一种城市分布式能源系统
技术领域
本发明涉及城市能源系统技术领域，具体涉及一种城市分布式能源系统。
背景技术
家用型燃料电池热电联供系统采用质子交换膜燃料电池(proton exchangemembrane fuel cell,PEMFC)或者固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)作为发电单元，发电效率可达到40％至60％，其余废热可以被利用来提供家庭热水，使得整个系统能量利用效率超过90％。
其中，普拉格能源公司(Plug Power)开发出了一种7kW家用热电联产装置，如图1所示，该装置可以直接为用户提供家用电器、照明、采暖和空调等所需的电能，同时还可将燃料电池放出的余热回收用来加热水或采暖。家用燃料电池可用纯氢作燃料，也可使用天然气、丙烷、甲烷等。该装置工作时为空调器、照明和其他家用电器提供电力，并为住宅供暖和供热水。
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术至少存在如下技术问题：
(1)现有SOFC多用于家庭自用的独立热电联供系统，在用户的用电用热低负荷时未将多余能量送至电网、热网，导致清洁能源利用不充分。
(2)现有家用SOFC在热水储罐满容量后SOFC停止工作，导致供电中断，无法仅通过SOFC满足用户即时需求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种城市分布式能源系统，以充分利用清洁能源以及更好地满足用户用电需求。
为了实现本发明目的，本发明实施例提供一种城市分布式能源系统，包括城市电网、氢气储存单元、产氢企业单元和多个居民用户单元，每一居民用户单元包括若干耗能负载和一SOFC单元，所述SOFC单元至少包括一SOFC组件和一热水储罐；所述氢气储存单元、产氢企业单元和居民用户单元分别通过电网线路与所述城市电网连接，所述城市电网用于为所述氢气储存单元、产氢企业单元和多个居民用户单元供电；所述氢气储存单元、产氢企业单元、热水储罐分别通过一热网支管线与热网主管线连接，所述热网主管线首尾相连形成闭环管路；所述氢气储存单元与所述产氢企业单元通过一氢气管线连接，所述SOFC单元通过氢气管线连接所述氢气储存单元；所述SOFC组件用于利用所述氢气储存单元提供的氢气进行发电以对居民用户单元的耗能负载供电，且以热水形式回收所述SOFC组件发电过程产生的热能以对居民用户单元的耗能负载供热，所述热水储罐用于储存所述SOFC组件发电过程中回收的热水。
优选地，所述热水储罐上设置有进水口和出水口，所述SOFC组件发电过程中回收的热水经所述进水口流入热水储罐内，所述出水口通过一热网支管线与所述热网主管线连通，且所述出水口设置于所述热水储罐顶部位置。
优选地，所述进水口处设置有一止回阀，所述止回阀用于防止回收的热水倒流。
优选地，所述热网主管线上设置有水泵，所述水泵用于实现热网主管线中热水循环。
优选地，每一居民用户单元均包括一太阳能发电组件，所述太阳能发电组件用于利用太阳能进行发电以对居民用户单元的耗能负载供电。
优选地，所述能源系统还包括公共设施单元；所述公共设施单元通过电网线路与所述城市电网连接，所述城市电网用于为所述公共设施单元供电；所述公共设施单元通过一热网支管线与所述热网主管线连接。
优选地，所述能源系统还包括备用电站；所述备用电站通过电网线路与所述城市电网连接，所述城市电网用于为所述备用电站供电；所述备用电站通过一热网支管线与所述热网主管线连接；所述备用电站通过一化石能源管线与所述产氢企业单元连接。
优选地，所述SOFC单元还包括一氢气储罐，所述氢气储罐通过氢气管线所述氢气储存单元连接，所述氢气储罐用于储存居民应急用的氢气。
优选地，所述氢气储存单元与产氢企业单元之间的氢气管线上设置有一空压机，所述空压机用于将产氢企业单元所产生的氢气压缩后送至所述氢气储存单元进行储存。
在本发明实施例中，为每一居民用户设置了一个SOFC单元，每一SOFC单元包括一SOFC组件和一热水储罐，并设置氢气储存单元、产氢企业单元、热水储罐分别通过一热网支管线与热网主管线连接，其中，所述热网主管线首尾相连形成闭环管路(构成城市热网)；所述氢气储存单元与所述产氢企业单元通过一氢气管线连接，所述SOFC单元通过氢气管线连接所述氢气储存单元；在使用过程中，所述SOFC组件用于利用所述氢气储存单元所提供的氢气进行发电以对居民用户单元的耗能负载供电，同时，以热水形式回收所述SOFC组件发电过程产生的热能以对居民用户单元的若干耗能负载供热，所述热水储罐用于储存所述SOFC组件发电过程中回收的热水，当热水储罐中的热水超过热水储罐的储存容量时，多余的热水将流入热网主管线用于为其他的氢气储存单元、产氢企业单元以及居民用户供热。本发明实施例以SOFC单元作为城市分布式能源网络的供电单元，将SOFC发电副产的热能并入城市热网，以工业副产品氢气作为SOFC发电的主要能量来源，能源利用灵活，利用效率高，从而实现了充分利用清洁能源以及更好地满足用户用电需求。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而得以体现。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
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，下面描述中的附图仅仅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为背景技术中一种7kW家用热电联产装置结构示意图。
图2为本发明实施例一种城市分布式能源系统结构示意图。
图中标记：
1-SOFC组件，2-氢气储存单元，3-产氢企业单元，4-公共设施，5-备用电站，6-城市电网，7-水泵，8-空压机，9-热水储罐，10-氢气储罐，11-太阳能发电组件，12-居民用户。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的手段未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
如图2所示，本发明实施例提供一种城市分布式能源系统，包括城市电网6、氢气储存单元1、产氢企业单元3和多个居民用户单元12，每一居民用户单元12包括若干耗能负载和一SOFC单元，所述SOFC单元至少包括一SOFC组件1和一热水储罐9；所述氢气储存单元1、产氢企业单元3和居民用户单元12分别通过电网6线路与所述城市电网6连接，所述城市电网6用于为所述氢气储存单元1、产氢企业单元3和多个居民用户单元12供电；所述氢气储存单元1、产氢企业单元3、热水储罐9分别通过一热网支管线与热网主管线连接，所述热网主管线首尾相连形成闭环管路；所述氢气储存单元1与所述产氢企业单元3通过一氢气管线连接，所述SOFC单元通过氢气管线连接所述氢气储存单元1；所述SOFC组件1用于利用所述氢气储存单元1提供的氢气进行发电以对居民用户单元12的耗能负载供电，且以热水形式回收所述SOFC组件1发电过程产生的热能以对居民用户单元12的耗能负载供热，所述热水储罐9用于储存所述SOFC组件1发电过程中回收的热水。
具体而言，所述产氢产业单元指的是化工厂等产氢企业，化工厂等产氢企业在日常生产过程中会产生废气氢气，在本实施例的能源系统中，化工厂等产氢企业的废气氢气通过氢气管线输送到所述氢气储存单元1进行储存，所述氢气储存单元1可以是一个氢气储存站的形式，所述居民用户单元12指的是居民家庭用户，本实施例能源系统中为每家每户配置了一个SOFC单元，所述氢气储存单元1所储存的氢气将会输送至每家每户的SOFC单元以进行SOFC发电。
本实施例能源系统在应用过程中，居民家庭用户主要利用SOFC单元自主发电以对家庭耗能负载进行供电，在SOFC单元发电电能不满足家庭耗能要求时，则利用城市电网6所提供的电能进行补充。此外，本实施例能源系统提出热网主管线，该首尾相连形成闭环管路，所述热网主管线为能源系统的城市热网，每家每户的SOFC组件1在发电过程中会产生热量，由于SOFC发电的排气有很高的温度，具有较高的利用价值，因此，本实施例能源系统利用热水的形式回收SOFC发电所产生的热量，也就是利用SOFC发电所产生的热量对水进行加热，然后将加热后的热水储存到所述热水储罐9中，以供居民使用。进一步地，由于热水储罐9的储存容量有限，因此，本实施例能源系统将每家每户的热水储罐9与所述热网主管线连通，当热水储罐9中的热水超过热水储罐9的储存容量时，能够将多余的热水排入所述热网主管线中，其他用能单位能够从所述热网主管线中获取热水，从而实现了能源的充分利用，同时对化工厂等产氢企业的废气氢气进行回收利用，降低化工厂等产氢企业的废气污染，具有良好的环境效益。此外，本发明实施例以SOFC作为城市分布式能源网络的供电单元，相比传统卡诺循环发电方式，显著提高了发电效率。
在一些实施例中，所述热水储罐9上设置有进水口和出水口，所述SOFC组件1发电过程中回收的热水经所述进水口流入热水储罐9内，所述出水口通过一热网支管线与所述热网主管线连通，且所述出水口设置于所述热水储罐9顶部位置。
具体而言，本实施例中将热水储罐9的出水口设置于所述热水储罐9顶部位置，以使得热水储罐9中的热水超过热水储罐9的储存容量时，能够将多余的热水排入所述热网主管线中。
在一些实施例中，所述进水口处设置有一止回阀，所述止回阀用于防止回收的热水倒流。
在一些实施例中，所述热网主管线上设置有水泵7，所述水泵7用于为热网主管线中的热水流动提供动力，以实现热网主管线中热水循环。
在一些实施例中，每一居民用户单元12均包括一太阳能发电组件11，所述太阳能发电组件11用于利用太阳能进行发电以对居民用户单元12的耗能负载供电。
在一些实施例中，所述能源系统还包括公共设施单元4；所述公共设施单元4通过电网6线路与所述城市电网6连接，所述城市电网6用于为所述公共设施单元4供电；所述公共设施单元4通过一热网支管线与所述热网主管线连接。
具体而言，所述公共设施单元4指的是城市中各种公共设施，例如学校、医院等场所中的耗能设备。
在一些实施例中，所述能源系统还包括备用电站5；所述备用电站5通过电网6线路与所述城市电网6连接，所述城市电网6用于为所述备用电站5供电；所述备用电站5通过一热网支管线与所述热网主管线连接；所述备用电站5通过一化石能源管线与所述产氢企业单元3连接。
具体而言，所述备用电站5具备热电联产功能，当SOFC组件1并入热网的热量不足，备用电站5消耗化石燃料向热网供热。
在一些实施例中，所述SOFC单元还包括一氢气储罐10，所述氢气储罐10通过氢气管线所述氢气储存单元1连接，所述氢气储罐10用于储存居民应急用的氢气。
在一些实施例中，所述氢气储存单元1与产氢企业单元3之间的氢气管线上设置有一空压机8，所述空压机8用于将产氢企业单元3所产生的氢气压缩后送至所述氢气储存单元1进行储存。
通过以上实施例的描述可知，本发明实施例为每家每户设置了一个SOFC单元和太阳能发电组件11，每一SOFC单元包括一SOFC组件1和一热水储罐9，并设置氢气储存单元1、产氢企业单元3、热水储罐9、公共设施分别通过一热网支管线与热网主管线连接。
所述能源系统采用SOFC组件1及太阳能发电组件11进行发电产生电能供居民用户使用，多余电能通过电网6线路由城市电网6调配，用于满足氢气储存站、化工厂等产氢企业、公共设施及备用电站5使用。当SOFC组件1及太阳能发电组件11产生电能不足以满足居民用户自身用电负荷时，电网6通过电网6线路将电能供给居民用户。其中，SOFC组件1在使用时以热水形式回收储存部分热能，热水储存在热水储罐9中供给居民用户使用。受热水储罐9容量限制，当热水量超出储罐容量时，多余热水并入热网管线，热网管线设置水泵7实现热网能量循环，通过热网管线给氢气储存站、化工厂等产氢企业、公共设施及备用电站5供热。其中，SOFC组件1投用时需要消耗氢气及氧气，设置氢气储存站向SOFC组件1供给压缩氢气，化工厂等产氢企业产生的废弃氢气通过空压机8压缩后送至氢气储存站存储，居民用户设置氢气储罐10作为应急气源。当SOFC组件1及太阳能发电组件11产生电能不足，备用电站5消耗化石燃料向电网6供电。备用电站5作为SOFC组件1及太阳能发电组件11供电的补充，用于提高能源网络可靠性及灵活性。本实施例将分布式能源网络与植物仿生学相结合，SOFC组件1及太阳能发电组件11为植物叶片，氢气、氧气及太阳能为植物叶片能量来源，化石能源管线、氢气管线、电网6管线及热网管线为植物输送养分的导管，备用电站5为植物根部，化石能源为根部提供养分。
综上，本发明实施例采用清洁能源供电作为城市供电网络的基础，解决化石能源大量使用造成的环境污染问题，以SOFC作为城市分布式能源网络的供电单元，将SOFC发电副产的热能并入城市热网，提高了能源利用效率，以工业副产品氢气作为SOFC发电的主要能量来源，减少工业氢气废弃造成的能源浪费，设置太阳能发电组件承担部分用电负荷，利于节能环保，能源利用灵活，利用效率高。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
