CN112271752A - 一种分布式能源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式能源系统，包括控制系统以及分别与所述控制系统连接的燃料电池发电系统、光伏发电系统、储能系统；储能系统包括蓄电池，且蓄电池的供电端与外界用户负载连接；燃料电池发电系统包括供能装置和发电装置，供能装置包括甲醇水箱和燃料供给模块；发电装置包括甲醇重整制氢模块和燃料电池；光伏发电系统包括光伏板和与光伏板连接的光伏转换模块，光伏转换模块的输出端与蓄电池连接。本发明实施例提供的分布式能源系统，以燃料电池为主供电源，蓄电池为辅，通过甲醇重整制氢提供氢源，提高了燃料电池与其他能源系统的协调程度，优化了多能源互补的综合利用。

Description

一种分布式能源系统

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种分布式能源系统。

背景技术

分布式能源作为在负载侧给用户提供能源的系统，主要用于解决自然灾害较多引起公用电网停电，或较偏远无电网地区的电力需求问题。目前常用的分布式供电系统有柴油发电机、光伏电站、蓄电池等。柴油发电机存在工作噪声大、有害排放等缺点；光伏电站需要足够的日照时间或匹配大容量的蓄电池进行使用，对安装地点要求较高，易造成林地、耕地的损害；而蓄电池则存在体积大、对环境温度要求苛刻、充放电情况不确定性等缺点。鉴于以上各种能源系统的不足，清洁、环保、高效的新型分布式能源系统正引起业界的高度关注。

现如今的分布式能源综合利用系统，选用最新的燃料电池技术，并加入了光伏、风电等可再生清洁能源，但是发明人经研究发现，虽然燃料电池具有清洁、无污染、噪声低、能量密度高、连续供电时间长等优点，但是由于其化学反应的机理，存在输出特性较软、动态响应慢、启动时需要辅助电源、度电成本高等不足，导致与其他能源系统的协调性较差，难以实现稳定可靠的多能源互补综合利用。

发明内容

本发明提供一种分布式能源系统，以燃料电池为主供电源，蓄电池为辅，通过甲醇重整制氢提供氢源，提高了燃料电池与其他能源系统的协调程度，优化了多能源互补的综合利用。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种分布式能源系统，包括：

控制系统以及分别与所述控制系统连接的燃料电池发电系统、光伏发电系统、储能系统；

所述储能系统包括蓄电池，且所述蓄电池的供电端与外界用户负载连接；

所述燃料电池发电系统包括供能装置和发电装置，所述供能装置包括甲醇水箱和燃料供给模块；所述发电装置包括甲醇重整制氢模块和燃料电池；

所述甲醇水箱的输出端与所述燃料供给模块的输入端连接，所述燃料供给模块的输出端与所述甲醇重整制氢模块的输入端连接，所述甲醇重整制氢模块的输出端与所述燃料电池的输入端连接，所述燃料电池的输出端与所述蓄电池连接，且所述燃料电池的输出端还与外界用户负载连接；

所述光伏发电系统包括光伏板和与所述光伏板连接的光伏转换模块，所述光伏转换模块的输出端与所述蓄电池连接。

作为其中一种优选方案，所述储能系统还包括逆变器，所述逆变器的输入端与所述蓄电池连接，所述逆变器的输出端与外界用户负载连接。

作为其中一种优选方案，所述燃料电池发电系统还包括输出接触器，所述输出接触器的输入端与所述燃料电池的输出端连接，所述输出接触器的输出端与所述逆变器连接。

作为其中一种优选方案，所述储能系统还包括DC/DC转换器，所述燃料电池的输出端通过所述DC/DC转换器与所述蓄电池连接。

作为其中一种优选方案，所述燃料电池发电系统还包括换热模块，所述燃料电池的热交换端与所述换热模块连接。

作为其中一种优选方案，所述燃料电池发电系统还包括储热模块，所述储热模块的输入端与所述换热模块连接，所述储热模块的输出端通过供水管路与外界的热水出口端连接。

作为其中一种优选方案，所述控制系统包括第一控制单元和第二控制单元；

所述第一控制单元的控制端分别与所述燃料供给模块、所述甲醇重整制氢模块、所述燃料电池连接；

所述第二控制单元的控制端分别与所述光伏转换模块、所述蓄电池、所述发电装置连接。

作为其中一种优选方案，所述分布式能源系统还包括与所述控制系统连接的风能发电系统；

所述风能发电系统包括风塔和与所述风塔连接的风电模组，所述风电模组的输出端与所述蓄电池连接。

相比于现有技术，本发明实施例的有益效果在于，克服了单独以燃料电池进行发电的缺陷，通过集成燃料电池发电系统与光伏发电系统，并结合甲醇重整制氢技术，不同于使用罐氢、电解水制氢的燃料电池的供电系统，一方面，使用甲醇重整制氢的燃料电池系统解决的氢气运输、存储成本高的问题，另一方面，供能系统能够根据实际需求进行产氢，提高了能量的转换效率，且优化了燃料电池的启动与响应过程，提高了燃料电池与其他能源系统的协调程度与经济效应，优化了多能源互补的综合利用。

附图说明

图1是本发明其中一种实施例中的分布式能源系统的框架示意图；

图2是本发明其中一种实施例中的分布式能源系统的结构示意图；

图3是本发明其中一种实施例中的燃料电池发电系统的原理图；

图4是本发明其中一种实施例中的分布式能源系统的样机结构示意图；

图5是本发明其中一种实施例中的分布式能源系统的样机爆炸示意图；

图6是本发明另一种实施例中的分布式能源系统的样机爆炸示意图；

其中，1、控制系统；2、燃料电池发电系统；3、光伏发电系统；4、储能系统；11、第一控制单元；12、第二控制单元；21、供能装置；22、发电装置；211、甲醇水箱；212、燃料供给模块；221、甲醇重整制氢模块；222、燃料电池；31、光伏板；32、光伏转换模块；41、蓄电池；42、逆变器；43、DC/DC转换器；51、换热模块；52、储热模块；A、用户负载；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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作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。

在本申请描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本发明一实施例提供了一种分布式能源系统，具体的，请参见图1与图2，图1示出为本发明其中一种实施例中的分布式能源系统的框架示意图，图2示出为本发明其中一种实施例中的分布式能源系统的结构示意图，其中包括：

控制系统1以及分别与所述控制系统1连接的燃料电池发电系统2、光伏发电系统3、储能系统4；

所述储能系统4包括蓄电池41，且所述蓄电池41的供电端与外界用户负载A连接；

所述燃料电池发电系统2包括供能装置21和发电装置22，所述供能装置21包括甲醇水箱211和燃料供给模块212；所述发电装置22包括甲醇重整制氢模块221和燃料电池222；

所述甲醇水箱211的输出端与所述燃料供给模块212的输入端连接，所述燃料供给模块212的输出端与所述甲醇重整制氢模块221的输入端连接，所述甲醇重整制氢模块221的输出端与所述燃料电池222的输入端连接，所述燃料电池222的输出端与所述蓄电池41连接，且所述燃料电池222的输出端还与外界用户负载A连接；

所述光伏发电系统3包括光伏板31和与所述光伏板连接的光伏转换模块32，所述光伏转换模块32的输出端与所述蓄电池41连接。

应当说明的是，燃料电池作为继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术，它是一种不经燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的静默式高效发电装置，其不受卡诺循环限制，具有清洁、无污染、噪声低、能量密度高、连续供电时间长等优点，且输出为直流电，使得燃料电池更适用于匹配蓄电池组成分布式能源系统进行工作。虽然燃料电池具有诸多优点，但是由于其化学反应的机理，存在输出特性较软、动态响应慢、启动时需要辅助电源、度电成本高等不足，更重要的是，现有技术主要采用罐氢、电解水制氢的燃料电池供电系统，这会氢气利用率较低，运输与存储成本较高。为了克服上述缺陷，发明人经研究发现，通过以甲醇重整制氢提供氢源，使用燃料电池为主供电源、蓄电池为辅、多种能源进行配合协调，极大地提高了能源系统的综合利用效率。

在本发明实施例中，分布式能源系统是作为在负载侧给用户提供能源的系统，其中的储能系统包括蓄电池，蓄电池优选为带有充放电管理的组件，以提高电池的利用效率；控制系统设有相关的控制芯片以执行对应的功能(包含电源变换)；请参见图3，图3示出为本发明其中一种实施例中的燃料电池发电系统的原理图，燃料电池发电系统需要燃料及氧化剂的输入，其是一种将储存的燃料与氧化剂之间的化学能转化为电能的发电系统，采用安静的化学反应将氢源中的化学能直接转换为电能，其结构简单，能量转换效率高，生成物为纯净的水(含热)，是目前最为理想的能源技术，而氢源来源广泛，为避免纯氢的储存、运输危险性，本发明实施例采用甲醇重整制氢等技术从甲醇等含氢原料中按需制取，直接进入燃料电池，无中间转运环节，从而实现了安全发电。

进一步地，在本发明其中一种优选实施例中，所述储能系统4还包括逆变器42，所述逆变器42的输入端与所述蓄电池41连接，所述逆变器42的输出端与外界用户负载A连接。由于用户负载的需求电能包括直流电与交流电，可根据不同的需要设置对应型号的逆变器实现电能的转换，从而能够得到所需求的电能形式。

应当说明的是，分布式能源系统的构成包括多个部件，请参见图4、图5、图6，其中，图4示出为本发明其中一种实施例中的分布式能源系统的样机结构示意图，图5示出为本发明其中一种实施例中的分布式能源系统的样机爆炸示意图，图6示出为本发明其中另一种实施例中的分布式能源系统的样机爆炸示意图，分布式能源系统内的各部件的位置可根据实际的设计要求进行调整，通过设计分布式能源系统内各部件的位置，集成包括控制系统、逆变器、蓄电池、甲醇重整制氢模块、甲醇水箱与燃料供给模块等的部件，使得样机的结构更为紧凑，有利于后续的生产与组装。

在上述实施例中，所述燃料电池发电系统2还包括输出接触器23，所述输出接触器23的输入端与所述燃料电池222的输出端连接，所述输出接触器23的输出端与所述逆变器42连接。

在上述实施例中，所述储能系统4还包括DC/DC转换器43，所述燃料电池222的输出端通过所述DC/DC转换器43与所述蓄电池41连接。

由于燃料电池发电是一个放热化学反应，其释放出的热量可通过一个换热模块进行回收再利用，优选地，所述燃料电池发电系统还包括换热模块51，所述燃料电池222的热交换端与所述换热模块51连接。

此外，为了提高能源系统产物的利用率，丰富使用场景，本发明实施例还设有热水供应功能，优选地，所述燃料电池发电系统还包括储热模块52，所述储热模块52的输入端与所述换热模块51连接，所述储热模块的输出端52通过供水管路与外界的热水出口端连接。

优选地，在上述实施例中，所述控制系统包括第一控制单元11和第二控制单元12；

所述第一控制单元11的控制端分别与所述燃料供给模块212、所述甲醇重整制氢模块221、所述燃料电池222连接；

所述第二控制单元12的控制端分别与所述光伏转换模块32、所述蓄电池41、所述发电装置22连接。

基于燃料电池的多能互补分布式能源系统可通过多种方式给用户负载进行供电，同时也能给用户供热。作为其中一种发电方式，燃料电池发电系统的工作原理为：通过甲醇重整制氢模块将甲醇水进行催化重整，制备出氢气，燃料电池使用其制备的氢气进行电化学反应从而产生电能，经过输出接触器后再经过直流转交流逆变器提供给用户220V的电，与此同时，燃料电池也能将发出的电经过DC/DC转换器给蓄电池进行充电，从而方便能量的存储与后续的利用；作为另外一种发电方式，通过光伏板、光伏转换器能够将太阳能转化为电能后存储到蓄电池中，然后通过直流转交流逆变器提供给用户220V的电，与此同时，在燃料电池模块还未启动完成时，或光伏转换模块功率输入满足用户负载功率时，可直接通过蓄电池经过逆变器来给用户提供电能，甲醇重整制氢发电模块启动完成后再对蓄电池进行补电。

本发明实施例中的分布式能源系统，各个供能方式均可分级协调输出，为提高整个系统的控制效果，优选地，第一控制单元用于控制燃料供给模块、甲醇重整制氢模块、燃料电池，使得三者的交互合乎预设；第二控制单元用于光伏转换模块、蓄电池、发电装置，以及三者之间的控制和通信。当然，控制系统中的控制单元数量需要根据能量的来源方式进行调整，且第一控制单元与第二控制单元还可控制其他的相关器件以实现更好的交互，例如，第二控制单元还用于控制所述逆变器与其他相关部件的交互。

为丰富能量的来源，本发明实施例还设有风能发电系统(图未示)，优选地，所述控制系统与所述风能发电系统连接；

所述风能发电系统包括风塔和与所述风塔连接的风电模组，所述风电模组的输出端与所述蓄电池连接。

本发明实施例提供的分布式能源系统，克服了单独以燃料电池进行发电的缺陷，通过集成燃料电池发电系统与光伏发电系统，并结合甲醇重整制氢技术，不同于使用罐氢、电解水制氢的燃料电池的供电系统，一方面，使用甲醇重整制氢的燃料电池系统解决的氢气运输、存储成本高的问题，另一方面，供能系统能够根据实际需求进行产氢，提高了能量的转换效率，且优化了燃料电池的启动与响应过程，提高了燃料电池与其他能源系统的协调程度与经济效应，优化了多能源互补的综合利用。

以上所述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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种分布式能源系统，其特征在于，包括：

控制系统以及分别与所述控制系统连接的燃料电池发电系统、光伏发电系统、储能系统；

所述储能系统包括蓄电池，且所述蓄电池的供电端与外界用户负载连接；

所述燃料电池发电系统包括供能装置和发电装置，所述供能装置包括甲醇水箱和燃料供给模块；所述发电装置包括甲醇重整制氢模块和燃料电池；

所述甲醇水箱的输出端与所述燃料供给模块的输入端连接，所述燃料供给模块的输出端与所述甲醇重整制氢模块的输入端连接，所述甲醇重整制氢模块的输出端与所述燃料电池的输入端连接，所述燃料电池的输出端与所述蓄电池连接，且所述燃料电池的输出端还与外界用户负载连接；

所述光伏发电系统包括光伏板和与所述光伏板连接的光伏转换模块，所述光伏转换模块的输出端与所述蓄电池连接。

2.如权利要求1所述的分布式能源系统，其特征在于，所述储能系统还包括逆变器，所述逆变器的输入端与所述蓄电池连接，所述逆变器的输出端与外界用户负载连接。

3.如权利要求2所述的分布式能源系统，其特征在于，所述燃料电池发电系统还包括输出接触器，所述输出接触器的输入端与所述燃料电池的输出端连接，所述输出接触器的输出端与所述逆变器连接。

4.如权利要求1所述的分布式能源系统，其特征在于，所述储能系统还包括DC/DC转换器，所述燃料电池的输出端通过所述DC/DC转换器与所述蓄电池连接。

5.如权利要求1所述的分布式能源系统，其特征在于，所述燃料电池发电系统还包括换热模块，所述燃料电池的热交换端与所述换热模块连接。

6.如权利要求5所述的分布式能源系统，其特征在于，所述燃料电池发电系统还包括储热模块，所述储热模块的输入端与所述换热模块连接，所述储热模块的输出端通过供水管路与外界的热水出口端连接。

7.如权利要求1所述的分布式能源系统，其特征在于，所述控制系统包括第一控制单元和第二控制单元；

所述第一控制单元的控制端分别与所述燃料供给模块、所述甲醇重整制氢模块、所述燃料电池连接；

所述第二控制单元的控制端分别与所述光伏转换模块、所述蓄电池、所述发电装置连接。

8.如权利要求1所述的分布式能源系统，其特征在于，所述分布式能源系统还包括与所述控制系统连接的风能发电系统；

所述风能发电系统包括风塔和与所述风塔连接的风电模组，所述风电模组的输出端与所述蓄电池连接。

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