一种可再生能源制氢和储氢系统及其控制方法
技术领域
本发明属于可再生能源制氢技术领域，尤其涉及一种可再生能源制氢和储氢系统及其控制方法。
背景技术
近年来，以光伏发电为代表的可再生和可持续能源得到迅猛发展，但是可再生能源发电的间歇性和不可预测性成为实现大规模并入主干电网的巨大障碍。对可再生和可持续能源系统而言，氢是一种极好的能量储存介质，可将具有强烈波动特性的太阳能转换为氢能，更利于储存和运输。
但是，目前的制氢及储氢系统未对可再生能源制氢与储氢系统做统一考虑，尤其是无法对系统中的热量进行综合利用，导致资源利用率低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可再生能源制氢和储氢系统及其控制方法，以解决此案有的制氢和储氢系统存在的热量利用缺陷，具体的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种可再生能源制氢和储氢系统，包括：可再生能源发电子系统、水电解制氢子系统、伴热子系统和有机物储氢子系统；
所述可再生能源发电子系统连接所述水电解制氢子系统；
所述水电解制氢子系统的氢气输出端连接所述有机物储氢子系统；
所述伴热子系统连接在所述有机物储氢子系统与所述水电解制氢子系统之间，将所述有机物储氢子系统产生的加氢有机物的热量转移至所述水电解制氢子系统。
可选地，所述伴热子系统包括：第一换热器、伴热水泵、伴热水罐、第一流量控制阀；
所述第一换热器的入水口经由所述第一流量控制阀连接至所述伴热水泵，所述第一换热器的出水口连接所述水电解制氢系统内水电解制氢装置的热交换水入口；
所述伴热水泵的入水口连接所述伴热水罐的出水口，所述伴热水罐的入水口连接所述水电解制氢装置的热交换水出口。
可选地，所述有机物储氢子系统包括：加氢反应器、第二换热器、冷却装置、第一温度控制器、第二温度控制器、第二流量控制阀、第三流量控制阀和加氢有机物储罐；
所述加氢反应器生成的加氢有机物中的一部分经由所述第一换热器后进入所述第二换热器，所述加氢有机物中的其余部分直接进入所述第二换热器；
所述第二流量控制阀设置在所述加氢反应器与所述第二换热器连接的支路上；
所述第一温度控制器设置在所述第一换热器的出水口，检测所述第一换热器的出水温度，并依据检测到的温度控制所述第二流量控制阀的开度，以使伴热子系统中的伴热水的温度维持在第一预设温度范围内；
所述第二换热器的入水口经由所述第三流量控制阀与所述冷却装置的出水口连接，所述第二换热器的出水口连接所述冷却装置的入水口；
所述第二温度控制器设置在所述第二换热器的加氢有机物输出端，检测所述第二换热器输出的加氢有机物的温度，并依据检测到的加氢有机物的温度控制所述第三流量控制阀的开度，以使所述加氢有机物维持在第二预设温度范围内；
所述第二换热器的加氢有机物输出端连接所述加氢有机物储罐。
可选地，所述有机物储氢子系统还包括：脱氢有机物储罐；
所述脱氢有机物储罐内存储有脱氢有机物，用于向加氢反应器输送脱氢有机物。
可选地，所述可再生能源发电子系统包括光伏发电装置和DC/DC变换器；
所述光伏发电装置的电能输出端与所述DC/DC变换器的输入端连接，所述DC/DC变换器的输出端连接所述水电解制氢子系统内的水电解制氢装置。
可选地，所述可再生能源发电子系统包括风力发电装置、AC/DC变换器、DC/DC变换器，所述水电解制氢子系统包括第三温度控制器；
所述风力发电装置的电能输出端与所述AC/DC变换器的输出端连接，所述AC/DC变换器的输出端与所述DC/DC变换器的输入端连接，所述DC/DC变换器的输出端连接所述水电解制氢子系统内的水电解制氢装置；
所述第三温度控制器设置在所述水电解制氢装置上，用于检测所述水电解制氢装置的温度，并当检测到的温度低于预设温度时，控制所述伴热子系统工作为所述水电解制氢装置加热。
另一方面，本发明还提供一种可再生能源制氢和储氢的控制方法，应用于第一方面任一种可能的而实现方式所述的可再生能源制氢和储氢系统中，所述方法包括：
当需要对水电解制氢装置进行加热时，所述伴热子系统中的各个装置工作，将所述有机物储氢子系统生成加氢有机物时产生的热量输送至所述水电解制氢装置，以使所述水电解制氢装置的温度维持在预设温度范围内。
可选地，所述伴热子系统包括：第一换热器、伴热水泵、伴热水罐、第一流量控制阀；
所述当需要对水电解制氢装置进行加热时，所述伴热子系统中的各个装置工作，将所述有机物储氢子系统生成加氢有机物时产生的热量输送至所述水电解制氢装置，包括：
所述伴热水泵将所述伴热水罐中的冷却水输送至所述第一换热器中，以使所述冷却水与经过所述第一换热器的加氢有机物进行热交换变为伴热水；
所述第一换热器将所述伴热水输送至所述水电解制氢装置中，以使所述伴热水与水电解制氢装置进行热交换获得冷却水，并将重新获得的冷却水输送至所述伴热水罐；
所述第一流量控制阀用于控制输送至所述第一换热器的冷却水的水量。
可选地，所述有机物储氢子系统包括第一温度控制器和第二流量控制阀；
所述第一温度控制器检测所述第一换热器的出水温度，并依据检测到的温度控制所述第二流量控制阀的开度，调节经过所述第一换热器的加氢有机物的流量，以使所述伴热子系统中伴热水的温度维持在第一预设温度范围内。
可选地，所述有机物储氢子系统还包括：第二换热器、第二温度控制器和第三流量控制阀；
所述第二温度控制器检测经由所述第二换热器降温后的加氢有机物的温度，并依据检测到的温度控制所述第三流量控制阀的开度，调节进入所述第二换热器的冷却水的水量，以使所述加氢有机物的温度维持在第二预设温度范围内。
可选地，可再生能源发电子系统包括：风力发电装置、AC/DC变换器和DC/DC变换器，所述水电解制氢子系统包括第三温度控制器，所述方法还包括：
所述第三温度控制器检测水电解制氢装置的温度，当检测到的温度低于预设温度时，控制伴热子系统工作为所述水电解制氢装置加热。
可选地，所述有机物储氢子系统还包括脱氢有机物储罐；
所述脱氢有机物储罐用于储存脱氢有机物，并向加氢反应器输送所述脱氢有机物。
本发明提供的可再生能源制氢和储氢系统，包括可再生能源发电子系统、水电解制氢子系统、伴热子系统和有机物储氢子系统，其中，伴热子系统连接在有机物储氢子系统和水电解制氢子系统之间，通过伴热子系统将有机物储氢子系统生成加氢有机物时产生的至少部分热量转移至水电解制氢子系统中为水电解制氢装置加热。该方案利用将氢加入有机物时产生的热量为水电解制氢装置进行加热，保证其内的液体在寒冷季节不会冻凝、结晶，在保障系统安全的同时，减少下次开机时间，提高水电解制氢装置的生产效率。同时，将加氢有机物的部分热量用来加热水电解制氢装置，降低了有机物储氢子系统为加氢有机物降温所需的冷却水用量，提高了能量利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种可再生能源制氢和储氢系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种可再生能源制氢和储氢系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的再一种可再生能源制氢和储氢系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，示出了本发明实施例提供的一种可再生能源制氢和储氢系统的结构示意图，该系统包括可再生能源发电子系统100、水电解制氢子系统200、伴热子系统300和有机物储氢子系统400。
可再生能源发电子系统100，用于将可再生能源转换为电能，并将得到的电能提供给水电解制氢子系统200。
可再生能源发电子系统100主要包括可再生能源发电装置101和变换器102。
例如，可再生能源发电装置101可以是光伏发电装置，或风力发电装置等。
变换器102用于将可再生能源发电装置101输出的电压进行变换-后为水电解制氢子系统200提供工作电源。
水电解制氢子系统200，用于电解水得到氢气和氧气，并将氢气输送至有机物储氢子系统400。
水电解制氢子系统200主要包括水电解制氢装置201、氢气储罐202和氧气储罐203。其中，水电解制氢装置201可以是电解槽，用于电解水得到氢气和氧气，并将氢气输送至氢气储罐202中存储，以便将氢气提供给后级子系统；同时，将氧气输送至氧气储罐203中进行存储，氧气储罐203中的氧气可以直接提供给氧气用户。
有机物储氢子系统400，用于将氢气与有机物进行反应得到加氢有机物，即，将水电解制氢子系统200得到的氢气存储至有机储氢介质中。
在本申请的一个实施例中，有机储氢介质包括但不限于烯烃、炔烃或芳香烃等有机不饱和化合物等。
将氢气存储至有机储氢介质中后，便于后续进行存储及运输氢气。而且，有机物的储氢密度大，与高压气态运输方式相比，降低了氢气的运输成本。
伴热子系统300连接在水电解制氢子系统200和有机物储氢子系统400之间。
伴热子系统300主要用于将有机物储氢子系统400生成反应产物时产生的部分热量转移至对水电解制氢子系统200，从而提高水电解制氢装置的温度。
在我国北方冬季外界环境的气温很低，既可能导致水电解制氢子系统200中的涉水设备(如，电解槽)及管线中的液体(如，电解液和水等)发生冻凝、结晶。同时，有机物储氢子系统400将氢气加入有机储氢介质进行化学反应时生成反应产物时伴随大量热量产生。另一方面，为了避免这些设备中的液体冻凝、结晶，需要对这些设备进行保温处理，使其中的液体维持在一定温度。伴热子系统300的作用就是利用有机物储氢子系统400产生的热量为水电解制氢子系统200中的相关设备进行加热，使该子系统中的相关设备维持在一定温度。
下面以可再生能源为光能为例，如光伏离网制氢，说明系统的控制过程：
在白天，光伏离网发电子系统发电，输出的电能提供给水电解制氢子系统200进行电解水制氢，产生的氢气先储存在氢气储罐202中，部分输送至有机物储氢子系统400。在有机物储氢子系统400中，氢气与有机储氢介质进行化学反应生成反应产物的同时产生大量的热量，此时的热量由冷却水带走。部分氢气继续储存在氢气储罐202中。
而在夜晚，光伏离网发电子系统不工作，因此水电解制氢子系统在夜晚也停止工作，电解液和水系统的温度下降，尤其在冬季夜晚，电解液和水可能发生结晶、冻凝，进而引发事故。此种场景下，储存在氢气储罐202中的氢气，继续输送至有机物储氢子系统400与有机储氢介质进行化学反应生成反应产物的同时产生大量的热量，由伴热子系统将热量转移到水电解制氢子系统200中的水电解制氢装置进行加热，从而使水电解制氢子系统中的电解液和水维持在一定的温度范围内，避免冻凝、结晶。而且，当水电解制氢子系统再次开机时，能够快速启动，减少开机时间，降低能耗，进而提高水电解制氢子系统的产氢效率。
此外，利用有机储氢子系统产生的热量为水电解制氢装置加热，还能够降低反应产物的温度，进而降低为反应产物降温所需的冷却媒介的使用量，即降低了冷却水的量。
本发明提供的可再生能源制氢和储氢系统，包括可再生能源发电子系统、水电解制氢子系统、伴热子系统和有机物储氢子系统，其中，伴热子系统连接在有机物储氢子系统和水电解制氢子系统之间，通过伴热子系统将有机物储氢子系统生成加氢有机物时产生的部分热量转移至水电解制氢子系统中为水电解制氢装置加热。该方案利用将氢加入有机储氢介质时产生的热量为水电解制氢装置进行加热，保证其内的液体在寒冷季节不会冻凝、结晶。在保障系统安全的同时，减少下次开机时间，即提高水电解制氢装置的生产效率。同时，降低了有机物储氢子系统为加氢有机物降温所需的冷却水用量，提高了系统的能量利用率。
请参见图2，示出了本发明实施例提供的另一种可再生能源制氢和储氢系统的结构示意图，本实施例将详细介绍伴热子系统的工作过程。
如图2所示，伴热子系统300主要包括：第一换热器301、伴热水泵302、伴热水罐303和第一流量控制阀304。
第一换热器301的入水口连接第一流量控制阀304的一端，第一流量控制阀304的另一端连接伴热水泵302的出水口，伴热水泵302的入水口连接伴热水罐303的出水口，伴热水罐303的入水口连接水电解制氢装置201的热交换水出口，水电解制氢装置201的热交换水入口连接第一换热器301的出水口。
第一换热器301利用输入的冷却水与有机物储氢子系统400生成反应产物进行热交换，使冷却水吸收热量变为伴热水，即热水；然后，第一换热器301将伴热水输送至水电解制氢装置201内低温的电解液和水系统进行热交换，变为冷却水(即，伴热回水)，伴热回水流入伴热水罐303中。伴热水泵302将伴热水罐303中的冷却水再次输送至第一换热器301中，至此完成一次伴热子系统的冷却水循环过程。
其中，第一流量控制阀304用于控制进入第一换热器301内的冷却水量，从而控制第一换热器301的换热速度，进而调节伴热水的温度，以及维持伴热水泵302稳定运行。
通常情况下，有机物储氢子系统400生成反应物产生的热量较多，水电解制氢装置201不足以消耗完，此种情况下，为了保证最终得到的反应产物的温度稳定，在有机物储氢子系统400中设置有第二换热器，用于控制反应产物的温度。同时，为了维持水电解制氢装置201的温度稳定，需要控制流经第一换热器301的加氢有机物的流量，即控制第一换热器301中参与热交换的热量，从而维持伴热水的温度。
如图2所示，有机物储氢子系统400主要包括：加氢反应器401、第二换热器402、冷却装置403、第二温度控制器404、第三流量控制阀405、加氢有机物储罐406、第一温度控制器407和第二流量控制阀408。
本实施例中，第二流量控制阀408用于控制流经与第一换热器301并联的跨线的加氢有机物的流量，进而实现控制流经第一换热器301的加氢有机物的流量。
加氢反应器401用于将氢气与有机储氢介质进行化学反应生成相应的反应产物，即加氢有机物。
第一温度控制器407设置第一换热器301的出水口处，第二流量控制阀408设置在加氢反应器401与第二换热器302连接的跨线上。
第一温度控制器407用于检测第一换热器301的出水口的水温，并依据测得的水温控制第二流量控制阀408的开度，从而调节进入第一换热器301中的反应产物的流量，即控制参与第一换热器301的热交换过程的反应产物的量，也即控制参与第一换热器301的热交换的热量，最终使伴热水的温度维持在第一预设温度范围内。通过第一温度控制器和第二流量控制阀能够灵活控制伴热水的温度。
第二换热器402设置在第一换热器301和加氢有机物储罐406之间。
反应产物的一部分经由第一换热器301后再进入第二换热器402，剩余的反应产物直接进入第二换热器402。即，一部分反应产物经过第一换热器301和第二换热器402进行热交换；另一部分反应产物只经过第二换热器402进行热交换。通过调节第二流量控制阀408的开度控制两个分支的反应产物流量。
第二换热器402的入水口经由第三流量控制阀405与冷却装置403的出水口连接，第二换热器402的出水口连接冷却装置403的入水口。
冷却装置403为第二换热器402提供冷却水，该冷却水与经过该第二换热器402的反应产物进行热交换，以降低反应产物的温度，热交换后的水(即，冷却回水)流回冷却装置403进行冷却后重新提供给第二换热器402。
通过第三流量控制阀405控制进入第二换热器402的冷却水量。其中，依据第二温度控制器404测得的第二换热器402输出的反应产物的温度，控制第三流量控制阀405的开度，以使反应产物的最终温度维持在第二预设温度范围内。
第二换热器402输出的加氢有机物输送至加氢有机物储罐406进行存储，以便运输至氢气用户所处地。
在本申请的一个实施例中，该系统还包括脱氢装置500。有机物储氢子系统400输出的反应产物运输至氢气用户后，利用脱氢装置500进行脱氢，即从反应产物中分离得到氢气供氢气用户使用。脱氢后的有机物可以重新作为有机储氢介质输送至有机储氢子系统400中。
本实施例提供的可再生能源制氢和储氢系统，利用第一换热器将有机物储氢子系统产生的部分热量转移至水电解制氢子系统中为水电解制氢装置加热，避免其内的液体结晶、冻凝。同时，利用第二换热器实现有机物储氢子系统输出的加氢有机物的温度稳定。而且，利用第一温度控制器和第二流量控制阀控制伴热子系统中伴热水的温度稳定在一定范围内。利用该系统能够有效利用系统内部的热量，提高了能量利用率。
请参见图3，示出了本发明提供的再一种可再生能源制氢和储氢系统的结构示意图，本实施例应用于风力发电应用场景中。
在风力发电应用场景中，与图2所示实施例的区别在于，无论白天还是晚上，只要有风风力发电装置就能产生电能，水电解制氢子系统能够工作，即不需要保温。而光伏发电装置只能在白天发电，晚上不能发电，因此，在风力发电的应用场景中，不能按照白天或晚上控制伴热子系统的工作状态。
在风力发电应用场景中，水电解制氢子系统200中的水电解制氢装置201还设置有第三温度控制器204。
第三温度控制器204检测水电解制氢装置201内的电解液和水系统中的水的温度，当检测到的温度低于预设温度时，控制伴热子系统300工作，并使水电解制氢子系统内的电解液及水维持在一定的温度范围内；若检测到的温度高于预设低温范围内，则不需要伴热子系统300工作。
在本申请的一个实施例中，第三温度控制器204具体用于控制伴热子系统300中的伴热水泵302工作，从而向第一换热器301输送冷却水，第一换热器301输出的伴热水提供给水电解制氢装置301，实现为水电解制氢装置201加热。
本实施例中，水电解制氢子系统200、伴热子系统300和有机物储氢子系统400的工作原理与上述实施例的工作过程相同，此处不再赘述。
本实施例提供的可再生能源制氢和储氢系统，应用于风力发电应用场景中，水电解制氢子系统中设置有温度控制器，用于检测水电解制氢子系统中的电解液及水的温度，并根据检测到的温度控制伴热子系统的工作状态。当电解液及水的温度低于预设温度时，则控制伴热子系统工作，由伴热子系统将有机物储氢子系统产生的热量转移至水电解制氢子系统中，既能避免水电解制氢子系统中的液体结晶、冻凝，又能降低有机物储氢子系统为加氢有机物降温所需的冷却水用量，因此提高了能量利用率。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例记载的技术特征可以相互替代或组合，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本申请各实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。
本申请各实施例中的装置及终端中的模块和子模块可以根据实际需要进行合并、划分和删减。
本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的终端，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的终端实施例仅仅是示意性的，例如，模块或子模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个子模块或模块可以结合或者可以集成到另一个模块，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的模块或子模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块或子模块的部件可以是或者也可以不是物理模块或子模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块或子模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块或子模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块或子模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块或子模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块或子模块集成在一个模块中。上述集成的模块或子模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块或子模块的形式实现。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
