一种高适应性的直连式光伏发电水电解制氢系统的制作方法

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1.本发明涉及可再生能源与水电解制氢领域，特别涉及一种高适应性的直连式光伏发电水电解制氢系统。

背景技术：

2.氢气作为储能载体拥有质量轻，能量密度高，使用时对环境无任何排放的优点。目前制氢的技术主要是矿物燃料制氢和水电解制氢两大类，其中水电解制氢通过电解水而获得高纯度的氢气，其技术成熟，纯化后的氢气纯度可高达99.9999％，高出其他制氢方式一个数量级且其制备的氢气且不含碳元素杂质。在国家大力倡导新能源可持续化发展今天，水电解制氢迎来了新的发展机遇。
3.光伏发电将太阳能电池板采集的太阳能转化为电能，其发电量与采集到的太阳光能量成正比，与光照强度与光照时间有关，由于其产电功率的不稳定性以及地域限制，导致太阳能无法合理的被利用，继而出现弃光现象。水电解制氢凭借其灵活的系统规模，成熟且稳定的系统性能，以及与氢燃料电池系统良好的契合度，有望成为主流制氢的技术手段。另一方面，氢气作为能量载体，在同等质量的燃料中，拥有最高的能量密度。未来在能量储存应用和微电网构建方面，水电解制氢也将扮演重要的角。
4.目前利用光伏发电电解水制氢所面临的挑战主要来自于两个方面：电解水制氢效率不高以及光伏输入功率不稳定。因此，优化水电解制氢系统对波动电源输入的适应性，同时提高单位能量的产氢量，是目前水电解制氢技术的主要目标。
5.因此，如何提高用于水电解制氢的电解槽对光伏发电系统波动电源的适应性，提高能量转化效率，是目前亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种高适应性的直连式光伏发电水电解制氢系统，有效提高水电解制氢设备对光伏发电系统波动输出的适应性，从而避免电能的浪费，提高能源利用效率，缓解弃光问题。
7.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种高适应性的直连式光伏发电水电解制氢系统，包括光伏发电系统、水电解制氢系统、储氢系统，所述水电解制氢系统包括多路开关、电解槽、气液分离模块、干燥提纯模块，多路开关的控制端连接于控制器，多路开关的各个后端口与电解槽的端板和极板连接，控制器根据光伏发电系统的发电功率，通过多路开关选择性接入部分电解小室进行电解；电解制得的氢气与氧气输入气液分离模块和干燥提纯模块进行分离、干燥和提纯，分离、干燥和提纯后的氢气输入储氢系统。
8.更进一步地，所述光伏发电系统的输出端连接于mppt汇流箱，mppt汇流箱的输出端连接于水电解制氢系统。
9.更进一步地，所述光伏发电系统包括光伏阵列、光伏控制器，光伏阵列通过光伏控制器控制，其后端接入mppt汇流箱，光伏阵列采集到的太阳能转化为电能后经mppt汇流箱通入水电解制氢系统。
10.更进一步地，所述储氢系统包括缓冲罐、氢气压缩机和高压储氢罐，水电解制氢系统中制备的氢气经缓冲罐、氢气压缩机后，储存到高压储氢罐中，供后端用氢。
11.更进一步地，所述气液分离模块包括气碱分离器，气碱分离器分离出的碱液经碱液循环系统处理后，回流至水电解制氢系统中，而分离出的氢气经气体冷却器与气水分离器后输入储氢系统中。
12.更进一步地，所述气碱分离器中分离出的气体进入气体冷却器冷却，然后通入气水分离器，通过其中的捕滴网进一步去除气体中的水分。
13.更进一步地，所述气碱分离器中分离出的氢气通过气动阀进入气水分离器进一步去除水分，随后进入脱氧器去除氢气中的杂质氧；得到的氢气进入冷却器，被冷却水冷却，随后通过气水分离器进一步去除水分；已净化纯化处理过的氢气在多组干燥器、冷却器中被进一步净化，直到得到达到设定要求的氢气。
14.更进一步地，所述水电解制氢系统包括还补水模块，补水模块通过纯水供给装置将水供应至水电解制氢系统中。
15.更进一步地，还包括plc控制系统，plc信号的一端连接mppt汇流箱，另一端连接水电解制氢系统，plc控制系统通过即时的监控与控制逻辑来确保制氢系统的正常有序工作。
16.更进一步地，压缩氢气在进入到高压储氢罐前，进行采样，并将样品氢气送入露点仪进行测试，并根据预先设定的参数判断氢气是否符合储存的要求，继而控制阀门系统是否放行氢气到高压储气罐中。
17.综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：根据光伏发电系统的输出功率，通过plc控制系统使电解槽选择性地接入部分电解小室进入电路回路，在不过多增加生产成本的情况下，有效实现水电解制氢系统对光伏波动输出电源的适应性，且避免了dc/dc转换器等环节中电能的损耗，提高能源利用效率，同时为太阳能的收集、利用、储存提供解决方案，缓解当前该领域的“弃光”问题。
附图说明
18.图1是本发明系统的原理示意图；图2是本发明系统的整体连接关系示意图。
19.图中，1、光伏发电系统；2、mppt汇流箱；3、控制器；4、高压储氢罐；5、多路开关；6、电解槽；7、气液分离模块；8、干燥提纯模块；9、缓冲罐；10、氢气压缩机；11、后端用氢。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，本实施例不构成对本发明的限制。
21.一种高适应性的直连式光伏发电水电解制氢系统，如图1和图2所示，包括光伏发电系统1、水电解制氢系统、储氢系统和plc控制系统，其中，光伏发电系统1：
光伏发电系统1包括光伏阵列、光伏控制器，光伏阵列通过光伏控制器控制，其后端接入mppt汇流箱2，使得光伏发电系统1的输出端连接于mppt汇流箱2，mppt汇流箱2的输出端连接于水电解制氢系统，且mppt汇流箱2的发电数据被plc控制系统监测；光伏阵列采集到的太阳能转化为电能后经mppt汇流箱2通入水电解制氢系统，使光伏发电系统1以最大功率输出，有效提高发电效率。
22.水电解制氢系统：水电解制氢系统包括多路开关5、电解槽6、气液分离模块7、干燥提纯模块8和补水模块，电解槽6为双极板压滤式碱性电解槽，多路开关5的控制端连接于控制器3，多路开关5的各个后端口与电解槽6的端板和极板连接，控制器3根据光伏发电系统1的发电功率，通过多路开关5选择性接入部分电解小室进行电解。
23.具体的，电解槽6的一端与光伏发电系统1电源的负极连接，plc控制系统检测光伏发电系统1电源的输出功率，并根据光伏发电系统1电源的输出功率、控制多路开关5的输出端中相应的端口与电解小室中相应的触点连通形成电解回路，使一定数量的电解小室进行电解，提高电解槽6对光伏发电电源波动的适应性；电流从光伏发电系统1电源的正极流出后，首先经过多路开关5，然后从电解槽6的某一双极板上的触点第二端单极板流入，使得电解槽6中的部分或全部电解小室接通电源的正极，之后经第一端单极板后流回光伏发电系统1电源的负极形成回路。
24.水电解制氢系统将电解制得的氢气与氧气输入气液分离模块7和干燥提纯模块8进行分离、干燥和提纯，分离、干燥和提纯后的氢气输入储氢系统；而气液分离模块7和干燥提纯模块8中的碱液经碱液循环系统处理后回流至水电解制氢系统中。
25.电解槽6电化学反应生成的氢气与氧气分别进入气碱分离器，借助气/液的重力原理与电解槽6带出的碱液分离；气液分离模块7包括气碱分离器、洗涤器、气体冷却器、气水分离器、脱氧器、碱泵；电解液的碱液会随着生成气体一并带出电解槽6进入气碱分离器，气碱分离器分离出的碱液通过收集管道以及碱液过滤器，由碱泵回收，经碱液循环系统处理后（其中参杂的杂质被过滤网滤除掉），回流至水电解制氢系统的电解槽6中循环利用，而分离出的氢气经气体冷却器与气水分离器后输入储氢系统中。
26.碱液的补给只需将固体苛性钾放入碱液水箱内(水箱内有三分之二的去离子水)即可，碱泵运行时的搅拌效果会促使苛性钾溶解入去离子水并供给到电解槽6内。
27.气碱分离器中分离出的气体进入洗涤器中，并在其中进一步进行气碱分离过程；而后进入气体冷却器冷却（冷却器中的气体通过冷却器管道，由冷却水冷却气体），然后通入气水分离器，通过其中的捕滴网进一步去除气体中的水分（这些水分通过管道进入氢/氧碱分离器中，实现水的再循环利用）。
28.如果对生成的氧气没有需求，氧气会直接被排放进空气中。而氢气部分通过气动阀进入气水分离器进一步去除水分，随后进入脱氧器去除氢气中的杂质氧；得到的氢气进入冷却器，被冷却水冷却，随后通过气水分离器进一步去除水分；已净化纯化处理过的氢气在多组干燥器、冷却器中被进一步净化，直到得到达到设定要求的氢气。
29.补水模块通过纯水供给装置将水供应至水电解制氢系统中；整个系统的冷却水通过冷却水循环机供给，通过控制冷却水的流量来调节系统温度，确保系统可以稳定运行在
最大效率点。
30.储氢系统：储氢系统包括缓冲罐9、氢气压缩机10和高压储氢罐4，水电解制氢系统中分离、干燥和提纯后的的高纯度氢气依次经缓冲罐9、氢气压缩机10后，储存到高压储氢罐4中，来供给后端用氢11；其中，氢气压缩机10选用隔膜压缩机，其气缸不需要润滑，密封性能好，压缩介质不与任何润滑剂接触，在压缩过程中不会产生任何污染；压缩氢气在进入到高压储氢罐4前，进行采样，并将样品氢气送入露点仪进行测试，测试的数据即时被plc控制系统监控，并根据预先设定的参数判断氢气是否符合储存的要求，继而控制阀门系统是否放行氢气到高压储气罐中。
31.plc控制系统：plc信号的一端连接mppt汇流箱2，另一端连接水电解制氢系统，用于协调控制前后电流电压的大小以及制氢过程各阶段的监控，plc控制系统通过即时的监控与控制逻辑来确保制氢系统的正常有序工作。
32.其主要的控制与监控原理包括：（1）对制氢系统的气压监控：气压信号通过压力传感器传输到可编程控制器中，控制器以预先设定值为标准，通过plc调节控制氧侧调节阀的开度，达到系统压力稳定，确保压力波动小于1%。
33.（2）对系统液位的监控：氢侧液位和氧侧液位通过传感器传输到可编程控制器中，控制器以氧侧液位为设定值，通过plc调节控制氢侧调节阀的开度，达到系统液位动态平衡，确保液位达到动态平衡后液位差控制小于0.5 cm，减少过度控制的现象，保持氢侧调节阀输出稳定，确保用氢稳定。
34.（3）对系统温度的监控：温度的监测采用区域化的温度传感器数据，对温度的控制则利用可编程控制器的运算能力，通过比对设定温度与监测温度，对冷却水的流量进行调节，从而达到控制系统3温度的目的，确保系统可以稳定运行在最大效率点。
35.（4）对mppt汇流箱2的监测：光伏发电作为水电解制氢的能量来源，对其发电数据的监测可以选择性的接入部分电解槽6，从而使得发电量与水电解制氢系统的需求电量相匹配，提高水电解制氢系统对光伏发电电源波动的适应性。
36.（5）对氢气干燥过程的监控：氢气的气液分离与干燥分为三个阶段，分别是气体与碱液的分离过程、洗气过程和干燥过程。通过对露点的监控，判断氢气是否需要进一步净化提纯，从而控制各个阀门的开关，以得到干燥纯净的气体。
37.（6）对氢气安全的监控：水电解制氢系统和储氢系统安装在一防爆集装箱内，集装箱和整个系统的氢气管道设置有氢气泄漏传感器，用以确保氢气不泄漏。所有氢气传感器的信号都被plc控制系统实时监测着。一旦发生意外氢气泄漏，监控系统第一时间触发警报装置，同时锁止系统。
38.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，不用于限制本发明，本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：

1.一种高适应性的直连式光伏发电水电解制氢系统，其特征在于：包括光伏发电系统、水电解制氢系统、储氢系统，所述水电解制氢系统包括多路开关、电解槽、气液分离模块、干燥提纯模块，多路开关的控制端连接于控制器，多路开关的各个后端口与电解槽的端板和极板连接，控制器根据光伏发电系统的发电功率，通过多路开关选择性接入部分电解小室进行电解；电解制得的氢气与氧气输入气液分离模块和干燥提纯模块进行分离、干燥和提纯，分离、干燥和提纯后的氢气输入储氢系统。2.根据权利要求1所述的一种高适应性的直连式光伏发电水电解制氢系统，其特征在于：所述光伏发电系统的输出端连接于mppt汇流箱，mppt汇流箱的输出端连接于水电解制氢系统。3.根据权利要求2所述的一种高适应性的直连式光伏发电水电解制氢系统，其特征在于：所述光伏发电系统包括光伏阵列、光伏控制器，光伏阵列通过光伏控制器控制，其后端接入mppt汇流箱，光伏阵列采集到的太阳能转化为电能后经mppt汇流箱通入水电解制氢系统。4.根据权利要求1或2所述的一种高适应性的直连式光伏发电水电解制氢系统，其特征在于：所述储氢系统包括缓冲罐、氢气压缩机和高压储氢罐，水电解制氢系统中制备的氢气经缓冲罐、氢气压缩机后，储存到高压储氢罐中，供后端用氢。5.根据权利要求1所述的一种高适应性的直连式光伏发电水电解制氢系统，其特征在于：所述气液分离模块包括气碱分离器，气碱分离器分离出的碱液经碱液循环系统处理后，回流至水电解制氢系统中，而分离出的氢气经气体冷却器与气水分离器后输入储氢系统中。6.根据权利要求5所述的一种高适应性的直连式光伏发电水电解制氢系统，其特征在于：所述气碱分离器中分离出的气体进入气体冷却器冷却，然后通入气水分离器，通过其中的捕滴网进一步去除气体中的水分。7.根据权利要求5或6所述的一种高适应性的直连式光伏发电水电解制氢系统，其特征在于：所述气碱分离器中分离出的氢气通过气动阀进入气水分离器进一步去除水分，随后进入脱氧器去除氢气中的杂质氧；得到的氢气进入冷却器，被冷却水冷却，随后通过气水分离器进一步去除水分；已净化纯化处理过的氢气在多组干燥器、冷却器中被进一步净化，直到得到达到设定要求的氢气。8.根据权利要求1所述的一种高适应性的直连式光伏发电水电解制氢系统，其特征在于：所述水电解制氢系统包括还补水模块，补水模块通过纯水供给装置将水供应至水电解制氢系统中。9.根据权利要求2所述的一种高适应性的直连式光伏发电水电解制氢系统，其特征在于：还包括plc控制系统，plc信号的一端连接mppt汇流箱，另一端连接水电解制氢系统，plc控制系统通过即时的监控与控制逻辑来确保制氢系统的正常有序工作。10.根据权利要求7所述的一种高适应性的直连式光伏发电水电解制氢系统，其特征在于：压缩氢气在进入到高压储氢罐前，进行采样，并将样品氢气送入露点仪进行测试，并根据预先设定的参数判断氢气是否符合储存的要求，继而控制阀门系统是否放行氢气到高压储气罐中。

技术总结

本发明公开了一种高适应性的直连式光伏发电水电解制氢系统，涉及可再生能源与水电解制氢领域，缓解了弃光问题，包括光伏发电系统、水电解制氢系统、储氢系统，水电解制氢系统包括多路开关、电解槽、气液分离模块、干燥提纯模块，多路开关的控制端连接于控制器，多路开关的各个后端口与电解槽的端板和极板连接，控制器根据光伏发电系统的发电功率，通过多路开关选择性接入部分电解小室进行电解；电解制得的氢气与氧气输入气液分离模块和干燥提纯模块进行分离、干燥和提纯，分离、干燥和提纯后的氢气输入储氢系统。达到了有效提高水电解制氢设备对光伏发电系统波动输出的适应性，从而避免电能的浪费，提高能源利用效率的效果。提高能源利用效率的效果。提高能源利用效率的效果。