CN114672834A - 基于光伏制氢耦合燃料电池的热电联用系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于光伏制氢耦合燃料电池的热电联用系统及方法，设置有光伏发电模块，该光伏发电模块的第一输出端与逆变器模块的输入端连接，为逆变器模块提供直流电源，逆变器模块输出端为家用电器提供交流电源；光伏发电模块的第二输出端与电解制氢模块的电源端连接，为电解制氢提供电力；电解制氢模块的氧气输出端连接有氧气存储模块，氢气输出端连接有氢气储存模块，氧气存储模块和氢气储存模块的输出端分别与燃料电池模块的氧气入口和氢气入口连接，该燃料电池模块的输出端与所述逆变器模块的输入端连接；在光伏发电模块、电解制氢模块和燃料电池模块中分别设置有热交换模块，每个热交换模块的输出端分别与热电联用模块连接，实现热能的利用。

Description

基于光伏制氢耦合燃料电池的热电联用系统及方法
技术领域
本发明涉及新能源利用技术领域，具体为基于光伏制氢耦合燃料电池的热电联用系统及方法。
背景技术
随着经济的快速发展，世界各地的能源消耗与环境污染急剧增加，因而发展可持续、可再生的绿色高效能源成为人类社会可持续发展的重要战略。所谓“双碳”目标指的就是两个阶段碳减排(碳达峰、碳饱和)奋斗目标。为实现“双碳”目标，将促进经济社会发展全面绿色转型，作为未来清洁低碳能源系统核心之一的氢能(Hydrogen)，被公认为清洁能源的载体，其发展成为实现“双碳”目标的重要手段。而低成本、高效制氢是氢能利用的关键，因此寻求高效的制氢手段尤为重要。
在所有清洁能源中，清洁的太阳能成为了重要选择，目前应用较多的为采用光伏(Photovoltaic)发电技术拓展太阳能的转化利用。然而光伏产业由于光照时间以及气候条件受到限制，因此为实现能源的自产自销，在光伏系统中配备一定容量的储能装置成为有效解决手段。蓄电池储能是目前应用较为广泛的储能方式，但其电池成本高、寿命短以及储能时效短等缺点。因此如何综合、高效的利用各种清洁能源，成为能源技术领域的问题。尤其是在家用能源技术领域，需要结构简单，成本较低，才能推广使用。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种能源利用效率高，将光伏、燃料电池耦合，同时提供电能和热能的基于光伏制氢耦合燃料电池的热电联用系统及方法，具体技术方案如下：
一种基于光伏制氢耦合燃料电池的热电联用系统，设置有光伏发电模块，该光伏发电模块的第一输出端与逆变器模块的输入端连接，为逆变器模块提供直流电源，所述逆变器模块输出端为家用电器提供交流电源；
所述光伏发电模块的第二输出端与电解制氢模块的电源端连接，为电解制氢提供电力；
所述电解制氢模块的氧气输出端连接有氧气存储模块，氢气输出端连接有氢气储存模块，所述氧气存储模块和氢气储存模块的输出端分别与燃料电池模块的氧气入口和氢气入口连接，该燃料电池模块的输出端与所述逆变器模块的输入端连接；
在所述光伏发电模块、电解制氢模块和燃料电池模块中分别设置有热交换模块，每个所述热交换模块的输出端分别与热电联用模块连接，实现热能的利用。
作为优化：所述光伏发电模块设置有至少两个光伏发电板，每个该光伏发电板的底部平面设置有吸热板，该吸热板的下表面分布有集热水管，在该集热水管的外表面设置有保温层。在光伏板底部设置集热水管，接触紧密，热交换效率高，同时设置保温层，可以阻断集热水管和外界空气的热交换。
作为优化：每个所述光伏发电板的输出端均与光伏汇流箱连接，该光伏汇流箱的输出端与所述逆变器模块的输入端连接。汇流箱在光伏发电系统中是保证光伏组件有序连接和汇流功能的接线装置，它能够保障光伏系统在维护、检查时易于切断电路，当光伏系统发生故障时减小停电的范围。汇流箱可以将一定数量、规格相同的光伏电池串联起来，组成一个个光伏串列，然后再将若干个光伏串列并联接入光伏汇流箱，在光伏汇流箱内汇流后，通过控制器、直流配电柜、光伏逆变器、交流配电柜，配套使用从而构成完整的光伏发电系统。
作为优化：所述集热水管串联有储热水箱，所述光伏发电板倾斜设置，所述储热水箱的顶部高于所述光伏发电板的最高点设置。在重力和温差的作用下，集热水管中的热水和储热水箱中的冷水形成自然回路,温度较高的流体停留在水箱上部，温度低的水进入循环管路。
作为优化：所述电解制氢模块设置有电解水箱，该电解水箱的出水端与水泵进水端连接，该水泵的出水端经离子净化器和加热装置后与电解槽的进水端连接，在所述电解槽的外表面设置有换热盘管，该换热盘管的一端与集热水管连通，另一端与储热水箱连通。
作为优化：所述电解水箱和所述储热水箱连通。电解过程中，要求流入的水温度不能低于25℃，利用储热水箱的热水作为水源，可以降低电解过程的能耗。
一种基于光伏制氢耦合燃料电池的热电联用系统的控制方法，具体步骤为：
步骤一：光伏电池板接受太阳光，将太阳能转换成电能，同时将多余的热能加热集热水管中的冷水，在温差的作用下，光伏电池板下端集热水管中的水流入到储热水箱中；
步骤二：各个光伏电池板输出的电流通过光伏汇流箱汇集，然后输出到逆变器模块中，将直流电转换成交流电，供用电器使用；
步骤三：在光伏电池板产生的电能有富余的时候，光伏汇流箱将部分或者全部电能输入到电解制氢模块，产生的氢气和氧气分别储存到氧气储存模块和氢气储存模块，在电解制氢过程中，冷凝过程中，产生的热能通过换热器回收，将加热的水送入储热水箱中保存；
步骤四：检测到氧气储存模块和氢气储存模块达到设定值时，启动燃料电池模块，利用氢气和氧气产生电能，所产生的电能送入逆变器输入端，或者直接给储热水箱中的水加热，在燃料电池模块发电的过程中，产生的热能，通过热交换器，将加热的水送入储热水箱中。
本发明的有益效果为：提高了太阳能的利用效率，首先电能方面，将光伏板产生的电能在在供用电器有富余的时候，利用富余电能进行电解制氢，转换成氢气和氧气进行冷能存储，在需要的时候，将氢气利用燃料电池转换成电能，在补充光伏板电能转换不足，或者直接加热热水，进行能源利用；其次在热能利用方面，将光伏转换、电解制氢、燃料电池发电过程中，回收利用产生的余热，通过热水的方式收集热能，供用户使用，整体能源利用充分，效率高，能同时提供电能和热能，满足生产生活需要。
附图说明
图1为本发明中系统的结构示意图；
图2为本发明中电能利用结构框图；
图3为本发明中热能利用结构示意图；
图4为本发明中为电解制氢模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1、图2、图3和图4所示：一种基于光伏制氢耦合燃料电池的热电联用系统，设置有光伏发电模块，该光伏发电模块的第一输出端与逆变器模块的输入端连接，为逆变器模块提供直流电源，所述逆变器模块输出端为家用电器提供交流电源；所述光伏发电模块的第二输出端与电解制氢模块的电源端连接，为电解制氢提供电力；所述电解制氢模块的氧气输出端连接有氧气存储模块，氢气输出端连接有氢气储存模块，所述氧气存储模块和氢气储存模块的输出端分别与燃料电池模块的氧气入口和氢气入口连接，该燃料电池模块的输出端与所述逆变器模块的输入端连接；
在所述光伏发电模块、电解制氢模块和燃料电池模块中分别设置有热交换模块，每个所述热交换模块的输出端分别与热电联用模块连接，实现热能的利用。
其中所述光伏发电模块设置有五个光伏发电板，每个光伏发电板的底部平面设置有吸热板，该吸热板的下表面分布有集热水管，在该集热水管的外表面设置有保温层。每个光伏发电板的输出端均与光伏汇流箱连接，该光伏汇流箱的输出端与所述逆变器模块的输入端连接。所述集热水管采用金属盘管，该集热水管两端串联有储热水箱，所述光伏发电板倾斜设置，所述储热水箱的顶部高于所述光伏发电板的最高点设置。
其中电解制氢模块设置有电解水箱，该电解水箱的出水端与水泵进水端连接，该水泵的出水端经离子净化器和加热装置后与电解槽的进水端连接，电解水箱和储热水箱连通，或者电解水箱和储热水箱采用同一个，在所述电解槽的外表面设置有换热盘管，该换热盘管的一端与集热水管连通，另一端与储热水箱连通。本模块的电解水箱出水口和电解槽入水口之间的高差要大于10厘米，或配备设置循环水泵，设置循环水泵时对二者高差无要求水箱大小要与技术参数表相对应，水箱内设置液位控制和报警装置，确保存水量在最低液位之上，离子净化装置，例如离子交换树脂，为确保电解槽长期稳定运行，建议在产品设计时配备设置离子交换树脂过滤装置，可设置在水箱出水口和电解槽入水口之间，确保电解用水达到使用标准要求，电解槽运行效率与工作温度相关性较高，经常性低温启动会对电解槽造成一定损伤，为此在实施例产品设计时要充分考虑启动温度的问题，解决这个问题需要在产品设计时进行优化，一是通过内置程序控制电源启动时的电源电流输出，输出电流逐步梯次上升，最后稳定在额定工作电流，期间工作电压不超过额定电压；二是在水箱出水口和电解槽入水口之间设置自动瞬时加热模块或水箱升温模块，确保流入电解槽的水温不低于25℃，为圆柱形，便于冷凝管的缠绕降温，水汽分离装置，将排出来的氧气和水蒸气或氢气和水蒸气分开。连接管路选择使用铁氟龙材料作为结构件或者管路，必须使用金属材料的，使用纯钛材质，管路连接需稳固可靠，具有合适的耐温耐压耐水解性能，防止老化或者脱落导致泄露；与水接触的材料，必须是耐腐蚀耐氧化耐高温的材料，水箱与离子净化器连接，离子净化器与柱形电解槽相连，电解槽进水口和出氧口在同一侧，用冷凝管将电解槽相连，冷凝水由水箱提供，冷凝水的入水口在水箱与离子净化器之间。冷凝水吸收热量输往热水收集箱。产生的氢气和氧气分别通过水汽分离装置进行分离，水蒸气通过重力的作用进行收集二次利用，氧气和氢气输往储气罐进行储存。连接的地方都要紧固，否则会产生大量热量，造成安全隐患。
其中燃料电池模块将氢气通过催化剂，将化学能转化成电能的装置，根据目前燃料电池的一些缺点我们将对其进行一系列的优化；首先，要将氢气和氧气或空气导入到燃料电池内部，就需要两根导气管，还要将未反应完的氢气和氧气还有产物水导出来，则还需要两根导气管；其次燃料电池需要两块导电板作为电子的电极；第三，为了氢气能反应，还需要在两极板旁边加入催化剂，第四，为了传输反应产生的电子，则需要质子交换膜使电子在两电极间传递。为了使燃料电池具有更好的发电效率，我们对应其相应的缺点采取了相应的措施。结构主要由两根氢气管道，因为氢气分子可以进入许多金属的晶格中，造成“氢脆”现象，我们的装置一般处于100℃以内压力1.0Mpa的工作环境中，所以采用20#钢材质即可、两根气体管道，采用空气软管其外观，柔软度，弹性类似橡胶，抗氧化，抗老化，夏天不发软，冬天不发硬，不开裂的特点。氢气提纯装置，为了得到更纯的氢气，特别要防止co的进入，提高电解效率；两个电极板，采用开管式结构设计电极材料，使PtCo纳米管内外壁均可参与电化学反应，显著提高了催化剂的利用率。同时，PtCo纳米管阵列形成自支撑的催化层，克服了传统Pt/C催化层碳载体腐蚀、催化剂团聚和粘结剂失效等问题，提升了膜电极的稳定性。催化剂，主要应用金、钯、铂这三种，均为贵金属，配合非贵金属共同制成催化剂，具有更好的催化效果、质子交换膜，采用的是全氟磺酸型质子交换膜，技术成熟，已经商业、温度传感器，检测电池的温度、湿度传感器，检测反应后的含水量，使电池工作时处于含水量最佳状态和压力传感器，检测氢气流速，防止氢气通入速率过快或过慢对电解效率的影响、管道阀门，控制气体流速和压力、控温系统，控制电池温度，配合冷热联用系统组成。
上述一种基于光伏制氢耦合燃料电池热电联用系统的控制方法，具体步骤为：
步骤一：光伏电池板接受太阳光，将太阳能转换成电能，同时将多余的热能加热集热水管中的冷水，在温差的作用下，光伏电池板下端集热水管中的水流入到储热水箱中；
步骤二：各个光伏电池板输出的电流通过光伏汇流箱汇集，然后输出到逆变器模块中，将直流电转换成交流电，供用电器使用；
步骤三：在光伏电池板产生的电能有富余的时候，光伏汇流箱将部分或者全部电能输入到电解制氢模块，产生的氢气和氧气分别储存到氧气储存模块和氢气储存模块，在电解制氢过程中，冷凝过程中，产生的热能通过换热器回收，将加热的水送入储热水箱中保存；
步骤四：检测到氧气储存模块和氢气储存模块达到设定值时，启动燃料电池模块，利用氢气和氧气产生电能，所产生的电能送入逆变器输入端，或者直接给储热水箱中的水加热，在燃料电池模块发电的过程中，产生的热能，通过热交换器，将加热的水送入储热水箱中。

Claims (7)

1.一种基于光伏制氢耦合燃料电池的热电联用系统，其特征在于：设置有光伏发电模块，该光伏发电模块的第一输出端与逆变器模块的输入端连接，为逆变器模块提供直流电源，所述逆变器模块输出端为家用电器提供交流电源；
所述光伏发电模块的第二输出端与电解制氢模块的电源端连接，为电解制氢提供电力；
所述电解制氢模块的氧气输出端连接有氧气存储模块，氢气输出端连接有氢气储存模块，所述氧气存储模块和氢气储存模块的输出端分别与燃料电池模块的氧气入口和氢气入口连接，该燃料电池模块的输出端与所述逆变器模块的输入端连接；
在所述光伏发电模块、电解制氢模块和燃料电池模块中分别设置有热交换模块，每个所述热交换模块的输出端分别与热电联用模块连接，实现热能的利用。
2.根据权利要求1所述基于光伏制氢耦合燃料电池的热电联用系统，其特征在于：所述光伏发电模块设置有至少两个光伏发电板，每个该光伏发电板的底部平面设置有吸热板，该吸热板的下表面分布有集热水管，在该集热水管的外表面设置有保温层。
3.根据权利要求2所述基于光伏制氢耦合燃料电池的热电联用系统，其特征在于：每个所述光伏发电板的输出端均与光伏汇流箱连接，该光伏汇流箱的输出端与所述逆变器模块的输入端连接。
4.根据权利要求2所述基于光伏制氢耦合燃料电池的热电联用系统，其特征在于：所述集热水管串联有储热水箱，所述光伏发电板倾斜设置，所述储热水箱的顶部高于所述光伏发电板的最高点设置。
5.根据权利要求4所述基于光伏制氢耦合燃料电池的热电联用系统，其特征在于：所述电解制氢模块设置有电解水箱，该电解水箱的出水端与水泵进水端连接，该水泵的出水端经离子净化器和加热装置后与电解槽的进水端连接，在所述电解槽的外表面设置有换热盘管，该换热盘管的一端与集热水管连通，另一端与储热水箱连通。
6.根据权利要求5所述基于光伏制氢耦合燃料电池的热电联用系统，其特征在于：所述电解水箱和所述储热水箱连通。
7.一种基于光伏制氢耦合燃料电池的热电联用系统的控制方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一：光伏电池板接受太阳光，将太阳能转换成电能，同时将多余的热能加热集热水管中的冷水，在温差的作用下，光伏电池板下端集热水管中的水流入到储热水箱中；
步骤二：各个光伏电池板输出的电流通过光伏汇流箱汇集，然后输出到逆变器模块中，将直流电转换成交流电，供用电器使用；
步骤三：在光伏电池板产生的电能有富余的时候，光伏汇流箱将部分或者全部电能输入到电解制氢模块，产生的氢气和氧气分别储存到氧气储存模块和氢气储存模块，在电解制氢过程中，冷凝过程中，产生的热能通过换热器回收，将加热的水送入储热水箱中保存；
步骤四：检测到氧气储存模块和氢气储存模块达到设定值时，启动燃料电池模块，利用氢气和氧气产生电能，所产生的电能送入逆变器输入端，或者直接给储热水箱中的水加热，在燃料电池模块发电的过程中，产生的热能，通过热交换器，将加热的水送入储热水箱中。
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