本實(shí)用新型屬于發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于燃料電池的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，對(duì)能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所產(chǎn)生的環(huán)境污染問題日益尖銳。新能源資源潛力大，可持續(xù)利用，在滿足能源需求、改善能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用，已引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。在能源安全與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，技術(shù)相對(duì)成熟、具備規(guī)?；_發(fā)條件的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為一種清潔的可再生能源，在世界范圍內(nèi)取得了飛速發(fā)展。特別是近年來，風(fēng)力發(fā)電的產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場(chǎng)化程度逐年提高。截至2015年底，全年風(fēng)電新增裝機(jī)容量3297萬千瓦，新增裝機(jī)容量再創(chuàng)歷史新高，累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到1.29億千瓦，占全部發(fā)電裝機(jī)容量的8.6％，全國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)繼續(xù)保持強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，機(jī)械功帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，最終輸出交流電的電力設(shè)備。風(fēng)力發(fā)電機(jī)根據(jù)軸向的差別，可分為兩類：①水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行；②垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或者氣流方向。其中水平軸風(fēng)力機(jī)又可分為升力型和阻力型兩類。由于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)較垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)性能好，而且升力型旋轉(zhuǎn)速度快，阻力型旋轉(zhuǎn)速度慢，因此目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多采用升力型水平軸風(fēng)力機(jī)(注：后文中無特殊說明，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)均為升力型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī))。

由于風(fēng)能自身特點(diǎn)決定了風(fēng)力發(fā)電是典型的隨機(jī)性、間歇性，其大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和運(yùn)行調(diào)度等諸多方面均有很大影響。而且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所能利用風(fēng)能的風(fēng)速也具有一定的范圍要求，啟動(dòng)風(fēng)速一般為3～5m/s，停機(jī)風(fēng)速一般為15～35m/s。受限于風(fēng)電并網(wǎng)以及有效風(fēng)速范圍的限制，當(dāng)前風(fēng)電廠的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并不能持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械，長(zhǎng)時(shí)間的停止工作會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)潤(rùn)滑油、轉(zhuǎn)動(dòng)部件的損壞，因此目前風(fēng)電廠中需要配置備用電源，利用備用電源的電能帶動(dòng)停止的風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能和壽命。此外，為了確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在臺(tái)風(fēng)等極端天氣時(shí)的安全性，也需要事故備用電源，向風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳子系統(tǒng)和偏航子系統(tǒng)提供電能，使機(jī)組始終處于迎風(fēng)面，同時(shí)槳葉順槳到90o的位置，以確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全性。

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率需求，風(fēng)力發(fā)電廠用備用電源一般需滿足以下條件：

(1)單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)所需備用電源功率需要達(dá)到50kW：包括偏航電機(jī)8～10kW，液壓電機(jī)20kW左右，及其他負(fù)荷10kW，無功功率為40～50kVar。

(2)啟動(dòng)速度快：?jiǎn)?dòng)時(shí)間<30s。

目前風(fēng)力發(fā)電廠常用的備用電源系統(tǒng)多采用柴油發(fā)電機(jī)組，主要是因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)組的環(huán)境適應(yīng)性好、成本低廉，而且能夠長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行。但是，無論是陸上風(fēng)電廠還是海上風(fēng)電廠，地理位置均較為偏僻，需要長(zhǎng)距離運(yùn)送柴油，使得采用柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行成本和維護(hù)成本大大提高，而且柴油發(fā)電機(jī)組的效率低、污染嚴(yán)重。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于燃料電池的無人值守型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，無需額外燃料的補(bǔ)充，運(yùn)行維護(hù)成本低。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

基于燃料電池的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)，包括與電網(wǎng)2連接的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1的電能輸出端連接的電解制氫裝置3的電能輸入端，電解制氫裝置3的水入口端連接儲(chǔ)水罐4的水出口端，電解制氫裝置3的氫氣出口端連接儲(chǔ)氫罐5的氫氣入口端，電解制氫裝置3的氧氣出口端連接到大氣中，儲(chǔ)氫罐5的氫氣出口端連接燃料電池裝置6的氫氣入口端，燃料電池裝置6的水出口端連接儲(chǔ)水罐4的水入口端，燃料電池裝置6還包括空氣入口端。

所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1，是指將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，機(jī)械功帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，最終輸出交流電的電力設(shè)備。

所述電網(wǎng)2，是指與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組連接的輸配電線路，能夠?qū)崿F(xiàn)電能的輸入和輸出。

所述電解制氫裝置3，采用質(zhì)子交換膜(Proton Exchange Membrane,PEM)電解水制氫技術(shù)，電解槽由PEM膜電極、雙極板等部件組成。PEM電解技術(shù)能夠?qū)⒎磻?yīng)物氫氣和氧氣分隔開避免串氣，安全性好、產(chǎn)物氣體純度高。系統(tǒng)的負(fù)荷可以從0～100％連續(xù)調(diào)節(jié)，能夠與風(fēng)電的波動(dòng)性相適應(yīng)。電解制氫裝置啟停速度快，5min內(nèi)可產(chǎn)生H₂，輸出氫氣的壓力可達(dá)3MPa。

所述儲(chǔ)水罐4，能夠儲(chǔ)存去離子水，并對(duì)水進(jìn)行保溫，防止水凝結(jié)成冰。

所述儲(chǔ)氫罐5，采用高壓儲(chǔ)氫方式，能夠在常溫下進(jìn)行快速的充放氣。儲(chǔ) 氫罐的壓力為3MPa。

所述燃料電池裝置6，采用質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)發(fā)電技術(shù)，由陰極腔室、陰極、陽(yáng)極腔室、陽(yáng)極、電解質(zhì)等部件組成。PEMFC裝置系統(tǒng)發(fā)電效率可達(dá)50％LHV，啟停速度快(<30s)。

本實(shí)用新型所提出的風(fēng)電電解水制氫-燃料電池發(fā)電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，無需額外燃料的補(bǔ)充，運(yùn)行維護(hù)成本低。

(2)利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所發(fā)出的電能，污染零排放。

(3)可通過運(yùn)輸氫氣來延長(zhǎng)備用時(shí)間。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型一種基于燃料電池的無人值守型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)的示意圖。

1-風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，2-電網(wǎng)，3-電解制氫裝置，4-儲(chǔ)水罐，5-儲(chǔ)氫罐，6-燃料電池裝置

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本實(shí)用新型基于燃料電池的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)，包括與電網(wǎng)2連接的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1的電能輸出端連接的電解制氫裝置3的電能輸入端，電解制氫裝置3的水入口端連接儲(chǔ)水罐4的水出口端，電解制氫裝置3的氫氣出口端連接儲(chǔ)氫罐5的氫氣入口端，電解制氫裝置3的氧氣出口端連接到大氣中，儲(chǔ)氫罐5的氫氣出口端連接燃料電池裝置6的氫氣入口端，燃料電池裝置6的水出口端連接儲(chǔ)水罐4的水入口端， 燃料電池裝置6還包括空氣入口端。

本實(shí)用新型基于燃料電池的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)的工作方法，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1正常工作的情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1將發(fā)出的電能輸送給電網(wǎng)2，同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1所發(fā)出的電能輸送給電解制氫裝置3，電解制氫裝置3將儲(chǔ)水罐4中的水電解成氫氣和氧氣，氫氣被儲(chǔ)存于儲(chǔ)氫罐5中，氧氣直接排放到大氣中；在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1非工作的情況下，電網(wǎng)2能夠?qū)㈦娔茌斔惋L(fēng)力發(fā)電機(jī)組1維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1在非工作情況下的用電；在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1非工作且電網(wǎng)2被切斷的情況下，燃料電池裝置6利用儲(chǔ)氫罐5中的氫氣和空氣中的氧氣，將氫氣的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能和H₂O，其中產(chǎn)生的H₂O被儲(chǔ)存于儲(chǔ)水罐4中，所產(chǎn)生的電能供給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1作為備用電力，從而保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1的安全運(yùn)行。

實(shí)施例1

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1正常工作，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1所發(fā)出的電能一部分輸送給電網(wǎng)2，一部分輸入到PEM電解制氫裝置3中，電耗為40.8kW，消耗水量為5.5L/h，制氫量達(dá)到6Nm³/h，產(chǎn)生氫氣的壓力為3MPa。PEM電解制氫裝置3所產(chǎn)生的氫氣，輸送到儲(chǔ)氫罐5中，儲(chǔ)氫罐5的容積為13.9m³，設(shè)計(jì)壓力3.5MPa。電解制氫裝置3經(jīng)過累計(jì)運(yùn)行67個(gè)小時(shí)將儲(chǔ)氫罐5儲(chǔ)滿。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1非工作且電網(wǎng)2被切斷的情況下，PEMFC燃料電池裝置6利用儲(chǔ)氫罐5中的氫氣和空氣中的氧氣進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電功率50kW，發(fā)電效率50％LHV，氫氣消耗速率700L/min@50kW，可持續(xù)發(fā)電9.5h，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供必要的電能。

實(shí)施例2

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1正常工作，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1所發(fā)出的電能一部分輸送給電網(wǎng)2，一部分輸入到PEM電解制氫裝置3中，電耗為408kW，消耗水量為55L/h，制氫量達(dá)到60Nm³/h，產(chǎn)生氫氣的壓力為3MPa。PEM電解制氫裝置3所產(chǎn)生的氫氣，輸送到儲(chǔ)氫罐5中，儲(chǔ)氫罐5由10個(gè)容積為13.9m³的儲(chǔ)氫罐組成，設(shè)計(jì)壓力3.5MPa。電解制氫裝置3經(jīng)過累計(jì)運(yùn)行67個(gè)小時(shí)將儲(chǔ)氫罐5充滿。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組1非工作且電網(wǎng)2被切斷的情況下，燃料電池裝置6利用儲(chǔ)氫罐5中的氫氣和空氣中的氧氣進(jìn)行發(fā)電，燃料電池裝置6由10臺(tái)發(fā)電功率50kW的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)組成。單臺(tái)PEMFC發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率50％LHV，氫氣消耗速率700L/min@50kW。燃料電池裝置6可同時(shí)為10臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供電能，在50kW下可持續(xù)發(fā)電9.5h，保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所需電能。