一种热电氢多联供装置
技术领域
本发明涉及热电氢联供系统，特别是涉及一种基于太阳能的热电氢多联供系统。
背景技术
随着能源需求急剧增加，寻找替代化石燃料的可再生能源、提升能量利用效率、减少环境污染已成为当前的研究重点。太阳能作为一种应用广泛、环境清洁和友好的可再生能源，在可持续发展中起着重要作用。太阳能发电在电力装机结构和一次能源生产中的比重逐年升高。但是，太阳能受到时间、气候的影响，通过超级电容和蓄电池进行电能存储，在全生命周期内能量密度低，成本高，同时所产生的电能不能全部利用。氢是一种能量密度高，清洁无污染，易存储和运输的可再生能源，是当前最具有发展潜力的能源载体。水电解制氢是一种通过电解槽发生化学反应将水直接转化为氢和氧的清洁制氢技术，但是电解所需的电通过化石燃料产生时，会造成环境污染，且为不可持续的能源。
电解槽的种类主要包括质子交换膜电解槽、碱性电解槽、固体氧化电解槽等。目前电解制氢系统多采用低温的质子交换膜电解槽，电解效率不高，高温固体氧化物电解槽的电解效率高，高温运行情况下能有效的降低水电解过程中所需的电能。
发明内容
针对分布式能源系统对热、电、氢的需求，本发明的目的在于提供一种基于太阳能的多联供系统，在满足用户多种用能需求的同时，将电解制氢与太阳能发电技术相结合，可将太阳能转化为氢气并存储，是一种高效的能量转换技术。同时结合燃料电池的高发电效率、高能量密度特点，可实现太阳能的高效利用，对提高减少环境污染具有良好效果。提高能源利用率，减少环境污染。
碟式太阳能聚光器的集热温度能够达到800℃～1000℃，能够满足固体氧化物电解槽高温运行的条件，降低水电解所消耗的电能。本系统解决了太阳能废电问题，提高了太阳能利用率，实现24小时不间断的热电联供。
本发明采用的技术方案是：一种基于太阳能的热电氢多联供系统，包括碟式太阳能聚光器、固体氧化物电解槽、双级朗肯循环、质子交换膜燃料电池、加湿器、换热器、热水水箱、冷水水箱。所述的碟式太阳能聚光器吸收太阳能用于电解水的加热和双级朗肯循环(水和 R601)热发电；所述的双级朗肯循环产生的电，一部分用于供给负载，另一部分用于固体氧化物电解槽电解制氢；所述的冷水水箱的出口分为两部分，一部分通入换热器吸收质子交换膜燃料电池发电过程中产生的余热并进入热水水箱，另一部分作为冷凝工质，回收双级朗肯循环过程中产生的废热并进入热水水箱；所述热水水箱收集的热水有两部分用途：一是作为热源，用于供热，二是为电解槽提供电解水；所述的固体氧化物电解槽为固体氧化物电解电堆，热水水箱提供的热水经过换热器加热后进入电解电堆，在电能的作用下发生电化学反应，分解为氧气和氢气进行存储，同时在来自冷水水箱的冷却水的作用下降低气体存储的温度和回收未分解的水蒸汽进入热水水箱；所述的质子交换膜燃料电池为质子交换膜燃料电池电堆，氢气和氧气经过加湿器的加热加湿进入电堆发生电化学反应，产生电、水和余热，余热被堆的循环冷却水回收，进入加湿器用于进气气体的加热加湿，进一步与换热器进行换热。
本发明的碟式太阳能聚光器主要包括三个部件：集热器、聚光反射器、支架结构。具体的工作原理：借助聚光反射器将太阳辐射能聚焦反射到位于焦点位置的集热器上，集热器吸收这部分辐射能并将其转化为热能直接利用。
本发明采用的双级朗肯循环，主要包括五个部件：透平、冷凝器、换热器、闪蒸器、泵，分为高温朗肯循环(水蒸汽)和低温朗肯循环(R601)。朗肯循环的工作原理为：工作介质在泵中被压缩升压，然后经过换热器加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入透平并完成做功发电，其中未被汽化的工作介质被闪蒸器回收重新汽化，做功后的低压蒸汽进入冷凝器，冷凝后回到泵中，完成一次循环。R601为低沸点有机物，作为低温朗肯循环的循环工质。
一种基于太阳能的热电氢多联供装置，包括太阳能聚光器、电解槽、双级朗肯循环、燃料电池、加湿器、换热器、热水水箱、冷水水箱；太阳能聚光器还包括集热器，，集热器与第一换热器和热水水箱的出口相连，所述的冷水水箱的出口分为两部分：一部分是经过第三换热器后与热水水箱相连，另一部分是经过第一冷凝器和第二冷凝器后与热水水箱相连；所述的热水水箱的出口经过集热器后与电解槽相连。所述的电解槽的出口经过第二换热器后与氢气罐和氧气罐相连。所述的氢气罐和氧气罐与加湿器相连。所述的来自冷水水箱的进水管道经过第二换热器后与回水管道汇合一同与热水水箱相连。所述的质子交换膜燃料电池的循环水冷却管道与加湿器相连，加湿器的出口分为两部分：一是与质子交换膜燃料电池相连，二是经过换热器后与质子交换膜燃料电池相连。所述碟式太阳能的集热温度为750～950℃，循环工质使用钠，其热利用率达70％；所述的质子交换膜燃料电池含有内部冷却循环子系统，其反应产生的热一部分用于预热和加湿进入电堆的氢气与氧气，一部分通过换热器换热回收多余热能。
双级朗肯循环包括透平、冷凝器、换热器、闪蒸器、泵五个部件；分为高温朗肯循环和低温朗肯循环，朗工作介质在泵中被压缩升压，然后经过换热器加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入透平并完成做功发电，其中未被汽化的工作介质被闪蒸器回收重新汽化，做功后的低压蒸汽进入冷凝器，冷凝后回到泵中，完成一次循环。
基于太阳能的多联供系统，采用能量梯级利用原则，利用碟式太阳能聚光器以太阳能作为驱动热源，通过水电解制氢、双级朗肯循环及燃料电池发电技术，为用户提供不间断电力、采暖及热水，实现对太阳能的清洁高效利用。联供系统在高辐射强度工况下的能量利用率可达44％，制氢效率可达35％。此外，在联供系统工作过程中，太阳能作为唯一的能量输入(无需接入外部电能)的情况下运行，排放物仅有水和余热，无温室气体等污染物质的排放，在环境保护方面具有显著的优势。
(1)碟式太阳能聚光器的集热温度能够很好的满足固体氧化物电解槽对高温运行条件的需求。固体氧化物电解槽运行于高温情况下，能大大减少水电解过程中所需的电能，其电解效率远高于其他电解槽，同时还能回收余热，用于预热电解水和提供热。
(2)质子交换膜燃料电池工作不受卡诺循环的限制，发电效率比传统动力装置及其他种类的燃料电池都要高。同时对燃料电池工作产生的余热进行回收，进一步用于供热及进气处理。
(3)在双级朗肯循环中，低温朗肯循环利用高温朗肯循环透平做功后的低压水蒸汽加热 R601工质进行发电，实现对热能的再次利用，提高系统的发电效率。同时热水水箱中的热能也能作为热源，用于系统供热，提高系统的热利用率。
(4)本发明适用于分布式能源中的热电氢联供系统。白天利用碟式太阳能聚光器吸收太阳能用于电解水的加热和双级朗肯循环发电，产生的电能一部分供给负载，另一部分供给固体氧化物电解槽电解制氢，晚上通过质子交换膜燃料电池利用氢进行发电供给负载。吸收水电解制氢、双级朗肯循环及燃料电池发电过程中的余热用于供热，提高太阳能的利用率，满足用户的多种能源需求，减少环境污染，实现24小时不间断热、电联供。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中，101、聚光反射器；102、集热器；103、固体氧化物电解槽；104、进水管道；105、热水水箱；106、第一泵；107、第一冷凝器；108、第一换热器；109、闪蒸回收管道； 110、闪蒸器；111、第一透平；112、回收水管道；113、第二换热器；114、氧气罐；115、氢气罐；116、加湿器；117、循环水冷却管道；118、质子交换膜燃料电池；119、第三换热器；120、冷水箱；121、第二冷凝器、；122、冷凝管道；123、第二泵；124、第四换热器； 125、第二透平。
图2为效率图，图中显示了集热器集热温度对系统效率的影响。随着温度升高，效率在 1073K左右出现极值，这是因为温度的升高导致热损失增多，同时电解效率增加，消耗的电能减少。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步描述。
如图1所示，本发明是一种基于太阳能的热电氢联供系统，包括聚光反射器101，集热器102，固体氧化物电解槽103，进水管道104，热水水箱105，第一泵106，第一冷凝器107，第一换热器108，闪蒸回收管道109，闪蒸器110，第一透平111，回收水管道112，第二换热器113，氧气罐114，氢气罐115，加湿器116，循环水冷却管道117，质子交换膜燃料电池 118，第三换热器119，冷水箱120，第二冷凝器121，冷凝管道122，第二泵123，第四换热器124，第二透平125。所述的碟式太阳能聚光器主要包括聚光反射器101和集热器102，聚光反射器101将太阳能聚焦于集热器102中，集热器102与第一换热器108和热水水箱105 的出口相连。所述的双级朗肯循环为：在一级朗肯循环(高温朗肯循环)中，第一泵107的出口与第一换热器108相连，第一换热器108的出口与闪蒸器110相连，闪蒸器110的出口分别与第一泵106和第一透平111相连，第一透平111的出口经过第四换热器124后与第一泠凝器107相连，第一泠凝器107的出口与第一泵106相连；在二级朗肯循环(低温朗肯循环)中，第二泵123的出口经过第四换热器124后与第二透平125相连，第二透平125的出口与第二冷凝器121相连，第二冷凝器121的出口与第二泵123相连。所述的冷水水箱120 的出口分为两部分：一部分是经过第三换热器119后与热水水箱105相连，另一部分是经过第一冷凝器107和第二冷凝器121后与热水水箱105相连。所述的热水水箱112的出口经过 102集热器后与电解槽103相连。所述的电解槽103的出口经过第二换热器113后与氢气罐 115和氧气罐114相连。所述的氢气罐115和氧气罐114与加湿器116相连。所述的来自冷水水箱120的进水管道104经过第二换热器113后与回水管道112汇合一同与热水水箱105相连。所述的质子交换膜燃料电池118的循环水冷却管道与加湿器116相连，加湿器116的出口分为两部分：一是与质子交换膜燃料电池118相连，二是经过换热器119后与质子交换膜燃料电池118相连。
本发明固体氧化物电解电堆由75～100个单片固体氧化物电解槽串联而成，功率为 25～30KW、运行温度为800～900℃，电解水的过量系数为1.25，质子交换膜燃料电池电堆由75～100个单片质子交换膜燃料电池串联而成，功率为5～7KW，工作温度为75～85℃，氢气与氧气的过量系数为1.15，冷却方式采用水冷。
具体工作原理：
如图1所示，碟式太阳能聚光器利用聚光反射器101将太阳能聚焦，被集热器102吸收，吸收的一部分能量用于加热热水水箱105出来的热水，同时另一部分能量通过换热器108进行换热，实现对高温朗肯循环工质(水)的加热；高温朗肯循环的工作过程：工作介质(水) 在第一泵106中被压缩升压，然后经过第一换热器108加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入第一透平111做功发电，其中未被汽化的工作介质被闪蒸器110回收重新汽化，做功后的低压蒸汽其温度较高，再通过第四换热器124换热，然后进入第一冷凝器107，冷凝后回到第一泵106中，完成一次循环；低温朗肯循环工作过程：工作介质(R601)在第二泵123中被压缩升压，然后经过第四换热器124加热汽化，进入第二透平125做功发电，做功后的工作介质进入第二冷凝器121，冷凝后回到第二泵123中，完成一次循环；所述双级朗肯循环产生的电能，一部分供给负载，另一部分供给固体氧化物电解槽103；所述的冷水水箱120 的出口分为两部分，一部分经过第三换热器119吸收质子交换膜燃料电池118发电过程中产生的余热后，进入热水水箱105，另一部分作为第一冷凝器107和第二冷凝器121的冷凝工质，回收双级朗肯循环过程中产生的废热进入热水水箱105；所述热水水箱105收集的热水有两部分用途，一是作为热源供热，二是为电解槽103提供电解水；固体氧化物电解槽103 为固体氧化物电解电堆，热水水箱105提供的热水经过集热器102加热后进入电解槽103，在电能的作用下发生电化学反应，将水分解为氢气和氧气，并存储于氢气罐115和氧气罐114 中，在存储之前，在来自冷水水箱的冷却水104的作用下通过第二换热器113换热降低氢气、氧气的温度，同时通过回收水管道112回收未反应的水蒸汽，换热后的冷却水与未反应的水蒸汽一同进入热水水箱105；质子交换膜燃料电池118为质子交换膜燃料电池电堆，氢气和氧气在加湿器116的作用下加热加湿进入质子交换膜燃料电池电堆118，发生电化学反应产生电和余热，电能供给负载，余热被堆的循环冷却水117回收，进入加湿器116用于进气气体的加热加湿，然后经过第三换热器119进行换热。
(1)碟式太阳能聚光器的集热温度能够很好的满足固体氧化物电解槽对高温运行条件的需求，大大减少水电解过程中所需的电能。固体氧化电解槽的电解效率远高于其他电解槽，同时还能回收余热，用于预热电解水和提供热。
(2)质子交换膜燃料电池不受卡诺循环的限制，发电效率比传统动力装置及其他种类的燃料电池都要高。同时对燃料电池工作产生的余热进行回收，进一步用于供热及进气处理。
(3)在双级朗肯循环中，低温朗肯循环利用高温朗肯循环透平做功后的低压水蒸汽加热 R601工质进行发电，实现对热能的再次利用，提高系统的发电效率。同时热水水箱中的热能也能作为热源，用于R601工质的加热，提高系统的热利用率。
(4)白天利用碟式太阳能聚光器吸收太阳能用于电解水的加热和双级朗肯循环发电，产生的电能一部分供给负载，另一部分供给固体氧化物电解槽电解制氢；晚上通过存储的氢通过质子交换膜燃料电池发电供给负载。吸收水电解制氢、双级朗肯循环及燃料电池发电过程中的余热用于供热，提高太阳能的利用率，满足用户的多种能源需求，减少环境污染，实现 24小时不间断热电联供。
最后应说明的是：以上实施仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
