集太阳能熔盐蓄热与sofc的发电储能一体化系统及工作方法
阅读说明：本技术 集太阳能熔盐蓄热与sofc的发电储能一体化系统及工作方法 (Power generation and energy storage integrated system integrating solar fused salt heat storage and SOFC (solid oxide Fuel cell) and working method ) 是由 王朝阳 刘明 严俊杰 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明专利公开了集太阳能熔盐蓄热与SOFC的发电储能一体化系统及工作方法,整个系统应用于可再生能源发电并网与电网调峰运行领域。该系统包括太阳能集热器、熔融盐储罐、熔盐换热器、熔盐泵、风机、SOFC电堆、电子负载控制器、凝汽器、干燥器、间壁式换热器、管道、阀门、冷凝器、控制系统。本发明不仅可以用于向外发电供能,还可以从电网中获取能量,将电能转化为化学能存储,辅助电网调峰。(The invention discloses a power generation and energy storage integrated system integrating solar fused salt heat storage and SOFC (solid oxide fuel cell) and a working method, and the whole system is applied to the fields of renewable energy power generation grid connection and power grid peak regulation operation. The system comprises a solar heat collector, a molten salt storage tank, a molten salt heat exchanger, a molten salt pump, a fan, an SOFC (solid oxide fuel cell) electric pile, an electronic load controller, a condenser, a dryer, a dividing wall type heat exchanger, a pipeline, a valve, a condenser and a control system. The invention can be used for generating and supplying power to the outside, and can also obtain energy from a power grid, convert electric energy into chemical energy for storage and assist the peak regulation of the power grid.)
技术领域
本发明属于SOFC发电系统运行以及太阳能热利用等能源领域，具体涉及一种将SOFC发电系统与太阳能蓄热系统集成技术，特别涉及以SOFC为核心部件的发电与储能一体化系统。
背景技术
近几年来，我国加快推进能源结构转型，大力发展风能、太阳能等可再生能源发电，构建高比例可再生能源发电系统。但可再生能源发电具有间歇性、周期性特点，依靠可再生能源自身难以保障电网具有持续、稳定的电力供应。此外，当可再生能源发电量过多时，电网无法消纳和直接存储。由此可知，在未来高比例可再生能源发电系统中，“源-网-荷”不匹配的难题将日益凸显，成为限制可再生能源大规模、高效率发展的瓶颈问题。将可再生能源发电系统中无法被电网及时消纳的电能转化为易存储形式的化学能，可有效提升系统的灵活性和能量利用效率。由此可知，在可再生能源发电系统中耦合储能设备，构建发电与储能一体化系统，是提升可再生能源发电系统运行灵活性和高效性的有效技术路线。
SOFC(SOFC)是一种清洁、高效、灵活的能量转换装置，且同时具备发电和储能的功能。以SOFC为核心部件，充分利用其即可发电又可储能的特点，构建发电与储能一体化系统，将其与风能、太阳能等可再生能源发电系统耦合，可极大地提高发电系统的运行灵活性，减小电网调峰压力。但SOFC需运行在600℃-1000℃的高温环境，将SOFC与太阳能熔盐吸热蓄热装置耦合，对耦合系统进行合理的构型设计，可构建高效、灵活的发电与储能一体化系统。
为此，本发明提出了一种集太阳能熔盐蓄热装置与SOFC的发电储能一体化系统及其工作方法。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一致集太阳能熔盐蓄热与SOFC(固体氧化物燃料电池)的发电储能一体化系统及工作方法，本发明将SOFC运行所需的温度范围与太阳能熔盐蓄热系统具备的高温环境通过间壁式换热器耦合，构建了以SOFC为核心部件的发电与储能一体化系统。该系统在电网用电低谷时，SOFC电堆开启储能模式，利用电网中多余的电能电解水蒸气生成氢气和氧气并存储；当电网在用电高峰时，SOFC电堆开启发电模式，向电网输送电能。对未来高比例可再生能源发电系统的构建和运行提供理论基础。
为达到上述目的，本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
集太阳能熔盐蓄热与SOFC的发电储能一体化系统，包括太阳能集热蓄热单元和SOFC发电与储能单元，
所述太阳能集热储热单元包括太阳能集热器1、熔盐膨胀箱2、加热器3、第一熔盐泵11、第二熔盐泵8、第三熔盐泵10、第一控制阀6、第二控制阀7、第三控制阀9、低温熔融盐储罐5和高温熔融盐储罐4，所述加热器3为一熔盐/气体换热器，所述太阳能集热器1、熔盐膨胀箱2、第一控制阀6、加热器3熔盐侧、第一熔盐泵11通过管路依次连接形成循环回路，所述高温熔盐蓄热罐4、第二熔盐泵8、第二控制阀7、加热器3熔盐侧、第三控制阀9、第三熔盐泵10和低温熔盐蓄热罐5通过管路依次连接形成蓄热旁路；
所述SOFC发电与储能单元包括SOFC电堆12、电子负载控制器13、第一回热器14、第二回热器15、第三回热器16、第四回热器20、第五回热器21、三通混合阀27、第一风机31、第二风机19、水泵28、第一氢气储罐30、第二氢气储罐26、第一氧气储罐18、第二氧气储罐17、第一储水罐29、第二储水罐24、凝汽器22、汽水分离器23、干燥器25、连接各类设备之间的管路以及连接电子负载控制器13与SOFC电堆12之间的线路，其中，
所述第一储水罐29、水泵28、第三回热器16燃料侧通过管路依次连接并与由第一氢气储罐30、第一风机31、第二回热器15燃料侧、第五回热器21燃料侧连接二次的管路在三通混合阀27处连接，通过加热器3燃料侧后进入SOFC电堆12的燃料入口端，燃料出口管路依次通过第五回热器21燃料侧、第四回热器20燃料侧、凝汽器22燃料侧、汽水分离器23、干燥器25，最终与第二氢气储罐26连接，形成燃料闭式管路；
所述第一氧气储罐18、第二风机19、第四回热器20氧气侧、第一回热器14氧气侧、加热器3氧气侧、进入SOFC电堆12的氧气入口端，氧气出口管路通过第一回热器14的高温氧气侧、第二回热器15氧气侧、第三回热器16氧气侧进入到第二氧气储罐17形成氧气闭式管路；
所述SOFC电堆12与电子负载控制器13通过电缆连接，电子负载控制器13与外电路连接形成电路回路。
所述太阳能集热储热单元还包括与第二熔盐泵8并联的第二熔盐泵旁路阀8'，与第三熔盐泵10并联的第三熔盐泵旁路阀10'。
所述的系统的工作方法，所述太阳能集热蓄热单元包含正常循环模式和旁路蓄热工作模式，具体如下；
当太阳能光照充足时，启动正常循环模式，此时第一控制阀6处于打开状态，第二控制阀7和第三控制阀9处于关闭状态，启动第一熔盐泵11，熔盐通过第一熔盐泵11加压后进入太阳能集热器1进行加热，加热后的熔盐再流过熔盐膨胀箱2，进而进入加热器3对发电与储能单元的气体工质进行加热，随后熔盐通过第一熔盐泵11流入到太阳能集热器1入口，至此完成集热循环正常工作模式；
当太阳能光照不足时，启动旁路蓄热工作模式，此时第一控制阀6处于关闭状态，第二控制阀7和第三控制阀9处于开启状态，启动第二熔盐泵8并关闭与其并联的第二熔盐泵旁路阀8'，关闭第三熔盐泵10并打开与其并联的第三熔盐泵旁路阀10'，蓄热旁路系统的高熔盐流过加热器3对发电与储能单元的气体工质进行加热，流入到低温熔盐蓄热罐，至此开启旁路蓄热工作模式；
所述SOFC发电与储能单元包含发电工作模式和制氢储能工作模式，具体如下；
当电网需要电能时，SOFC发电与储能单元开启发电模式运行，此时通过电子负载控制器13控制电流方向完成向外供电，打开第二风机19将氧气流过SOFC电堆12，将剩余氧气收集到第二氧气储罐17中；打开第一风机31将第一氢气储罐30的氢气引出，同时打开水泵28，通过控制水泵转速，将第一储水罐29的水取少量引入到加热器16后与氢气在三通混合阀27混合，最终混合后的气体流入到SOFC电堆12中与氧气发生电化学反应向外供电；未完全参加化学反应的燃料气利用其自身的高温通过第五回热器21和第四回热器20对未参加反应的气体进行回热，最终通过凝汽器22和汽水分离器23、干燥器25，流入到第二氢气储罐26中对燃料进行回收；
当电网电能过剩时，SOFC发电与储能单元开启制氢储能模式运行，此时通过电子负载控制器13控制电流方向消纳外界电能，打开第二风机19将少量氧气流过SOFC电堆12，将SOFC电堆12电解的氧气收集到第二氧气储罐17中；打开第一风机31从第一氢气储罐30的引出少量氢气，同时打开水泵28，通过调整水泵转速，从第一储水罐29中取预设量的水引入到第三回热器16后与氢气在三通混合阀27混合，最终混合后的气体流入到SOFC电堆12中电解以消纳外界电能；将化学反应产生的氢气及SOFC电堆12前端输入的氢气依次通过第五回热器21和第四回热器20对未参加反应的气体进行回热，最终通过凝汽器22和汽水分离器23、干燥器25，流入到第二氢气储罐26中对燃料进行存储。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1)本发明可实现发电与储能一体化系统在发电模式、储能模式及模式切换等工况下，系统内部的工质，包括氧气、水和燃料，完全回收利用。
2)此发电与储能一体化系统在运行模式切换过程中，无需停机，只需通过电子负载控制电流方向，同时改变氢气和水侧的相对比例即可。
附图说明
图1为集太阳能熔盐蓄热与SOFC的发电储能一体化系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案等内容更加清楚明白，以下结合附图和实施例子对本发明进一步说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明集太阳能熔盐蓄热与SOFC的发电储能一体化系统，该发电与储能一体化系统包括太阳能集热蓄热单元和SOFC发电与储能单元。其中，太阳能集热储热单元，包括太阳能集热器1、熔盐膨胀箱2、加热器3、第一熔盐泵11、第二熔盐泵8、第三熔盐泵10、第一控制阀6、第二控制阀7、第三控制阀9、低温熔融盐储罐5和高温熔融盐储罐4，所述加热器3为一熔盐/气体换热器，所述太阳能集热器1、熔盐膨胀箱2、、第一控制阀6、加热器3熔盐侧、第一熔盐泵11通过管路依次连接形成循环回路，所述高温熔盐蓄热罐4、第二熔盐泵8、第二控制阀7、加热器3熔盐侧、第三控制阀9、第三熔盐泵10和低温熔盐蓄热罐5通过管路依次连接形成蓄热旁路。其中，SOFC发电与储能单元，包括SOFC电堆12、电子负载控制器13、第一回热器14、第二回热器15、第三回热器16、第四回热器20、第五回热器21、三通混合阀27、第一风机31、第二风机19、水泵28、第一氢气储罐30、第二氢气储罐26、第一氧气储罐18、第二氧气储罐17、第一储水罐29、第二储水罐24、凝汽器22、汽水分离器23、干燥器25、连接各类设备之间的管路、连接电子负载与SOFC电堆之间的线路等。
各个单元的具体结构和连接情况如下：
第一储水罐29、水泵28、第三回热器16燃料侧通过管路依次连接并与由第一氢气储罐30、第一风机31、第二回热器15燃料侧、第五回热器21燃料侧连接二次的管路在三通混合阀27处连接，通过加热器3燃料侧后进入SOFC电堆12的燃料入口端，燃料出口管路依次通过第五回热器21燃料侧、第四回热器20燃料侧、凝汽器22燃料侧、汽水分离器23、干燥器25，最终与第二氢气储罐26连接，形成燃料闭式管路。
第一氧气储罐18、第二风机19、第四回热器20氧气侧、第一回热器14氧气侧、加热器3氧气侧、进入SOFC电堆12的氧气入口端，氧气出口管路通过第一回热器14的高温氧气侧、第二回热器15氧气侧、第三回热器16氧气侧、进入到第二氧气储罐17形成氧气闭式管路。
SOFC电堆12与电子负载控制器13通过电缆连接，电子负载控制器13与外电路连接形成电路回路。
太阳能集热蓄热单元包含正常循环模式和旁路蓄热工作模式，具体工作模式如下：
当太阳能光照充足时，启动正常循环模式，此时第一控制阀6处于打开状态，第二控制阀7和第三控制阀9处于关闭状态，启动第一熔盐泵11，熔盐通过第一熔盐泵11加压后进入太阳能集热器1进行加热，加热后的熔盐再流过熔盐膨胀箱2，进而进入加热器3对发电与储能单元的气体工质进行加热，随后熔盐通过第一熔盐泵11流入到太阳能集热器(1)入口，至此完成集热循环正常工作模式。
当太阳能光照不足时，启动旁路蓄热工作模式，此时第一控制阀6处于关闭状态，第二控制阀7和第三控制阀9处于开启状态，启动第二熔盐泵8并关闭与其并联的第二熔盐泵旁路阀8'，关闭第三熔盐泵10并打开与其并联的第三熔盐泵旁路阀10'，蓄热旁路系统的高熔盐流过加热器3对发电与储能单元的气体工质进行加热，流入到低温熔盐蓄热罐，至此开启旁路蓄热工作模式。
SOFC的发电与储能单元的工作模式如下：
当电网需要电能时，SOFC发电与储能单元开启发电模式运行，此时通过电子负载控制器13控制电流方向完成向外供电，打开第二风机19将氧气流过SOFC电堆12，将剩余氧气收集到第二氧气储罐17中；打开第一风机31将第一氢气储罐30的氢气引出，同时打开水泵28，通过控制水泵转速，将第一储水罐29的水取少量引入到加热器16后与氢气在三通混合阀27混合，最终混合后的气体流入到SOFC电堆12中与氧气发生电化学反应向外供电；未完全参加化学反应的燃料气利用其自身的高温通过第五回热器21和第四回热器20对未参加反应的气体进行回热，最终通过凝汽器22和汽水分离器23、干燥器25，流入到第二氢气储罐26中对燃料进行回收。
当电网电能过剩时，所述SOFC发电与储能单元开启储能模式运行，此时通过电子负载控制器13控制电流方向消纳外界电能，打开第二风机19将少量氧气流过SOFC电堆12，将SOFC电堆12电解的氧气收集到第二氧气储罐17中；打开第一风机31从第一氢气储罐30的引出少量氢气，同时打开水泵28，通过调整水泵转速，从第一储水罐29中取适量的水引入到第三回热器16后与氢气在三通混合阀27混合，最终混合后的气体流入到SOFC电堆12中电解以消纳外界电能；将化学反应产生的氢气及SOFC电堆12前端输入的氢气依次通过高温第五回热器21和第四回热器20对未参加反应的气体进行回热，最终通过凝汽器22和汽水分离器23、干燥器25，流入到第二氢气储罐26中对燃料进行存储。
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