本發(fā)明屬于發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于燃料電池的多能互補(bǔ)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和工作方法。
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(wèn)題日益尖銳。太陽(yáng)能和風(fēng)能資源潛力大，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。但是太陽(yáng)能和風(fēng)能是典型的隨機(jī)性、間歇性，其并網(wǎng)消納面臨巨大挑戰(zhàn)。通過(guò)多種類型電源之間互補(bǔ)運(yùn)行是促進(jìn)風(fēng)能太陽(yáng)能發(fā)展消納的重要途徑。
燃料電池發(fā)電技術(shù)是一種直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，能夠?qū)⑻烊粴?、H2等碳?xì)淙剂系幕瘜W(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能，因無(wú)熱力學(xué)循環(huán)從而超越了熱機(jī)的卡諾循環(huán)效率限制，發(fā)電效率可以達(dá)到50％～60％，熱電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)85％～90％。而且燃料電池負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高，燃料電池在數(shù)秒內(nèi)就可以從最低功率換到額定功率，能夠作為太陽(yáng)能和風(fēng)能的重要補(bǔ)充。
目前，國(guó)際上正在開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的主流的燃料電池主要有以下三類：質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC)以及固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)。其中PEMFC代表性的生產(chǎn)廠家為加拿大的巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司(Ballard Power Systems,Inc.)及豐田汽車公司，MCFC代表性的廠家有美國(guó)Fuel Cell Energy公司、德國(guó)MTU CFC Solution公司、意大利Ansaldo Fuel Cell公司、日本IHI公司以及韓國(guó)POSCO公司，SOFC代表性的廠家有美國(guó)Bloom Energy、日本京瓷公司、日本三菱重工。質(zhì)子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池均可構(gòu)建熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并且具有負(fù)荷響應(yīng)快的特點(diǎn)，能夠工作在以熱定電和以電定熱兩種工作模式下。
將燃料電池與太陽(yáng)能和風(fēng)能進(jìn)行耦合組成多能互補(bǔ)系統(tǒng)，能夠發(fā)揮燃料電池負(fù)荷響應(yīng)快、清潔高效的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠提高太陽(yáng)能和風(fēng)能的利用率，促進(jìn)清潔能源的應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種基于燃料電池的多能互補(bǔ)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和工作方法，以熱定電和以電定熱兩種模式下運(yùn)行，滿足用戶對(duì)電能和熱能的需求。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
一種基于燃料電池的多能互補(bǔ)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，包括燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1，燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1的入口連通天然氣和空氣管道，熱能出口連接熱能輸配控制管理系統(tǒng)2，電能出口連接電能輸配控制管理系統(tǒng)3；熱能輸配控制管理系統(tǒng)2的熱能入口連接太陽(yáng)能光熱裝置4，熱能出口連接熱能負(fù)載，熱油儲(chǔ)熱裝置5與熱能輸配控制管理系統(tǒng)2進(jìn)行連接，能夠進(jìn)行熱能的相互交換；電能輸配控制管理系統(tǒng)3的電能入口連接太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置6和風(fēng)力發(fā)電裝置7，電能出口連接質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置9和熱能負(fù)載，電池儲(chǔ)能裝置8與電能輸配控制管理系統(tǒng)3進(jìn)行連接，能夠進(jìn)行電能的相互交換；質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置9的氫氣出口連接儲(chǔ)氫罐10入口，儲(chǔ)氫罐10的氫氣出口連接燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1的氫氣入口，燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1利用氫氣和空氣產(chǎn)生電能和熱能。
所述燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1采用質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC、熔融碳酸鹽燃料電池MCFC發(fā)電技術(shù)或固體氧化物燃料電池MCFC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)組成；以天然氣或氫氣作為燃料，以空氣作為氧化劑進(jìn)行電化學(xué)發(fā)電，發(fā)電效率達(dá)50％～60％，熱電聯(lián)產(chǎn)效率達(dá)80％～90％，實(shí)現(xiàn)輸出負(fù)荷0～100％調(diào)節(jié)，能夠在以熱定電和以電定熱兩種模式下工作。
所述熱能輸配控制管理系統(tǒng)2，能夠根據(jù)太陽(yáng)能光熱裝置4的運(yùn)行特性和熱能負(fù)載的運(yùn)行特性，控制燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1、太陽(yáng)能光熱裝置4、熱油儲(chǔ)熱裝置5以及熱能負(fù)載的運(yùn)行特性，以滿足熱能負(fù)載的需求。
所述電能輸配控制管理系統(tǒng)3，能夠根據(jù)太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置6、風(fēng)力發(fā)電裝置7以及電能負(fù)載的運(yùn)行特性，控制燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1、太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置6、風(fēng)力發(fā)電裝置7、電池儲(chǔ)能裝置8、質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置9以及儲(chǔ)氫罐10，以滿足電能負(fù)載的需求。
所述太陽(yáng)能光熱裝置4采用太陽(yáng)能集熱管或集熱器，能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能。
所述熱油儲(chǔ)熱裝置5由儲(chǔ)油罐和換熱器組成，能夠吸收太陽(yáng)能光熱裝置4和燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1提供的熱能，并向熱能負(fù)載提供熱能。
所述太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置6由光伏板和逆變器組成，是能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的電力設(shè)備。
所述電池儲(chǔ)能裝置8是指將電能儲(chǔ)存在電池中，并能向外輸出電能的裝置，采用的電池為鈉硫電池、液流電池以及鋰離子電池；燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1、太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置6和風(fēng)力發(fā)電裝置7所產(chǎn)生的電能能夠儲(chǔ)存到電池儲(chǔ)能裝置8中，電池儲(chǔ)能裝置8能夠向電能負(fù)載輸出電能。
所述質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置9采用質(zhì)子交換膜Proton Exchange Membrane,PEM電解水制氫技術(shù)，電解槽包括PEM膜電極和雙極板；PEM電解技術(shù)能夠?qū)⒎磻?yīng)物氫氣和氧氣分隔開(kāi)避免串氣，安全性好、產(chǎn)物氣體純度高；系統(tǒng)的負(fù)荷能夠從0～100％連續(xù)調(diào)節(jié)，能夠與太陽(yáng)能光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性相適應(yīng)；質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置9啟停速度快，5min內(nèi)能夠產(chǎn)生H2，輸出氫氣的壓力達(dá)3MPa。
所述儲(chǔ)氫罐10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10的壓力為3MPa。
所述的基于燃料電池的多能互補(bǔ)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的工作方法，當(dāng)太陽(yáng)能光熱裝置4的輸出功率大于熱能負(fù)載的功率時(shí)，太陽(yáng)能光熱裝置4直接輸出熱能給熱能負(fù)載，其余熱能輸出給熱油儲(chǔ)熱裝置5；當(dāng)太陽(yáng)能光熱裝置4的輸出功率小于等于熱能負(fù)載的功率時(shí)，太陽(yáng)能光熱裝置4直接輸出熱能給熱能負(fù)載，同時(shí)燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1產(chǎn)生的熱量輸出給熱能負(fù)載，此時(shí)如果燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1產(chǎn)生的熱量仍不能滿足熱能負(fù)載的需求，則熱油儲(chǔ)熱裝置5向熱能負(fù)載提供熱能；當(dāng)太陽(yáng)能光熱裝置4、燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1以及熱油儲(chǔ)熱裝置5無(wú)法滿足熱能負(fù)載的需求時(shí)，降低或切斷熱能負(fù)載；
當(dāng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置6和風(fēng)力發(fā)電裝置7的輸出功率之和大于電能負(fù)載的功率時(shí)，其余電能優(yōu)先儲(chǔ)存到電池儲(chǔ)能裝置8中，待電池儲(chǔ)能裝置8滿電時(shí)，其余電能輸送到質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置9中，制取氫氣并儲(chǔ)存于儲(chǔ)氫罐10中；當(dāng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置6和風(fēng)力發(fā)電裝置7的輸出功率之和小于等于電能負(fù)載的功率時(shí)，電池儲(chǔ)能裝置8輸出電能給電能負(fù)載，待電池儲(chǔ)能裝置8的電能用盡時(shí)，燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1利用天然氣和空氣產(chǎn)生電能輸送給電能負(fù)載；當(dāng)天然氣無(wú)法供給時(shí)，燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1利用儲(chǔ)氫罐10中的H2和空氣產(chǎn)生電能輸送給電能負(fù)載；當(dāng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置6、風(fēng)力發(fā)電裝置7、燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1以及電池儲(chǔ)能裝置8無(wú)法滿足電能負(fù)載的需求時(shí)，降低或切斷電能負(fù)載。
本發(fā)明所提出的基于燃料電池的多能互補(bǔ)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)可實(shí)現(xiàn)智能全自動(dòng)運(yùn)行，在以熱定電和以電定熱兩種模式下運(yùn)行，滿足用戶對(duì)電能和熱能的需求；
(2)燃料電池能夠靈活調(diào)節(jié)電能和熱能輸出，可以作為太陽(yáng)能光熱、太陽(yáng)能光伏以及風(fēng)力發(fā)電的補(bǔ)充，提高太陽(yáng)能和風(fēng)力的利用率；
(3)可實(shí)現(xiàn)電能的短期儲(chǔ)存和長(zhǎng)期儲(chǔ)存，提高太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的利用率。
(4)燃料電池系統(tǒng)不僅能夠利用天然氣發(fā)電制熱，還能夠利用儲(chǔ)氫罐中氫氣進(jìn)行發(fā)電制熱，提高了系統(tǒng)的可靠性。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明一種基于燃料電池的多能互補(bǔ)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖1所示，天然氣和空氣通入到燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1中，燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1產(chǎn)出電能和熱能。燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1產(chǎn)出的熱能輸送到熱能輸配控制管理系統(tǒng)2，燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1產(chǎn)出的電能輸送到電能輸配控制管理系統(tǒng)3。太陽(yáng)能光熱裝置4將產(chǎn)出的熱能輸送到熱能輸配控制管理系統(tǒng)2中。熱油儲(chǔ)熱裝置5與熱能輸配控制管理系統(tǒng)2進(jìn)行連接，能夠進(jìn)行熱能的相互交換。熱能輸配控制管理系統(tǒng)2向熱能負(fù)載提供熱能。太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置6輸送電能到電能輸配控制管理系統(tǒng)3。風(fēng)力發(fā)電裝置7輸送電能到電能輸配控制管理系統(tǒng)3。電池儲(chǔ)能裝置8與電能輸配控制管理系統(tǒng)3進(jìn)行連接，能夠進(jìn)行電能的相互交換。電能輸配控制管理系統(tǒng)3將電能輸送給質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置9，質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置9制取的氫氣輸送到儲(chǔ)氫罐10中儲(chǔ)存。儲(chǔ)氫罐10輸出氫氣到燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1中，燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1可利用氫氣和空氣產(chǎn)生電能和熱能。
當(dāng)太陽(yáng)能光熱裝置4的輸出功率大于熱能負(fù)載的功率時(shí)，太陽(yáng)能光熱裝置4直接輸出熱能給熱能負(fù)載，其余熱能輸出給熱油儲(chǔ)熱裝置5。當(dāng)太陽(yáng)能光熱裝置4的輸出功率小于等于熱能負(fù)載的功率時(shí)，太陽(yáng)能光熱裝置4直接輸出熱能給熱能負(fù)載，同時(shí)燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1產(chǎn)生的熱量輸出給熱能負(fù)載，此時(shí)如果燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1產(chǎn)生的熱量仍不能滿足熱能負(fù)載的需求，則熱油儲(chǔ)熱裝置5向熱能負(fù)載提供熱能；當(dāng)太陽(yáng)能光熱裝置4、燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1以及熱油儲(chǔ)熱裝置5無(wú)法滿足熱能負(fù)載的需求時(shí)，降低或切斷熱能負(fù)載。
當(dāng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置6和風(fēng)力發(fā)電裝置7的輸出功率之和大于電能負(fù)載的功率時(shí)，其余電能優(yōu)先儲(chǔ)存到電池儲(chǔ)能裝置8中，待電池儲(chǔ)能裝置8滿電時(shí)，其余電能輸送到質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置9中，制取氫氣并儲(chǔ)存于儲(chǔ)氫罐10中。當(dāng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置6和風(fēng)力發(fā)電裝置7的輸出功率之和小于等于電能負(fù)載的功率時(shí)，電池儲(chǔ)能裝置8輸出電能給電能負(fù)載，待電池儲(chǔ)能裝置8的電能用盡時(shí)，燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1利用天然氣和空氣產(chǎn)生電能輸送給電能負(fù)載；當(dāng)天然氣無(wú)法供給時(shí)，燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1利用儲(chǔ)氫罐10中的H2和空氣產(chǎn)生電能輸送給電能負(fù)載；當(dāng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置6、風(fēng)力發(fā)電裝置7、燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置1以及電池儲(chǔ)能裝置8無(wú)法滿足電能負(fù)載的需求時(shí)，降低或切斷電能負(fù)載。