CN109599900A - 一种燃料电池与绿色建筑相耦合的分布式能源节能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池与绿色建筑相耦合的分布式能源节能系统,包括分布式电源供能系统和微电网智能管理系统;微电网智能管理系统包括微电网;分布式电源供能系统接入微电网。本发明采用燃料电池作为绿色节能装置的主要供电设备,具有高效清洁,启停灵活,模块化,安装时间短,无噪音污染的效果;本发明采用风冷式质子交换膜燃料电池堆、太阳能光伏发电装置、风力发电机构成分布式电源供能系统,通过调整燃料电池输出功率平抑其他可再生能源间歇性对建筑物负荷影响,能够实现电网源荷的平衡。
Description
技术领域
本发明涉及分布式能源节能系统,特别是涉及一种燃料电池与绿色建筑相耦合的分布式能源节能系统。
背景技术
燃料电池系统由于其高能量密度,高比能和清洁无污染而被用于新型绿色的家用能源系统中。然而,由于它们的比功率有限,且由于燃料氢气不易储存,不易运输的特点,燃料电池系统常与其他清洁能源按混合配置组合。燃料电池所产生的余热非常清洁,而且高温燃料电池的余热温度较高,有较高利用价值。由于光伏和风力发电的间隙性和不可控性,所发的电被称为垃圾电,其上网容量受到电网公司的严格控制,目前其利用效率有待提升。绿色能源设备原则上已由现有技术公开并且用于给住房例如低能耗住房、节能住房或零能耗住房供应热能且尤其是电能,例如来自可再生能源如光伏发电机或小型风能发电设备的电流,但现有技术中的家用能源设备目前还是太昂贵、且控制系统还有改善空间。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提供一种能够降低成本的燃料电池与绿色建筑相耦合的分布式能源节能系统。
技术方案:为达到此目的,本发明采用以下技术方案:
本发明所述的燃料电池与绿色建筑相耦合的分布式能源节能系统,包括分布式电源供能系统和微电网智能管理系统;微电网智能管理系统包括微电网;分布式电源供能系统接入微电网。
进一步,所述分布式电源供能系统包括与绿色建筑耦合的风冷式质子交换膜燃料电池堆、太阳能光伏发电装置和风力发电机;风冷式质子交换膜燃料电池堆包括燃料电池。
进一步,所述风冷式质子交换膜燃料电池堆包括轴流式散热风扇;供热季节时轴流式散热风扇的抽气口面向建筑外,制冷季节时轴流式散热风扇的抽气口面向建筑内。
进一步,所述风冷式质子交换膜燃料电池堆包括轴流式散热风扇;轴流式散热风扇作为绿色建筑的新风系统风机。
进一步,所述太阳能光伏发电装置包括太阳能光伏发电单元和直流稳压及功率电压跟踪模块,太阳能光伏发电单元经过直流稳压及功率电压跟踪模块接入微电网智能管理系统。
进一步,还包括直流稳压模块、电压功率采集模块和电压功率控制模块;所述风冷式质子交换膜燃料电池堆依次通过直流稳压模块、电压功率采集模块和电压功率控制模块接入微电网智能管理系统。
进一步,所述微电网智能管理系统包括数据采集器,数据采集器采集微电网的负荷信息并优先监控太阳能光伏发电装置和风力发电机的实时输出功率,在微电网功率波动时调节燃料电池输出功率,平抑分布式电源供能系统输出功率波动对微电网负荷造成的影响。
有益效果:本发明公开了一种燃料电池与绿色建筑相耦合的分布式能源节能系统,具有如下的有益效果:
1)本发明采用燃料电池作为绿色节能装置的主要供电设备,具有高效清洁,启停灵活,模块化,安装时间短,无噪音污染的效果;
2)本发明采用风冷式质子交换膜燃料电池堆、太阳能光伏发电装置、风力发电机构成分布式电源供能系统,通过调整燃料电池输出功率平抑其他可再生能源间歇性对建筑物负荷影响,能够实现电网源荷的平衡;
3)制冷季节时轴流式散热风扇的抽气口面向建筑内,这样使用建筑内的低温空气能够强化风冷式质子交换膜燃料电池堆的冷却,降低轴流式散热风扇的耗能,实现燃料电池有效散热,优化燃料电池的工况,从而增大燃料电池的净功率输出,实现深度调峰;供热季节时轴流式散热风扇的抽气口面向建筑外,这样将温度较低的冷空气鼓入燃料电池,由于空气温度较低,故可有效降低燃料电池电堆温度,有效散热,改善燃料电池工况,延长燃料电池使用寿命,降低散热风扇耗能;
4)轴流式散热风扇参与取代建筑物新风系统的风扇,降低新风系统耗能;
5)本发明系统的成本低,充分利用了燃料电池的余热降低了绿色建筑的整体能耗。
附图说明
图1为本发明系统结构及运行方式示意图;
图2为本发明具体实施方式中微电网结构示意图;
图3为本发明具体实施方式中建筑外温度低于建筑内温度的情况下的系统使用情况示意图;
图4为本发明具体实施方式中建筑内温度低于建筑外温度的情况下的系统使用情况示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种燃料电池与绿色建筑相耦合的分布式能源节能系统,如图1所示,包括分布式电源供能系统和微电网智能管理系统。微电网智能管理系统包括微电网;分布式电源供能系统接入微电网。
分布式电源供能系统采用自制控制中的“对等”和“即插即用”的模式通过电力电子接口接在馈线上。馈线连接建筑中的电负荷,在馈线中段处安装一个静态开关,通过静态开关可以控制符合与电网的通断。分布式电源供能系统包括与绿色建筑耦合的风冷式质子交换膜燃料电池堆、太阳能光伏发电装置和风力发电机。
风冷式质子交换膜燃料电池堆包括燃料电池和轴流式散热风扇。燃料电池散热方式采用风冷式。
太阳能光伏发电装置包括太阳能光伏发电单元和直流稳压及功率电压跟踪模块,太阳能光伏发电单元经过直流稳压及功率电压跟踪模块接入微电网智能管理系统。
分布式能源节能系统还包括直流稳压模块、电压功率采集模块和电压功率控制模块,风冷式质子交换膜燃料电池依次通过直流稳压模块、电压功率采集模块和电压功率控制模块接入微电网智能管理系统。
分布式电源供能系统并入微电网的节点前设置DC-DC稳压器,这样在电网负荷改变时发电装置的电压不会随之改变。
分布式电源供能系统并入微电网的节点前设置功率电压实时监测器,实时变送电压与功率信息并入485总线传入至工控机。
分布式电源供能系统并入微电网的节点前还设置断路器,这样能够保护分支电路。
微电网智能管理系统包括工控机、PC端、数据采集器和电力控制器。PC端主要为建筑物内显示屏,台式机,HMI及手机及便携式电脑移动端,对微电网各项参数实施监控。数据采集器采集微电网的负荷信息并优先监控太阳能光伏发电装置和风力发电机及其他可再生能源发电模块的实时功率。燃料电池并入微电网前设置灵敏度精度较高的数据采集器以及燃料电池输出电压功率调控模块。可再生能源受外界环境影响较大,其供能存在间歇性及不确定行。在其输出功率发生变化时,智能管理器接收到功率波动信息后对燃料电池电压功率控制器下达指令,控制器通过快速调整燃料电池输出功率,达到稳压平抑其他分布式电源对建筑物负荷的影响,达到保护电力负载,平稳高效供电的目的。
本发明燃料电池采用轴流式散热风扇,轴流式散热风扇作为绿色建筑的新风系统风机。轴流式散热风扇面向室内或者室外抽气,同时燃料电池为半开放式系统,室内室外空气通过燃料电池进行交换。燃料电池入风口与鼓风口形成一定压差,进而使室内空气定向流动,从而实现绿色建筑的空气更新。轴流式散热风扇与新风系统风机合二为一,这样能够降低建筑整体耗能。
此外,本系统用在冬冷夏热地区时,燃料电池与建筑的墙壁耦合并穿透,作为墙体的一部风。供热季节时轴流式散热风扇的抽气口面向建筑外,将温度较低的冷空气鼓入燃料电池,由于空气温度较低,故可有效降低燃料电池电堆温度,有效散热,改善燃料电池工况,延长燃料电池使用寿命,降低散热风扇耗能。冷空气经电堆加热后流入建筑内,其温度略高于建筑内的温度,与建筑内的空气进行对流换热,承担建筑内的部分热负荷,能够降低空调制热功耗。此外,供热季节经燃料电池流入建筑内的空气中裹挟有大量水蒸气,可用于建筑内空气的加湿。制冷季节时轴流式散热风扇的抽气口面向建筑内,将相对温度较低的建筑内空气鼓入燃料电池,达到燃料电池有效散热,改善燃料电池工况,降低风扇耗能。鼓入燃料电池的气体经电堆加热后流向建筑外,避免增加建筑内的制冷功耗。此外,流出燃料电池的气体携带的热量可以进行采集,通过热泵装置用于建筑的制冷和除湿。
图2为本发明具体实施方式中建筑外温度低于建筑内温度的情况下的系统使用情况示意图。在供热季节轴流式散热风扇的抽气口面向建筑外。例如某地冬天室内在空调的作用下温度维持在25℃,室外温度约为10℃。75kW燃料电池散热量QW约为80kW。
当抽风口面向室内时:
冷空气需要量:
风扇风量与转速的关系:Va=7.17×10-4×nw (2)
风扇功率:P=VaPfμaμb (3)
式中:QW——散热量,取80kJ/s;Δta——空气进入散热器前后的温度差,取经验值20℃;γa——空气的重度,取1.01kg/m3;Cpa——空气的定压比热,取1.047kJ/(kg·℃);nw——风扇转速,P——风扇的功率,Pf——风扇的风压,取经验值0.3kPa,μa——风扇效率,取75%,μb——风扇力率,取75%。将数据带入上式中,此时冷空气需要量为3.783m3/s,风扇转速为5276r/min,风扇功率为638.4W;
当抽风口面向室外时:
冷空气需要量:
风扇风量与转速的关系:Va=7.17×10-4×nw (5)
风扇功率:P=VaPfμaμb (6)
式中:QW——散热量,取80kJ/s;Δta——空气进入散热器前后的温度差,取经验值35℃;γa——空气的重度,取1.01kg/m3;Cpa——空气的定压比热,取1.047kJ/(kg·℃);nw——风扇转速,P——风扇的功率,Pf——风扇的风压,取经验值0.3kPa,μa——风扇效率,取75%,μb——风扇力率,取75%。将数据带入上式中,此时冷空气需要量为2.162m3/s,风扇转速为3015r/min,风扇功率为364.8W;
散热量对建筑物内部温度调控系统功率的影响:
式中:ΔP——温度调控系统功率减小值;QW——散热量,取80kW;μc——散热量利用率,取10%,μd——温度调控系统综合效率,取75%。将数值带入上式,则温度调控系统功率减小值为10.67kW。
从上述计算可以看出,冬天时抽风口面向室外所需冷空气量大幅降低,风扇转速大大减小,风扇耗能降低,且承担了一部分建筑内的热负荷,减少建筑物内温度调控系统耗能。
图3为本发明具体实施方式中建筑内温度低于建筑外温度的情况下的系统使用情况示意图。制冷季节时轴流式散热风扇的抽气口面向建筑内。例如南京夏天室内在空调的作用下温度维持在25℃,室外温度约为35℃。75kW燃料电池散热量QW约为80kW。
当风扇抽气口面向室内时:
冷空气需要量:
风扇风量与转速的关系:Va=7.17×10-4×nw (8)
风扇功率:P=VaPfμaμb (9)
式中:QW——散热量,取80kJ/s;Δta——空气进入散热器前后的温度差,取经验值20℃:γa——空气的重度,取1.01kg/m3;Cpa——空气的定压比热,取1.047kJ/(kg·℃);nw——风扇转速,P——风扇的功率,Pf——风扇的风压,取经验值0.3kPa,μa——风扇效率,取75%,μb——风扇力率,取75%。将数据带入上式中,此时冷空气需要量为3.783m3/s;风扇转速为5276r/min,风扇功率为364.8W;
当抽风口面向室外时:
冷空气需要量:
风扇风量与转速的关系:Va=7.17×10-4×nw (12)
风扇功率:P=VaPfμaμb (13)
式中:QW——散热量,取80kJ/s;Δta——空气进入散热器前后的温度差,取经验值10℃;γa——空气的重度,取1.01kg/m3;Cpa——空气的定压比热,取1.047kJ/(kg·℃);nw——风扇转速,P——风扇的功率,Pf——风扇的风压,取经验值0.3kPa,μa——风扇效率,取75%,μb——风扇力率,取75%。将数据带入上式中,此时冷空气需要量为7.566m3/s;风扇转速为10552r/min,风扇功率为1276W;
从上述计算可以看出,夏天时抽气口面向室外所需冷空气量大幅降低,风扇转速大大减小,风扇功率明显降低,且不会造成室内温度波动,减少建筑物内温度调控系统耗能。
Claims (7)
1.一种燃料电池与绿色建筑相耦合的分布式能源节能系统,其特征在于:包括分布式电源供能系统和微电网智能管理系统;微电网智能管理系统包括微电网;分布式电源供能系统接入微电网。
2.根据权利要求1所述的燃料电池与绿色建筑相耦合的分布式能源节能系统,其特征在于:所述分布式电源供能系统包括与绿色建筑耦合的风冷式质子交换膜燃料电池堆、太阳能光伏发电装置和风力发电机;风冷式质子交换膜燃料电池堆包括燃料电池。
3.根据权利要求2所述的燃料电池与绿色建筑相耦合的分布式能源节能系统,其特征在于:所述风冷式质子交换膜燃料电池堆包括轴流式散热风扇;供热季节时轴流式散热风扇的抽气口面向建筑外,制冷季节时轴流式散热风扇的抽气口面向建筑内。
4.根据权利要求2所述的燃料电池与绿色建筑相耦合的分布式能源节能系统,其特征在于:所述风冷式质子交换膜燃料电池堆包括轴流式散热风扇;轴流式散热风扇作为绿色建筑的新风系统风机。
5.根据权利要求2所述的燃料电池与绿色建筑相耦合的分布式能源节能系统,其特征在于:所述太阳能光伏发电装置包括太阳能光伏发电单元和直流稳压及功率电压跟踪模块,太阳能光伏发电单元经过直流稳压及功率电压跟踪模块接入微电网智能管理系统。
6.根据权利要求2所述的燃料电池与绿色建筑相耦合的分布式能源节能系统,其特征在于:还包括直流稳压模块、电压功率采集模块和电压功率控制模块;所述风冷式质子交换膜燃料电池堆依次通过直流稳压模块、电压功率采集模块和电压功率控制模块接入微电网智能管理系统。
7.根据权利要求2所述的燃料电池与绿色建筑相耦合的分布式能源节能系统,其特征在于:所述微电网智能管理系统包括数据采集器,数据采集器采集微电网的负荷信息并优先监控太阳能光伏发电装置和风力发电机的实时输出功率,在微电网功率波动时调节燃料电池输出功率,平抑分布式电源供能系统输出功率波动对微电网负荷造成的影响。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190409 |