CN116404695A - 一种耦合能源岛系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及能源系统技术领域，公开了一种耦合能源岛系统，其包括风光氢耦合电解水制氢子系统、热泵余热回收子系统和冷热电三联供子系统；风光氢耦合电解水制氢子系统包括风力发电机、光伏板发电板阵列和电解槽，风力发电机和光伏发电板阵列分别与电解槽相连且为电解槽提供电能；热泵余热回收子系统用于回收冷却水的热量；冷热电三联供子系统燃料电池，海水换热器和海水蒸发器，燃料电池消耗电解槽产生的氢气，海水换热器分别与燃料电池和海水蒸发器相连，海水换热器将所述燃料电池产生的热量提供给海水蒸发器，海水蒸发器用于蒸发海水并将蒸发形成的淡水输往电解槽，实现削峰平谷的作用，使能源岛能够随时提供足够的能源。
Description
技术领域
本发明涉及能源系统技术领域，特别是涉及一种耦合能源岛系统。
背景技术
随着全球能源消耗的增长和环境问题的日益突出，能源转型和可持续发展成为了全球关注的热点话题。在这个背景下，风光氢储技术作为一种新型的清洁能源储存和利用方式，备受研究者和产业界的关注。
风光氢储技术是一种基于太阳能、风能等可再生能源发电，将产生的电能通过电解水制氢、将制得的氢气进行储存，再通过燃料电池发电的方式来实现能源的储存和利用。它不仅能够解决可再生能源的间歇性和波动性问题，同时还能够产生清洁的电力和氢气，达到减少碳排放和保护环境的目的。风光氢储技术具有能量转化效率高、环境友好、能源安全等优点。考虑到光伏板和燃料电池等部件的工作温度，应当进行适当的余热回收利用，否则会有较大的热损失甚至导致部件的损坏。目前来看，缺少能与风光氢耦合系统匹配的余热回收技术做到余热分级利用、高效节能的，尤其针对构建一个能源岛系统的特定情况下，用户存在冷热电三负荷的需求，如何满足这些需求是一个难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：风光氢耦合系统匹配的余热回收技术无法做到余热分级利用、高效节能。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种耦合能源岛系统，其包括风光氢耦合电解水制氢子系统、热泵余热回收子系统和冷热电三联供子系统；
所述风光氢耦合电解水制氢子系统包括风力发电机、光伏板发电板阵列和电解槽，所述风力发电机和所述光伏发电板阵列分别与所述电解槽相连且为所述电解槽提供电能，所述电解槽用于电解水并形成氢气；
所述热泵余热回收子系统与所述光伏发电板阵列相连，所述热泵余热回收子系统用于回收所述光伏发电板阵列输出的冷却水的热量；
所述冷热电三联供子系统包括燃料电池，海水换热器和海水蒸发器，所述燃料电池与所述风光氢耦合电解水制氢子系统相连并消耗所述电解槽产生的氢气，所述海水换热器分别与所述燃料电池和所述海水蒸发器相连，所述海水换热器将所述燃料电池产生的热量提供给所述海水蒸发器，所述海水蒸发器用于蒸发海水并将蒸发形成的淡水输往所述电解槽。
进一步地，所述冷热电三联供子系统还包括海水换热器，所述海水换热器与所述海水蒸发器通过管道相连接，所述海水换热器通过输入海水对所述海水蒸发器产生的水蒸气降温。
进一步地，所述冷热电三联供子系统还包括家用换热器，所述家用换热器与所述海水换热器通过管道相连接，所述家用换热器向所述电解槽供水。
进一步地，所述风光氢耦合电解水制氢子系统还包括蓄水塔，所述蓄水塔分别与所述电解槽、所述光伏板发电板阵列和所述海水换热器通过管道相连接。
进一步地，所述热泵余热回收子系统包括循环泵、回收压缩机、回收冷凝器、回收换热器、回收蒸发器、室内风机、四通电磁阀，所述回收蒸发器分别与所述四通电磁阀和所述光伏发电板阵列通过管道相连接，所述四通电磁阀分别与所述回收压缩机和所述回收冷凝器通过管道相连接，所述回收冷凝器与所述回收换热器通过管道相连接，所述回收换热器与所述室内风机相连接。
进一步地，所述热泵余热回收子系统还包括膨胀阀，所述膨胀阀分别与所述回收冷凝器与所述回收蒸发器通过管道相连接，所述冷凝器通过所述膨胀阀向所述回收蒸发器输送液体。
进一步地，所述冷热电三联供子系统还包括第一透平机、第二透平机、第一回热器、第二回热器、透平冷凝器、透平泵、透平换热器，所述透平泵分别与所述透平冷凝器、所述第一回热器和所述第二回热器通过管道相连接，所述第一回热器分别与所述第一透平机和所述第二透平机通过管道相连接，所述第二回热器分别与所述第二透平机和所述透平换热器通过管道相连接，所述透平换热器分别与所述海水换热器和所述第一透平机通过管道相连接。
进一步地，所述冷热电三联供子系统还包括第一压缩机、第一气体冷却器、第二压缩机、第二气体冷却器、空调蒸发器和膨胀机，所述第一压缩机与所述第一透平机相连接，所述第一压缩机分别与所述第一气体冷却器和所述空调蒸发器通过管道相连接，所述第一气体冷却器与所述第二压缩机通过管道相连接，所述空调蒸发器与所述膨胀机通过管道相连接，所述第二气体冷却器与所述膨胀机通过管道相连接。
进一步地，所述风光氢耦合电解水制氢子系统还包括冷相变材料储罐、热相变材料罐、辅助换热器，所述辅助换热器分别与所述冷相变材料储罐和所述热相变材料罐通过管道相连接，所述光伏板发电板阵列分别与所述冷相变材料储罐和所述热相变材料罐通过管道相连接。
进一步地，所述冷热电三联供子系统还包括空气泵和空气压缩机，所述空气压缩机分别与所述空气泵和所述燃料电池通过管道相连接。
本发明实施例一种耦合能源岛系统与现有技术相比，其有益效果在于：以风光电作为能量输入，在发电量高于岛上用户的负荷时，将额外的电能拿来制氢储存，并在发电量低于岛上用户负荷的时候选择燃料电池利用储存的氢气进行发电，实现削峰平谷的作用，使能源岛能够随时提供足够的能源。整个燃料电池配合超临界二氧化碳可以实现同时供冷供热供电三者同时的效果，首先通过使用氢气的燃料电池第一步将最多的能源转换为电能，第二步再通过冷热电三联供子系统将余热利用来供冷或者供热，实现三种功能同时提供的方法，并以此提高能源利用效率，提高节能效果。
附图说明
图1为本发明一种实施例的结构示意图。
图2为本发明一种实施例的风光氢耦合电解水制氢子系统的示意图。
图3为本发明一种实施例的热泵余热回收子系统的示意图。
图4为本发明一种实施例的冷热电三联供子系统的示意图。
图中，蓄水塔1；风力发电机2；光伏发电板阵列3；电解槽4；储氢罐5；氢气压缩机6；空气泵7；空气压缩机8；燃料电池9；家用换热器10；海水换热器11；冷相变材料储罐12；热相变材料罐13；辅助换热器14；海水泵15；海水蒸发器16；循环泵17；回收压缩机18；回收冷凝器19；回收换热器20；膨胀阀21；回收蒸发器22；室内风机23；供能换热器24；第一透平机25；第一压缩机26；第一气体冷却器27；第二压缩机28；第二气体冷却器29；空调蒸发器30；膨胀机31；透平换热器32；第二透平机33；第一回热器34；第二回热器35；透平泵36；透平冷凝器37；四通电磁阀38。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例优选实施例的一种耦合能源岛系统，其包括风光氢耦合电解水制氢子系统、热泵余热回收子系统和冷热电三联供子系统。
如图1-2所示，所述风光氢耦合电解水制氢子系统包括风力发电机2、光伏板发电板阵列、电解槽4和储氢罐5，所述风力发电机2和所述光伏发电板阵列3分别与所述电解槽4相连且为所述电解槽4提供电能，所述电解槽4用于电解水并形成氢气。所述光伏板发电板阵列具有冷却水进口3a、出口3d、相变储热材料低温侧3b、高温侧3c、光伏发电电量输出端3e；所述光伏发电板阵列3的光伏发电电量输出端3e与风力发电机2并联共同为能源岛上的用户与电解槽4提供能源。
如图1-2所示，所述电解槽4为PEM电解槽4，所述电解槽4具有功率输入4a、淡水输入入口4b、氢气出口4c。所述储氢罐5具有氢气入口5a、出口5b；所述电解槽4的功率输入4a接收由风力发电机2、光伏板发电板阵列产生的电能并将这部分电能用于电解水从而制取氢气。所述电解槽4的氢气出口4c通过管道与储氢罐5连通，所述电解槽4产生的氢气可以送入储氢罐5中进行储存，在所述风力发电机2和所述光伏发电板阵列3发电量不足时，储氢罐5将氢气送入燃料电池9，使燃料电池9可以发电。
如图1-2所示，所述热泵余热回收子系统与所述光伏发电板阵列3相连，所述热泵余热回收子系统用于回收所述光伏发电板阵列3输出的冷却水的热量；所述冷热电三联供子系统包括燃料电池9，海水换热器11和海水蒸发器16，所述燃料电池9与所述风光氢耦合电解水制氢子系统相连并消耗所述电解槽4产生的氢气，所述海水换热器11分别与所述燃料电池9和所述海水蒸发器16相连，所述海水换热器11将所述燃料电池9产生的热量提供给所述海水蒸发器16，所述海水蒸发器16用于蒸发海水并将蒸发形成的淡水输往所述电解槽4。
为了使能源岛实现完全的清洁能源自给自足，风力发电机2、光伏板发电板阵列可以获取自然界绿色的风能和太阳能，为能源岛提供最初的能量来源，在获取量大于岛上用户的使用量时，将多余的电量通过制氢来保存起来，之后再在风能和太阳能的获取小于岛上负荷时，通过所述燃料电池9利用所储存的氢气进行发电，补足缺少的部分。
如图1和图4所示，所述冷热电三联供子系统还包括海水换热器11，所述海水换热器11与所述海水蒸发器16通过管道相连接，所述海水换热器11通过输入海水对所述海水蒸发器16产生的水蒸气降温。所述海水蒸发器16具有海水进口16a、蒸发淡水出口16b、换热介质热侧16c、浓盐水出口16d、换热介质冷侧16e。
如图1-4所示，所述冷热电三联供子系统还包括家用换热器10，所述家用换热器10与所述海水换热器11通过管道相连接，所述家用换热器10向所述电解槽4供水。海水在海水换热器11中与海水蒸发器16中蒸发出的蒸汽换热，海水被预热从而温度上升，与此同时从蒸发器出来的蒸汽在海水换热器11中温度降低。原料水经海水泵15进入海水蒸发器16，被加热到蒸发温度，由于蒸发过程中盐水浓度变大，导致盐水沸点升高,也会产生二次蒸汽。蒸发产生的热蒸汽向上运动，蒸汽中的微小含盐液滴被位于海水蒸发器16的丝网汽水分离器捕获，在重力作用下汇集到蒸馏装置底部，连同未蒸发的盐水一起通过海水蒸发器16的浓盐水出口16d排出，纯净的蒸汽向上排出，进入海水换热器11，与原料海水换热后凝结成产品水，产生的淡水经过家用换热器10后，一部分储存至供给电解槽4，另一部分作为生活用水；居民的生活用水可通过家用换热器10利用蒸发所得淡水得余热。
如图1-4所示，所述风光氢耦合电解水制氢子系统还包括蓄水塔1，所述蓄水塔1具有自然降雨进口1a、淡化海水进口1b、淡水出口1c，所述蓄水塔1中的淡水来源分为两部分，一部分为所述蓄水塔1自然降雨进口1a收集自然降雨的雨水，另一部分通过所述蓄水塔1淡化海水进口1b从家用换热器10的淡水出口1Oa收集淡化后的海水。所述蓄水塔1分别与所述电解槽4、所述光伏板发电板阵列和所述海水换热器11通过管道相连接。所述蓄水塔1的淡水出口1c通过管道连通所述电解槽4的淡水输入入口4b，从而将蓄水塔11中的淡水抽取至所述电解槽4中电解出氢气。所述蓄水塔1的淡水出口1c与光伏发电板阵列3的冷却水进口3a通过管道相连接，光伏发电板阵列3的冷却水进口3a通过管道接收所述蓄水塔1的淡水出口1c的冷却水，冷却水在进入流道后与相变材料以及光伏发电板阵列3的背板进行换热，温度升高，再通过光伏发电板阵列3的高温侧3c流出。
如图1-3所示，所述热泵余热回收子系统包括循环泵17、回收压缩机18、回收冷凝器19、回收换热器20、回收蒸发器22、室内风机23、四通电磁阀38，所述回收蒸发器22分别与所述四通电磁阀38和所述光伏发电板阵列3通过管道相连接，所述四通电磁阀38分别与所述回收压缩机18和所述回收冷凝器19通过管道相连接，所述回收冷凝器19与所述回收换热器20通过管道相连接，所述回收换热器20与所述室内风机23相连接。循环泵17具有冷却水进口17a、出口17b；回收压缩机18包括循环水进口18a、循环水出口18b。回收冷凝器19具有循环水进口19a、出口19d、换热介质进口19c、出口19b；回收换热器20具有换热介质进口2Oa、出口2Ob；膨胀阀21具有循环水进口21a、出口21b；回收蒸发器22具有循环水进口22a、出口22b、冷却水进口22c；四通电磁阀38包含第一通道38a、第二通道38b、第三通道38c、第四通道38d。
如图1-3所示，所述循环泵17的冷却水进口17a接收由光伏发电板阵列3流出的带有低温余热冷却水，所述冷却水进口17a通过管道与回收蒸发器22的冷却水进口22c相连接，循环泵17将冷却水输送到回收蒸发器22中，回收蒸发器22中的循环水工质蒸发吸收冷却水中的低品位热量，所述回收蒸发器22的出口22b通过管道与四通电磁阀38的第三通道38c相连接，循环水蒸发吸热后通过回收蒸发器22的出口22b经四通电磁阀38的第三通道38c流入，再从四通电磁阀38的第一通道38a流出进入回收压缩机18。
如图1-3所示，所述回收压缩机18利用被输送进来带有低温余热的循环水进行压缩，消耗一部分的高品位电能将循环水转化成高温高压的状态，并将转化后的高温高压循环水输送至回收换热器20进行制热。所述回收压缩机18的循环水进口18a、循环水出口18b分别通过管道与四通电磁阀38的第一通道38a、与第四通道38d相连通；四通电磁阀38的第二通道38b通过管道回收冷凝器19的循环水进口19a相连通，四通电磁阀38的第三通道38c与回收蒸发器22的出口22b相连通。所述冷凝器的循环水进口19a流入高温高压循环水，并由回收冷凝器19中的换热介质将高温高压溶液所携带的热量以及回收压缩机18消耗功转化的热量带走，所述回收冷凝器19的出口19b通过管道与所述回收换热器20的换热介质进口2Oa相连通，所述回收冷凝器19的换热介质进口19c通过管道与所述回收冷凝器19的出口2Ob相连通。回收换热器20与室内风机23相连通。
如图1和图3所示，所述热泵余热回收子系统还包括膨胀阀21，所述膨胀阀21分别与所述回收冷凝器19与所述回收蒸发器22通过管道相连接，所述冷凝器通过所述膨胀阀21向所述回收蒸发器22输送液体。所述出口19d将换热后的低温循环水流经膨胀阀21控制流量并进一步转变为低温低压状态后送回回收蒸发器22。所述回收蒸发器22使经过膨胀阀21流入的低温循环水流入并蒸发，再经四通电磁阀38流入回收压缩机18。所述回收蒸发器22的冷却水进口22c通过管道与循环泵17的出口17b相连通，所述循环水进口22a通过管道与膨胀阀21的出口21b相连通。
如图4所示，所述冷热电三联供子系统还包括氢气压缩机6、空气泵7、第一透平机25、第二透平机33、第一回热器34、第二回热器35、透平冷凝器37、透平泵36、透平换热器32。所述透平泵36分别与所述透平冷凝器37、所述第一回热器34和所述第二回热器35通过管道相连接，所述第一回热器34分别与所述第一透平机25和所述第二透平机33通过管道相连接，所述第二回热器35分别与所述第二透平机33和所述透平换热器32通过管道相连接，所述透平换热器32分别与所述海水换热器11和所述第一透平机25通过管道相连接。
如图1-4所示，所述储氢罐5具有氢气出口5b。氢气压缩机6具有氢气进口6a、出口6b。空气压缩机8具有空气进口8a、出口8b。所述燃料电池9具有阳极氢气进口9a、阴极空气进口9b、电能输出9c、废气出口9d。家用换热器10包括冷淡水出口1Oa、热淡水进口1Ob、生活热水1Oc、生活冷水1Od。所述海水换热器11具有热淡水出口11a、蒸发淡水进口11b、冷海水进口11c、热海水出口11d。
如图1-4所示，所述冷热电三联供子系统还包括海水泵15，所述海水泵15分别与所述海水蒸发器16和海水换热器11通过管道相连接。海水泵15包括进口15a、出口15b。所述供能换热器24具有换热介质热侧24a、冷测24c、废气进口24b、出口24d。所述第一透平机25为TCO2透平，所述第一透平机25包括CO2工质进口25a、出口25b、电力输入25c。所述第一压缩机26为CO2压缩机，所述第一压缩机26具有电能输入26a、进口26b、电出口26c。所述第一气体冷却器27具有生活冷水出侧27a、进口27b、CO2工质进口27c、出口27d。所述第二压缩机28为CO2压缩机，所述第二压缩机28具有电力输入28a、CO2工质进口28b、出口28c。所述第二气体冷却器29具有生活冷水出口29a、进口29b、CO2气体热侧29c、冷侧29d。所述空调蒸发器30具有空调回水口3Oa、空调供水口3Ob、CO2出口3Oc、进口3Od。所述膨胀机31为CO2膨胀机31，所述膨胀机31具有CO2进口31a、出口31c、电力输入31b；所述透平换热器32为TCO2换热器，所述透平换热器32具有废气进口32a、出口32c、CO2工质进口32d、出口32b。所述第二透平机33为TCO2透平，所述第二透平机33具有CO2工质进口33a、出口33c、电力输入33b；所述第一回热器34具有制冷循环CO2工质进口34a、出口34b、动力循环CO2工质进口34d、出口34c。所述第二回热器35具有动力循环CO2工质进口35a、出口35b、制冷循环CO2工质进口35d、出口35c。所述透平泵36为TCO2泵，所述透平泵36具有CO2进口36b、出口36a；所述透平冷凝器37为TCO2冷凝器，所述透平冷凝器37具有CO2工质进口37a、出口37c、冷却水37d、热侧37b。
所述热泵余热回收子系统二氧化碳动力循环余热利用代替原先的有机朗肯循环，拥有较高的COP和炯效率并将其的余热并联入热泵余热利用相结合且最终结合于海水淡化总管道。
如图1和4所示，所述冷热电三联供子系统还包括空气泵7和空气压缩机8，所述空气压缩机8分别与所述空气泵7和所述燃料电池9通过管道相连接。储氢罐5的氢气出口5b与氢气压缩机6的氢气进口6a通过管道连接，氢气在进入冷热电三联供子系统前进入氢气压缩机6并压缩，从氢气压缩机6的出口6b送入燃料电池9的阳极氢气进口9a，空气泵7泵入空气进入空气压缩机8压缩，再从空气压缩机8的出口8b送入燃料电池9的阴极空气进口9b，压缩氢气与压缩空气一同进入燃料电池9发生反应放出能量。燃料电池9通过自身的电能输出9c向外输出电能，燃料电池9反应过程产生的废气送入供能换热器24内，废气与供能换热器24的换热介质换热，再送入透平换热器32内，与透平换热器32的CO2工质换热后排出。所述燃料电池9的废气出口9d通过管道与供能换热器24的废气进口24b相连通，供能换热器24的换热介质热侧24a通过管道与海水蒸发器16的换热介质热侧16c相连通，供能换热器24的冷侧24c通过管道与海水蒸发器16的换热介质冷侧16e通过管道相连接。在本系统中设置为5OOO个燃料电池9串联。
如图1-4所示，在冷热电三联供子系统的CO2动力循环中，CO2工质在透平泵36的出口36a处经三通分为两路，一路CO2工质在第一回热器34中被第二透平机33的排气加热，升温后进入第二透平机33膨胀做功，另外一路CO2工质依次进入第二回热器35和透平换热器32，分别被第二透平机33的排气和燃料电池9的废气加热，升温后进入第一透平机25膨胀做功，第一回热器34和第二回热器35出口的透平排气汇合后依次进入透平冷凝器37和透平泵36进行冷凝和加压，从而完成一个循环。所述透平泵36的CO2进口36a通过管道与第二回热器35的制冷循环CO2工质进口35d相连通，所述透平泵36的出口36b通过管道与透平冷凝器37的出口37c相连通。
如图1-4所示，所述第二回热器35的动力循环CO2工质进口35a通过管道连通第二透平机33的出口33c，第一回热器34的出口35b和第二回热器35的出口34b通过三通连通后，通过管道连通透平冷凝器37的CO2工质进口37a，第二回热器35的出口35c通过管道与透平换热器32的CO2工质进口32d相连接。所述透平冷凝器37的冷却水37d和热侧37b通冷却水带走CO2工质的热量。所述第一回热器34的制冷循环CO2工质进口34a通过管道与第一透平机25的出口25b相连通，所述第一回热器34的动力循环CO2工质进口34d与第二回热器35的制冷循环CO2工质进口35d通过三通与透平泵36的出口35b相连接，所述第一回热器34的出口34c通过管道与第二透平机33的CO2工质进口33a相连接；所述透平换热器32的出口32b通过管道与第二透平机33的CO2工质进口25a相连接，所述透平换热器32的废气进口32a通过管道与供能换热器24的出口24d相连接，透平换热器32的出口32c向外界排出经过两次换热的废气。
如图1-4所示，本发明实例中，SOFC和跨临界CO2循环的冷热电三联供子系统中，第二回热器35的出口35b、第一回热器34的出口34b与透平冷凝器37的CO2工质进口37a，以及第一回热器34的动力循环CO2工质进口34d、第二回热器35的制冷循环CO2工质进口35d与透平泵36的CO2进口36b，其中采取管道连通间的联通方式中，联通为管道三通。CO2工质从第二回热器35的出口35和第一回热器34的出口34b流出，经管道三通流向透平冷凝器37的工质进口37a；CO2工质从透平泵36的出口36b泵出后，经过管道三通分为两路，一路流向第一回热器34的动力循环CO2工质进口34d，一路流向回第二热器的制冷循环CO2工质进口35d。
如图4所示，所述冷热电三联供子系统还包括第一压缩机26、第一气体冷却器27、第二压缩机28、第二气体冷却器29、空调蒸发器30和膨胀机31，所述第一压缩机26与所述第一透平机25相连接，所述第一压缩机26分别与所述第一气体冷却器27和所述空调蒸发器30通过管道相连接，所述第一气体冷却器27与所述第二压缩机28通过管道相连接，所述空调蒸发器30与所述膨胀机31通过管道相连接，所述第二气体冷却器29与所述膨胀机31通过管道相连接。
如图1-4所示，在所述冷热电三联供子系统的CO2制冷循环中，来空调蒸发器30的CO2工质经CO2压缩机26压缩后进入气体冷却器27，在气体冷却器27中冷却后经第一压缩机26压缩后进入第二气体冷却器29，在第二气体冷却器29冷却后进入膨胀机31中膨胀做功。膨胀机31排气在空调蒸发器30中吸热蒸发，空调回水被冷却，空调供水对外提供冷量。空调蒸发器30出口的CO2工质进入第一压缩机26，完成一个循环。第一压缩机26的进口26b、出口26c、第一气体冷却器27的CO2工质进口27c、出口27d、第二压缩机28的CO2工质进口28b、出口28c、第二气体冷却器29的气体热侧29c、冷侧29d、膨胀机31的进口31a、出口31c、空调蒸发器30的CO2出口3Oc、进口3Od、以及空调蒸发器30的CO2出口3Oc与第一压缩机26的进口26b之间均通过管道连接。
如图1-4所示，供热部分由换热器24、气体冷却器27和气体冷却器29组成。其工作原理为：燃料电池9出口的废气进入海水换热器11中加热水，对外供应9O℃左右输往高温热水，并将这部分热水用于另一海水淡化系统，淡化的海水送回蓄水塔11储存，用于电解制氢以及生活用水；冷热电三联供子系统中的家用换热器10可对外提供55℃左右的低温生活热水。
在本实施例中，家用换热器10、海水换热器11、辅助换热器14、回收换热器20、供能换热器24、第一气体冷却器27、第二气体冷却器29、空调蒸发器30、透平换热器32、第一回热器34、第二回热器35及透平冷凝器37均采用间接接触式换热方式。辅助换热器14、第一气体冷却器27、第二气体冷却器29、透平冷凝器37均采取冷却水进行冷却的方式。
如图1-2所示，所述风光氢耦合电解水制氢子系统还包括冷相变材料储罐12、热相变材料罐13、辅助换热器14，所述冷相变材料储罐12具有冷相变材料进口12a、出口12b；所述热相变材料储罐13具有冷相变材料进口13a、出口13b；所述辅助换热器14具有相变材料冷侧14a、热侧14b、淡水冷侧14c、热侧14d。所述辅助换热器14分别与所述冷相变材料储罐12和所述热相变材料罐13通过管道相连接，所述光伏板发电板阵列分别与所述冷相变材料储罐12和所述热相变材料罐13通过管道相连接。所述光伏发电板阵列3的低温侧3b通过管道与冷相变材料储罐12的冷相口12b相连，所述光伏发电板阵列3的高温侧3c通过管道与热相变材料储罐的热相口13a相连。
本发明中所述光伏发电板阵列3的相变材料在光伏发电板阵列3的铜管中流动，冷却水在冷却水流道中流动，冷却水与光伏板背板、流道内壁以及铜管外壁发生对流换热，铜管与光伏板连接处将光伏板上的热量先传导到铜管，再由相变材料和冷却水吸收热量。优选的，所述光伏发电板阵列3还包括一个相变材料桶进行相变材料的储存与输送，可以通过相应的管子流通到光伏板表面进行相变降温，可以同时配合铜管冷却水的流动进行同时散热，提高散热的效果，最终达到一个最高总效率。
所述冷热电三联供子系统还设有一个后燃室，后燃室可以对所述燃料电池9废气进行再燃烧，提高所述燃料电池9的燃烧完全程度。
由于采用了如上的技术方案，本发明的有益效果在于：
(1)以风光电作为能量输入，在发电量高于岛上用户的负荷时，将额外的电能拿来制氢储存，并在发电量低于岛上用户负荷的时候选择燃料电池9利用储存的氢气进行发电，实现削峰平谷的作用，使能源岛能够随时提供足够的能源。整个燃料电池9配合超临界二氧化碳可以实现同时供冷供热供电三者同时的效果，首先通过使用氢气的燃料电池9第一步将最多的能源转换为电能，第二步再通过冷热电三联供子系统将余热利用来供冷或者供热，实现三种功能同时提供的方法，并以此提高能源利用效率，提高节能效果。
(2)同时利用相变材料以及铜管流通冷却水的方法对光伏板进行冷却，使光伏板能够更好的在较为适合的温度下工作，提高发电效率。
(3)利用循环泵17使用小部分高品质的电能，将低品位的低温余热温度提高使用过到制热或者制冷当中，从而节约能源，提高整体的能源利用效率。
(4)可灵活地采用余热阶级利用的方式，可将中低温度余热交给热泵余热回收子系统进行利用，而高温余热交给冷热电三联供子系统进行余热利用，使余热利用更为充分，提高余热利用效率。
(5)燃料电池9能以氢气、天然气等多种气体为燃料进行发电，不需要贵金属作为催化剂，运行成本低且可以适应更多的复杂环境。
(6)燃料电池9使用的气体燃料是纯净的氢气，燃料电池9中不会出现碳沉积效益，可以省去除碳的装置以及减少碳排放，能更好更绿色的保护环境。
以上所述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替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种耦合能源岛系统，其特征在于，包括：风光氢耦合电解水制氢子系统、热泵余热回收子系统和冷热电三联供子系统；
所述风光氢耦合电解水制氢子系统包括风力发电机、光伏板发电板阵列和电解槽，所述风力发电机和所述光伏发电板阵列分别与所述电解槽相连且为所述电解槽提供电能，所述电解槽用于电解水并形成氢气；
所述热泵余热回收子系统与所述光伏发电板阵列相连，所述热泵余热回收子系统用于回收所述光伏发电板阵列输出的冷却水的热量；
所述冷热电三联供子系统包括燃料电池，供能换热器和海水蒸发器，所述燃料电池与所述风光氢耦合电解水制氢子系统相连并消耗所述电解槽产生的氢气，所述供能换热器分别与所述燃料电池和所述海水蒸发器相连，所述供能换热器将所述燃料电池产生的热量提供给所述海水蒸发器，所述海水蒸发器用于蒸发海水并将蒸发形成的淡水输往所述电解槽。
2.根据权利要求1所述的耦合能源岛系统，其特征在于：所述冷热电三联供子系统还包括海水换热器，所述海水换热器与所述海水蒸发器通过管道相连接，所述海水换热器通过输入海水对所述海水蒸发器产生的水蒸气降温。
3.根据权利要求2所述的耦合能源岛系统，其特征在于：所述冷热电三联供子系统还包括家用换热器，所述家用换热器与所述海水换热器通过管道相连接，所述家用换热器向所述电解槽供水。
4.根据权利要求3所述的耦合能源岛系统，其特征在于：所述风光氢耦合电解水制氢子系统还包括蓄水塔，所述蓄水塔分别与所述电解槽、所述光伏板发电板阵列和所述海水换热器通过管道相连接。
5.根据权利要求1所述的耦合能源岛系统，其特征在于：所述热泵余热回收子系统包括循环泵、回收压缩机、回收冷凝器、回收换热器、回收蒸发器、室内风机、四通电磁阀，所述回收蒸发器分别与所述四通电磁阀和所述光伏发电板阵列通过管道相连接，所述四通电磁阀分别与所述回收压缩机和所述回收冷凝器通过管道相连接，所述回收冷凝器与所述回收换热器通过管道相连接，所述回收换热器与所述室内风机相连接。
6.根据权利要求5所述的耦合能源岛系统，其特征在于：所述热泵余热回收子系统还包括膨胀阀，所述膨胀阀分别与所述回收冷凝器与所述回收蒸发器通过管道相连接，所述冷凝器通过所述膨胀阀向所述回收蒸发器输送液体。
7.根据权利要求1所述的耦合能源岛系统，其特征在于：所述冷热电三联供子系统还包括第一透平机、第二透平机、第一回热器、第二回热器、透平冷凝器、透平泵、透平换热器，所述透平泵分别与所述透平冷凝器、所述第一回热器和所述第二回热器通过管道相连接，所述第一回热器分别与所述第一透平机和所述第二透平机通过管道相连接，所述第二回热器分别与所述第二透平机和所述透平换热器通过管道相连接，所述透平换热器分别与所述海水换热器和所述第一透平机通过管道相连接。
8.根据权利要求7所述的耦合能源岛系统，其特征在于：所述冷热电三联供子系统还包括第一压缩机、第一气体冷却器、第二压缩机、第二气体冷却器、空调蒸发器和膨胀机，所述第一压缩机与所述第一透平机相连接，所述第一压缩机分别与所述第一气体冷却器和所述空调蒸发器通过管道相连接，所述第一气体冷却器与所述第二压缩机通过管道相连接，所述空调蒸发器与所述膨胀机通过管道相连接，所述第二气体冷却器与所述膨胀机通过管道相连接。
9.根据权利要求1所述的耦合能源岛系统，其特征在于：所述风光氢耦合电解水制氢子系统还包括冷相变材料储罐、热相变材料罐、辅助换热器，所述辅助换热器分别与所述冷相变材料储罐和所述热相变材料罐通过管道相连接，所述光伏板发电板阵列分别与所述冷相变材料储罐和所述热相变材料罐通过管道相连接。
10.根据权利要求1所述的耦合能源岛系统，其特征在于：所述冷热电三联供子系统还包括空气泵和空气压缩机，所述空气压缩机分别与所述空气泵和所述燃料电池通过管道相连接。
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|---|---|---|---|---|
| CN117468021A (zh) * | 2023-11-09 | 2024-01-30 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种碱性和质子交换膜混联海水制氢的系统及方法 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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