CN111431163A - 家用热电联供系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种家用热电联供系统，包括燃料电池模块，燃料电池模块包括控制装置、燃料供应装置、空气供应装置、冷却回路；蓄热模块，蓄热模块能够回收燃料电池模块的废热，并将热能提供给家庭使用；储能模块，储能模块能够接收并存储燃料电池模块的电能；直流供电模块，直流供电模块能够将燃料电池模块和/或储能模块提供的电能输送给家庭用电设备。本发明的家用热电联供系统，专门针对家用场景设计，更加贴合家用实际，燃料电池使用氢能，更加清洁环保，可以同时向家庭供应电力和生活热水，储能模块进行电力存储，在夜间或燃料电池停止工作时，持续供应电力，又能借助市电网络充电或将多余电力向市电反馈。

Description

家用热电联供系统及控制方法
技术领域
本发明属于家用清洁能源技术领域，具体涉及一种家用热电联供系统及控制方法。
背景技术
与传统化石能源相比，氢能热值高，来源广泛，氧化反应产物为水和热，具有清洁高效的特点，因此氢能是未来极具应用前景的能源载体之一。而氢燃料电池则是氢能利用的主要途径，它是一种将燃料气体化学能直接转化为电能的装置。目前大部分的燃料电池效率在50％左右，因此，反应过程中释放的热量与产生的电能接近，完全可以利用氢燃料电池实现电力和热能的联合供应。但还未出现针对家用场景的氢燃料电池热电联供装置。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题现有的氢燃料电池热电联供装置不适应家用场景。
为了解决上述问题，本发明提供一种家用热电联供系统，包括：
燃料电池模块，燃料电池模块包括控制装置、燃料供应装置、空气供应装置、冷却回路；
蓄热模块，蓄热模块能够回收燃料电池模块的废热，并将热能提供给家庭使用；
储能模块，储能模块能够接收并存储燃料电池模块的电能；
直流供电模块，直流供电模块能够将燃料电池模块和/或储能模块提供的电能输送给家庭用电设备。
优选地，储能模块与直流供电模块连接，用于在燃料电池模块停止工作时向直流供电模块提供电能。
优选地，储能模块与市电网络连接，储能模块能够从市电网络补充电能，或向市电网络回馈电能。
优选地，直流供电模块包括直流母线，直流母线用于向家庭用电设备输送电能。
优选地，蓄热模块包括换热器、蓄热水箱，蓄热水箱内的循环水与燃料电池模块的冷却回路中的冷却液在换热器内进行热交换。
优选地，蓄热水箱内设有电加热装置，电加热装置通过直流供电模块供电。
优选地，燃料供应装置、空气供应装置均设置在房舍的外部。
优选地，空气供应装置设有风机，风机通过直流供电模块供电。
优选地，冷却回路设有水泵，水泵通过直流供电模块供电，和/或冷却回路上设有备用散热模块，备用散热模块能够用于冷却回路内冷却液的散热降温。
优选地，直流供电模块设有功率监测装置，功率监测检测家庭用电设备的耗电功率，并反馈至燃料电池模块调整输出功率。
优选地，冷却回路设有第一温度监测装置，和/或蓄热模块内设有第二温度监测装置，和/或储能模块设有电量检测装置。
一种家用热电联供系统的控制方法，包括：
监测直流供电模块的功率，若功率至第一预设值，则提高燃料电池模块的输出功率；若功率下降至第二预设值，和/或燃料电池运行到预设时间，则控制燃料电池模块向储能模块充电至电量达到预设电量后，执行关机。
优选地，当直流供电模块的功率提高至第一预设值时，通过第二温度监测装置监测蓄冷模块内循环水的水温，若水温升到第三预设值，则提高循环水的流量；若水温降至第四预设值，则提高燃料电池模块的输出功率，并启动电加热装置。
本发明提供的家用热电联供系统及控制方法至少具有下列有益效果：
本发明的家用热电联供系统，专门针对家用场景设计，更加贴合家用实际，燃料电池使用氢能，更加清洁环保，可以同时向家庭供应电力和生活热水，储能模块进行电力存储，在夜间或燃料电池停止工作时，持续供应电力，又能与市电网络相连借助市电网络充电或将多余电力向市电反馈。
附图说明
图1为本发明实施例的家用热电联供系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的家用热电联供系统的控制逻辑。
附图标记表示为：
1、燃料电池模块；2、燃料供应装置；3、空气供应装置；4、冷却回路；5、家庭用电设备；6、储能模块；7、直流供电模块；8、换热器；9、蓄热水箱；10、风机；11、水泵；12、市电网络。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1所示，本发明实施例提供了一种家用热电联供系统，包括：燃料电池模块1，燃料电池模块1包括控制装置、燃料供应装置2、空气供应装置3、冷却回路4；蓄热模块，蓄热模块能够回收燃料电池模块1的废热，并将热能提供给家庭使用；储能模块6，储能模块6能够接收并存储燃料电池模块1的电能；直流供电模块7，直流供电模块7能够将燃料电池模块1和/或储能模块6提供的电能输送给家庭用电设备5。
本实施例的家用热电联供系统，专门针对家用场景设计，更加贴合家用实际，燃料电池使用氢能，更加清洁环保，可以同时向家庭供应电力和生活热水，储能模块进行电力存储，在夜间或燃料电池停止工作时，持续供应电力，又能与市电网络相连借助市电网络充电或将多余电力向市电反馈，燃料电池能够间歇性工作，以提高其使用寿命。
优选地，燃料电池模块1的反应所需氢气可来源于氢气管网、氢气储罐或通过天然气进行重整制取。燃料电池模块1采用紧凑化设计的氢空液冷型燃料电池，其中冷却液的冷却过程应用了重力热管的原理。冷却液从电堆引出的热量传递给蓄热模块。冷却液循环过程也可添加由直流供电模块7供电的水泵11，以降低燃料电池电堆温度的调节惯性。
优选地，储能模块6与直流供电模块7连接，用于在燃料电池模块1停止工作时向直流供电模块7提供电能。另一方面储能模块6与市电网络12连接，储能模块6能够从市电网络12补充电能，或向市电网络12回馈电能，可在离网或在网模式下运行。储能模块6设有电量检测装置。实时监测储能模块6的剩余电量，当低于阙值时启动燃料电池模块1，燃料电池模块1启动阶段，由储能模块6向控制装置、风机、阀门等提供电能。
优选地，直流供电模块7包括直流母线，直流母线用于向家庭用电设备5输送电能。直流供电模块7设有功率监测装置，功率监测检测家庭用电设备5的耗电功率，并反馈至燃料电池模块1调整输出功率。
优选地，蓄热模块包括换热器8、蓄热水箱9，蓄热水箱9内的循环水与燃料电池模块1的冷却回路4中的冷却液在换热器8内进行热交换。
优选地，蓄热水箱9内设有电加热装置，能够在蓄热量不足时启动电能加热，电加热装置通过直流供电模块7供电。
优选地，考虑到系统的家用场景，与人员的生活区域高度重合，燃料供应装置2、空气供应装置3均设置在房舍的外部，以降低噪音污染和提高安全性。
优选地，空气供应装置3设有风机10，风机10通过直流供电模块7供电，风机10根据燃料电池模块1的输出功率向其提供空气。
优选地，冷却回路4上设有备用散热模块，备用散热模块能够在蓄热模块无法满足燃料电池模块1的冷却需求是，对冷却回路4内冷却液进行辅助散热降温。
优选地，冷却回路4设有第一温度监测装置，第一温度监测装置能够监测冷却液的温度，和/或蓄热模块内设有第二温度监测装置，第二温度检测装置能够监测循环水的温度。
如图2所示，本实施例的家用热电联供系统的控制方法，在系统运行过程中，实时监测母线功率，功率提高至第一预设值时，提高燃料电池模块1的输出功率，同时监测冷却水、循环水的温度。若循环水的水温升高到第三预设值，则说明水温过高，说明此时家庭能源消耗中以电能为主，须提高冷却水和循环水流量，避免燃料电池模块1温度的进一步升高；当循环水的水温下降到第四预设值，则说明水温过低，说明此时家庭的热能消耗量提高，也即热水消耗量较大，此时也须提高燃料电池模块1的功率输出，在保证其他电器工作的同时，将多余的电能输送到电加热装置，用于加热蓄热水箱9中的水。
当母线功率下降到第二预设值或到达预设时间时，燃料电池模块1首先将储能模块6电量充满至满足续航时间要求，即预设电量，随后执行关机。
燃料电池模块1向家庭用电设备5提供直流电能，此时燃料电池模块1的输出功率、储能模块6的电池容量、蓄热水箱9的容积可以根据家庭单元的电能、热能消耗特点进行匹配设计，在满足总能量供给的同时，也能够满足峰值热-电功率需求。假设家庭中热能与电能的消耗量基本一致，采用燃料电池进行热电联供，系统综合效率最高；考虑到大部分家庭的电能需求比例均高于热能需求，在采用燃料电池进行热电联供时，势必有部分热量耗散在大气环境中，故燃料电池的额定电功率须根据家庭用电功率设计。如果采用间断供电方式，燃料电池额定功率相应提高。
假设一个家庭的建筑面积为90平方米，单位面积的年能耗等效为40千瓦时，则年总能耗为3600千瓦时；若该家庭中热能消耗在总能消耗中占比20％，则热能消耗为720千瓦时。当采用离网模式下的燃料电池间歇式工作提供此家庭所需总能耗时，由于热能需求占比较小，故应以非热能电耗(即3600-720＝2880千瓦时)为目标进行设计，所需的热能需求主要由燃料电池余热供应。假定系统每天18:00-22:00工作，此阶段亦是用电、用水的高峰期，全年工作360天，则每天电能需求8千瓦时，故须配额定功率为2kW的燃料电池。而所配储能电池应能够满足22:00至次日18:00的家庭能源消耗。
本发明实施例的家用热电联供系统针对家用场景特殊设计，满足以下几点家用场景的特殊要求：
1、静音——将风机、重整器安装在室外，燃料电池本体也可安装在室外，只须把热水、电能输进户内即可，就像壁挂式空调的内外机一样，把噪音部件安装在外部，室内环境保持足够的安静。
2、舒适——用的时候能够满足需求，不用的时候能够“省钱”：例如晚上热水用量大，可以直接对水箱进行电加热，加大供应量；白天基本不用热水，可以停机。同时，系统与电网联系起来，增加了系统的可靠性。
3、个性化——不同家庭的用能特点是不一样的，也就是说对热水、电能的需求不一样，所以本发明的系统可通过监测功率、水温等，控制算法对家庭的用能习惯进行自适应学习，满足个性化的用能需求。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种家用热电联供系统，其特征在于，包括：
燃料电池模块(1)，所述燃料电池模块(1)包括控制装置、燃料供应装置(2)、空气供应装置(3)、冷却回路(4)；
蓄热模块，所述蓄热模块能够回收所述燃料电池模块(1)的废热，并将热能提供给家庭使用；
储能模块(6)，所述储能模块(6)能够接收并存储所述燃料电池模块(1)的电能；
直流供电模块(7)，所述直流供电模块(7)能够将所述燃料电池模块(1)和/或所述储能模块(6)提供的电能输送给家庭用电设备(5)。
2.根据权利要求1所述的家用热电联供系统，其特征在于，所述储能模块(6)与所述直流供电模块(7)连接，用于在所述燃料电池模块(1)停止工作时向所述直流供电模块(7)提供电能。
3.根据权利要求1或2所述的家用热电联供系统，其特征在于，所述储能模块(6)与市电网络(12)连接，所述储能模块(6)能够从所述市电网络(12)补充电能，或向所述市电网络(12)回馈电能。
4.根据权利要求1所述的家用热电联供系统，其特征在于，所述直流供电模块(7)包括直流母线，所述直流母线用于向家庭用电设备(5)输送电能。
5.根据权利要求1所述的家用热电联供系统，其特征在于，所述蓄热模块包括换热器(8)、蓄热水箱(9)，所述蓄热水箱(9)内的循环水与所述燃料电池模块(1)的冷却回路(4)中的冷却液在所述换热器(8)内进行热交换。
6.根据权利要求5所述的家用热电联供系统，其特征在于，所述蓄热水箱(9)内设有电加热装置，所述电加热装置通过所述直流供电模块(7)供电。
7.根据权利要求1所述的家用热电联供系统，其特征在于，所述燃料供应装置(2)、空气供应装置(3)均设置在房舍的外部。
8.根据权利要求7所述的家用热电联供系统，其特征在于，所述空气供应装置(3)设有风机(10)，所述风机(10)通过所述直流供电模块(7)供电。
9.根据权利要求1所述的家用热电联供系统，其特征在于，所述冷却回路(4)设有水泵(11)，所述水泵(11)通过所述直流供电模块(7)供电，和/或所述冷却回路(4)上设有备用散热模块，所述备用散热模块能够用于所述冷却回路(4)内冷却液的散热降温。
10.根据权利要求1所述的家用热电联供系统，其特征在于，所述直流供电模块(7)设有功率监测装置，所述功率监测检测所述家庭用电设备(5)的耗电功率，并反馈至所述燃料电池模块(1)调整输出功率，和/或，所述冷却回路(4)设有第一温度监测装置，和/或，所述蓄热模块内设有第二温度监测装置，和/或，所述储能模块(6)设有电量检测装置。
11.一种根据权利要求1-10任一所述的家用热电联供系统的控制方法，其特征在于，包括：
监测直流供电模块(7)的功率，若功率提高至第一预设值，则提高燃料电池模块(1)的输出功率；
若功率下降至第二预设值，和/或燃料电池运行到预设时间，则控制燃料电池模块(1)向储能模块(6)充电至电量达到预设电量后，执行关机。
12.根据权利要求11所述的家用热电联供系统的控制方法，其特征在于，还包括：
当直流供电模块(7)的功率提高至第一预设值时，通过第二温度监测装置监测蓄冷模块内循环水的水温，若水温升到第三预设值，则提高循环水的流量；若水温降至第四预设值，则提高燃料电池模块(1)的输出功率，并启动电加热装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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