一种集成固体氧化物燃料电池和太阳能的冷热电联供系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种集成固体氧化物燃料电池和太阳能的冷热电联供系统及其方法，包括相互之间通过管路和阀门进行连接的：固体氧化物燃料电池

【技术实现步骤摘要】
一种集成固体氧化物燃料电池和太阳能的冷热电联供系统及其方法


[0001]本专利技术属于固体氧化物燃料电池分布式能源
，涉及一种集成固体氧化物燃料电池与太阳能的冷热电联供系统及其方法。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell，SOFC)是一种可利用天然气等碳氢燃料的高效发电装置，其发电效率可超过50％，排放物主要包含H2O和CO2，对环境友好。
[0003]然而，固体氧化物燃料电池受目前的技术发展局限，通常难以完全利用燃料中的能量：一方面，其阳极排气中仍有剩余燃料(主要为H2和CO)没有利用；另一方面，电池阴、阳极排气温度相对较高，超过600℃，若直接排放则会造成极大的热量浪费和热污染。因此，在利用固体氧化物燃料电池清洁发电的基础上，如何进一步利用电池未反应完全的燃料、回收其排气中的高品位余热、实现对化石能源的高效利用，是一个亟需解决的技术问题。
[0004]太阳能作为一种优质的可再生能源，具有极大的能源开发潜力，但是太阳能的利用受季节、天气、昼夜、地域等因素影响，表现出较大的不稳定性，在固体氧化物燃料电池发电系统中如何合理耦合利用太阳能的装置，避免太阳能利用不稳定性带来的缺陷，同时减少对化石能源的消耗，是解决我国能源危机和环境问题的一个重要方向。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种集成固体氧化物燃料电池和太阳能的冷热电联供系统及其方法，在充分发挥固体氧化物燃料电池高发电效率的优势基础上，梯级利用其排气高品位余热，并通过进一步耦合可再生能源
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太阳能，减少对化石燃料的消耗，具有能源利用效率高、环保效益好等优点。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案。
[0007]本专利技术的一种集成固体氧化物燃料电池和太阳能的冷热电联供系统，包括：
[0008]固体氧化物燃料电池
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燃气轮机混合发电子系统，包括固体氧化物燃料电池、后燃烧室、燃气轮机透平、第一预热器、第二预热器、第三预热器；所述的固体氧化物燃料电池以天然气为燃料进行电化学反应高效发电，并利用所述的固体氧化物燃料电池的阳极出口剩余的燃料和阴极出口排出的废气在所述的后燃烧室内燃烧并进行天然气补燃，所述后燃烧室出口高温燃气可驱动所述的燃气轮机透平旋转做功；
[0009]太阳能集热
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储热子系统，包括热能储存罐、熔融盐泵、太阳能集热器；用于耦合可再生能源
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太阳能为预热所述的固体氧化物燃料电池进口燃料、空气和水提供热能，可替代利用所述的固体氧化物燃料电池
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燃气轮机混合发电子系统出口排气的热量预热所述的固体氧化物燃料电池进口燃料、空气和水，减少所述的冷热电联供系统内部热能的损耗，有利于对所述的冷热电联供系统排气热能的有效利用；
[0010]蒸汽轮机发电子系统，包括热回收蒸汽发生器、蒸汽轮机透平；所述的蒸汽轮机发
电子系统用于利用所述的固体氧化物燃料电池
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燃气轮机混合发电子系统的排气余热发电，并通过从所述的蒸汽轮机透平中抽取蒸汽进行区域供热，可同时向用户输出电和热；
[0011]有机朗肯循环发电子系统，包括有机朗肯循环透平；所述的有机朗肯循环发电子系统通过在所述的热回收蒸汽发生器中回收所述的固体氧化物燃料电池
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燃气轮机混合发电子系统的排气余热制取有机工质蒸汽，利用所述的有机工质蒸汽驱动所述的有机朗肯循环透平旋转做功；
[0012]喷射式制冷机和换热器子系统，包括喷射器、第一换热器、第二换热器；所述的喷射式制冷机和换热器子系统利用所述的有机朗肯循环透平排气的余压驱动所述的喷射器，引射来自所述的第一换热器出口低压流体制取冷冻水，用来区域供冷，并利用所述的热回收蒸汽发生器排气余热在所述的第二换热器中制备生活热水，用来供热；
[0013]上述各子系统之间通过管路和阀门进行连接；所述的固体氧化物燃料电池
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燃气轮机混合发电子系统与所述的太阳能集热
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储热子系统连接；所述的蒸汽轮机发电子系统与所述的固体氧化物燃料电池
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燃气轮机混合发电子系统连接；所述的有机朗肯循环发电子系统与所述的蒸汽轮机发电子系统连接；所述的喷射式制冷机和换热器子系统与所述的有机朗肯循环发电子系统连接。
[0014]进一步的，所述的固体氧化物燃料电池
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燃气轮机混合发电子系统：还包括逆变器、空气压缩机、燃料压缩机、混合器、第一水泵、第一阀、第二阀；所述的固体氧化物燃料电池通过所述的逆变器进行直流
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交流电流转换；所述的固体氧化物燃料电池的出口与所述的后燃烧室的进口连接；所述的燃气轮机透平的进口与所述的后燃烧室的出口连接；所述的空气压缩机和所述的燃料压缩机均与所述的燃气轮机透平共轴连接；所述的空气压缩机的入口通入空气；所述的燃料压缩机的入口通入天然气；所述的第一预热器的第一路入口与所述的燃气轮机透平的出口连接；所述的第一预热器的第二路入口与所述的空气压缩机的出口连接；所述的第一预热器的第一路出口与所述的第二预热器的第一路入口连接；所述的第一预热器的第二路出口与所述的固体氧化物燃料电池阴极入口连接；所述的第二预热器的第二路入口与所述的燃料压缩机的出口连接；所述的第三预热器的第一路出口与所述的第三预热器的第一路入口连接；所述的第三预热器的第二路出口与所述的混合器的入口连接；所述的混合器的出口与所述的固体氧化物燃料电池阳极入口连接；所述的固体氧化物燃料电池阳极出口可与所述的混合器的进口连接；所述的第三预热器的第二路入口与所述的第一水泵的出口连接；所述的第一水泵的入口通入天然气重整反应中需要的水。
[0015]进一步的，所述的太阳能集热
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储热子系统，所述的热能储存罐的第一路出口与所述的熔融盐泵的进口连接；所述的熔融盐泵的出口与所述的太阳能集热器的进口连接；所述的太阳能集热器的出口与所述的热能储存罐的第一路进口连接；所述的热能储存罐的第二路出口与所述的第一预热器的第三路进口连接；所述的第一预热器的第三路出口与所述的第二预热器的第三路进口连接；所述的第二预热器的第三路出口与所述的第三预热器的第三路进口连接；所述的第三预热器的第三路出口与所述的热能储存罐的第二路进口连接。
[0016]进一步的，所述的蒸汽轮机发电子系统，还包括：第一冷凝器、第二水泵；所述的热回收蒸汽发生器的第一路进口与所述的第三预热器的第一路出口连接；所述的热回收蒸汽发生器的第一路出口与所述的蒸汽轮机透平的进口连接；所述的蒸汽轮机透平的出口与所
述的第一冷凝器的第一路的进口连接；所述的第一冷凝器的第一路出口与所述的第二水泵的进口连接；所述的第一冷凝器的第二路进口可通入循环冷却水；所述的第二水泵的出口与所述的热回收蒸汽发生器的第二路进口连接。
[0017]进一步的，所述的有机朗肯循环发电子系统，还包括有机朗肯循环透平、第二冷凝器、工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成固体氧化物燃料电池和太阳能的冷热电联供系统，其特征在于，包括：固体氧化物燃料电池
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燃气轮机混合发电子系统(100)，包括固体氧化物燃料电池(101)、后燃烧室(103)、燃气轮机透平(104)、第一预热器(107)、第二预热器(108)、第三预热器(109)；所述的固体氧化物燃料电池(101)以天然气为燃料进行电化学反应高效发电，并利用所述的固体氧化物燃料电池(101)的阳极出口剩余的燃料和阴极出口排出的废气在所述的后燃烧室(103)内燃烧并进行天然气补燃，所述后燃烧室(103)出口高温燃气可驱动所述的燃气轮机透平(104)旋转做功；太阳能集热
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储热子系统(200)，包括热能储存罐(201)、熔融盐泵(202)、太阳能集热器(203)；用于耦合可再生能源
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太阳能为预热所述的固体氧化物燃料电池(101)进口燃料、空气和水提供热能，可替代利用所述的固体氧化物燃料电池
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燃气轮机混合发电子系统(100)出口排气的热量预热所述的固体氧化物燃料电池(101)进口燃料、空气和水，减少所述的冷热电联供系统内部热能的损耗，有利于对所述的冷热电联供系统排气热能的有效利用；蒸汽轮机发电子系统(300)，包括热回收蒸汽发生器(301)、蒸汽轮机透平(302)；所述的蒸汽轮机发电子系统(300)用于利用所述的固体氧化物燃料电池
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燃气轮机混合发电子系统(100)的排气余热发电，并通过从所述的蒸汽轮机透平(302)中抽取蒸汽进行区域供热，可同时向用户输出电和热；有机朗肯循环发电子系统(400)，包括有机朗肯循环透平(401)；所述的有机朗肯循环发电子系统(400)通过在所述的热回收蒸汽发生器(301)中回收所述的固体氧化物燃料电池
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燃气轮机混合发电子系统(100)的排气余热制取有机工质蒸汽，利用所述的有机工质蒸汽驱动所述的有机朗肯循环透平(401)旋转做功；喷射式制冷机和换热器子系统(500)，包括喷射器(501)、第一换热器(503)、第二换热器(504)；所述的喷射式制冷机和换热器子系统(500)利用所述的有机朗肯循环透平(401)排气的余压驱动所述的喷射器(501)，引射来自所述的第一换热器(503)出口低压流体制取冷冻水，用来区域供冷，并利用所述的热回收蒸汽发生器(301)排气余热在所述的第二换热器(504)中制备生活热水，用来供热；上述各子系统之间通过管路和阀门进行连接；所述的固体氧化物燃料电池
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燃气轮机混合发电子系统(100)与所述的太阳能集热
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储热子系统(200)连接；所述的蒸汽轮机发电子系统(300)与所述的固体氧化物燃料电池
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燃气轮机混合发电子系统(100)连接；所述的有机朗肯循环发电子系统(400)与所述的蒸汽轮机发电子系统(300)连接；所述的喷射式制冷机和换热器子系统(500)与所述的有机朗肯循环发电子系统(400)连接。2.根据权利要求1所述的一种集成固体氧化物燃料电池和太阳能的冷热电联供系统，其特征在于，所述的固体氧化物燃料电池
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燃气轮机混合发电子系统(100)：还包括逆变器(102)、空气压缩机(105)、燃料压缩机(106)、混合器(110)、第一水泵(111)、第一阀(112)、第二阀(113)；所述的固体氧化物燃料电池(101)通过所述的逆变器(102)进行直流
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交流电流转换；所述的固体氧化物燃料电池(101)的出口与所述的后燃烧室(103)的进口连接；所述的燃气轮机透平(104)的进口与所述的后燃烧室(103)的出口连接；所述的空气压缩机(105)和所述的燃料压缩机(106)均与所述的燃气轮机透平(104)共轴连接；所述的空气压缩机(105)的入口通入空气；所述的燃料压缩机(106)的入口通入天然气；所述的第一预热器(107)的第一路入口与所述的燃气轮机透平(104)的出口连接；所述的第一预热器(107)
的第二路入口与所述的空气压缩机(105)的出口连接；所述的第一预热器(107)的第一路出口与所述的第二预热器(108)的第一路入口连接；所述的第一预热器(107)的第二路出口与所述的固体氧化物燃料电池(101)阴极入口连接；所述的第二预热器(108)的第二路入口与所述的燃料压缩机(106)的出口连接；所述的第三预热器(108)的第一路出口与所述的第三预热器(109)的第一路入口连接；所述的第三预热器(108)的第二路出口与所述的混合器(110)的入口连接；所述的混合器(110)的出口与所述的固体氧化物燃料电池(101)阳极入口连接；所述的固体氧化物燃料电池(101)阳极出口可与所述的混合器(110)的进口连接；所述的第三预热器(109)的第二路入口与所述的第一水泵(111)的出口连接；所述的第一水泵(111)的入口通入天然气重整反应中需要的水。3.根据权利要求1所述的一种集成固体氧化物燃料电池和太阳能的冷热电联供系统，其特征在于，所述的太阳能集热
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储热子系统(200)，所述的热能储存罐(201)的第一路出口与所述的熔融盐泵(202)的进口连接；所述的熔融盐泵(202)的出口与所述的太阳能集热器(203)的进口连接；所述的太阳能集热器(203)的出口与所述的热能储存罐(201)的第一路进口连接；所述的热能储存罐(201)的第二路出口与所述的第一预热器(107)的第三路进口连接；所述的第一预热器(107)的第三路出口与所述的第二预热器(108)的第三路进口连接；所述的第二预热器(108)的第三路出口与所述的第三预热器(109)的第三路进口连接；所述的第三预热器(109)的第三路出口与所述的热能储存罐(201)的第二路进口连接。4.根据权利要求1所述的一种集成固体氧化物燃料电池和太阳能的冷热电联供系统，其特征在于，所述的蒸汽轮机发电子系统(300)，还包括：第一冷凝器(303)、第二水泵(304)；所述的热回收蒸汽发生器(301)的第一路进口与所述的第三预热器(109)的第一路出口连接；所述的热回收蒸汽发生器(301)的第一路出口与所述的蒸汽轮机透平(302)的进口连接；所述的蒸汽轮机透平(302)的出口与所述的第一冷凝器(303)的第一路的进口连接；所述的第一冷凝器(303)的第一路出口与所述的第二水泵(304)的进口连接；所述的第一冷凝器(303)的第二路进口可通入循环冷却水；所述的第二水泵(304)的出口与所述的热回收蒸汽发生器(301)的第二路进口连接。5.根据权利要求1所述的一种集成固体氧化物燃料电池和太阳能的冷热电联供系统，其特征在于，所述的有机朗肯循环发电子系统(400)，还包括有机朗肯循环透平(401)、第二冷凝器(402)、工质泵(403)；所述的有机朗肯循环透平(401)的进口与所述的热回收蒸汽发生器(301)的第二路出口连接；所述的有机朗肯循环透平(401)的出口与所述的喷射式制冷机和换热器子系统(500)中的喷射器(501)的第一路进口连接；所述的喷射器(501)的第一路出口与所述的第二冷凝器(402)的第一路进口连接；所述的第二冷凝器(402)的第二路进口通入循...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖燕，游怀亮，陈代芬，李鹏，韩吉田，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：