CN116317175B - 太阳能驱动的rsoc分布式多联产***及其联产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了太阳能驱动的RSOC分布式多联产***及其联产方法，包括双罐储热模块、常压透平‑压缩反向布置***、碟式CSP高温热化学反应***、RSOC***；光照充足时运行电解模式即SOEC模式，光伏阵列过剩电力驱动RSOC电堆电解，包括可互切换的蒸汽电解和共电解两种电解模式；碟式CSP高温热化学反应器用太阳能来提供甲烷外重整需要的热量，将太阳能转化为化学能储存起来；无光时运行发电模式即SOFC+GT模式，产生电能，通过天然气调整RSOC电堆进气组分，天然气在RSOC电堆内部实现内重整吸收热量；RSOC电堆高温尾气进一步通过使用常压透平‑压缩反向布置***做功，进一步提高***效率，并实现了CO2的压缩储存。
Description
技术领域
本发明属于储能与氢能领域，特别涉及一种太阳能驱动的RSOC(可逆固体氧化物电池)分布式多联产***及其联产方法。
背景技术
由于传统的发电技术能量主要来源于化石燃料的燃烧，化石燃料的利用将对环境排放大量污染物，近年来，加大了对可再生能源的利用和研究，太阳能行业潜力巨大且清洁高效，太阳能的商业化开发和利用是可再生能源领域的一个重要发展趋势，但是由于太阳能的间歇性及不确定性，所以其应用的领域及其供能范围将受到极大的限制，实现太阳能转化与储存对解决时效性和间歇性具有重要意义。随着对化石燃料的消耗量越来越大，迫切的需要一种清洁、高效的替代能源，氢能被认为是未来的一种理想能源，常见的制氢途径有高温电解水蒸气制氢、甲烷重整制氢、金属氢化物分解制氢等。甲烷重整制氢最经济，但反应将吸收大量的热量，需要消耗大量化石燃料，产生大量二氧化碳，发展的前景受到影响。因此利用可再生能源太阳能来提供重整制氢所需热量可以减少化石燃料的消耗，将碟式CSP高温热化学反应器与RSOC电堆结合，在光照充足时，在碟式CSP高温热化学反应器中将甲烷重整为氢气，同时电堆利用过剩电力高温电解水蒸气产生氢气，将产生的氢气储存起来，在光照不足时将氢气作为燃料送入电堆发生电化学反应产生电能。
2017年1月25日公布的实用新型专利CN106356540A中，涉及一种碟式聚光型的固体氧化物燃料电池发电***，该***利用旋转抛物面碟式聚光器对太阳能进行聚焦获得高温以补充固体氧化物燃料电池发电***的燃料碳氢化合物的外部蒸汽重整和空气预热所需要的热量，并将SOFC电堆阳极和阴极的排气通入燃烧室燃烧，利用余热，但是该***受到气候条件的制约，只能在光照充足的条件下运行，没有解决太阳能间歇性的缺点，将产生较大的二氧化碳排放。
2019年6月18日公布的实用新型专利CN 108661869 A中，涉及一种太阳能天然气燃料电池多模式联合循环发电装置，包括太阳能集热回路、高温太阳能燃机循环发电回路、固体燃料电池发电回路与蒸汽动力循环发电回路，本发明综合利用天然气、太阳能，可以进行燃机循环、固体氧化物燃料电池、蒸汽动力循环等多种发电形式，可以根据太阳辐射强度情况，灵活选择发电模式，对***尾气的热量实现了利用，但是该***在实现甲烷重整过程中，没有利用太阳能的热量，需要较大的热量输入，影响***的效率，在太阳光充足时，没有实现***的储能与转换。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明公开了一种太阳能驱动的RSOC(可逆固体氧化物电池)分布式多联产***及其联产方法，其技术方案如下：
太阳能驱动的RSOC分布式多联产***，包括双罐储热模块、常压透平-压缩反向布置***、碟式CSP高温热化学反应***、RSOC***；
所述的双罐储热模块包含冷盐罐、第一换热器、热盐罐、第二换热器依次连接组成循环***；
所述的常压透平-压缩反向布置***，包括微型燃气轮机、冷却器，汽水分离器、微型压缩机依次连接；汽水分离器与水箱连接；
所述的碟式CSP高温热化学反应***中，水箱与水泵、预热器、水蒸气发生器串联连接；水蒸气发生器与碟式CSP高温热化学反应器、第一换热器、储气储热罐串联连接；
在***发电模式下，所述的RSOC***部件连接方式如下：储气储热罐与第二换热器、燃料侧换热器、燃料侧电加热器、RSOC电堆、燃烧器串联连接；空压机与尾气换热器、空气侧换热器、空气侧电加热器、RSOC电堆、燃烧器串联连接；燃烧器与燃料侧换热器、尾气换热器串联连接，燃烧器与空气侧换热器、微型燃气轮机、冷却器、汽水分离器、微型压缩机串联连接，汽水分离器与水箱连接；
光伏阵列与RSOC电堆连接；第二换热器、碟式CSP高温热化学反应器分别与天然气管道连接；
其中燃料侧换热器、尾气换热器、第二换热器、空气侧换热器、冷却器提供流体换热通道；
在***电解模式下，所述的RSOC***部件连接方式如下：
当采用蒸汽电解时，水蒸气发生器与第一阀门、燃料侧换热器、燃料侧电加热器、RSOC电堆、燃料侧换热器、储气储热罐串联连接；
采用共电解模式时，碟式CSP高温热化学反应器与第一换热器、第二阀门、燃料侧换热器、燃料侧电加热器、RSOC电堆、燃料侧换热器、储气储热罐串联连接；
在两种电解模式下，空气侧连接方式相同，空压机与空气侧换热器、空气侧电加热器、RSOC电堆、空气侧换热器、预热器串联连接。
所述的太阳能驱动的RSOC分布式多联产***的联产方法，包括：
光照充足时运行电解模式即SOEC模式，光伏阵列过剩电力驱动RSOC电堆电解，包括可互切换的蒸汽电解和共电解两种电解模式；碟式CSP高温热化学反应器用太阳能来提供甲烷外重整需要的热量，将太阳能转化为化学能储存起来；
无光时运行发电模式即SOFC+GT模式，产生电能，通过天然气调整RSOC电堆进气组分，天然气在RSOC电堆内部实现内重整吸收热量；RSOC电堆高温尾气进一步通过使用常压透平-压缩反向布置***做功，进一步提高***效率。
具体的，在电解模式下，***部件的流程如下：
在蒸汽电解下：水箱中的水通过水泵进入预热器进行预热，然后进入水蒸气发生器，此时第一阀门打开，第二阀门关闭，水蒸气发生器产生的水蒸气一部分进入碟式CSP高温热化学反应器与甲烷进行重整反应，一部分经燃料侧换热器、燃料侧电加热器加热后进入RSOC电堆燃料电极发生电解，将产生的氢气通入燃料侧换热器进行换热后通入储气储热罐，天然气或掺氢天然气通过管道进入碟式CSP高温热化学反应器与水蒸气进行甲烷的重整后生成含氢混合气后通入第一换热器被冷却后进入储气储热罐进行储存；
在共电解模式下：水箱中的水经水泵后进入预热器，然后进入水蒸气发生器，此时第一阀门关闭，第二打开，水蒸气发生器产生的水蒸气进入碟式CSP高温热化学反应器与天然气或者掺氢天然气进行甲烷的重整反应，生成的含氢混气进入第一换热器进行冷却，冷却后的混气分为两部分，一部分进入储气储热罐、另一部分经第二阀门通入燃料侧换热器，经燃料侧换热器和燃料侧电加热器加热后进入RSOC电堆燃料电极，发生电解反应，电解后生成的高氢混气经燃料侧换热器冷却后进入储气储热罐进行储存。
进一步的，在两种电解模式下，冷盐罐中的熔盐进入第一换热器被加热后进入到热盐罐；光伏阵列一端连接用户，一端将过剩电力通入RSOC电堆，空气经过空压机压缩后经空气侧换热器、空气侧电加热器加热通入RSOC电堆空气电极，空气电极排气依次进入空气侧换热器、预热器。
所述的太阳能驱动的RSOC分布式多联产***的联产方法，在发电模式下，***部件的流程如下：
天然气管道与储气储热罐出口管道将气体一并通入第二换热器，将加热后的混合气体通入燃料侧换热器、燃料侧电加热器进一步加热，然后通入RSOC电堆燃料电极，RSOC电堆内部发生电化学反应；
空气经空压机压缩后依次进入尾气换热器和空气侧换热器、空气侧电加热器进行加热，加热后的空气通入RSOC电堆空气侧电极，空气电极排气与燃料电极排气通入燃烧器，燃烧器后的气体分为两部分，一部分经燃料侧换热器、尾气换热器冷却后排入大气，一部分通入空气侧换热器，然后进入常压透平-压缩反向布置***，即通过微型燃气轮机、冷却器、汽水分离器、微型压缩机，汽水分离器的水通入水箱循环利用；
本发明提供的***，碟式CSP高温热化学反应器在700℃附近工作，甲烷与水在反应器中发生重整反应，对甲烷进行了提质，将太阳能转化为化学能储存起来。
在发电模式下，通过调节电堆进气组分，可实现对电堆的热管理，减少了空压机耗功，同时，利用甲烷的重整过程将太阳能储存为化学能，解决了太阳能发电时效性的问题,并加入了适用于常压SOFC的透平-压缩反向布置方案；在光照充足时，可将多余电量用于制氢，在无光照时将氢气用于发电。
在SOFC模式下，把一部分天然气与储气储热罐中的出口气体经过混和后一并通入燃料电极，此时的天然气用于调节电堆进气组分，电堆内发生电化学反应时将产生热量，通入的天然气在电堆内部发生内重整，吸收了一部分热量，从而减少了冷却空气量，减少了空压机耗功，提高***效率。
本发明具有以下特点及有益效果：
1.通过碟式CSP高温热化学反应器对来自天然气管道中的天然气或掺氢天然气进行外部甲烷重整，将太阳能热量储存为化学能，利用日照时间生产足量合成气并将重整后的高温合成气与熔盐换热后存储于储气储热罐中；太阳光不足时，热盐罐中储存的热量能全天候加热进入电堆发生电化学反应的混合气体；
2.在光照充足的情况下，通过光伏阵列的过剩电力驱动SOEC蒸汽电解或者共电解模式制取氢气，同时将氢气存储在储气储热罐中，无光照情况下运行SOFC+GT模式，将经外部天然气调整组分的合成气通入电堆发电，甲烷内部重整可吸收电堆内部电化学反应产生的一部分热量，减少冷却空气量，从而降低空压机功耗；
3.电堆高温尾气进一步通过使用常压SOFC的透平-压缩反向布置方案做功，进一步提高***效率。
附图说明
图1为太阳能驱动的可逆固体氧化物电池分布式多联产***。
图2-1为太阳能驱动的可逆固体氧化物电池分布式多联产***蒸汽电解模式示意图。
图2-2为太阳能驱动的可逆固体氧化物电池分布式多联产***共电解模式示意图。
图3为太阳能驱动的可逆固体氧化物电池分布式多联产***发电模式示意图。
图中：1-碟式CSP高温热化学反应器，2-储气储热罐，3-RSOC电堆，4-水箱，5-水泵，6-预热器，7-水蒸气发生器，8-光伏阵列，9-微型燃气轮机，10-汽水分离器，11-微型压缩机，12-空气侧换热器，13-空气侧电加热器，14-燃料侧电加热器，15-空压机，16-燃料侧换热器，17-第一换热器，18-冷盐罐，19-热盐罐，20-第二换热器，21-燃烧器，22-第一阀门，23-第二阀门，24-尾气换热器，25-冷却器。
具体实施方式
本发明提出一种太阳能驱动的可逆固体氧化物电池分布式多联产***，下面结合附图予以说明，显然，所描述的实例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下提出的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。
如图1所示，太阳能驱动的RSOC分布式多联产***，包括双罐储热模块、常压透平-压缩反向布置***、碟式CSP高温热化学反应***、RSOC***；
所述的双罐储热模块包含冷盐罐18、第一换热器17、热盐罐19、第二换热器20依次连接组成循环***；
所述的常压透平-压缩反向布置***，包括微型燃气轮机9、冷却器25、汽水分离器10、微型压缩机11依次连接；汽水分离器10与水箱4连接；
所述的碟式CSP高温热化学反应***中，水箱4与水泵5、预热器6、水蒸气发生器7串联连接；水蒸气发生器7与碟式CSP高温热化学反应器1、第一换热器17、储气储热罐2串联连接；
如图3所示，在***发电模式下，所述的RSOC***部件连接方式如下：储气储热罐2与第二换热器20、燃料侧换热器16、燃料侧电加热器14、RSOC电堆3、燃烧器21串联连接；空压机15与尾气换热器24、空气侧换热器12、空气侧电加热器13、RSOC电堆3、燃烧器21串联连接；燃烧器21与燃料侧换热器16，尾气换热器24串联连接；燃烧器21与空气侧换热器12、微型燃气轮机9、冷却器25、汽水分离器10、微型压缩机11串联连接；汽水分离器10与水箱4连接；
第二换热器20、碟式CSP高温热化学反应器1分别与天然气管道连接；
其中燃料侧换热器16、尾气换热器24、空气侧换热器12、第二换热器20、冷却器25提供流体换热通道；
在***电解模式下，所述的RSOC***部件连接方式如下：
如图2-1当采用蒸汽电解时，水蒸气发生器7与第一阀门22、燃料侧换热器16、燃料侧电加热器14、RSOC电堆3、燃料侧换热器16、储气储热罐2串联连接；
如图2-2，采用共电解模式时，碟式CSP高温热化学反应器1与第一换热器17、第二阀门23、燃料侧换热器16、燃料侧电加热器14、RSOC电堆3、燃料侧换热器16、储气储热罐2串联连接；
在两种电解模式下，空气侧连接方式相同，空压机15与空气侧换热器12、空气侧电加热器13、RSOC电堆3、空气侧换热器12、预热器6串联连接。
如图3所示，本发明利用太阳能驱动的可逆固体氧化物电池分布式多联产***，发电模式的工作流程，将一部分天然气与储气储热罐2出口气体经第二换热器20被高温熔盐加热后送入燃料侧换热器16与燃料侧电加热器14进一步加热，然后通入RSOC电堆3，高温熔盐被冷却后回到冷盐罐18中，RSOC电堆3内部将发生电化学反应并将放出热量，天然气用作调节RSOC电堆3的进气组分，此时RSOC电堆3内部的甲烷将与水发生内重整，吸收RSOC电堆3内部电化学反应放出的热量，实现对RSOC电堆3的热管理，减少冷却空气量；空气经过空压机15压缩后流经尾气换热器24和空气侧换热器12、空气侧电加热器13加热后通入RSOC电堆3的空气电极，燃料电极排气中的一氧化碳和未反应的氢气、甲烷与含有氧气的空气电极排气在燃烧器21中燃烧，生成的气体依次一部分通入燃料侧换热器16、尾气换热器24冷却后排出；一部分依次通入空气侧换热器12、微型燃气轮机9，冷却器25、汽水分离器10和微型压缩机11，汽水分离器7排水送入水箱循环利用。
本发明利用太阳能驱动的可逆固体氧化物电池分布式多联产***，如图2-1，电解模式蒸汽电解的工作流程，在光照充足时，水箱4中的水通过水泵5后经预热器加热后进入水蒸气发生器7，水蒸气一部分经第一阀门22、燃料侧换热器16、燃料侧电加热器14加热后进入燃料电极，RSOC电堆3内部发生电解反应，由光伏阵列8的过剩电力提供电能，燃料电极生成的氢气进入燃料侧换热器16换热后储存在储气储热罐2中；另一部分水蒸气进入碟式CSP高温热化学反应器1中在700℃的条件下与甲烷发生重整反应CH4+H2O→CO2+H2，太阳能被转化为化学能储存起来，生成的含有氢气、二氧化碳、未反应水蒸气、甲烷的高温气体经第一换热器17与冷盐罐18出口低温熔盐换热，被冷却到200℃后储存在储气储热罐2中，被加热后的熔盐进入热盐罐19中；
如图2-2，电解模式共电解的工作流程：水箱4中的水通过水泵5后经预热器加热后进入水蒸气发生器7，水蒸气进入碟式CSP高温热化学反应器1中与甲烷发生重整反应CH4+H2O→CO2+H2生成的含有氢气、二氧化碳、未反应水蒸气、甲烷的高温气体经第一换热器17冷却后一部分进入储气储热罐2，一部分经第二阀门23通入燃料侧换热器16加热后进入燃料电极发生电解反应，由光伏阵列8的过剩电力提供电能，电解生成的高氢混气经燃料侧换热器16冷却后被储存在储气储热罐2中，在冷盐罐18中的熔盐在第一换热器17中被加热后进入到热盐罐19中。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (5)
1.太阳能驱动的RSOC分布式多联产***，包括双罐储热模块、常压透平-压缩反向布置***、碟式CSP高温热化学反应***、RSOC***；
所述的双罐储热模块包含冷盐罐（18）、第一换热器（17）、热盐罐（19）、第二换热器（20）依次连接组成循环***；
所述的常压透平-压缩反向布置***，包括微型燃气轮机（9）、冷却器（25）、汽水分离器（10）、微型压缩机（11）依次连接；汽水分离器（10）与水箱（4）连接；
所述的碟式CSP高温热化学反应***中，水箱（4）与水泵（5）、预热器（6）、水蒸气发生器（7）串联连接；水蒸气发生器（7）与碟式CSP高温热化学反应器（1）、第一换热器（17）、储气储热罐（2）串联连接；
在***发电模式下，所述的RSOC***部件连接方式如下：储气储热罐（2）与第二换热器（20）、燃料侧换热器（16）、燃料侧电加热器（14）、RSOC电堆（3）、燃烧器（21）串联连接；空压机（15）与尾气换热器（24）、空气侧换热器（12）、空气侧电加热器（13）、RSOC电堆（3）、燃烧器（21）串联连接；燃烧器（21）与燃料侧换热器（16），尾气换热器（24）串联连接；燃烧器（21）与空气侧换热器（12）、微型燃气轮机（9）、冷却器（25）、汽水分离器（10）、微型压缩机（11）串联连接；第二换热器（20）与天然气管道连接；
其中燃料侧换热器（16）、尾气换热器（24）、空气侧换热器（12）、第二换热器（20）、冷却器（25）提供流体换热通道；
在***电解模式下，所述的RSOC***部件连接方式如下：
当采用蒸汽电解时，水蒸气发生器（7）与第一阀门（22）、燃料侧换热器（16）、燃料侧电加热器（14）、RSOC电堆（3）、储气储热罐（2）串联连接；
采用共电解模式时，碟式CSP高温热化学反应器（1）与第一换热器（17）、第二阀门（23）、燃料侧换热器（16）、燃料侧电加热器（14）、RSOC电堆（3）、储气储热罐（2）串联连接；
在两种电解模式下，空气侧连接方式相同，空压机（15）与空气侧换热器（12）、空气侧电加热器（13）、RSOC电堆（3）、空气侧换热器（12）、预热器（6）串联连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能驱动的RSOC分布式多联产***的联产方法，其特征在于，包括：
光照充足时运行电解模式，光伏阵列（8）过剩电力驱动RSOC电堆（3）电解，包括可互切换的蒸汽电解和共电解两种电解模式；碟式CSP高温热化学反应器（1）用太阳能来提供甲烷外重整需要的热量，将太阳能转化为化学能储存起来；
无光时运行发电模式，产生电能，通过天然气调整RSOC电堆（3）进气组分，天然气在RSOC电堆（3）内部实现内重整吸收热量；RSOC电堆（3）高温尾气通过使用常压透平-压缩反向布置***做功。
3.根据权利要求2所述的太阳能驱动的RSOC分布式多联产***的联产方法，其特征在于，在电解模式下，***部件的流程如下：
在蒸汽电解下：水箱（4）中的水通过水泵（5）进入预热器（6）进行预热，然后进入水蒸气发生器（7），此时第一阀门（22）打开，第二阀门（23）关闭，水蒸气发生器（7）产生的水蒸气一部分进入碟式CSP高温热化学反应器（1）与甲烷进行重整反应，一部分经燃料侧换热器（16）、燃料侧电加热器（14）加热后进入RSOC电堆（3）燃料电极发生电解，将产生的氢气通入燃料侧换热器（16）进行换热后通入储气储热罐（2），天然气或掺氢天然气通过管道进入碟式CSP高温热化学反应器（1）与水蒸气进行甲烷的重整后生成含氢混合气后通入第一换热器（17）被冷却后进入储气储热罐（2）进行储存；
在共电解模式下：水箱（4）中的水经水泵（5）后进入预热器，然后进入水蒸气发生器（7），此时第一阀门（22）关闭，第二阀门（23）打开，水蒸气发生器（7）产生的水蒸气进入碟式CSP高温热化学反应器（1）与天然气或者掺氢天然气进行甲烷的重整反应，生成的含氢混气进入第一换热器（17）进行冷却，冷却后的混气分为两部分，一部分进入储气储热罐（2）、另一部分经第二阀门（23）通入燃料侧换热器（16），经燃料侧换热器（16）和燃料侧电加热器（14）加热后进入RSOC电堆（3）燃料电极，发生电解反应，电解后生成的高氢混气经燃料侧换热器（16）冷却后进入储气储热罐（2）进行储存。
4.根据权利要求3所述的太阳能驱动的RSOC分布式多联产***的联产方法，其特征在于，在两种电解模式下，冷盐罐（18）中的熔盐进入第一换热器（17）被加热后进入到热盐罐（19）；光伏阵列（8）一端连接用户，一端将过剩电力通入RSOC电堆（3），空气经过空压机（15）压缩后经空气侧换热器（12）加热后进入空气侧电加热器（13），然后通入RSOC电堆（3）空气电极，空气电极排气依次进入空气侧换热器（12）、预热器（6）。
5.根据权利要求2所述的太阳能驱动的RSOC分布式多联产***的联产方法，其特征在于，在发电模式下，***部件的流程如下：
天然气管道与储气储热罐（2）出口管道将气体一并通入第二换热器（20），将加热后的混合气体通入燃料侧换热器（16）、燃料侧电加热器（14）加热，然后通入RSOC电堆燃料电极，RSOC电堆（3）内部发生电化学反应；
空气经空压机（15）压缩后依次进入尾气换热器（24）和空气侧换热器（12）、空气侧电加热器（13）进行加热，加热后的空气通入RSOC电堆（3）空气侧电极，空气电极排气与燃料电极排气通入燃烧器（21），燃烧器后的气体分为两部分，一部分经燃料侧换热器（16）、尾气换热器（24）冷却后排入大气，一部分通入空气侧换热器（12），然后进入常压透平-压缩反向布置***，即通过微型燃气轮机（9）、冷却器（25）、汽水分离器（10）、微型压缩机（11），汽水分离器（10）的水通入水箱（4）循环利用。
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