CN201650611U - 新型混合能源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种新型混合能源系统，包括微燃气发电装置、风力发电装置、太阳能利用装置以及燃料电池，它们均与直流母线连接，微燃气发电装置、风力发电装置、太阳能利用装置以及燃料电池还与储能装置连接；直流母线通过D/A装置与本地负荷连接，同时直流母线通过D/A装置还与电力系统双向连接；微燃气发电装置与压缩空气储能装置和供热装置连接；风力发电装置与压缩空气储能装置双向连接并与制氢装置连接；太阳能利用装置分别与供热装置和制氢装置连接；制氢装置与燃料电池连接。它利用太阳能和风能为用户提供电能、热能和氢气，为提供持续稳定的电能、热能和氢气，配以燃料电池、微燃气发电动机、空气压缩设备和储能设备调节，并与电力系统连接以确保所提供的能源持续稳定。

Description

新型混合能源系统

技术领域

本实用新型是涉及能源系统领域的技术，具体指一种以太阳能、风能为主，配以燃料电池、微燃气发电动机、空气压缩设备和储能设备，并辅以电力系统为用户提供电能、热能和氢气的新型混合能源系统。 

背景技术

继工业革命、信息革命后,第五波将改变世界的“绿色革命”正逐步兴起,新能源将取代常规能源成为未来生活主流模式。 

常规能源是指技术上比较成熟且已被大规模利用的能源，煤、石油、天然气以及大中型水电都被看作常规能源。目前，主要使用的能源为煤、石油和天然气等常规能源，但大部分常规能源为一次能源不可再生，且污染严重。煤和石油在使用时排放大量的二氧化碳和二氧化硫造成温室效应和酸雨等恶劣影响；水电站的建设严重破坏周围的生态环境。为了改善环境，减少碳排放量，新能源被越来越广泛的利用。 

新能源又称非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式。包括了太阳能、风能和氢燃烧所产生的能量。也可以说，新能源包括各种可再生能源和核能。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界日益严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题具有重要意义。 

但新能源仍具有以下缺点：分布分散，新能源（如太阳能、风能）虽然储量很大但分布不均匀；不稳定，新能源（如太阳能、风能）受地理位置、季节和气候等因素的影响，不能稳定的提供能源；利用率低，新能源（如太阳能、风能）在地球表面分布广泛，但不集中，新能源不能被充分的利用。 

由于上述新能源的特点和科技水平制约，目前新能源的利用还在探索阶段，并不能取代常规能源成为主要的能源形势。 

发明内容

本实用新型是针对上述新能源的不足之处提供一种新型混合能源系统，本系统是利用太阳能和风能为用户提供电能、热能和氢气的新型混合能源系统。为了给用户提供持续稳定的电能、热能和氢气，本系统配以燃料电池、微燃气发电动机、空气压缩设备和储能设备调节。本系统与电力系统连接以确保所提供的能源持续稳定。 

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案： 

一种新型混合能源系统，它包括微燃气发电装置、风力发电装置、太阳能利用装置以及燃料电池，它们均与直流母线连接，微燃气发电装置、风力发电装置、太阳能利用装置以及燃料电池还与储能装置连接；直流母线通过D/A装置与本地负荷连接，同时直流母线通过D/A装置还与电力系统双向连接；微燃气发电装置与压缩空气储能装置和供热装置连接；风力发电装置与压缩空气储能装置双向连接并与制氢装置连接；太阳能利用装置分别与供热装置和制氢装置连接；制氢装置与燃料电池连接。

所述制氢装置还与混合动力汽车连接。 

所述直流母线与电动汽车连接。 

所述储能装置为储能电池。 

所述制氢装置为电解水制氢设备。 

所述D/A设备为交流电和直流电相互转换设备。 

本实用新型的工作原理为： 

太阳能是指太阳光的辐射能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367w/㎡。地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/㎡，相当于有102000TW 的能量。通过太阳能电池可将太阳能转换成电能。太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的装置。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。通过太阳能集热器可将太阳能转换成热能。太阳能集热器的核心是吸热板，它的功能是吸收太阳的辐射能，并向传热介质传递热量。在以液体为介质时，此种吸热板有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等，可用金属材料和非金属材料制成。吸热板的向阳表面涂有黑色吸热涂层。本实用新型太阳能利用装置包含太阳能电池和太阳能集热器。

风能是指地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力。发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机，使其均匀运转，从而将机械能转变为电能。 

氢气是具有高挥发性、高能量的能源载体和燃料。它是一种极为优越的二次能源，其主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍；洁净，氢气燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源；资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源。在自然界中，氢和氧结合成水，必须用电分解的方法把氢从水中分离出来。当两个电极(阴极和阳极)分别通上直流电，并且浸入水中时，水将会被分解并在阴极和阳极分别产生氢气和氧气。这个过程就是电解水。 

本新型能源混合系统以太阳能和风能为主要能源，通过太阳能电池将太阳能转换成电能；通过太阳能集热器将太阳能转换成热能；通过风力发电机将风能转换成电能。并利用太阳能电池和风能发电机产生的部分电能通过电解水产氢设备产生氢气。由于太阳能和风能具有以下缺点：分散性，在地球表面太阳能和风能的总量尽管很大，但能流密度很低，并不平均分布，无法集中使用；不稳定性，由于受到季节、地理纬度和气候等自然条件的限制和影响，到达某一地面的太阳能和风能是间断的，又是极不稳定的，这为风能和太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能和太阳能成为连续、稳定的能源，本实用新型用微燃气发电机、燃料电池和空气压缩设备配合风能和太阳能提供能源。使本实用新型可提供稳定连续的电能和热能。 

燃料电池可用太阳能电池和风能发电机部分电能电解水产生的氢气作为燃气。当太阳能和风能低谷时，微燃气发电机可提供电能和热能，燃料电池可提供电能。用风力发电机和微燃气发电机带动空气压缩设备，将空气压缩储存，当风能减少时，可释放压缩空气为风力发电机提供风能。在微燃气发电机、燃料电池和空气压缩设备的配合下，本实用新型可利用太阳能和风能提供较为稳定的电能、热能和氢气。为了获得更为稳定的能源，本实用新型加入储能设备，在能源供给高峰期储存能源，在能源供给低谷期提供能源，以起到削峰平谷的作用。为了更加安全稳定的提供能源，本混合能源系统同D/A转换设备与电力系统连接。当本混合能源系统电能过剩时，可向电力系统提供电能；当本混合能源系统电能短缺时，可向电力系统提取电能，以保证负荷运行。 

通过将太阳能发电装置、太阳能集热器、风力发电装置、电解水制氢设备、燃料电池、微燃气发电机、空气压缩设备和储能设备合理利用，本实用新型可充分利用太阳能和风能为用户提供持续稳定的电能、热能和氢气，且水为本实用新型唯一排放物。 

燃料电池，是一种发电装置。燃料电池含有阴阳两个电极，分别充满电解液，而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由燃料电池的阳极进入，氧气（或空气）则由阴极进入燃料电池。经由催化剂的作用，使得阳极的氢原子分解成两个氢质子与两个电子，其中质子被氧“吸引”到薄膜的另一边，电子则经由外电路形成电流后，到达阴极。在阴极催化剂之作用下，氢质子、氧及电子，发生反应形成水分子，因此水可说是燃料电池唯一的排放物。本实用新型中的燃料电池的氢气可有太阳能和风能提供的部分电能电解水获得。 

燃气发电机，是一种以液化气、天然气等可燃气体为燃烧物，代替汽油、柴油作为发动机动力的新型，高效的新能源发电机。在汽缸内，经过空气滤清器过滤后的洁净空气与可燃气体充分混合，在活塞上行的挤压下，体积缩小，温度迅速升高，达到燃气的燃点。燃气被点燃，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行，称为“作功”。各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。将无刷同步交流发电机与燃气机曲轴同轴安装，就可以利用燃气机的旋转带动发电机的转子，利用“电磁感应”原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。 

空气压缩设备，是指对密闭容器中的空气施加压力使空气体积减少的设备。空气占有一定的空间，但它没有固定的形状和体积。在对密闭的容器中的空气施加压力时，空气的体积就被压缩，使内部压强增大。当外力撤消时，空气在内部压强的作用下，又会恢复到原来的体积。当空气恢复原来的体积时，压缩空气向外释放能量。 

储能设备，主要是指将电能的储存起来的设备，本实用新型用储能电池作为主要储能设备。 

D/A转换设备，是指将交流电和直流电相互转换的设备。 

本实用新型的有益效果是： 

1、本实用新型主要利用风能、太阳能为用户提供电能、热能和氢气。风能和太阳能均为可再生能源，不影响环境，且不存在枯竭危险。

2、本实用新型主要利用风能、太阳能为用户提供电能、热能和氢气。其能源转换无严格场地要求，太阳能、风能需在室外，平地、或屋顶等无遮蔽处均可；燃料电池、微燃气发电机和储能设备等设备可放在室内。其中建筑物屋顶，除防雨遮阳功能外，还未充分利用，其具有位置高、无遮拦等特点，适合太阳能和风能采集利用。 

3、本实用新型主要利用风能、太阳能为用户提供电能、热能和氢气。在除去建造费用和日常维护费用外，只需支付少许能源费用。 

4、本实用新型主要利用风能、太阳能为用户提供电能、热能和氢气。在利用风能和太阳能过程中，不产生排放物。在燃料电池发电过程中，由于以氢气作为燃料，因此水是唯一的排放物；在微燃气发电机发电过程中，只产生少许二氧化碳和二氧化硫等排放物。 

5、本实用新型利用太阳能和风能产氢，并通过燃料电池将氢气转换成电能，在太阳能和风能不足时提供电能。 

6、本实用新型通过微燃气发电机将天然气转换成电能和热能，在太阳能和风能不足时提供能源。 

7、本实用新型用储能设备存储电能，在太阳能和风能不足时为用户提供电能。 

8、本实用新型与电力系统连接，可在能源过剩时向电力系统提供电能。 

9、本实用新型与电力系统连接，可在能源不足使从电力系统提取电能。 

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。 

其中，1. 微燃气发电装置，2. 风力发电装置，3. 太阳能利用装置，4. 燃料电池，5. 储能装置，6. D/A装置，7. 电力系统，8. 压缩空气储能装置，9. 供热装置，10. 制氢装置，11. 混合动力汽车，12. 电动汽车，13. 本地负荷。 

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。 

图1中，新型混合能源系统包括微燃气发电装置1、风力发电装置2、太阳能利用装置3以及燃料电池4，它们均与直流母线连接，微燃气发电装置1、风力发电装置2、太阳能利用装置3以及燃料电池4还与储能装置5连接；直流母线通过D/A装置6与本地负荷13连接，同时直流母线通过D/A装置6还与电力系统7双向连接；微燃气发电装置1与压缩空气储能装置8和供热装置9连接；风力发电装置2与压缩空气储能装置8双向连接并与制氢装置10连接；太阳能利用装置3分别与供热装置9和制氢装置10连接；制氢装置10与燃料电池4连接。制氢装置10还与混合动力汽车11连接。直流母线与电动汽车12连接。储能装置5为储能电池。制氢装置10为电解水制氢设备。D/A设备6为交流电和直流电相互转换设备。 

本系统利用太阳能利用装置中的太阳能电池将太阳能转换成电能；利用利用太阳能利用装置中的太阳能集热器将太阳能转换成热能；利用风力发电机将风能转换成电能；利用电解水制氢设备制造氢气，所需电能由太阳能电池板和风力发电机提供；利用燃料电池将氢气转换成电能，所需氢气由电解水制氢设备提供；利用微燃气发电机将天然气转换成电能和热能，所需天然气可由民用天然气管道提供；利用空气压缩设备压缩空气，为风力发电机提供风能。为使本系统安全稳定提供能源，本系统与电力系统连接。当本系统电能过剩时，可向电力系统提供电能；当电能短缺时，可向电力系统提取电能，以保证负荷运行。

Claims (6)

1.一种新型混合能源系统，其特征是，它包括微燃气发电装置、风力发电装置、太阳能利用装置以及燃料电池，它们均与直流母线连接，微燃气发电装置、风力发电装置、太阳能利用装置以及燃料电池还与储能装置连接；直流母线通过D/A装置与本地负荷连接，同时直流母线通过D/A装置还与电力系统双向连接；微燃气发电装置与压缩空气储能装置和供热装置连接；风力发电装置与压缩空气储能装置双向连接并与制氢装置连接；太阳能利用装置分别与供热装置和制氢装置连接；制氢装置与燃料电池连接。

2.如权利要求1所述的新型混合能源系统，其特征是，所述制氢装置还与混合动力汽车连接。

3.如权利要求1所述的新型混合能源系统，其特征是，所述直流母线与电动汽车连接。

4.如权利要求1所述的新型混合能源系统，其特征是，所述储能装置为储能电池。

5.如权利要求1所述的新型混合能源系统，其特征是，所述制氢装置为电解水制氢设备。

6.如权利要求1所述的新型混合能源系统，其特征是，所述D/A设备为交流电和直流电相互转换设备。

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