一种利用光伏热能及电能联合制氢系统及方法

本发明涉及光伏制氢，尤其涉及一种利用光伏热能及电能联合制氢系统及方法。

背景技术：

1、随着全球能源需求不断增长和环境保护意识的增强，可再生能源的开发利用成为当前研究的热点。太阳能作为一种主要的可再生能源，具有取之不尽、用之不竭的特点。然而，光伏发电系统在实际应用中面临多重挑战，包括效率不高、废热管理和过剩电能利用等问题。

2、光伏发电是利用光电效应将太阳能转换为电能的过程，其中光伏组件在转换太阳辐射能为电能的过程中会产生一定量的废热。在光伏组件中，太阳光线被吸收后，一部分光能会被转化为电能，而另一部分则会被组件吸收并转化为热能，造成组件的发热。这部分热能会导致光伏组件温度升高，从而产生废热。光伏组件的峰值功率温度系数一般在-0.38％～-0.44％/℃之间，即随着温度升高，光伏组件的输出功率会降低。在太阳能光伏发电过程中，太阳能辐射在组件表面转换成电能的同时也会造成一部分热损耗，导致光伏能源利用效率降低。

3、此外，当太阳辐射过强时，光伏发电系统的发电量会超过电力系统的负荷承载能力，导致部分电能无法被纳入电网进行有效利用，从而产生弃电现象。此外，光伏发电的不稳定性和时空分布性也使得其与电网之间的功率匹配成为一大挑战，进一步加剧了弃电问题。

4、氢能作为一种高能量密度、零排放的清洁能源，具有广泛的应用前景。利用电解水制氢技术，可以将光伏发电过程中产生的过剩电能转化为氢能存储，从而缓解弃电问题。然而，仅利用过剩电能进行制氢，仍然未能充分利用光伏发电系统中的废热资源。

5、在电解制氢过程中，为了提高制氢效率，现有技术中还会采用其它发电手段来发电和光伏过剩电能联合制氢，反向电渗析(reverse electrodialysis,red)是一种利用盐度梯度发电的技术，通过高浓度和低浓度溶液之间的离子迁移，产生电势差，从而进行电能的输出。然而，反向电渗析系统在长期运行过程中，随着高浓度溶液的浓度降低和低浓度溶液的浓度升高，浓度梯度逐渐减小，导致输出电势和电流减弱，影响了系统的持续发电能力。如果能够将光伏发电系统中的废热利用在反向电渗析上，则可以大大提高盐度梯度发电的效率。

6、因此，将光伏发电过程中产生的余热与过剩电能相结合，进行综合利用，不仅可以提高能源利用效率，还能显著提升光伏发电系统的整体效益。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种利用光伏热能及电能联合制氢系统及方法，通过有效利用光伏发电过程中产生的废热进行盐度梯度发电，并利用光伏发电的过剩电能进行制氢，从而提高光伏能源的整体利用率。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一方面，本发明提供了一种利用光伏热能及电能联合制氢系统，包括：

4、光伏发电单元，包括电气变换装置及与其电性连接的多个光伏面板，所述电气变换装置用于通过光伏面板将太阳能转化为电能；

5、余热回收单元，用于通过循环流动的蓄热流质来吸收光伏面板因太阳辐射所产生的余热；

6、盐度梯度发电单元，包括热交换器、气隙蒸馏装置及反向电渗析装置，反向电渗析装置顺次与气隙蒸馏装置、热交换器及余热回收单元相连接，气隙蒸馏装置联合热交换器及余热回收单元输入到热交换器中的蓄热介质，对反向电渗析装置通入的盐溶液进行浓度调控和再生，所述反向电渗析装置依靠盐溶液的浓度梯度发电；

7、电解制氢单元，与电气变换装置及盐度梯度发电单元连接，用于将光伏过剩电能和盐度梯度发电单元所发的电能联合参与电解水制氢。

8、在上述技术方案的基础上，优选的，余热回收单元包括换热板、进液管道、出液管道及水泵，所述换热板固定设于光伏面板的下表面，水泵的两端分别连接进液管道和出液管道，进液管道远离水泵的一端与换热板的进液端连接，出液管道远离水泵的一端与换热板的出液端连接，水泵用于将蓄热流质在进液管道、换热板及出液管道构成的热流质回路中循环流动。

9、在上述技术方案的基础上，优选的，所述反向电渗析装置包括：

10、阳离子交换膜和阴离子交换膜，所述阳离子交换膜和阴离子交换膜交替排列，形成多个膜对；

11、阳极和阴极，分别位于所述膜对的两端，所述阳极和阴极用于提供电化学反应的电极；

12、电解液，设置在所述阳极和阴极周围，用于维持电化学反应的平衡和导电性能；

13、高浓度溶液流道和低浓度溶液流道，在膜对之间交替排列，以形成盐度梯度，所述高浓度溶液流道用于输送高浓度溶液，所述低浓度溶液流道用于输送低浓度溶液，且高浓度溶液流道和低浓度溶液流道和气隙蒸馏装置相连接。

14、在上述技术方案的基础上，优选的，所述气隙蒸馏装置包括箱体、冷流管道、冷却器、热流管道、冷凝板、蒸发器、第一输送泵、第二输送泵及第三输送泵；

15、所述热流管道、蒸发器、冷凝板及冷流管道层叠设置于箱体内部；

16、冷流管道的进口端通过冷却液、第一输送泵与高浓度溶液流道和低浓度溶液流道的出液端相连接；

17、冷凝板的出口端通过第二输送泵与低浓度溶液流道的进液端相连接；

18、热流管道的出口端通过第三输送泵与高浓度溶液流道的进液端相连接；

19、冷流管道的出口端及热流管道的进口端与热交换器连接，且热交换器串联在所述热流质回路上。

20、进一步，优选的，所述低浓度溶液流道的出液端还与第二输送泵的输出端相连接。

21、在上述技术方案的基础上，优选的，所述热交换器包括壳体，壳体内具有相互独立的进液腔室、出液腔室和换热腔室，壳体顶面设置有和换热腔室相连通的热流质入口，壳体底面设置有和换热腔室相连通的热流质出口，所述热流质入口及热流质出口串联在热流质回路上，冷流管道的出口端与进液腔室相连通，热流管道的进口端与出液腔室相连通，换热腔室内布置有多个换热管束，换热管束的两端分别与进液腔室及出液腔室连通，换热腔室内沿液体流动方向交错设置有多个隔板。

22、在上述技术方案的基础上，优选的，电解制氢单元包括电解槽、恒压电路蓄电池，所述恒压电路的输入端与电气变换装置的输出端电性连接，蓄电池的输入端与反向电渗析装置电性连接，蓄电池的输出端与恒压电路的输入端电性连接，恒压电路用于对盐度梯度所发的电和光伏过剩电能进行稳压处理，恒压电路的输出端与电解槽的输入端电性连接。

23、进一步，优选的，所述恒压电路包括滤波器、开关管、高频换流变压器、高频整流滤波器、脉冲调制器及驱动放大器，所述滤波器对输入电压进行滤波，开关管用于将滤波后的电压转变为高频电压，高频换流变压器用于将高频电压转换为设定的电压，高频整流滤波器用于输出电解槽所需的稳定电压；开关管受脉冲调制器和驱动放大器的控制，当输出电压变化时，来自输出端的取样信号通过比较电路产生误差信号，该误差信号通过脉冲调制器调节开关管的占空比，以确保联合电解制氢的电解电压维持在所需稳定值。

24、在上述技术方案的基础上，优选的，还包括调控平台，所述调控平台包括电力监测模块、控制模块及数据处理模块，所述电力监测模块用于监测所述光伏发电单元发电量，所述数据处理模块用于计算和平衡电网负载，所述控制模块用于在总发电量超过接入的电力系统负载量时，将过剩电能接入到恒压电路中。

25、第二方面，本发明还公开了一种利用光伏热能及电能联合制氢方法，其利用了第一方面所述的光伏热能及电能联合制氢系统，包括步骤如下：

26、s1、监测光伏发电总量是否超过电网负荷承载能力；

27、s2、当不超过时，并入电网，超过时，计算为平衡电网需切断原流向光伏面板的数量，切断相应数量流向电网的线路，接入电解制氢单元；

28、s3、监测余热回收单元中的蓄热流质的温度，当蓄热流质的温度大于盐溶液的温度时，将余热回收单元中的蓄热流质循环通入到热交换器中；

29、s4、将反向电渗析装置通入的盐溶液经气隙蒸馏装置及热交换器进行浓度调节，恢复盐溶液工作溶液浓度，依靠盐溶液的浓度梯度发电；

30、s5、将盐溶液的浓度梯度发的电接入到电解制氢单元，和光伏过剩电能联合进行电解制氢。

31、本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

32、(1)本发明的反向电渗析装置利用盐溶液的浓度梯度来发电，而这种浓度梯度的形成和维持依赖于气隙蒸馏装置的工作，气隙蒸馏装置通过热交换器提供的余热，对盐溶液进行蒸馏和浓缩，从而保持了反向电渗析所需的浓度梯度。这一过程确保了盐度梯度发电单元能够持续、高效地发电；盐度梯度发电单元通过结合气隙蒸馏装置和热交换器，有效利用了光伏面板产生的余热。这种利用方式不仅提高了整个系统的热能利用率，还提高了发电效率；通过将光伏发电过程中产生的过剩电能用于电解水制氢，有效缓解了过剩电能无法被电网吸纳的问题，减少了弃电现象，通过余热回收和多能互补(光伏电能和盐度梯度电能)方式，提升了光伏发电制氢的综合效益，同时提高了光伏能源的整体利用率；

33、(2)盐度梯度发电单元利用的是可再生能源和余热，减少了对环境的污染和资源的消耗。与传统发电方式相比，这种方法更加环保，有助于减少碳足迹和保护生态环境。盐度梯度发电单元通过利用光伏系统的余热和盐溶液的浓度梯度，实现了高效发电。它不仅提升了系统的整体能源利用效率，减少了能源浪费，还通过多能互补和可持续利用，增强了系统的稳定性和经济效益。

34、(3)通过热交换器及余热回收单元联合使用，从反向电渗析装置中流出的盐溶液通过冷却器，再自下而上进入冷流管道，吸收蒸汽的冷凝热，再通过热交换器，由所述蓄热流质带来的低品位热加热，再在重力作用下进入热流管道中，通过蒸发器的多孔介质(疏水性材料，如海绵)，蒸汽在冷凝之前蒸发扩散到整个多孔介质和气孔间隙中，然后在冷凝板冷凝并流出，与一定量的低浓度流出物混合进而恢复到所需浓度，剩余的高浓度流出物恢复到所需浓度，确保盐溶液具备较高的浓度梯度，提高盐度梯度发电效率，进而提高制氢效率。

35、(4)本发明公开的制氢系统利用光伏发电装置产生电能，并通过电气变换装置处理后供给电解槽，反向电渗析装置通过盐度梯度发电，将电能存储于蓄电池中，恒压电路对光伏发电和反向电渗析装置产生的电能进行稳压处理，确保电解槽电能输入的稳定性，提高了电解制氢的效率和可靠性。通过光伏发电和反向电渗析发电，系统能充分利用可再生能源，实现绿色制氢。

36、(5)恒压电路通过滤波、高频转换和闭环控制，实现了对输入电能的高效稳压处理。其设计不仅保证了电解槽在电解制氢过程中的工作电压稳定，还能快速响应电压变化，提供恒定的电能输出。这种高效、稳定的电能转换和管理方式，提升了联合制氢系统的整体性能和可靠性。

37、(6)调控平台通过电力监测、数据处理和控制模块的协同工作，实现了对光伏发电单元发电量的实时监控和智能管理。在发电量超过电网负载需求时，能够将过剩电能高效地引导至恒压电路，用于电解制氢过程，最大化地利用可再生能源，提升系统的能源利用效率和经济效益。这一设计不仅优化了电能的管理和分配，还增强了系统的灵活性和可靠性。