述的風電制氫調控併網系統，其特徵在於，所述催化劑室與活塞軸連 接，所述活塞軸由驅動裝置執行器驅動，所述活塞軸驅動所述催化劑室旋轉並且可以進行上下運 動，所述催化劑室為倒漏鬥型的網狀體，當催化劑室朝向燃料液移動時，或催化劑室遠離燃料液 移動時，氫氣和氧氣的生產率呈線性的增加或減少，從而使氫氣和氧氣的產量儘量均勻。
全文摘要
本發明公開了一種風電制氫調控併網系統，包括風力發電裝置、氫氣發生器、氫氣存儲器以及氫能發電裝置，所述風力發電裝置的電能輸出端直接或間接與氫氣發生器相連，所述氫氣發生器的氫氣輸出端與所述氫氣儲存器相連，所述氫氣儲存器與氫能發電裝置相連，由氫能發電裝置消耗氫氣儲存器中的氫氣進行發電並輸出至供電網絡。該系統利用氫能源的存儲技術，可有效解決風力發電併網，特別是大型風力發電併網的問題。
文檔編號F03D9/00GK101976853SQ201010538149
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月9日 優先權日2010年11月9日
發明者張建洲 申請人:張建洲