CN102787993A - 一种发电供应系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种发电供应系统及方法，所述系统包括发电设备，所述发电设备利用自然能源发电，发出的直流电直接就地使用。所述系统还包括电解水设备、甲醇制备设备；电解水设备利用发电设备发出的电能将水电解为氢气、氧气；甲醇制备设备利用空气中的二氧化碳及电解水设备制得的氢气在催化剂的催化下生成甲醇。本发明提出的发电供应系统及方法，直接利用发电设备利用自然制得的直流电能，无需转成交流电，无需运输，从而提高电能的有效转化率。同时，本发明还可以将所得的电能进行特定的储存，即利用电能将二氧化碳及氢气制备为甲醇，甲醇可以作为能源的存储方式，可通过燃烧获得能量；也可以利用甲醇和水制备氢气，由氢气发电。

Description

一种发电供应系统及方法

技术领域

本发明属于发电设备技术领域，涉及一种发电供应系统，尤其涉及一种高效的发电供应系统；同时，本发明还涉及一种发电供应方法。

背景技术

能源危机和生态危机一直困扰着世界各国政府，同样也困扰着中国政府，特别是中国是农业大国，几亿农民的增产增收也一直纠结着各级政府。多年来的探索虽有所成效，但一直没有重大突破。

应用能态科学与工程的思维和视角，通过对现存农业食品生产经济模式的分析，结合自然能源的特征，发现自然能源和食品生产具有非常相似的特征。可以得出结论：自然能源的生产基地在农村，完全可以在农村建立食品和自然能源联产的新农村经济模式，称之为能态农业经济或农村能态经济。

从技术层面看，几项主流自然能源发电技术已经成熟：10kw太阳能聚热斯特林发电机已实现商业化；风力发电机也已实现商业化；生物质制沼气已普及多年。所存在的问题是，这些可大量获取的自然能源的储存一直困扰着人类。

发电厂是将自然界蕴藏的各种一次能源转换为电能（二次能源）的工厂。19世纪末，随着电力需求的增长，人们开始提出建立电力生产中心的设想。电机制造技术的发展，电能应用范围的扩大，生产对电的需要的迅速增长，发电厂随之应运而生。

现在的发电厂有多种途径的发电途径：靠燃煤或石油驱动涡轮机发电的称热电厂，靠水力发电的称水电站，还有些靠太阳能，风力和潮汐发电的小型电站，而以核燃料为能源的核电站已在世界许多国家发挥越来越大的作用。

现有的发电系统通过太阳能、水能、风能、煤炭、石油、潮汐能等能源得到直流的电能，接着直流电需要转换成正弦交流电（上述两步骤主要在发电厂实现），而后通过高压线传输至几十公里甚至几百公里之外的工厂或住宅区。

由此可见，现有的发电系统通过集中发电的方式得到电能，而后通过直流转交流及高压传输的方式运输电能。电力在转化及运输的过程中需要浪费很多资源，使得现有电力的有效转化率很低。

此外，现有的发电系统发出的电能没有办法存储，例如，某风能发电系统在风能较为充足时获得的电能没有用完，该剩余的电能则没有办法存储。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种发电供应系统，可直接利用自然制得的电能，无需转成交流电，无需运输，从而提高电能的有效转化率。

此外，本发明还提供一种发电供应方法，可直接利用自然制得的电能，无需转成交流电，无需运输，从而提高电能的有效转化率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种发电供应系统，所述系统包括发电设备、电解水设备、甲醇制备设备；

所述发电设备利用自然能源发电，发出的直流电直接就地供直流用电器使用；

所述电解水设备利用发电设备发出的电能将水电解为氢气、氧气；

所述甲醇制备设备利用空气中的二氧化碳及电解水设备制得的氢气在催化剂的催化下生成甲醇；所述催化剂包含金属主组分和碳纳米管基纳米材料促进剂，金属主组分为Cu、Zn、Zr，碳纳米管基纳米材料促进剂为多壁碳纳米管。

一种发电供应系统，所述系统包括发电设备，所述发电设备利用自然能源发电，发出的直流电直接就地使用。

作为本发明的一种优选方案，所述发电设备发出的直流电直接供直流用电器使用。

作为本发明的一种优选方案，所述系统还包括：

电解水设备，利用发电设备发出的电能将水电解为氢气、氧气；

甲醇制备设备，利用空气中的二氧化碳及电解水设备制得的氢气在催化剂的催化下生成甲醇。

作为本发明的一种优选方案，所述催化剂包含金属主组分和碳纳米管基纳米材料促进剂，金属主组分为Cu、Zn、Zr，碳纳米管基纳米材料促进剂为多壁碳纳米管。

一种利用上述发电供应系统的发电供应方法，所述方法包括：发电设备利用自然能源发电，发出的直流电直接就地使用。

作为本发明的一种优选方案，所述发电设备发出的直流电直接供直流用电器使用。

作为本发明的一种优选方案，所述方法还包括：

电解水设备利用发电设备发出的电能将水电解为氢气、氧气；

甲醇制备设备利用空气中的二氧化碳及电解水设备制得的氢气在催化剂的催化下生成甲醇。

作为本发明的一种优选方案，所述催化剂包含金属主组分和碳纳米管基纳米材料促进剂，金属主组分为Cu、Zn、Zr，碳纳米管基纳米材料促进剂为多壁碳纳米管。

作为本发明的一种优选方案，所述方法进一步包括利用甲醇发电的步骤，先将甲醇及水产生氢气，而后利用氢气发电；

甲醇及水产生氢气的过程包括如下步骤：

步骤S41、将甲醇和水通过泵输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；

步骤S42、气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室内的温度为370°-409°；

步骤S43、重整室与分离室之间设有预热控温机构，用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，缩短重整室输出气体温度与分离室温度之间的温度差，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近；

步骤S44、所述分离室内的温度设定为400°-450°，分离室的温度高于重整室内的温度；分离室内设有钯膜分离器，从钯膜分离器的产气端得到氢气。

本发明的有益效果在于：本发明提出的发电供应系统及方法，直接利用发电设备利用自然制得的直流电能，无需转成交流电，无需运输，从而提高电能的有效转化率。同时，本发明还可以将所得的电能进行特定的储存，即利用电能将二氧化碳及氢气（电解水所得）制备为甲醇，甲醇可以作为能源的存储方式，可通过燃烧获得能量；也可以利用甲醇和水制备氢气，由氢气发电。

本发明可以根据不同的地区和选址，就地自然能源条件会有所不同，因此采用的主流自然能源会有所不同。如可以重点发展太阳能聚热发电结合生物质生活垃圾，进行能源和有机肥联产，构成能态新农村建设模式，所建能态农舍不仅是农户生活的场所，还是太阳能收集生产甲醇的微型作坊，所用的甲醇生产工具是现代化的农用能态家用电器。实现能态化农舍，太阳能聚热发电和生物质生活垃圾能源和有机肥联产都是成熟技术，所要解决的是降低设备成本。而电解水制氢是成熟技术。

生物质能源和农家肥联产已经实现，所存在问题是沼气产生后没有进一步转化成液体甲醇，因此沼气存在使用和储运两大问题：使用直燃不仅浪费，还存在排放问题；沼气储运成本高并危险。当把沼气转化成液体甲醇，就可以方便地储运，大大降低能源使用成本。沼渣有机肥的处理产出，将带动有机农业的发展。

农用能源可以实现自给自足。农舍已成为使用自动化装置的微型可再生甲醇生产作坊。因此，农户所需要的能源已不需要外来供应，可以自给自足。电力可以通过家用能源甲醇水氢分布式能源站发电获得，并且发电效率高安全可靠，随用随发。农用机械和农用交通机动车辆全部使用甲醇水氢动力，所用的甲醇能源全部自生产，减少中间环节，减少农民负担。更重要的是农业可再生洁净能源的自给自足，为农业奠定良好的有机生态生产环境，这是实施能态农业经济最重要基础之一。

利用本发明可以实现有机农业生产。禁止使用化肥和农药，全面使用农家肥。沼渣固液分离，固体农家基肥返田，实现土地养护，促进来季好收成。液体稀释可直接用于农田施肥，增产增收。这是农业从依靠化肥掠夺型生产转化成施用全有机肥护养型经济、全面实现有机农业的基础保障之一。

有机农业区内接驳型交通运输网络。农产品分为无公害、绿色和有机三类，其中有机农产品是要求最高的产品，需要严格控制大气、水系和土壤等三方面不受污染。因此，在有机农业生产区必须严禁化石能源车辆进入，避免化石能源尾气排放对大气产生影响。由于动氢技术的成熟，在有机农业区块内全面实施甲醇水氢动力交通运输网是可行的。涉及外来化石燃料汽车和运输车辆，采用定点接驳，由境内甲醇水氢动力交通分输境内服务端。

全面实行零排放工业。在有机农业区任何排放都是不允许的，但是食能联产型经济、沼气能肥联产型经济、自然能源固碳排氧甲醇经济等都属于农工相结合的产业，在有机农业区不可能无工业，工业的存在就必须符合零排放要求，否则有机农业将成为空谈，能态农业将无从谈起。由于存在固碳排氧工业的平衡作用，碳捕捉不再是消耗成本的事，捕捉的碳将产生经济效益，纯氧来源是固碳排氧工业的副产物，因此对燃烧工业而言，在实现纯氧无氮燃烧过程中，不仅整体系统化的节能，还可以降低碳捕捉成本，实现经济性的零排放。良好的工艺设计还能达到节能和节约工业能源消耗生产成本的目的。

附图说明

图1为本发明发电供应系统的组成示意图。

图2为本发明发电供应方法的流程图。

图3为实施例二中发电设备的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图1，本发明揭示了一种发电供应系统，所述系统包括发电设备1、电解水设备2、甲醇制备设备3，发电设备1、电解水设备2、甲醇制备设备3依次连接。

所述发电设备1利用自然能源发电，自然能源包括自然界提供的太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能、生物质能等能源中的一种或多种，发出的直流电直接就地供直流用电器使用。直流用电器的功率可以从若干瓦至数十千瓦。本发明所使用的用电器无需变压器模块及后续的整流模块等，可以有效减少用电器的成本。

如，在一村庄中，每户人家均装有太阳能发电设备、沼气发电设备；太阳能发电设备、沼气发电设备发出的电能直接供用户使用，剩余用不到的电能通过电解水设备2、甲醇制备设备3转换为甲醇，将电能通过转化为甲醇的形式得以存储；当太阳能发电设备、沼气发电设备发的电能不能满足用户需要时，可以利用存储的甲醇发电，或者通过其他方式产生能量。

此外，利用甲醇发电的方法为，先将甲醇及水产生氢气，而后利用氢气发电。甲醇及水产生氢气的过程包括如下步骤：步骤S41、将甲醇和水通过泵输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；步骤S42、气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室内的温度为370°-409°；步骤S43、重整室与分离室之间设有预热控温机构，用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，缩短重整室输出气体温度与分离室温度之间的温度差，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近；步骤S44、所述分离室内的温度设定为400°-450°，分离室的温度高于重整室内的温度；分离室内设有钯膜分离器，从钯膜分离器的产气端得到氢气。

所述电解水设备2利用发电设备发出的电能将水电解为氢气、氧气。

所述甲醇制备设备3利用空气中的二氧化碳及电解水设备制得的氢气在催化剂的催化下生成甲醇。所述催化剂包含金属主组分和碳纳米管基纳米材料促进剂，金属主组分为Cu、Zn、Zr，碳纳米管基纳米材料促进剂为多壁碳纳米管，化学式为CuiZnjZrk-x％(CNT或y％Co/CNT)，式中下标i、j、k为Cu-Zn-Zr主组分中相关金属元素组分的摩尔比例系数，x％为碳纳米管基纳米材料促进剂在催化剂中的质量百分数，y％为Co在y％Co/CNT中的质量百分数。

以上介绍了本发明发电供应系统的组成，本发明在揭示上述系统的同时，还揭示一种利用上述发电供应系统的发电供应方法；请参阅图2，所述方法包括如下步骤：

【步骤S1】发电设备利用自然能源（如自然界提供的太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能、生物质能中的一种或多种）发电，发出的直流电直接就地供直流用电器使用。

【步骤S2】电解水设备利用发电设备发出的电能将水电解为氢气、氧气；

【步骤S3】甲醇制备设备利用空气中的二氧化碳及电解水设备制得的氢气在催化剂的催化下生成甲醇。所述催化剂包含金属主组分和碳纳米管基纳米材料促进剂，金属主组分为Cu、Zn、Zr，碳纳米管基纳米材料促进剂为多壁碳纳米管或金属钴修饰的多壁碳纳米管，化学式为CuiZnjZrk-x％(CNT或y％Co/CNT)，式中下标i、j、k为Cu-Zn-Zr主组分中相关金属元素组分的摩尔比例系数，x％为碳纳米管基纳米材料促进剂在催化剂中的质量百分数，y％为Co在y％Co/CNT中的质量百分数。

所述方法还可以包括利用甲醇发电的步骤，先将甲醇及水产生氢气，而后利用氢气发电。甲醇及水产生氢气的过程包括如下步骤：步骤S41、将甲醇和水通过泵输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；步骤S42、气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室内的温度为370°-409°；步骤S43、重整室与分离室之间设有预热控温机构，用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，缩短重整室输出气体温度与分离室温度之间的温度差，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近；步骤S44、所述分离室内的温度设定为400°-450°，分离室的温度高于重整室内的温度；分离室内设有钯膜分离器，从钯膜分离器的产气端得到氢气。

实施例二

请参阅图3，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，发电设备1为一种利用生物质发电的系统，所述系统包括：沼气制备子系统11、甲醇制备子系统12、氢气制备子系统13、氢气发电子系统14，沼气制备子系统11、甲醇制备子系统12、氢气制备子系统13、氢气发电子系统14依次连接。

沼气制备子系统11用以以生物质为原料、在隔绝空气的条件下，利用甲烷细菌使生物质中的有机物发酵生成沼气。

甲醇制备子系统12与沼气制备子系统11的沼气出口连接，用以将生成的沼气加压后从其中提取出甲烷，而后将甲烷氧化生成甲醇。本实施例中，所述甲醇制备子系统提取甲烷的过程包括如下步骤：步骤S21、将沼气通过碱石灰洗涤，除去其中的硫化氢、二氧化碳；步骤S22、将经过步骤S21之后的沼气通过浓硫酸，除去其中的氨气；步骤S23、将经过步骤S23之后的沼气利用低温挥发法制得高纯度的甲烷；将甲烷氧化生成甲醇的过程包括：将甲烷和氧气按8~9:1~2的体积比混合，在150~220℃（如100℃或110℃）和80~125个大气压（如100个大气压）的条件下，通过铜制管道反应制得甲醇，反应式是：2CH₄＋O2=2CH₃OH。

氢气制备子系统13与甲醇制备子系统12的甲醇出口连接，用以利用生成的甲醇和水混合，制得氢气。所述氢气制备子系统的制氢过程包括如下步骤：步骤S31、将甲醇和水通过泵输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；步骤S32、气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室内的温度为370°-409°；步骤S33、重整室与分离室之间设有预热控温机构，用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，缩短重整室输出气体温度与分离室温度之间的温度差，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近；步骤S34、所述分离室内的温度设定为400°-450°，分离室的温度高于重整室内的温度；分离室内设有钯膜分离器，从钯膜分离器的产气端得到氢气；

氢气发电子系统14与氢气制备子系统13的氢气出口连接，用以利用制得的氢气发电。

综上所述，本发明提出的发电供应系统及方法，直接利用发电设备利用自然制得的直流电能，无需转成交流电，无需运输，从而提高电能的有效转化率。同时，本发明还可以将所得的电能进行特定的储存，即利用电能将二氧化碳及氢气（电解水所得）制备为甲醇，甲醇可以作为能源的存储方式，可通过燃烧获得能量；也可以利用甲醇和水制备氢气，由氢气发电。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (10)

1.一种发电供应系统，其特征在于，所述系统包括发电设备、电解水设备、甲醇制备设备；

所述发电设备利用自然能源发电，发出的直流电直接就地供直流用电器使用；

所述电解水设备利用发电设备发出的电能将水电解为氢气、氧气；

所述甲醇制备设备利用空气中的二氧化碳及电解水设备制得的氢气在催化剂的催化下生成甲醇；所述催化剂包含金属主组分和碳纳米管基纳米材料促进剂，金属主组分为Cu、Zn、Zr，碳纳米管基纳米材料促进剂为多壁碳纳米管。

2.一种发电供应系统，其特征在于，所述系统包括发电设备，所述发电设备利用自然能源发电，发出的直流电直接就地使用。

3.根据权利要求2所述的发电供应系统，其特征在于：

所述发电设备发出的直流电直接供直流用电器使用。

4.根据权利要求2所述的发电供应系统，其特征在于：

所述系统还包括：

电解水设备，利用发电设备发出的电能将水电解为氢气、氧气；

甲醇制备设备，利用空气中的二氧化碳及电解水设备制得的氢气在催化剂的催化下生成甲醇。

5.根据权利要求4所述的发电供应系统，其特征在于：

所述催化剂包含金属主组分和碳纳米管基纳米材料促进剂，金属主组分为Cu、Zn、Zr，碳纳米管基纳米材料促进剂为多壁碳纳米管。

6.一种利用权利要求1至5之一所述发电供应系统的发电供应方法，其特征在于，所述方法包括：发电设备利用自然能源发电，发出的直流电直接就地使用。

7.根据权利要求6所述的发电供应方法，其特征在于：

所述发电设备发出的直流电直接供直流用电器使用。

8.根据权利要求6所述的发电供应方法，其特征在于：

所述方法还包括：

电解水设备利用发电设备发出的电能将水电解为氢气、氧气；

甲醇制备设备利用空气中的二氧化碳及电解水设备制得的氢气在催化剂的催化下生成甲醇。

9.根据权利要求8所述的发电供应方法，其特征在于：

所述催化剂包含金属主组分和碳纳米管基纳米材料促进剂，金属主组分为Cu、Zn、Zr，碳纳米管基纳米材料促进剂为多壁碳纳米管。

10.根据权利要求6所述的发电供应方法，其特征在于：

所述方法进一步包括利用甲醇发电的步骤，先将甲醇及水产生氢气，而后利用氢气发电；

甲醇及水产生氢气的过程包括如下步骤：

步骤S41、将甲醇和水通过泵输送至换热器换热，换热后进入气化室气化；

步骤S42、气化后的甲醇蒸气及水蒸气进入重整室，重整室内设有催化剂，重整室内的温度为370°-409°；

步骤S43、重整室与分离室之间设有预热控温机构，用以加热从重整室输出的气体；所述预热控温机构作为重整室与分离室之间的缓冲，缩短重整室输出气体温度与分离室温度之间的温度差，使得从重整室输出的气体的温度与分离室的温度相同或接近；

步骤S44、所述分离室内的温度设定为400°-450°，分离室的温度高于重整室内的温度；分离室内设有钯膜分离器，从钯膜分离器的产气端得到氢气。

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