CN211063574U - 一种基于氢储能的新型净零能耗建筑的能源系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种基于氢储能的新型净零能耗建筑的能源系统，包括太阳能光伏板与太阳能热水器两个太阳能利用装置，太阳能光伏板与DC/DC转化器相连接，将太阳能光伏板所发的电进行变压，变压到适合逆变器逆变以及电解池电解所需要的电压，然后接入控制器中；控制器分别与氢储能单元和汇流箱相连，通过控制器将太阳能光伏板所发的电一部分输送至汇流箱经逆变器后供净零能耗建筑正常使用，多余的电量用来电解水制氢，并储存起来。实现解决太阳能光伏发电系统存在间歇和波动问题，使净零能耗建筑能源系统在连续阴雨天时还能正常工作，同时实现SOFC燃料电池系统中余热的利用，以提高SOFC燃料电池的效率。

Description

一种基于氢储能的新型净零能耗建筑的能源系统
技术领域
本实用新型属于能源利用技术领域，涉及到一种基于氢储能的新型净零能耗建筑能源系统的设计及应用。
背景技术
改革开放以来，中国的城市建设发生了翻天覆地的变化，城镇人口从1978年1.7亿增长到2015年的7.7亿，城镇化率增加了38.2％。与此同时，全国的能源消耗量也增加了7～8倍，由于中国的能源结构主要是用煤，煤燃烧时排放的污染物也给国家和地区带来负担和影响，近年来的雾霾问题就是因为大量使用煤等化石燃料所引起的。根据《中国统计年鉴2017》中的统计数据，从2006年至2016年，能源生产总量始终小于能源消耗的总量，因此如何降低能耗保护环境已经成为人们当前必须解决的问题。能源的紧缺、环境污染问题的加剧使得人们开始重视可再生能源的开发与使用。
净零能耗建筑是指不消耗常规能源，完全依靠太阳能或者其他可再生能源的建筑。在建筑能耗问题日益严重的今天，如何实现“净零能耗”成为了各国建筑行业追求的终极目标。净零能耗建筑通过节能设计，采用高效节能设备并利用可再生能源如太阳能、风能为建筑供能。由于太阳能光伏或风能发电均存在着不稳定性，并且难以并网，目前都是将多余的电储存在蓄电池中，再由蓄电池进行供电。然而蓄电池具有储能时间短、容易泄露、报废后其所含的硫酸会对环境造成一定的污染，因此需要需求一种高效清洁的储能方式。
氢气作为一种清洁的可再生能源，其燃烧产物只有水，无其他污染物的产生，能量可以长时间进行储存并且其能量密度大，可以作为化石燃料的替代物广泛的进行使用。目前氢气的生产方式有多种，工业上制取氢气的方式主要有乙醇-水混合物重整制氢法、烃类氧化重整制氢法以及电解水等方法。因此可以将太阳能光伏产生的多余的电量用于制氢，将电能间接的储存在H2中，再利用燃料电池技术，将储存的能量转化为电能。例如中国专利文献CN109617215A公开的一种分布式光伏发电氢储能系统及方法，该系统以氢气为储氢单元，将日间太阳能光伏板发出的多余电量通入电解槽电解水制取氢气并将氢气暂时储存于吸附性高的储氢材料中，夜间用电时储氢材料释放氢气并通入氢燃料电池发电，实现将电能转化为化学能再转化为电能进行利用。然而太阳能光伏发电受天气因素的影响较大，夜晚以及阴雨天气时，都会造成太阳能光伏板发电量不足，从而影响家庭的正常用电以及电解制氢系统的正常运行；如果遇到连续阴雨天气时，储存的氢气通过燃料电池所发的电量无法供应家庭的正常用电，上述技术没有考虑到这一实际情况。
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接将燃料气和氧化气中的化学能转换成电能的全固态能量转换装置，具有一般燃料电池的结构。固态氧化物燃料电池以致密的固体氧化物作为电解质，在高温800～1000℃下操作，反应气体不直接接触，因此可以使用较高的压力以缩小反应器的体积而没有燃烧或爆炸的危险，其燃料适用性广，可以用氢气等燃料作为燃料气来进行发电。由于SOFC燃料电池在反应时产生大量的余热，可以对这些余热进行综合利用，以提高SOFC燃料电池的效率
综上所述，建筑物要想实现净零能耗，关键在于其能源供应系统，该能源系统能够完全依靠太阳能等可再生能源。一般来说晴天时太阳能光伏板所发的电量完全够家庭的正常用电，因此如何解决在连续阴雨天时，该能源系统还能正常运行，已经成为净零能耗建筑能源系统设计的关键，这依然是本领域研究的技术空白点。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是如何克服现有技术的缺陷，从而实现解决太阳能光伏发电系统存在间歇和波动问题，使净零能耗建筑能源系统在连续阴雨天时还能正常工作，同时实现SOFC燃料电池系统中余热的利用，以提高SOFC燃料电池的效率。
为此，本实用新型实现上述目的的技术方案为：一种基于氢储能的新型净零能耗建筑能源系统，利用太阳能光电和光热技术，对太阳能进行有效利用，利用氢储能技术将太阳能光伏板发的多余电量进行储存，以解决夜间和阴雨天气时系统存在的间歇和波动问题。并且利用乙醇和水混合重整制取的氢气来解决连续阴雨天气时，SOFC燃料电池发电时H2含量不足的问题；并且实现SOFC燃料电池反应后余热的利用，以提高SOFC燃料电池最终的效率。
本实用新型采用的技术方案如下：一种基于氢储能的新型净零能耗建筑的能源系统，包括太阳能光伏板与太阳能热水器两个太阳能利用装置，太阳能光伏板与DC/DC转化器相连接，这可以将太阳能光伏板所发的电进行变压，变压到适合逆变器逆变以及电解池电解所需要的电压，然后接入控制器中。控制器分别与氢储能单元和汇流箱相连，通过控制器将太阳能光伏板所发的电一部分输送至汇流箱经逆变器后供净零能耗建筑正常使用，多余的电量用来电解水制氢，并储存起来，在阴天或者夜间通过SOFC燃料电池的反应进行发电，发的电输送至汇流箱经逆变器后供净零能耗建筑使用。在SOFC燃料电池反应后产生的大量余热通过换热器换热产生热水后，将热水送入生活热水箱中供家庭洗浴所使用，晴天时太阳能热水器产生的热水也送入生活热水箱中。在连续阴雨天时，由于日照不足，太阳能光伏板不能正常发电，虽然储存的氢气能够通过SOFC燃料电池进行发电，但是氢气的储存量是有限的无法支持建筑物在连续阴雨天时长时间的使用，因此采用乙醇和水重整制氢法进行制氢，为SOFC燃料电池补充氢气进行发电。由于SOFC燃料电池仅在夜间和阴雨天时运行，通过换热器产生的热水正好可以与晴天时太阳能热水器产生的热水进行互补，实现全天24小时不间断供给生活热水。
进一步的，氢储能单元的输出端通过汇流箱汇流后与逆变器相连。
进一步的，氢储能单元包括PEM电解池和SOFC燃料电池，PEM电解池的正负极与控制器相连，通过控制器将晴天时太阳能光伏板所发的多余电量通入电解池中电解水制氢，并将制取的氢气储存起来，在夜间和阴雨天气时通过SOFC燃料电池发电，并将所发的电经汇流箱汇流后，输送至逆变器。
进一步的，氢储能单元还包括氢分离器、脱氧塔、过滤器和储氢罐。PEM电解池的阴极依次与上述设备连接。为了使氢分离器和脱氧塔能够正常工作，在使用时需要通入冷却水。
进一步的，氢储能单元还包括氧分离器和氧气罐。PEM电解池的阳极依次与上述设备相连。为了使氧分离器能够正常工作，在使用时需要通入冷却水。
进一步的，氢储能单元还包括电解池水循环装置，水循环装置向PEM电解池中补充纯水。通过集水器将氢分离器和氧分离器中分离出来的凝结水进行收集，凝结水在进入集水器前要先进行过滤。并且还通过水箱向集水器中补充纯水，通过循环泵将集水器中的纯水送入电解池中，在送入电解池前需要将水通入去离子器中，去除掉水中的其他离子来保证电解过程的正常进行。
进一步的，氢储能单元还包括氢气补充装置，将乙醇和水混合物通入重整器中重整制氢，制得的氢气直接通入SOFC燃料电池中进行发电。
进一步的，氢储能单元还包括换热装置，将SOFC燃料电池运行时产生的余热加以利用，为家庭提供生活热水，提高SOFC燃料电池的运行效率。
优选的，PEM电解池是由PEM膜电极和双极板等部件构成，电解质为高分子聚合物，膜电极是由质子交换膜和粘合在其上的阴阳极催化剂组成，采用的为固体聚合物电解质膜。
优选的，储氢设备使用的是高压储氢结合复合材料的方式来储氢。在高压储氢器皿中填装质量较轻的储氢材料，这样做既可以提高储氢能力又能降低储氢压力。
优选的，SOFC燃料电池中有阳极和阴极之分，阳极位于H2侧，而阴极位于O2/空气侧，阳极材料使用的是Ni-YSZ,阴极材料使用的是锶掺杂的亚锰酸镧(LSM)钙钛矿型材料。
优选的，SOFC燃料电池阴阳电极之间有一电解质层，用来传导氧离子和分隔燃料与氧化剂，使用的电解质为Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)
优选的，储氢罐与SOFC燃料电池之间通过管道相连接，该管道上安装有由控制器控制的电磁阀，控制着H2的供给。并且在SOFC燃料电池的H2入口处还安装有H2补充装置，由控制器控制着其启闭。
优选的，H2补充装置中乙醇和水混合箱与重整器通过管道连接，乙醇和水混合的比例为45:55，将SOFC燃料电池反应所产生的余热送入重整器，参与重整器内的反应。
优选的，氧气罐与SOFC燃料电池之间通过管道相连接，该管道上安装有由控制器控制的电磁阀，控制着O2的供给。并且在SOFC燃料电池的O2入口处还安装有空气补充管道，当氧气罐中O2量不足时可以向燃料电池中供给空气，以维持正常反应，用电磁阀控制着空气补充管道的启闭。
优选的，该能源系统中使用的电磁阀的型号为ASCO(220V AC)，通过控制器中的自动控制系统控制着这些电磁阀的启闭。
优选的，太阳能光伏板和太阳能热水器放置于净零能耗建筑物的顶部。
本实用新型相比于过去的技术有如下几点优点：
(1)本实用新型采用了SOFC燃料电池，而以往技术中使用的是PEM燃料电池，相比于PEM燃料电池，SOFC燃料电池具有发电效率高，可以使用多种燃料，低噪声、重量轻、体积小以及价格便宜等优点；并且SOFC燃料电池反应时，H2不是直接燃烧，所以危险性就降低了。由于SOFC燃料电池是在高温下反应，可以对其排放的高温余热使用换热器进行换热后，给家庭提供生活热水。
(2)本实用新型的能源系统中安装了氢气补充装置，以往的技术中并没有安装这一装置，仅是单纯的将电解水制取的氢气进行储存，在夜间和阴雨天气时通过燃料电池发电，这些技术没有考虑到出现连续阴雨天时情况。在连续阴雨天时，由于日照不足，太阳能光伏板不能正常发电，虽然储存的氢气能够通过SOFC燃料电池进行发电，但是氢气的储存量是有限的无法支持建筑物在连续阴雨天时长时间的使用，因此本实用新型中安装的氢气补充装置，为系统补充氢气进行发电。
(3)本实用新型中使用的是PEM电解池，相比于传统的碱性电解槽，PEM电解技术具有如下优点：
a.PEM采用的是固体聚合物电解膜，膜的两侧能够承受较大的压差，只对H+有单向导通作用，能够将产生的H2和O2分隔开来，安全性好，H2和O2纯度高。
b.PEM电解质膜的大小能够做到200μm以下，并且正负电极间距小，这样能够降低工作时的电压，使电解池的结构更加紧凑。
c.由于PEM电解池的电解液为纯水，因此避免了碱性电解液对电解池以及电极的腐蚀，生成的H2和O2中不含碱雾，气体纯度更高。
(4)本实用新型中使用的储氢装置为高压储氢结合复合材料的方式来储氢。在高压储氢器皿中填装质量较轻的储氢材料，这样做既可以提高储氢能力又能降低储氢压力。
附图说明
图1.本实用新型能源系统的流程图；
图2.本实用新型能源系统的示意图；
图3.PEM电解池的电解原理图；
图4.SOFC燃料电池的反应原理图；
图5.氢补充单元反应原理图。
图中：1.太阳能光伏板、2.DC/DC转换器、3.控制器、4汇流箱、5.DC/AC逆变器、6.太阳能热水器、7.干燥器1、8.氧气罐、9.电磁阀A、10.氧分离器、11.电磁阀B、12、过滤器1、13.PEM电解池、14.去离子器、15.循环泵、16.集水器、17.过滤器2、18.过滤器3、19.电磁阀C、20.纯水水箱、21.电磁阀D、22.电磁阀E、23.电磁阀F、24.氢分离器、25.脱氧塔、26.干燥器2、27.电磁阀G、28.高压储氢罐、29.电磁阀H、30.乙醇和水混合箱、31.电磁阀I、32.重整器、33.电磁阀J、34.电磁阀K、35.SOFC燃料电池、36.换热器、37.电磁阀L、38.电磁阀M、38.生活水箱。
具体实施方式
结合附图，下面对本实用新型净零能耗建筑能源系统作进一步说明；
图1是本实用新型能源系统的流程图。如图2所示，一种基于氢储能的新型净零能耗建筑的能源系统的能量来源，包括太阳能光伏板1和太阳能热水器6，太阳能光伏板1和太阳能热水器6均置于建筑物的顶部，以实现太阳能光电和光热的转化。太阳能光伏板1先与DC/DC转化器2相连，经由DC/DC转化器2变压后再接入控制器3中，控制器3采用PLC控制器，通过控制器3分别与汇流箱4和PEM电解池13相连。通过控制器将太阳能光伏板发出的电一部分输送至汇流箱4后，再由逆变器5将直流电转化为交流电供净零能耗建筑正常使用，多余的电量通过氢储能单元储存后在夜间和阴雨天时通过SOFC燃料电池发电来对净零能耗建筑进行供电。
所述的氢储能单元包括PEM电解池13、氧分离器10、氧气罐8、氢分离器23、脱氧塔25、干燥器26、高压储氢装置28、SOFC燃料电池35、乙醇和水混合箱30和重整器32。PEM电解池13的正、负极与控制器3相连，通过控制器3的控制将白天太阳能光伏板发出的多余电量输送至PEM电解池13中进行电解水，电解池阳极上析出的O2混合着水蒸气进入氧分离器10中。在氧分离器10中通入冷凝水使混入O2中的水蒸气冷凝，在重力的作用下，O2和冷凝下来的水分离，此时再将氧气通入干燥器7后，储存在氧气罐8中。电解池阴极上析出的H2混合着水蒸气进入氢分离器24中，在氧分离器10中通入冷凝水从而使混入H2中的水蒸气冷凝，在重力的作用下，H2和冷凝下来的水分离，再将H2通入脱氧塔25中除去掺杂在H2中的少量O2；脱氧后通入干燥器26来去除掺杂在H2中的少量水分，这样H2的纯度可以达到99.999％，之后H2被储存在高压储氢装置28中，在高压储氢器皿中填装质量较轻的储氢材料，可以提高储氢罐的储氢能力又能降低储氢罐的压力。
电解水过程中产生的热量会使电解池的水温升高，在超出系统预先设置的温度阈值后，控制器3会根据温度传感器反馈的信号来控制循环水泵15的开启，从而向电解池中补充冷水来控制电解池的温度和维持正常电解反应。由于氧分离器10和氢分离器24在运行过程中会产生冷凝水，可以对这部分的冷凝水用集水器进行收集，再向集水器中补充一定量的纯水，集水器中的水由循环泵送入电解池供降温和电解所需；这些水在送入电解池之前要通过去离子器14去除掉水中的其他离子来保证电解过程的正常进行。
图3为PEM电解池13的电解原理图，PEM电解池由电极板和膜电极构成，膜电极是由高分子聚合物交换膜和粘附在其上的阴阳极催化剂组成，该膜将产生的H2和O2隔离，当电解池工作时，水在阳极催化界面发生电化学反应被分解为H+、O2和电子。阳极产生的H+通过交换膜，在阴极处与电路中的电子发生电化学反应生成H2
PEM电解池中进行的反应如下：
阳极反应：H2O→2H++0.5O2+2e-
阴极反应：2H++2e-→H2
总反应：H2O＝0.5O2+H2
图4为SOFC燃料电池35的反应原理图，SOFC燃料电池主要工作部分由空气电极(阴极)和具有氧离子导电固体电解质以及燃料电极(阳极)所组成。阳极材料使用的是Ni-YSZ，阴极材料使用的是锶掺杂的亚锰酸镧(LSM)钙钛矿型材料，电解质层使用的电解质为Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)，用来传导氧离子和分隔燃料与氧化剂。由于SOFC燃料电池35是在高温下反应，因而其发电效率高，理论上可达到80％。经SOFC燃料电池发电后产生的电能流入汇流箱4，经逆变器5将直流电转变为交流电之后供给建筑物使用。
SOFC燃料电池中进行的反应如下：
阳极反应：H2→2H++2e-
阴极反应：2H++0.5O2+2e-→H2O
总反应：0.5O2+H2＝H2O
由于SOFC燃料电池35在反应时会产生大量的余热，因此可以使用换热器36对水进行加热，热水储存在生活热水箱39中供家庭生活使用。在该能源系统中还使用了太阳能热水器6，在晴天时热水器产生热水，并储存在生活热水箱39中。由于SOFC燃料电池仅在夜间和阴雨天时运行，通过换热产生的热水正好与晴天时太阳能热水器产生的热水进行互补，因此在连续阴雨天气时也能实现全天24小时不间断供给生活热水。
图5为氢补充单元的反应原理图，该氢补充单元以乙醇和水的混合物为原料，乙醇和水的混合比例为45:55，混合后送入乙醇和水混合箱30中，当电解水产生的H2量不足时控制器3控制着电磁阀31、33、34和重整器32开启，此时，乙醇和水的混合物进入重整器，并且将SOFC燃料电池反应后的高温余热通入重整器参与重整反应，重整器内进行重整反应制取H2，重整器内进行如下反应：
C2H5OH+3H2O＝2CO2+6H2
由于重整器产生的H2的过程中，会增加水蒸汽的进入，因此重整效率将超过100％。
在重整制氢的过程中，除了H2外，还会同时产生少量的CO2，但是由于生物燃料在植物生长过程中会吸收CO2，可以与排放的CO2相抵消。并且氢气补充装置在一年中运行的时间很短，所以可以认为该氢气补充装置对环境没有影响。

Claims (10)

1.一种基于氢储能的新型净零能耗建筑的能源系统，其特征在于，包括太阳能光伏板与太阳能热水器两个太阳能利用装置，太阳能光伏板与DC/DC转化器相连接，将太阳能光伏板所发的电进行变压，变压到适合逆变器逆变以及电解池电解所需要的电压，然后接入控制器中；
控制器分别与氢储能单元和汇流箱相连，通过控制器将太阳能光伏板所发的电一部分输送至汇流箱经逆变器后供净零能耗建筑正常使用，多余的电量用来电解水制氢，并储存起来，在阴天或者夜间通过SOFC燃料电池的反应进行发电，输送至汇流箱经逆变器后供净零能耗建筑使用；
在SOFC燃料电池反应后产生的大量余热通过换热器换热产生热水后，将热水送入生活热水箱中供家庭洗浴所使用，晴天时太阳能热水器产生的热水也送入生活热水箱中；
在连续阴雨天时，采用乙醇和水重整制氢法进行制氢，为SOFC燃料电池补充氢气进行发电。
2.根据权利要求1所述的一种基于氢储能的新型净零能耗建筑的能源系统，其特征在于，氢储能单元的输出端通过汇流箱汇流后与逆变器相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于氢储能的新型净零能耗建筑的能源系统，其特征在于，氢储能单元包括PEM电解池和SOFC燃料电池，PEM电解池的正负极与控制器相连，通过控制器将晴天时太阳能光伏板所发的多余电量通入电解池中电解水制氢，并将制取的氢气储存起来，在夜间和阴雨天气时通过SOFC燃料电池发电，并将所发的电经汇流箱汇流后，输送至逆变器。
4.根据权利要求1所述的一种基于氢储能的新型净零能耗建筑的能源系统，其特征在于，氢储能单元还包括氢分离器、脱氧塔、过滤器和储氢罐，PEM电解池的阴极依次与氢分离器、脱氧塔、过滤器和储氢罐连接，在使用时需要通入冷却水。
5.根据权利要求1所述的一种基于氢储能的新型净零能耗建筑的能源系统，其特征在于，氢储能单元还包括氧分离器和氧气罐，PEM电解池的阳极依次与氧分离器和氧气罐相连，在使用时需要通入冷却水。
6.根据权利要求1所述的一种基于氢储能的新型净零能耗建筑的能源系统，其特征在于，氢储能单元还包括电解池水循环装置，水循环装置向PEM电解池中补充纯水；通过集水器将氢分离器和氧分离器中分离出来的凝结水进行收集，凝结水在进入集水器前要先进行过滤；
并且还通过水箱向集水器中补充纯水，通过循环泵将集水器中的纯水送入电解池中，再送入电解池前需要将水通入去离子器中，去除掉水中的其他离子来保证电解过程的正常进行。
7.根据权利要求1所述的一种基于氢储能的新型净零能耗建筑的能源系统，其特征在于，氢储能单元还包括氢气补充装置，将乙醇和水混合物通入重整器中重整制氢，制得的氢气直接通入SOFC燃料电池中进行发电。
8.根据权利要求1所述的一种基于氢储能的新型净零能耗建筑的能源系统，其特征在于，氢储能单元还包括换热装置，将SOFC燃料电池运行时产生的余热加以利用，为家庭提供生活热水，提高SOFC燃料电池的运行效率。
9.根据权利要求1所述的一种基于氢储能的新型净零能耗建筑的能源系统，其特征在于，储氢罐与SOFC燃料电池之间通过管道相连接，该管道上安装有由控制器控制的电磁阀，控制着H2的供给，并且在SOFC燃料电池的H2入口处还安装有H2补充装置，由控制器控制着其启闭。
10.根据权利要求1所述的一种基于氢储能的新型净零能耗建筑的能源系统，其特征在于，氧气罐与SOFC燃料电池之间通过管道相连接，该管道上安装有由控制器控制的电磁阀，控制着O2的供给，并且在SOFC燃料电池的O2入口处还安装有空气补充管道，当氧气罐中O2量不足时可以向燃料电池中供给空气，以维持正常反应，用电磁阀控制着空气补充管道的启闭。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113037180A (zh) * 2021-04-06 2021-06-25 扬州大学 新型移动电源系统

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