本發(fā)明涉及一種綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)，尤其涉及一種基于燃料電池的電熱冷氣多能互補(bǔ)供能系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)化與城市化進(jìn)程的加速，我國(guó)能源需求量越來(lái)越大，以供需失衡、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)為特征的能源危機(jī)日益凸現(xiàn)，嚴(yán)重制約著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。分布式能源系統(tǒng)臨近用戶，基于分布式能源的多能互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了冷熱電等多種形式能量的供應(yīng)。作為一種新型能源供應(yīng)模式，以其節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和供能可靠等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)有著廣泛的發(fā)展前景。它是為終端用戶提供靈活、節(jié)能型綜合能源服務(wù)的重要途徑，是我國(guó)電力工業(yè)和能源產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。

2016年7月6日，國(guó)家發(fā)改委官方網(wǎng)站對(duì)外公布《國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》(以下簡(jiǎn)稱“意見(jiàn)”)?！兑庖?jiàn)》提出，2016年，在已有相關(guān)項(xiàng)目基礎(chǔ)上，推動(dòng)項(xiàng)目升級(jí)改造和系統(tǒng)整合，啟動(dòng)第一批示范工程建設(shè)?！笆濉逼陂g，建成國(guó)家級(jí)終端一體化集成供能示范工程20項(xiàng)以上。到2020年，各省(區(qū)、市)新建產(chǎn)業(yè)園區(qū)采用終端一體化集成供能系統(tǒng)的比例達(dá)到50％左右，既有產(chǎn)業(yè)園區(qū)實(shí)施能源綜合梯級(jí)利用改造的比例達(dá)到30％左右。

建設(shè)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程是構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源系統(tǒng)的重要任務(wù)之一，有利于提高能源供需協(xié)調(diào)能力，推動(dòng)能源清潔生產(chǎn)和就近消納，是提高能源系統(tǒng)綜合效率的重要抓手，對(duì)于建設(shè)清潔低碳、安全高效現(xiàn)代能源體系具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

燃料電池發(fā)電技術(shù)是一種直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，能夠?qū)⑻烊粴?、h2等碳?xì)淙剂系幕瘜W(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能，因無(wú)熱力學(xué)循環(huán)從而超越了熱機(jī)的卡諾循環(huán)效率限制，發(fā)電效率可以達(dá)到50％～60％，熱電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)85％～90％。而且燃料電池負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高，燃料電池在數(shù)秒內(nèi)就可以從最低功率換到額定功率，可實(shí)現(xiàn)與可再生能源發(fā)電系統(tǒng)很好的耦合和互補(bǔ)，形成一種綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于燃料電池的電熱冷氣多能互補(bǔ)供能系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)充分利用燃料電池發(fā)電效率高和負(fù)荷響應(yīng)快的特點(diǎn)，與可再生能源發(fā)電系統(tǒng)耦合互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)電、熱、冷、氣等四種能源的同時(shí)供應(yīng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于燃料電池的電熱冷氣多能互補(bǔ)供能系統(tǒng)，包括燃料電池1，燃料電池1的尾氣出口與余熱鍋爐3的煙氣入口相連，余熱鍋爐3的蒸汽出口連接兩路蒸汽母管，第一路蒸汽母管與汽輪機(jī)4的進(jìn)汽口相連，汽輪機(jī)4的透平旋轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)5的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸相連，余熱鍋爐3的第二路蒸汽母管與汽動(dòng)空氣壓縮機(jī)8的進(jìn)汽口相連，還與吸收式制冷機(jī)10的進(jìn)汽口相連，同時(shí)與熱用戶的蒸汽入口相連；燃料電池1、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)2、發(fā)電機(jī)5和儲(chǔ)能裝置6的電能輸出端連接到同一根供電母線，蓄熱電鍋爐7與所述供電母線電連接，蓄熱電鍋爐7的蒸汽出口與所述余熱鍋爐3的第二路蒸汽母管連接，蓄熱電鍋爐7的熱水出口與熱用戶的熱水母管連接；電動(dòng)空氣壓縮機(jī)9與所述供電母線電連接，汽動(dòng)空氣壓縮機(jī)8和電動(dòng)空氣壓縮機(jī)9的壓縮空氣出口與同一根壓縮空氣母管相連，汽動(dòng)空氣壓縮機(jī)8和電動(dòng)空氣壓縮機(jī)9互相補(bǔ)充，也互為備用。

所述燃料電池1為高溫燃料電池，包括熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。

所述可再生能源發(fā)電系統(tǒng)2包括太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、水力發(fā)電系統(tǒng)、海洋能發(fā)電系統(tǒng)和地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)。

所述儲(chǔ)能裝置6具有儲(chǔ)存和釋放電能的作用，包括壓縮空氣儲(chǔ)能裝置和蓄電池系統(tǒng)。

所述的基于燃料電池的電熱冷氣多能互補(bǔ)供能系統(tǒng)的供能方法，天然氣和空氣進(jìn)入燃料電池1，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，對(duì)外輸出電能，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓扇剂想姵?的尾氣出口排出并進(jìn)入余熱鍋爐3，加熱鍋爐給水，產(chǎn)生蒸汽；余熱鍋爐3所產(chǎn)生的蒸汽分別進(jìn)入兩路蒸汽母管，第一路蒸汽母管與汽輪機(jī)4的進(jìn)汽口相連，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)4，推動(dòng)透平旋轉(zhuǎn)，汽輪機(jī)4的透平旋轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)5的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸相連，汽輪機(jī)4透平旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)5的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，對(duì)外輸出電能；余熱鍋爐3的第二路蒸汽進(jìn)入汽動(dòng)空氣壓縮機(jī)8后，驅(qū)動(dòng)汽動(dòng)空氣壓縮機(jī)8旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生壓縮空氣，對(duì)外供應(yīng)，第二路蒸汽進(jìn)入吸收式制冷機(jī)10，產(chǎn)生冷媒水，對(duì)外供應(yīng)，同時(shí)第二路蒸汽進(jìn)入熱用戶的蒸汽入口為熱用戶供熱；燃料電池1、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)2、發(fā)電機(jī)5和儲(chǔ)能裝置6的電能輸出端連接到同一根供電母線，為用戶提供電能；儲(chǔ)能裝置6在用電低谷期間，將電能儲(chǔ)存，在用電高峰期間，將儲(chǔ)存的電能釋放，實(shí)現(xiàn)對(duì)外供電；蓄熱電鍋爐7與所述供電母線電連接，用電低谷期間，蓄熱電鍋爐7將電能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存，供熱高峰期，將儲(chǔ)存的熱能釋放，產(chǎn)生熱水或者蒸汽；蓄熱電鍋爐7從所述供電母線取電，加熱給水，產(chǎn)生蒸汽或者熱水，產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入所述余熱鍋爐3的第二路蒸汽母管，產(chǎn)生的熱水進(jìn)入熱水母管，提供給熱用戶使用；電動(dòng)空氣壓縮機(jī)9與所述供電母線電連接，從所述供電母線取電，產(chǎn)生壓縮空氣，對(duì)外供應(yīng)；汽動(dòng)空氣壓縮機(jī)8和電動(dòng)空氣壓縮機(jī)9所產(chǎn)生的壓縮空氣進(jìn)入同一根壓縮空氣母管，對(duì)外供應(yīng)壓縮空氣。

本發(fā)明所提出的基于燃料電池的電熱冷氣多能互補(bǔ)供能系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)可實(shí)現(xiàn)智能全自動(dòng)運(yùn)行，可同時(shí)對(duì)外提供電、熱、冷、氣等四種能源；電能的供應(yīng)：可再生能源發(fā)電系統(tǒng)對(duì)外供電；天然氣和空氣進(jìn)入燃料電池對(duì)外發(fā)電；燃料電池的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐后產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出電能；儲(chǔ)能裝置在用電低估的時(shí)候，將多余的電量?jī)?chǔ)存，在用電高峰的時(shí)候，對(duì)外釋放電能。熱的供應(yīng)：余熱鍋爐對(duì)外供應(yīng)蒸汽；蓄熱電鍋爐先將電能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存，在需要的時(shí)候，釋放儲(chǔ)存的熱能，對(duì)外輸出蒸汽或者熱水。冷的供應(yīng)：蒸汽驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)對(duì)外輸出冷能。氣的供應(yīng)：電動(dòng)空氣壓縮機(jī)消耗電能，產(chǎn)生壓縮空氣；汽動(dòng)空氣壓縮機(jī)利用蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，推動(dòng)壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣。

(2)燃料電池能夠靈活調(diào)節(jié)電能和熱能輸出，與可再生能源發(fā)電系統(tǒng)耦合互補(bǔ)，還配有儲(chǔ)能系統(tǒng)，可提高可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的利用率。；

(3)系統(tǒng)中包含儲(chǔ)能系統(tǒng)和蓄熱電鍋爐，可方便調(diào)節(jié)電能、熱能和冷能的輸出。系統(tǒng)中同時(shí)具有汽動(dòng)空氣壓縮機(jī)和電動(dòng)空氣壓縮機(jī)，可方便調(diào)節(jié)壓縮空氣的輸出。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)示意圖。

圖中，1為燃料電池，2為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，3為余熱鍋爐，4為汽輪機(jī)，5為發(fā)電機(jī)，6為儲(chǔ)能裝置，7為蓄熱電鍋爐，8為汽動(dòng)空氣壓縮機(jī)，9為電動(dòng)空氣壓縮機(jī)，10為吸收式制冷機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。

如圖1所示，一種基于燃料電池的電熱冷氣多能互補(bǔ)供能系統(tǒng)，包括燃料電池1、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)2、余熱鍋爐3、汽輪機(jī)4、發(fā)電機(jī)5、儲(chǔ)能裝置6、蓄熱電鍋爐7、汽動(dòng)空氣壓縮機(jī)8、電動(dòng)空氣壓縮機(jī)9和吸收式制冷機(jī)10。燃料電池1為高溫燃料電池，包括熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。可再生能源發(fā)電系統(tǒng)2包括太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、水力發(fā)電系統(tǒng)、海洋能發(fā)電系統(tǒng)和地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)。

系統(tǒng)連接說(shuō)明：

燃料電池1的尾氣出口與余熱鍋爐3的煙氣入口相連。余熱鍋爐3所產(chǎn)生的蒸汽分別進(jìn)入兩路母管，第一路蒸汽母管與汽輪機(jī)4的進(jìn)汽口相連。汽輪機(jī)4的透平旋轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)5的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸相連。余熱鍋爐3的第二路蒸汽母管與汽動(dòng)空氣壓縮機(jī)8的進(jìn)汽口相連，還與吸收式制冷機(jī)10的進(jìn)汽口相連，同時(shí)，與熱用戶的蒸汽入口相連。燃料電池1、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)2、發(fā)電機(jī)5和儲(chǔ)能裝置6的電能輸出端連接到同一根供電母線。蓄熱電鍋爐7與所述供電母線電連接。蓄熱電鍋爐7的蒸汽出口與所述余熱鍋爐3的第二路蒸汽母管連接。蓄熱電鍋爐7的熱水出口與熱水母管連接。電動(dòng)空氣壓縮機(jī)9與所述供電母線電連接。汽動(dòng)空氣壓縮機(jī)8和電動(dòng)空氣壓縮機(jī)9的壓縮空氣出口與同一根壓縮空氣母管相連。

系統(tǒng)運(yùn)行說(shuō)明：

天然氣和空氣進(jìn)入燃料電池1，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，對(duì)外輸出電能，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，由燃料電?的尾氣出口排出并進(jìn)入余熱鍋爐3，加熱鍋爐給水，產(chǎn)生蒸汽。余熱鍋爐3所產(chǎn)生的蒸汽分別進(jìn)入兩路蒸汽母管，第一路蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)4，推動(dòng)透平旋轉(zhuǎn)，汽輪機(jī)4的透平旋轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)5的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸相連，汽輪機(jī)4透平旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)5的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，對(duì)外輸出電能。余熱鍋爐3的第二路蒸汽進(jìn)入汽動(dòng)空氣壓縮機(jī)8后，驅(qū)動(dòng)汽動(dòng)空氣壓縮機(jī)8旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生壓縮空氣，對(duì)外供應(yīng)。蒸汽進(jìn)入吸收式制冷機(jī)10，產(chǎn)生冷媒水，對(duì)外供應(yīng)。進(jìn)入熱用戶的蒸汽入口為熱用戶供熱。

燃料電池1、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)2、發(fā)電機(jī)5和儲(chǔ)能裝置6的電能輸出端連接到同一根供電母線，為用戶提供電能。儲(chǔ)能裝置6在用電低谷期間，將電能儲(chǔ)存，在用電高峰期間，將儲(chǔ)存的電能釋放，實(shí)現(xiàn)對(duì)外供電。蓄熱電鍋爐7與所述供電母線電連接，用電低谷期間，蓄熱電鍋爐7將電能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存，供熱高峰期，將儲(chǔ)存的熱能釋放，產(chǎn)生熱水或者蒸汽。蓄熱電鍋爐7從所述供電母線取電，加熱給水，產(chǎn)生蒸汽或者熱水，產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入所述余熱鍋爐3的第二路蒸汽母管。產(chǎn)生的熱水進(jìn)入熱水母管，提供給熱用戶使用。電動(dòng)空氣壓縮機(jī)9與所述供電母線電連接，從所述供電母線取電，產(chǎn)生壓縮空氣，對(duì)外供應(yīng)。汽動(dòng)空氣壓縮機(jī)8和電動(dòng)空氣壓縮機(jī)9所產(chǎn)生的壓縮空氣進(jìn)入同一根壓縮空氣母管，對(duì)外供應(yīng)壓縮空氣。汽動(dòng)空氣壓縮機(jī)8和電動(dòng)空氣壓縮機(jī)9互相補(bǔ)充，也互為備用。

上述實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。