CN211476330U - 一种燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种燃料电池‑太阳能聚光集热器联合储能系统，包括燃料电池发电系统和太阳能聚光集热系统；所述燃料电池发电系统包括类光合作用装置，甲醇重整装置以及燃料电池；所述类光合作用装置一端设有二氧化碳进气管道，另一端设有甲醇流通管道和氧气流通管道；所述甲醇流通管道与甲醇重整装置连通，所述氧气流通管道与燃料电池的阴极通道连接；所述甲醇重整装置一端设有氢气流通管道及二氧化碳循环回路管道，所述氢气流通管道与燃料电池的阳极通道相连；所述燃料电池外电路连接有蓄电池、负载及电机，所述电机与太阳能聚光集热器连接为其供电。通过燃料电池产生的电能为集热器的步进电机提供电力使得集热器不需要额外的供电设备。

Description

一种燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统

技术领域

本实用新型的实施例属于燃料电池技术领域和太阳能利用技术领域，更具体地，涉及一种燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统。

背景技术

传统燃料利用技术是通过直接燃烧的方式，将燃料的化学能转化为热能，最后将热能转化为机械能，从而对外做功。传统燃料利用技术优点在于：燃料利用方式简洁、方便、对技术要求不高，但同时燃料的利用率低、化石能源极具缺乏、空气质量严重下降等问题层出不穷。燃料电池是一种把氢能等燃料所具有的化学能直接转换成电能的装置，具有无噪声、高效率、无污染等诸多优点，缺点在于产生的电能不能直接并入国家电网，需要大容量储能装置，充放电过程会造成能源损失。

目前，槽式太阳能的研究主要集中在槽式聚光系统的设计制造等相关领域。槽式聚光系统具有较好的商业化基础。

但是，目前我国槽式聚光系统相关研究主要是应用于太阳能发电站领域的大型槽式聚光集热器，大型槽式聚光集热器系统成本高、运行和维护要求苛刻。能够与建筑一体化的小型槽式聚光系统研究较少；为了实现效率最大化，聚光器要对太阳实现实时跟踪，需要消耗额外的电能，造成能源短缺；跟踪系统运行缓慢，需要额外的变速器以适应跟踪系统的转速。现有技术中缺少同时兼顾燃料电池发电技术和小型槽式聚光集热器的优点同时规避两者缺点的储能技术。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供一种新型的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，利用燃料电池产生的电能为集热器的步进电机提供电力。

为实现上述目的，本实用新型提供一种燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，包括燃料电池发电系统和太阳能聚光集热系统；所述燃料电池发电系统包括类光合作用装置，甲醇重整装置以及燃料电池；其中，

所述燃料电池一端具有阳极通道，另一端具有阴极通道，所述阳极通道内侧设有阳极，所述阴极通道内侧设有阴极，且所述阳极和所述阴极之间设有电解质层；

所述类光合作用装置一端设有二氧化碳进气管道，另一端设有甲醇流通管道和氧气流通管道；所述甲醇流通管道与甲醇重整装置连通，所述氧气流通管道与燃料电池的所述阴极通道连接；所述甲醇重整装置一端设有氢气流通管道及二氧化碳循环回路管道，所述氢气流通管道与燃料电池的阳极通道相连，且所述二氧化碳循环回路管道与所述类光合作用装置相连；

所述燃料电池外电路连接有蓄电池、负载及电机，所述电机与太阳能聚光集热器连接为其供电。

进一步地，太阳能聚光集热器包括若干个排布的槽式聚光镜，各所述槽式聚光镜下沿面设有镜面支架。

进一步地，所述镜面支架顶部横向一端套于转动管上，该转动管内套有滚动轴承，且所述滚动轴承与集热管连接。

进一步地，所述镜面支架顶部横向另一端也套于所述转动管上，该转动管外侧连接有大齿轮，且该转动管内侧设有滚动轴承，所述滚动轴承与所述集热管连接。

进一步地，所述集热管横向一端设有至少两个第一集热管支架，另一端设有至少两个第二集热管支架，且所述第一集热管支架之间以及所述第二集热管支架之间均设有连接板。

进一步地，所述第二集热管支架横向分布在齿轮两侧，其中一侧的支架套于所述转动管上，另一侧的支架用于支撑所述集热管；所述第一集热管支架中至少一个套于所述转动管上，至少一个用于支撑所述集热管。

进一步地，每根所述集热管上设有一个所述大齿轮，相邻的所述大齿轮间设有一个小齿轮与其啮合传动。

进一步地，所述小齿轮通过传动轴固定在所述第二集热管支架的连接板上。

进一步地，所述大齿轮和所述小齿轮通过齿条传动连接，所述齿条连接有减速箱，该减速箱和通过低速轴与所述电机连接。

进一步地，所述太阳能聚光集热器外设有保护外壳，其包括透明盖板及保温层。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本实用新型的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，利用燃料电池产生的电能为集热器的步进电机提供电力。一方面使得集热器不需要额外的供电设备，装置更加简洁，并且不需要消耗额外的电能，节约资源的同时也使燃料电池具有更大的发电效率；另一方面使得集热器使用更加方便，具有更加广阔的应用场景。

(2)本实用新型的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，燃料电池发电系统主要利用类光合作用装置可将二氧化碳更廉价的转化为甲醇燃料，该技术使用低成本的催化剂，更具有成本效益。通过重整甲醇产生氢气，与传统燃料电池相比，没有消耗外界能源。并且采用燃料电池，可以大幅度提高能量利用率，提高电能转换率。燃料电池与普通燃料电池相比，制造成本、运行成本更低。

(3)本实用新型的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，燃料电池发电系统零污染排放，不需要体积较大的燃料储存罐，更加安全可靠，更加具有普及性和实用性，适用范围更加广阔。

(4)本实用新型的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，可以实现模块化应用，小型联合储能系统可以与建筑物实现一体化，为居民用户提供电能的同时提供热能；中型联合储能系统可以应用于舰船等装备中；大型联合储能系统可以用于发电厂，应用范围较为广泛。

附图说明

图1为本实用新型实施例一种燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统示意图；

图2为本实用新型实施例一种燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统涉及的太阳能聚光集热器示意图；

图3为本实用新型实施例图2的局部放大图；

图4为本实用新型实施例图2的局部放大图；

图5为本实用新型实施例一种燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统涉及的带壳体的太阳能聚光集热器示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-二氧化碳进气管道、2-类光合作用装置、3-氧气流通管道、4-阴极通道、5-阴极、6-电机、7-太阳能聚光集热器、8-二氧化碳循环回路管道、9-甲醇流通管道、10-甲醇重整装置、11-氢气流通管道、12-阳极通道、13-阳极、14-负载；701-集热管、702-第一集热管支架、703-转动管、704-滚动轴承、705-镜面支架、706-减速箱、707-齿条、708-小齿轮、709-第二集热管支架、710-传动轴、711-大齿轮、712-槽式聚光镜。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型提供一种燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，图1为本实用新型实施例一种燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统示意图，如图1所示，本实用新型的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，包括二氧化碳进气管道1、类光合作用装置2、氧气流通管道3、阴极通道4、阴极5、电机6、太阳能聚光集热器7、二氧化碳循环回路管道8、甲醇流通管道9、甲醇重整装置10、氢气流通管道11、阳极通道12、阳极13以及负载14。

具体地，本实用新型的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，包括燃料电池发电系统和太阳能聚光集热系统，其中，燃料电池发电系统包括类光合作用装置2，甲醇重整装置10以及燃料电池。燃料电池包括阴极通道4、阴极5、阳极通道12以及阳极13，阳极通道12内侧设有阳极(燃料极)13，阴极通道4内侧设有阴极5，且阳极13和阴极5之间设有电解质层。

类光合作用装置2一端设有二氧化碳进气管道1，另一端设有甲醇流通管道9和氧气流通管道3，其中，甲醇流通管道9与甲醇重整装置10连通，氧气流通管道3连接燃料电池的阴极通道4。甲醇重整装置10一端设有氢气流通管道11及二氧化碳循环回路管道8，其中氢气流通管道11与燃料电池的阳极通道12相连，二氧化碳循环回路管道8与类光合作用装置2相连，用于二氧化碳的循环利用。

燃料电池外电路连接有蓄电池、负载14及电机6，该电机6与太阳能聚光集热器7电连接用于为太阳能聚光集热器7供电。电机6优选为步进电机。本实用新型利用燃料电池产生的电能为集热器的步进电机提供电力。一方面使得集热器不需要额外的供电设备，装置更加简洁，并且不需要消耗额外的电能，节约资源的同时也使燃料电池具有更大的发电效率；另一方面使得集热器使用更加方便，具有更加广阔的应用场景。

进一步地，图2为本实用新型实施例一种燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统涉及的太阳能聚光集热器示意图；图3和图4分别为本实用新型实施例图2的局部放大图。结合图2-图5，本实用新型的太阳能聚光集热器优选为微型槽式，包括集热管701、第一集热管支架702、转动管703、滚动轴承704、镜面支架705、减速箱706、齿条707、小齿轮708、第二集热管支架709、传动轴710、大齿轮711以及槽式聚光镜712。

具体地，太阳能聚光集热器7外设有保护外壳，如图5为带壳体的太阳能聚光集热器示意图。保护外壳内有若干排布的抛物形的槽式聚光镜712，优选为6个；每个槽式聚光镜712下沿面连接有镜面支架705，镜面支架705顶部横向一端套于转动管703上，转动管703内套有滚动轴承704，滚动轴承704与集热管701连接；镜面支架705顶部横向另一端也套于转动管703上，转动管703外侧连接有大齿轮711，转动管703内侧设有滚动轴承704，滚动轴承704与集热管701连接。

集热管701横向一端设有至少两个第一集热管支架702，另一端设有至少两个第二集热管支架709，第一集热管支架702之间以及第二集热管支架709之间均设有连接板，第二集热管支架709横向分布在齿轮两侧，其中一侧的支架套于转动管703上，另一侧的支架用于支撑集热管701。第一集热管支架702中至少一个套于转动管703上，至少一个用于支撑集热管701。

每根集热管701上设有一个大齿轮711，相邻的两个大齿轮711设有一个小齿轮708与其啮合传动，小齿轮708通过传动轴710固定在第二集热管支架709的连接板上，大齿轮711和小齿轮708通过齿条707传动连接，齿条707连接有减速箱706，减速箱706和电机6之间通过低速轴连接。

优选地，太阳能聚光集热器7的保护外壳包括透明盖板及保温层，透明盖板采用玻璃。

优选地，类光合作用装置2采用透明玻璃盖板。

优选地，甲醇流通管道9通过卡套接头与甲醇重整装置10相连，氧气流通管道3通过卡套接头与燃料电池阴极通道4相连，氢气流通管道11通过卡套接头与燃料电池的阳极通道12相连。

优选地，氢气流通管道11和氧气流通管道3外部套有陶瓷管，起到保温隔热的作用。

优选地，氢气流通管道11、氧气流通管道3、甲醇流通管道9、二氧化碳进气管道1和二氧化碳循环回路管道8均为不锈钢材料。

优选地，槽式聚光镜712采用镜面铝材料；大齿轮711和小齿轮708、传动轴710、转动管703、齿条707采用尼龙材料；第一集热管支架702、第二集热管支架709连接板采用聚乙烯材料；集热管701采用玻璃-金属制作；镜面支架705采用铝合金。

优选地，转动管703与镜面支架705采用过盈配合，大齿轮711与转动管703采用过盈配合，小齿轮708与传动轴710采用过盈配合，流体的输入管道、输出管道与集热管701采用密封连接，第一集热管支架702、第二集热管支架709与保护外壳的壳体采用法兰连接。

本实用新型的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，工作时：

首先，将二氧化碳和水通过二氧化碳进气管道1，通入类光合作用装2中；在类光合作用装置2中，二氧化碳和水在光照以及氧化亚铜粉末的催化剂或化学引发剂下，生成甲醇和氧气；其中，甲醇通过甲醇流通管道9送入甲醇重整装置中10，氧气通过氧气流通管道3通入燃料电池阴极通道4中；甲醇在甲醇重整装置10中重整出氢气和二氧化碳，氢气通过氢气流通管道11进入燃料电池的阳极通道12，二氧化碳通过二氧化碳循环回路管道8通入类光合作用装置2中，实现循环利用。其中，

(1)二氧化碳与水在类光合作用装置中的反应方程式如下：

氧化亚铜催化剂是用葡萄糖、醋酸铜、氢氧化钠和十二烷基硫酸钠在特定温度的水中进行反应制得的，可将二氧化碳更廉价的转化为甲醇燃料，该技术使用低成本的催化剂，更具有成本效益，有望实现商业化。理想情况下，1mol的二氧化碳生成1mol的甲醇，将二氧化碳以及太阳能转化为化学能加以储存。

(2)甲醇在重整装置中发生反应方程式如下：

甲醇通过蒸汽重整反应和水汽置换反应，生成氢气。装置特点：甲醇原料容易得到，运输和存储方便。工艺流程便宜，运行安全可靠。设备投资少，回收期一年左右。能耗低，氢气成本低，与水电解制气比较电耗可节约90％，成本降低50％。理想情况下，1mol的甲醇可以重整出3mol的氢气。

其次，在燃料电池阳极13，氢气在阳极13的催化作用下失去电子，发生氧化反应，产生氢离子，自由电子通过外电路导入阴极5；在燃料电池阴极5，氧气分子得到电子变成氧离子，氧离子通过固体氧化物电解质(一般由氧化锆、氧化铈等材料制成)进入阳极13，与氢离子结合生成水，自由电子在外电路形成回路，从而产生电能。

燃料电池中阴极、阳极发生的化学反应可以用下式表示：

阳极(负极)：H₂++O^2-→H₂O+2e-

阴极(正极)：

总反应：

稳定工作在与环境温度、压力相同(298.15K，101.325KPa)的氢氧燃料电池，最大输出功率为：

W_max.use＝–(v_H2OG_m.H2O–v_H2G_m.H2–v_O2G_m.O2)

式中v_i是总反应式确定的化学计量系数。

查物质的标准生成吉布斯函数有：

G_m.H2＝0；

G_m.O2＝0；

G_m.H2O＝-237180J/mol；

所以，当有1mol氢气和1/2mol氧气在燃料电池内发生电化学时，可以释放的有用功为：

W_max.use＝-(v_H2OG_m.H2O-v_H2G_m.H2-v_O2G_m.O2)＝237180J/mol；

W_max.use＝(6.022169×10²³)n(1.6022×10^-19)ε＝Fnε

式中F＝96487(C/mol)，为法拉第常数。

同时燃料电池产生的理想电动势为：

最后，燃料电池产生的电能一方面可以为负载供电，或者通过蓄电池储存起来；另一方面可以为微型槽式的太阳能聚光集热器7的电机6供电。当太阳照射到槽式聚光镜712上时，通过镜面的全反射，将阳光反射到集热管701上，集热管701为真空装置，里面为储热流体，通过储热流体吸热将太阳能转化为热能，随后将热流体通过输出管道输送到应用装置，例如热水器、锅炉等加以利用。由于太阳公转和地球自转的影响，为了实现聚光集热效率最大化，槽式聚光镜712要随着太阳的转动而转动，在电机6的作用下，齿条707与小齿轮708啮合传动，小齿轮708与大齿轮711啮合传动，从而实现槽式聚光镜712镜面对太阳的实时跟踪。

微型槽式太阳能聚光集热器的效率为：

假设相邻两聚光单元出现遮挡的时间点分别为t1和t2，则光学效率可以用真太阳时t的分段函数表示为：

式中，β为跟踪角度，B为抛物槽式聚光镜的开口宽度，l-槽式抛物镜面的长度，n-聚光集热单元的个数，C-微型槽式聚光器采光面积的长度，L—微型槽式聚光器采光面积的宽度，d₀为相邻两槽式聚光镜的水平宽度。

以南京地区为例，跟踪角度β从上午9时跟踪到下午15时，聚光镜的开口宽度B为109mm，镜面的长度l为600mm，聚光集热单元的个数n为6，聚光器采光面积的长度C为809mm，聚光器采光面积的宽度L为700mm，相邻两槽式反射镜面的水平宽度d₀为120mm，聚光器南北水平放置，东西跟踪，聚光集热器的年平均效率为63.2％。

本实用新型具有三种主要能量转换机制：

第一，二氧化碳和水在光照以及氧化亚铜粉末的催化剂或化学引发剂下，生成甲醇和氧气，该技术使用低成本的催化剂，更具有成本效益，此过程将太阳能转化为化学能，有效的利用了可再生能源，同时没有消耗化石能源。

第二，甲醇通过重整反应产生氢气，氢气和氧气通过燃料电池发生电化学反应，将化学能直接转换为电能，使得能源利用率大大提高。

第三，通过燃料电池为小型步进电机供电，步进电机带动微型槽式太阳能聚光集热器的传动装置运转，实现了微型槽式太阳能聚光集热器对太阳的实时跟踪，最大限度的吸收太阳能，将太阳能转换为集热管内流体的热能，供人类加以利用。

本实用新型的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，可以实现模块化应用，小型联合储能系统可以与建筑物实现一体化，为居民用户提供电能的同时提供热能，从而减少热水器的使用，节约电能；中型联合储能系统可以应用于舰船等装备中，由于航行时间一般较长，会消耗大量能源，通过该系统可以充分利用太阳能、二氧化碳等可再生能源，实现能源的充分利用，延长续航时间，同时集热器储存的热能可以用于加热水，用于生活所需，从而节约舰船本身的能源动力。大型联合储能系统可以用于发电厂，目前我国仍然以化石能源发电为主，环境污染日益加重，化石能源告急，通过该系统可以合理利用新能源，产生电能，节约资源，保护环境。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，其特征在于，包括燃料电池发电系统和太阳能聚光集热系统；所述燃料电池发电系统包括类光合作用装置(2)，甲醇重整装置(10)以及燃料电池；其中，

所述燃料电池一端具有阳极通道(12)，另一端具有阴极通道(4)，所述阳极通道(12)内侧设有阳极(13)，所述阴极通道(4)内侧设有阴极(5)，且所述阳极(13)和所述阴极(5)之间设有电解质层；

所述类光合作用装置(2)一端设有二氧化碳进气管道(1)，另一端设有甲醇流通管道(9)和氧气流通管道(3)；所述甲醇流通管道(9)与甲醇重整装置(10)连通，所述氧气流通管道(3)与燃料电池的所述阴极通道(4)连接；所述甲醇重整装置(10)一端设有氢气流通管道(11)及二氧化碳循环回路管道(8)，所述氢气流通管道(11)与燃料电池的阳极通道(12)相连，且所述二氧化碳循环回路管道(8)与所述类光合作用装置(2)相连；

所述燃料电池外电路连接有蓄电池、负载(14)及电机(6)，所述电机(6)与太阳能聚光集热器(7)连接为其供电。

2.根据权利要求1所述的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，其特征在于，太阳能聚光集热器(7)包括若干个排布的槽式聚光镜(712)，各所述槽式聚光镜(712)下沿面设有镜面支架(705)。

3.根据权利要求2所述的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，其特征在于，所述镜面支架(705)顶部横向一端套于转动管(703)上，该转动管(703)内套有滚动轴承(704)，且所述滚动轴承(704)与集热管(701)连接。

4.根据权利要求3所述的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，其特征在于，所述镜面支架(705)顶部横向另一端也套于所述转动管(703)上，该转动管(703)外侧连接有大齿轮(711)，且该转动管(703)内侧设有滚动轴承(704)，所述滚动轴承(704)与所述集热管(701)连接。

5.根据权利要求4所述的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，其特征在于，所述集热管(701)横向一端设有至少两个第一集热管支架(702)，另一端设有至少两个第二集热管支架(709)，且所述第一集热管支架(702)之间以及所述第二集热管支架(709)之间均设有连接板。

6.根据权利要求5所述的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，其特征在于，所述第二集热管支架(709)横向分布在齿轮两侧，其中一侧的支架套于所述转动管(703)上，另一侧的支架用于支撑所述集热管(701)；所述第一集热管支架(702)中至少一个套于所述转动管(703)上，至少一个用于支撑所述集热管(701)。

7.根据权利要求5所述的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，其特征在于，每根所述集热管(701)上设有一个所述大齿轮(711)，相邻的所述大齿轮(711)间设有一个小齿轮(708)与其啮合传动。

8.根据权利要求7所述的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，其特征在于，所述小齿轮(708)通过传动轴(710)固定在所述第二集热管支架(709)的连接板上。

9.根据权利要求8所述的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，其特征在于，所述大齿轮(711)和所述小齿轮(708)通过齿条(707)传动连接，所述齿条(707)连接有减速箱(706)，该减速箱(706)和通过低速轴与所述电机(6)连接。

10.根据权利要求1或9所述的燃料电池-太阳能聚光集热器联合储能系统，其特征在于，所述太阳能聚光集热器(7)外设有保护外壳，其包括透明盖板及保温层。

Images