CN112290570A - 一种基于生物乙醇重整的清洁多能互补系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于生物乙醇重整的清洁多能互补系统及其方法，属于能源互补利用领域。该系统主要包括风力发电机、太阳能光伏、太阳能热反应装置、生物乙醇和水供给装置、加热电阻、真空泵、储氢罐、燃料电池系统、逆变器和直流微网。本发明综合利用太阳能、风能和生物质能进行供能，并将多余的能量通过热化学反应储存为氢气的化学能，最终氢气的能量通过燃料电池系统供给负载，此系统清洁无污染，多种能量耦合供能，可靠性高，供能稳定，运行灵活，总体能量效率高，可全天候运行。

Description

一种基于生物乙醇重整的清洁多能互补系统及方法
技术领域
本发明涉及一种多能互补系统，具体涉及一种基于生物乙醇重整的清洁多能互补系统及方法。
背景技术
随着社会的快速发展，能源消耗与日俱增。环境友好的可再生能源的利用可在一定程度上解决能源短缺和环境问题。常见的可再生能源如风、光都具有间歇性。为了将能量稳定地提供给终端用户，带有储能装置的多能互补系统在可再生能源的使用过程中尤为重要。
传统的多能互补系统储能方式有电化学储能和热储能等，电化学储存如锂电池具有储能密度高、效果好的特点，但其成本较高且长期使用会受到充放电周期的限制，热储存有显热储存和潜热储存，此类储能系统成本相对较低，但是所占空间较大且需对系统进行保温以降低热损，不利于长期储能。
因此，本发明提出了一种基于生物乙醇重整过程的清洁多能互补系统，采用热化学储能的方式，无需保温、热损极小、可用于季节性储能且储能密度高于其他热储存方式。本发明以生物乙醇重整反应为基础，在利用生物质能的同时储存多能互补系统中多余的风能和太阳能，通过膜反应器和真空泵得到纯净的氢气，并将氢气供给燃料电池系统，进行发电，在风能或太阳能缺乏的时候可以保证多能互补系统的稳定运行。
发明内容
本发明针对传统多能互补系统在储能方面存在的上述问题，提出了一种基于生物乙醇重整的清洁多能互补系统及其方法。此系统利用热化学反应完成储能过程，无需保温，热损小，可用于季节性存储，生命周期长，能长期为多能互补系统工作，且此多能系统整体供能稳定、清洁无污染。
本发明首先公开了一种基于生物乙醇重整的清洁多能互补系统，其包括风力发电机、逆变器一、逆变器二、逆变器三、加热电阻、真空泵、生物乙醇和水供给装置、太阳能热化学反应装置、光伏电池组、储氢罐、燃料电池系统和直流微网，其中太阳能热化学反应装置包含槽式太阳能集热器、选择性钯透氢膜、管道和真空玻璃管；选择性钯透氢膜设置在管道内并将管道分为反应侧和分离侧两个区域，加热电阻缠绕在管道的外壁面，真空玻璃管布置于管道和加热电阻的外侧，所述反应侧填充疏松多孔的镍/氧化铝催化剂；所述风力发电机的电能输出端通过逆变器一与直流微网相连，与真空泵通过逆变器二连接，与加热电阻直接连接；生物乙醇和水供给装置的出口与太阳能热化学反应装置中管道反应侧的入口相连，太阳能热化学反应装置中，由选择性钯透氢膜和管道组成的反应器置于真空玻璃管内，被安装在槽式太阳能集热器的焦线位置上，分离侧设有开口与真空泵的气体入口直接连接；真空泵的气体出口与储氢罐的入口相连，储氢罐的出口与燃料电池系统的燃料进气口相连，燃料电池系统的电能输出端与直流微网、真空泵直接相连，通过逆变器三与加热电阻相连；光伏电池组的电能输出端直接与真空泵和直流微网相连。
本发明还公开了一种权利要求所述基于乙醇重整的清洁多能互补系统的工作方法，其特征在于，光伏电池组和风力发电机分别获取太阳能和风能；太阳能热化学反应装置中，生物乙醇与水蒸气按照设定比例流入反应侧，在镍/氧化铝催化剂的催化作用下，乙醇分解成甲烷、一氧化碳和氢气，随后发生甲烷蒸气重整反应和水气变换反应，得到最终产物二氧化碳和氢气；所述分离侧内，通过真空泵维持负压力，在选择性钯透氢膜内外存在压差的情况下，乙醇蒸汽重整得到的氢气被特异性地分离、收集,收集到的高纯度氢气由储氢罐储存；
当风能和太阳能都充足时，增大生物乙醇流量，利用加热电阻和真空泵将多余的风能和太阳能用在乙醇重整反应和氢气分离上，将能量转换为纯净氢气的化学能储存在储氢罐中；
当风能充足但是缺乏太阳能时，光伏电池组所发的电能全部输送给直流微网，多余的风能一方面被加热电阻用来发热，和槽式太阳能集热器协同工作，为乙醇重整反应供热，另一方面驱动真空泵帮助系统提高转化率和分离氢气；
当太阳能充足但是缺乏风能的时候，风力发电机所产生的电能全部通过逆变器一输送给直流微网，加热电阻不工作，光伏电池组多余的电能提供给真空泵，帮助完成乙醇重整转化率提高和氢气提纯的过程。
优选的，当风能和太阳能都缺乏的时，首先，通过燃料电池系统消耗储氢罐中的氢气为负载供能；
当储氢罐中的氢气含量低于设定值，且仍缺乏风能和太阳能时，则消耗储氢罐中的氢气来驱动真空泵和加热电阻，使来自生物乙醇和水供给装置的生物乙醇在太阳能热化学反应装置中完成重整过程得到氢气，得到的氢气与维持重整反应所消耗的氢气的差值所含有的能量用于提供给负载，保持系统供能的长期稳定性。
本发明共有三种能量交换途径，风力发电机、光伏电池组和燃料电池系统可产生电能，并提供给加热电阻、真空泵和直流微网，此为电力输送过程；生物乙醇和水供给装置将生物乙醇送进太阳能热化学反应装置中，完成乙醇重整得到氢气，并通过真空泵将氢气输送到储氢罐中，必要时燃料电池系统可使用储存在储氢罐中的氢气，此为物质输送过程；光热被槽式太阳能集热器吸收，加热电阻也可为太阳能热化学反应装置提供热量，此为热量输送过程。
本发明的优点在于：
(1)本发明在多能互补系统中采用热化学反应储能方式(乙醇重整反应储能)，相对于电池储能降低了成本，不受传统电池储能充放电周期对寿命的影响，延长了储能系统的使用周期，相对于其他热存储系统，本发明中无需对储能系统进行保温，且热化学储能热损小，可用于季节性储能，整个过程不涉及化石燃料，系统清洁无污染。
(2)本发明兼顾了多能互补系统供能的稳定性与环保性。本发明采用生物质能、风能和太阳能耦合供能，未消耗化石燃料，清洁无污染。在风能太阳能缺乏的条件下，可消耗储氢罐中的氢气来驱动真空泵和加热电阻，使来自生物乙醇和水供给装置的生物乙醇在太阳能热化学反应装置中完成重整过程得到氢气，得到的氢气与维持重整反应所消耗的氢气的差值所含有的能量可提供给负载，保持系统供能的长期稳定性。
(3)本发明可将太阳能的低品位热能通过热化学反应的形式储存为氢气的化学能，提高了能量品位。
(4)本发明中真空泵维持选择性钯透氢膜内侧和外侧的压力差，帮助选择性分离氢气，促使乙醇重整的化学平衡向右移动，提高了乙醇重整的转化率和系统的整体效率，同时得到的氢气纯度超过99％，可有效避免因氢气纯度不够引发的燃料电池中毒等问题。由于氢气纯度高，便于燃料电池的利用，且以燃料电池为重要供电手段，整体能量效率较高。
附图说明
图1为基于生物乙醇重整过程的清洁多能互补系统示意图。
图2为太阳能热化学反应装置结构示意图。
图3为乙醇重整反应气体流动示意图。
图4为不同工作状态时系统能流示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
如附图1所示，本发明提供了一种基于生物乙醇重整过程的清洁多能互补系统，该多能互补系统包括风力发电机1、逆变器一2、逆变器二3、逆变器三4、加热电阻加热电阻5、真空泵6、生物乙醇和水供给装置7、太阳能热化学反应装置8、光伏电池组9、储氢罐10、燃料电池系统11和直流微网12，其中太阳能热化学反应装置8为组合装置，包含槽式太阳能集热器81、选择性钯透氢膜82、管道83和真空玻璃管84。
本发明对生物质能、光伏、光热和风能进行综合利用，为负载稳定供能。基于乙醇重整反应，采用热化学储能的方式，在使用生物质能的同时储存多余的太阳能和风能，并将能量以氢气化学能的形式储存在储氢罐10中，必要时供给燃料电池系统11，用来为负载供电。
本发明所述的风力发电机1所产生的电能有三种利用途径，其一是通过逆变器一2转换为直流电后供给直流微网12，其二是通过逆变器二3后驱动真空泵6，其三是直接驱动加热电阻加热电阻5；太阳能在此系统中有两种利用方式，一是通过光伏电池组9进行发电，其电能可以直接驱动真空泵6，也可输送给直流微网12；二是通过太阳能热化学反应装置8为乙醇重整供热，在这一过程中，低品位的热能被转化成了高品位的氢气化学能，能量品位得到了提升。
如附图2和3所示，所述的太阳能热化学反应装置8在接收了来自生物乙醇和水供给装置7的乙醇之后，在槽式太阳能集热器81或加热电阻加热电阻5提供热量的前提下进行乙醇重整反应，得到二氧化碳和氢气。
所述选择性钯透氢膜82是一种致密的、薄的金属膜，通常沉积在多孔陶瓷基体上，能忍受一定程度的高温和压差，在膜内外有压力差的情况下，氢气会特异性的从压力高的一侧向压力低的一侧传输，且其对氢气的选择性超过99％，通过真空泵6让膜的外侧维持负的压力，形成压力差，实现分离纯净氢气的过程。氢气的分离也会让乙醇重整反应向右移动，获得更高的转化率和整体效率。所述真空泵6可将收集到的氢气储存到储氢罐10中，燃料电池系统11消耗储氢罐10中的氢气产生电能，可直接传输给直流微网12和真空泵6，或者通过逆变器三4传输给加热电阻5。
为了充分利用热量，所述的槽式太阳能集热器81通过槽式抛物面将太阳光能聚焦到位于焦线处的收集器上，收集器外侧通过真空玻璃管84为反应器保温，管道83及缠绕在其表面的加热电阻5表面镀有高吸收率的吸收涂层，在阳光充足时，入射的光能通过聚焦、反射、吸收过程转化为热能，被管道内的流体吸收。在缺乏太阳光的时候，所述加热电阻5消耗来自风力发电机1或者燃料电池系统11的电能进行发热，为乙醇重整反应提供热能。
实施例所述的乙醇重整反应，在以镍/氧化铝作为催化剂的条件下，反应过程可表示为：
Figure BDA0002733978600000041
Figure BDA0002733978600000042
Figure BDA0002733978600000043
Figure BDA0002733978600000044
生物乙醇与水蒸气按照摩尔比1:3的比例，流入反应侧，由太阳能供热使其升温到反应温度(300℃-500℃)，在镍/氧化铝催化剂的催化作用下，乙醇在常压下先分解成甲烷、一氧化碳和氢气，随后发生甲烷蒸气重整反应和水气变换反应，得到最终产物二氧化碳和氢气；所述分离侧内，通过真空泵维持负压力(10-5-10-1bar)，在选择性钯透氢膜内外存在压差的情况下，乙醇蒸汽重整得到的氢气会被特异性地分离、收集,同时氢气的分离将提高乙醇蒸汽重整过程的转化率。在控制水碳比为3比1的情况下，可确保最终产物为二氧化碳和氢气，此时的总方程式可表示为：
Figure BDA0002733978600000051
该反应消耗热能，将热能转化为化学能(氢能)，本发明采用选择性钯透氢膜82来获得高纯度的氢气，同时使乙醇重整的化学平衡向右移动，提高原料转化率。
在本实施例中，为了提高氢气的收集效率，所述的选择性钯透氢膜82设计成中空管状，中空管状内部区域为反应侧；选择性钯透氢膜82设置在管道83的内部，其与管道83之间的区域为分离侧，分离侧仅通过开口与真空泵6的气体入口相连。所述的选择性钯透氢膜82围成的中空管的轴线与管道83的轴线重合。
本发明在多种天气条件下均能稳定地为负载提供能量。在各种天气条件下，系统的能量流动如附图4所示，当风能和太阳能均充足的时候，可以增大生物乙醇的流量达到增加所需热能和泵所需的分离能的目的，利用加热电阻5和真空泵6将多余的、由风能和太阳能转化而来的电能用在乙醇重整反应和氢气分离上，将多余的能量转换为纯净氢气的化学能储存在储氢罐10中，在缺乏可再生资源时使用；当风能充足但是太阳能缺乏时，光伏电池组9所发的电能全部输送给微网，剩余的风电一方面被加热电阻5利用，和槽式太阳能集热器81协同工作，为乙醇重整反应供热，另一方面驱动真空泵6工作，维持选择性钯透氢膜82两侧的压差，帮助系统提高转化率和分离氢气；当太阳能充足但是风能缺乏的时候，风力发电机1所产生的电能全部通过逆变器一2输送给直流微网12，在太阳能充足的前提下，加热电阻5不工作，光伏电池组9多余的电能提供给真空泵6，帮助完成乙醇重整转化率提高和氢气提纯的过程；当风能和太阳能都不充足时，短期内可通过燃料电池系统11消耗储氢罐10中的氢气为负载供能，长期同时缺乏风和太阳能时，可通过燃料电池系统11来消耗储氢罐10中的氢气来驱动真空泵6和加热电阻5，使来自生物乙醇和水供给装置7的生物乙醇在太阳能热化学反应装置8中完成重整过程得到氢气，得到的氢气与维持重整反应所消耗的氢气的差值所含有的能量可提供给负载，保持系统供能的长期稳定性。
以上所述仅为说明本系统的功能结构和运行方案，并非对其进行限制。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于生物乙醇重整的清洁多能互补系统，其特征在于，该多能互补系统包括风力发电机、逆变器一、逆变器二、逆变器三、加热电阻、真空泵、生物乙醇和水供给装置、太阳能热化学反应装置、光伏电池组、储氢罐、燃料电池系统和直流微网，其中太阳能热化学反应装置包含槽式太阳能集热器、选择性钯透氢膜、管道和真空玻璃管；选择性钯透氢膜设置在管道内并将管道分为反应侧和分离侧两个区域，加热电阻缠绕在管道的外壁面，真空玻璃管布置于管道和加热电阻的外侧，所述反应侧填充疏松多孔的镍/氧化铝催化剂；所述风力发电机的电能输出端通过逆变器一与直流微网相连，与真空泵通过逆变器二连接，与加热电阻直接连接；生物乙醇和水供给装置的出口与太阳能热化学反应装置中管道反应侧的入口相连，太阳能热化学反应装置中，由选择性钯透氢膜和管道组成的反应器置于真空玻璃管内，被安装在槽式太阳能集热器的焦线位置上，分离侧设有开口与真空泵的气体入口直接连接；真空泵的气体出口与储氢罐的入口相连，储氢罐的出口与燃料电池系统的燃料进气口相连，燃料电池系统的电能输出端与直流微网、真空泵直接相连，通过逆变器三与加热电阻相连；光伏电池组的电能输出端直接与真空泵和直流微网相连。
2.根据权利要求1所述的基于乙醇重整的清洁多能互补系统，其特征在于，所述的选择性钯透氢膜成中空管状，中空管状内部区域为分离侧，仅通过开口与真空泵的气体入口相连；选择性钯透氢膜设置在管道的内部，其与管道之间的区域为反应侧，布置有镍/氧化铝催化剂；所述选择性钯透氢膜和管道整体置于真空玻璃管内部。
3.根据权利要求1所述的基于乙醇重整的清洁多能互补系统，其特征在于，所述的选择性钯透氢膜围成的中空管的轴线与管道的轴线重合。
4.根据权利要求1所述的基于乙醇重整的清洁多能互补系统，其特征在于，所述的管道及缠绕在其表面的加热电阻表面镀有高吸收率的吸收涂层。
5.一种权利要求1所述基于乙醇重整的清洁多能互补系统的工作方法，其特征在于，光伏电池组和风力发电机分别获取太阳能和风能；太阳能热化学反应装置中，生物乙醇与水蒸气按照设定比例流入反应侧，在镍/氧化铝催化剂的催化作用下，乙醇分解成甲烷、一氧化碳和氢气，随后发生甲烷蒸气重整反应和水气变换反应，得到最终产物二氧化碳和氢气；所述分离侧内，通过真空泵维持负压力，在选择性钯透氢膜内外存在压差的情况下，乙醇蒸汽重整得到的氢气被特异性地分离、收集,收集到的高纯度氢气由储氢罐储存；
当风能和太阳能都充足时，增大生物乙醇流量，利用加热电阻和真空泵将多余的风能和太阳能用在乙醇重整反应和氢气分离上，将能量转换为纯净氢气的化学能储存在储氢罐中；
当风能充足但是缺乏太阳能时，光伏电池组所发的电能全部输送给直流微网，多余的风能一方面被加热电阻用来发热，和槽式太阳能集热器协同工作，为乙醇重整反应供热，另一方面驱动真空泵帮助系统提高转化率和分离氢气；
当太阳能充足但是缺乏风能的时候，风力发电机所产生的电能全部通过逆变器一输送给直流微网，加热电阻不工作，光伏电池组多余的电能提供给真空泵，帮助完成乙醇重整转化率提高和氢气提纯的过程。
6.根据权利要求5所述的工作方法，其特征在于，当风能和太阳能都缺乏的时，首先，通过燃料电池系统消耗储氢罐中的氢气为负载供能；
当储氢罐中的氢气含量低于设定值，且仍缺乏风能和太阳能时，则消耗储氢罐中的氢气来驱动真空泵和加热电阻，使来自生物乙醇和水供给装置的生物乙醇在太阳能热化学反应装置中完成重整过程得到氢气，得到的氢气与维持重整反应所消耗的氢气的差值所含有的能量用于提供给负载，保持系统供能的长期稳定性。
7.根据权利要求5所述的工作方法，其特征在于，所述真空泵维持的负压力为10-5-10- 1bar。
8.根据权利要求5所述的工作方法，其特征在于，生物乙醇与水蒸气按照摩尔比1:3进入反应侧，反应侧的反应温度为300-500℃。
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