专利名称：一种用于木屋的清洁能源系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用于木屋的清洁能源系统，特别涉及利用固体氧化物燃料电池热电联供系统，为木屋提供符合清洁能源要求的电力与热水供应。
背景技术：
众所周知，清洁能源定义可以用“环保、节能、低碳、高效”八个字来概括，而对于木屋而言，清洁能源系统不仅仅是指能源供应方，还包括能源使用方，其配置的设备和设备运行方式都要达到清洁能源定义要求。先从能源供应方谈起，木屋的建造形式是工厂预制、现场灵活组装，可移动性强； 另外，对建造地域要求较低，森林、沙漠、山地、海滨以及都市郊区都是木屋可建处所，适应性强，适合在旅游区使用，不会对环境造成大的破坏。因此，木屋作为一种新型的旅游度假居住形式正逐渐兴起，各大旅游热点目的地纷纷开发旅游度假用木屋，使之成为旅游地产的新的宠儿。但是，许多旅游度假景区特别是一些地处高山、森林、海岛的风景名胜，往往交通不便，市政建设欠缺，未必有完善的电力供应；或者是冬天滑雪、夏天游泳的季节性度假区， 电力负荷极度不勻。在这些情况下，就要自备柴油发电机组发电。显然，这种供电方式既不经济(发电效率低)又不环保(废气污染大)，尤其是发电噪音会大大干扰旅游环境安静度，为人们所不容忍。当然，现在可以选择风力发电、光伏发电此类环保清洁能源供电。但还有以下缺陷一是对安装场所有特殊要求，比如风力发电要有风力资源，光伏发电需要光照条件，这不是任何旅游景区都具备的；二是无论风力发电还是光伏发电，都是间歇性发电能源，不能保证随时随地连续供电；三是如果要做到连续供电，必须增加风电或光伏发电机组的容量和储能电池装置，这就大大增加了设备成本。另外，旅游度假用木屋除了要有电可用(看电视和开空调等)外，热水供应(洗澡和暖气)也是必不可少的。也就是说，在没有市政供电、供气的环境里，木屋要同时解决电力与热水供应问题，主要依靠自备发电装置，但是要做到按清洁能源定义要求，而且还要尽可能地以比较低的成本运行，以上所提及的几种方式都有缺陷甚至不容易做到。再看看能源使用方木屋的能源使用以家用电器为主，如照明灯具、电视机、冰箱、 洗衣机、微波炉、电磁灶；用于洗澡的热水器；用于木屋室内温度调节的空调器、电暖气等。 以上家电产品都是市场上买得到的，目前只能选择符合国家节能能效标识的家电产品。要进一步达到节能和高效利用能源，还需要家电企业提供智能化产品。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，利用一种固体氧化物燃料电池热电联供系统，在能源管理控制计算机的控制下，为木屋提供符合清洁能源要求的电力与热水供应。
传统热机发电都是一个从化学能变为热能，热能转化为机械能再变成电能的过程。比如火力发电，就是煤炭通过燃烧产生蒸汽，蒸汽驱动汽轮机再带动发电机发电。燃料电池发电则是由化学能直接转化为电能的过程。燃料电池是通过电化学反应将燃料气体(如天然气、氢气、煤气等)和空气中的氧气反应生成的化学能转换成电能的发电装置。考虑到旅游度假用的木屋要同时供电力和供热水，所以本发明选用固体氧化物燃料电池(SOFC)。所述固体氧化物燃料电池由阳极、固体氧化物电解质、阴极组成(类似“三明治”结构)，其工作原理如图1所示，从燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气体，如天然气 (主要是甲烷)、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为02_，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路(经过负载，如电灯泡)回到阴极。与此同时，电池发出电能的同时，电化学反应产生的热量将未反应完全的阴极与阳极的气体加热。阳极未反应完全的燃料气体和阴极剩余空气通入热能交换器进行燃烧， 燃烧产生的高温气体除了用来预热燃料气体和空气之外，还可以通过余热回收装置提供热水或用来供暖，从而进一步加以利用。这样，就达到了热电联供目的。固体氧化物燃料电池发电技术是将燃料中化学能直接转换为电能的技术，具有燃料适应性广、能量转换效率高、低成本、全固态、模块化组装、零污染低排放、无噪声等优点， 可以直接使用一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳基气体燃料。尤其是提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，全能量利用率高达80%左右。显而易见，在木屋中，尤其是在旅游度假当地缺乏必要的市政能源供应条件下，用固体氧化物燃料电池热电联供系统来替代常规自备柴油机组发电(用柴油发电，比较难利用发电余热，供热还需要配置电热水器或燃油锅炉。)，能够以高效低成本，又可环保、节能、 低噪音连续供电和供热，是非常合适的。同样，如果选用风电或光伏供电，虽然也能做到以清洁能源方式供电，但仍要配置电加热器或太阳能热水器才能供热。更主要的是由于风电或光伏都属于间歇性发电能源， 要做到连续供电供热，势必要大大增加储能电池等装置成本。为利用上述固体氧化物燃料电池热电联供系统实现木屋的清洁能源供应，本发明采用了如下技术方案一种用于木屋的清洁能源系统，包括燃料电池热电联供系统和能源管理控制计算机系统，其中所述燃料电池热电联供系统利用气体燃料发电和产热，提供给木屋电器和热水设备；所述能源管理控制计算机系统对燃料电池热电联供系统和木屋电器、热水设备进行日常运行和紧急状态下的控制和管理，按木屋电器和热水设备的实际使用负荷来调整燃料电池热电联供系统的输出功率(发电及供热的出力)，让发电与用电达到或接近动态平衡，从而实现高效、节能和环保、低碳的清洁能源供应。在木屋当地缺乏管道燃气供应条件下，所述清洁能源系统还包括燃料供气系统 (简称CNG)，该燃料供气系统将压缩的气体燃料(如瓶装天然气)减压后输出到燃料电池热电联供系统。
所述燃料电池热电联供系统只需提供天然气等碳基气体燃料、空气和水，就会产生并输出交流市电和热水，供应木屋用户使用。一般的，燃料电池热电联供系统包括固体氧化物燃料电池堆、脱硫器、燃料重整器、空气过滤器、风机、热能交换器和燃料电池系统控制器，气体燃料先进入脱硫器脱硫，然后经过燃料重整器处理进入固体氧化物燃料电池堆的阳极端；空气经空气过滤器除尘后，由风机送到固体氧化物燃料电池堆的阴极端；气体燃料和空气中的氧气在电池堆中发生电化学反应产生直流电；该直流电在燃料电池系统控制器的控制下转换为交流市电输出到外电路，供外电路中的电器使用；阳极端剩余的气体燃料和阴极端过剩的空气在热能交换器中燃烧，加热注入的冷水。这样，在木屋当地缺乏交流市电和管道燃气供应条件下，燃料电池热电联供系统利用压缩天然气钢瓶及其燃料供气系统，接通水管，即可产生交流市电和热水，为木屋独立提供用电和供热服务。由于燃料电池工作原理决定了调整燃料电池发电输出功率比较简单，主要调整气体燃料输入多少就可以了，而且还不太影响发电效率。所述的木屋能源管理控制计算机系统，采集木屋的能源供应设备和能源使用设备的运行工况数据，根据预设程序对能源供应设备与能源使用设备的工作状态进行程序控制 (主要是控制燃料电池热电联供系统的发电供热输出功率)，其中所述能源供应设备包括燃料电池热电联供系统和燃料供气系统，所述能源使用设备包括木屋电器和热水设备。木屋能源管理控制计算机系统的运行模式可包括“常规运行模式”、“节能运行模式”和“应急运行模式”。在所设置的“常规运行模式”状态下，主要是按不同时段木屋的用电用热量有所不同的规律，设计了分时段负荷变化程序，来调整燃料电池热电联供系统的功率输出，从而通过出力大小的程序控制，达到燃料电池的高效发电供热目的。在所设置的 “节能运行模式”状态下，是在常规运行模式中的分时段负荷变化程序基础上，通过采集木屋电器和热水设备的负荷变化数据，反馈控制燃料电池热电联供系统的出力大小，进一步提高发电输出变化与热电负荷变化的正相关联动。“应急运行模式”当接收到相关设备工况异常或设备处于危险状态的数据时，能源管理控制计算机就按应急停机程序的风险控制级另IJ，分别对燃料电池热电联供系统和/或燃料供气系统进行应急处理操作，如停机。进一步的，所述能源管理控制计算机系统具有木屋设备与用户识别插件、移动数据通信接口和卫星导航报告通信接口，使能源管理控制计算机系统与木屋所有者或管理中心建立基于移动通信网络或卫星导航系统的远程通信和控制联系，以保证木屋的独立发电供热设施长期安全运行，当木屋及其设备出现意外故障或危急情况时，及时得到木屋所有者或管理中心的支持和救助。所述木屋能源管理控制计算机系统卫星导航报告通信接口优选北斗卫星导航报告通信接口，北斗卫星导航报告通信方式可以克服在木屋所在地没有移动通信服务区情况下，做到高可靠通信与控制联系。本发明技术方案的实现，首先需要一台能满足木屋建筑供电供热所需容量的固体氧化物燃料电池热电联供系统，一般为1千瓦到10千瓦左右，或者根据需求提高到几十千瓦功率量级。该系统的工作原理(参见图2)是瓶装天然气先进入系统内置的脱硫器脱硫， 再经过燃料重整器进行燃气重整处理(其目的是对天然气脱硫和去掉有关杂质，防止燃料电池电池堆的阳极积碳和催化功能中毒，以保障电池堆正常工作)，之后送到燃料电池电池堆的阳极端；空气经空气过滤器除尘后，由风机送到燃料电池电池堆的阴极端；这样，电池堆就通过电化学反应把大部分燃料转化为电能；阳极侧剩余的天然气燃料和阴极侧过剩的空气在热能交换器中催化燃烧，加热由水管注入的冷水。另外，通过系统控制器自动控制， 把电池堆产生的直流电经逆变器转换成交流市电，可供木屋内如电视机、电冰箱、电灶等电器使用；控制热能交换器的催化燃烧工况，输出适宜温度的热水供洗澡或其他洗涤之用。本发明技术方案的实现，需要配置空气、水和燃料资源。其中空气和水(配置一个足够容量的水箱)的配置比较简单，这里只讨论燃料资源的配置。从固体氧化物燃料电池工作原理上来讲，可以用多种碳基气体燃料，包括天然气、煤层气、城市煤气，以及石油液化气、沼气甚至甲醇、二甲醚等。但从木屋所处市场定位和使用价值而言，目前比较现实可用而且技术成熟的方案是现在大量应用于天然气公交汽车、出租车里的压缩天然气(CNG)供气系统。一个压缩天然气(CNG)燃料供气系统通常包括天然气气瓶、减压调压器、各类阀门和管件以及电脑控制装置等。它的工作原理类同天然气汽车的压缩天然气(CNG)汽车燃料系统如图3所示，通过减压调压器的调压(减压)作用，将天然气钢瓶里的压缩天然气气体从高压(一般在20MI^左右)减到常压状态，再由一系列包括气体通路开闭和流量大小调节等功能调节阀门控制，输出到燃料电池装置。天然气所有的压力、流量的调节是由燃气电脑控制。本发明技术方案的实现，还需要增加一套木屋能源管理控制计算机系统。这是因为旅游度假木屋的使用和维护保养与日常民居相比，是有很大差异的①作为担负木屋独立供电供热的燃料电池热电联供系统，其不仅要求使用方便，而且要求工作可靠，最好做到少维护或免保养，特别是在出现紧急情况时可以自动关机并能够第一时间通知相关单位与个人，便于及时安排抢险、抢修。②旅游者一般是白天外出游览，晚上回来居住。所以木屋的供电供热是白天轻负荷，晚上重负荷状态。这样，必须对热电联供系统进行昼夜负荷循环变化控制。另外，许多旅游景区是属于季节性旅游景区，兴旺半年，闲置半年。这样，旅游度假木屋往往是长达半年无人居住。但相关设备还是要维护保养的。③旅游度假用的木屋大部分安置在旅游景区，往往远离城市或交通便利地区。平时通信联络主要依靠手机；而且木屋位置相对偏僻，也就是说，在普通地图上标记不多，不便寻找。④有相当一部分木屋是作为金融租赁标的物，而木屋的可移动性，有可能产生不能及时定位而失控，所以当事者非常希望及时掌控木屋的去向(而日常居住建筑是不会移动的)。为让木屋的供电、供热更符合清洁能源标准，需要通过能源管理控制计算机系统对燃料电池热电联供系统和燃气供应系统进行在日常运行与紧急状态下的控制与管理。从图4可见，设置木屋能源管理控制计算机系统，通过对①木屋的能源供应设备和电器使用设备的运行工况数据采集，②能源供应与使用设备工作状态的程序控制，③数据远程通信与控制等三方面操作，可以解决以上存在的问题。具体介绍如下①木屋的能源供应设备和电器使用设备的运行工况数据采集能源供应设备包括燃料电池热电联供系统及天然气燃料供气系统，采集相关的运行工况数据，如电压/电流等发电参数，热水温度/流量等热力参数，天然气的流量/压力数据；特别是如天然气泄漏，燃料电池电池堆工作异常等极限数据采集。木屋的电器使用设备，一般是指如电视机、冰箱、洗衣机、微波炉、电磁灶、热水器等家用电器。目前只能购买符合节能能效标识的家电产品，所采集的数据，只是工作负荷和设备运行时间等比较简单的数据。
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木屋能源管理控制计算机系统对上述设备相关数据采集，一方面作为设备日常工作日志记录，可供设备维护之用；另一方面，当采集到设备工况异常或设备处于危险状态数据时，可根据计算机内置的紧急状态处理预案，给相关设备发出关机指令，同时通过数据远程通信接口，给木屋所有人或控制中心发送相关设备工作失常报警信息。②能源供应与使用设备工作状态的程序控制能源管理控制计算机系统按预设的木屋电力与热水供应方案，包括以木屋使用者或者木屋管理中心设定的时间段，如按年度、月度、直至每天定时开机和关机要求，每一运行时间段的供电供热容量调整等参数，对燃料电池热电联供系统及天然气燃料供气系统进行程序控制。同样，对木屋的家用电器也可以进行比较简单的程序控制，如定时开关机器寸。设置一个应急停机程序，当接收到相关设备工况异常或设备处于危险状态的数据时，能源管理控制计算机就按应急停机程序的风险控制级别，分别对燃料电池热电联供系统及天然气燃料供气系统进行应急处理操作。比如接收到天然气泄漏报警信号，就给天然气燃料供气系统里的燃气电脑发出控制阀门关闭指令，命令燃料电池热电联供系统从发电转到停机状态，直至能源供应方的全部系统能够安全关闭并在保全故障处理记录的同时， 给有关方面发出报警及如何应急处理的信息。设置一个节能运行程序，该程序设计思想是“需方决定供方”，由木屋的电器设备实际使用负荷来决定木屋的燃料电池热电联供系统发电及供热的能量。即用电或用热负荷越大，燃料电池热电联供系统发电与供热能力就越多，反之亦然。也就是说，可以做到“用多少，发多少”，发电与用电有可能达到或接近动态平衡。这是由燃料电池工作原理所决定的一是燃料电池在满负荷发电与轻负荷发电时，其发电效率差不多(相差只有几个百分点)；而常规发电机发电，在满负荷和轻负荷发电工况时，发电效率相差太大，所以在一般情况下，常规发电机都要求工作在满负荷发电状态。二是燃料电池的发电量可以通过调整燃气供气量来调节。而调整燃气供气量只需要调节燃气控制阀门(流量阀门或节流阀门) 就可以了。③数据远程通信与控制由于木屋建筑大部分应用于远离城市及交通要道的风景游览区或山区、海岛等偏僻地方，相比常规住宅建筑，又在木屋里配套独立的发电、供热等装置，致使木屋建成并投入营运后，必须考虑平时木屋里的设备，主要是燃料电池热电联供系统是否正常运行？出现故障时，当时、当地无法及时排除怎么办？特别是突发非常事件，如有非法入侵或火警、 水浸、雪崩等自然灾害时，如何及时报警？以上问题，首先是如何与木屋所有人或管理中心在第一时间取得联系，方有可能及时得到帮助和支援。为此，能源管理控制计算机系统设置了一块木屋设备与用户识别插件、一个移动数据通信接口、一个卫星导航报告通信接口共三个部件。这样，就可以在木屋与木屋所有人或管理中心之间建立可靠有效的通信联系一方面，一旦出现意外情况，通过内置应急处理程序控制，可以自动或有限人工干预，如按下“报警”键方式，就能“告诉”木屋所有者或管理中心，该木屋发生了突发故障或险情。另一方面，在平时正常运行期间，通过内置的自动检测和巡回查询报告程序，可以做到定期定时检查木屋的位置情况，主要设备如燃料电池热电联供系统的工况，木屋使用(居住及设备)是否超期或欠费等。如何实现上述通信与控制功能，下面进一步阐明A.设置一块木屋设备与用户识别插件该木屋设备与用户识别插件首先是作为使用该木屋合法用户的识别标记、授权记录，以保证用户使用权限和木屋安全运营。例如，木屋设备基本信息，包括木屋本身以及所配置的如燃料电池热电联供系统等主要设备，其生产厂家、产品型号、生产日期等数据，可以作为设备身份码固化在插件中；但有关用户与生产厂家之间可能存在的关联信息，是需要在木屋及其设备交付使用时，正式写入到用户识别插件中以木屋设备产品使用等级子系统为例，用户是全额付款购买，还是分期付款购买，或者租赁(按使用计时、计次收费)使用；何时转移设备处置权或者投入使用日期；以上这些跟踪数据可以保证或落实用户与生产厂家之间(也可以设定在木屋使用者与木屋管理中心之间)合法权益，也为双方规范操作提供数据记录证明甚至可以实施如强制性“锁死”设备运行等技术措施。进一步的，该木屋设备与用户识别插件还设置了数据库单元；首先是把能源管理控制计算机所采集及存储的木屋设备运行数据“分门别类”地移动到相关数据库子单元① 用于设备日常工作日志记录的数据库子单元，按“先进先出”原则保留最近时间段的所移动的数据，时间段预置从几天到几十天甚至更长。在此子单元里存储的信息是，将移动过来的设备实时运行数据经过一个设备工作日志程序过滤，以一天M小时为基准单位，将木屋的某一个设备的工况，以燃料电池热电联供系统为例，如每日发电供热小时时数，出力大小或多少，是否有故障出现或者停机现象等，即作为设备的正常工作状况所涉及的主要工作参数(而不是全部采集数据)记录在案，作为该设备维修时的判据。在进行设备维护时，还可以现场调用相关记录数据，作为维护实施参考。②用于记录设备工况异常数据的数据库子单元，按先木屋的能源供应设备后电器使用设备的次序，一旦出现并采集到设备工况异常数据，相关控制程序优先安排将此类数据转移到该子单元，并且由内置的应急处理程序进行比对。如果超出生产厂家或相关方面预先设定的标准范围，按应急风险级别，或发出声光报警信号，或应急停机，或自动启动数据远程通信与控制程序，通知木屋使用者，木屋所有者及其木屋管理中心。③用于木屋应急状态处理的数据库子单元，除了木屋的设备有可能出现应急风险故障外，木屋本身如遇到未得到授权的使用者使用木屋及设备，更严重的如非法入侵者破坏，木屋当地发生水、火灾，雪崩等自然灾难，由木屋能源管理控制计算机系统设置的各种事故灾难传感器，如密码设定报警器、红外报警器、视频图像识别报警器、木屋位移传感器等，一旦获取上述传感器发出的报警信息，同样经过应急处理程序判据，一方面将报警数据及时存储，另一方面将启动该子单元特设的应急报警数据包调用程序，即将事先存储在该应急报警数据包里的信息，以数码及文字短信(适合北斗卫星导航系统报告通信模式)形式调出，其主要内容是木屋属性，如木屋名称、使用情况、木屋位置，可由北斗卫星导航定位给出；木屋现况，是设备严重故障，还是非法入侵，或是自然灾难；其中，前两项是事先确定，相对固化，第三项是由应急处理程序判据选择。按北斗卫星导航系统报告通信模式要求，其数据容量不超过120个汉字。B、设置一个移动数据通信接口如在木屋所在地有移动通信基站服务，就可以与木屋管理中心或木屋所有人建立基于移动通信网络的数据传输与交换业务。这种通信联系方式是大家所熟悉的，在此就不再多介绍了。
C、设置一个卫星导航报告通信接口这是考虑到，许多旅游风景区没有移动通信服务，加上木屋可以移动安置的特性， 需要让木屋管理中心或木屋所有人知道木屋的所在确切位置。由于我国的北斗卫星导航系统除具有与美国GPS —样的导航和授时外，其最大特色就是在报告通信模式中增加了短信通讯功能，一次可传送多达120个汉字的信息。用户与用户之间可以实现数据交换，可以随时随地向相关控制中心报告所在位置。这样，基于北斗卫星导航的报告通信功能，通过卫星导航报告通信接口，不仅可以向木屋管理中心或木屋所有人报告其所在位置，更可以克服木屋所在地没有移动通信服务的缺陷，保证在有需要特别是发生紧急危险事故时，及时交换信息数据，及时取得外界帮助及支援由于设置了具有高冗余度的移动数据通信接口和卫星导航报告通信接口，完全可以保证木屋燃料电池热电联供系统、燃料供气系统和家用电器的日常运行及可能发生的应急情况，都在木屋控制中心或木屋所有人的监控之下，紧急情况下，由控制中心发出指令， 能源管理控制计算机系统接收指令之后，通过远程控制接口对燃料电池热电联供系统实施紧急关机。从而大大提高了木屋的能源供应及使用设备工作可靠性。在本发明中，主要由燃料电池热电联供系统、燃料供气系统以及能源管理控制计算机系统三大部分组成一个清洁能源系统。采用这个清洁能源系统，即便在缺乏市政供电、 供气设施的地方，如高山，沙漠，海岛等旅游风景区，远离交通线或城镇的乡村，草原乃至边防哨所，只要有气体燃料和水保证供应，就可以提供电力与热水。尤其在木屋建筑中，相比常规柴油发电，甚至风力、光伏发电，该系统的“环保、节能、低碳、高效”等优点尤为突出1.燃料电池发电比传统发电方式更具高效、环保等许多优势，其根本原因在于两种发电方式的机理不同。燃料电池发电基于氧化一还原电化学反应原理，不受卡诺循环所确定的热功转化效率限制。就拿目前我国已掌握的100万千瓦‘超超临界’火力发电技术来说，虽然转化效率已高达44%，但这仅仅是在如此大发电功率规模情况下，才能让其转化率相当接近卡诺循环。如果发电功率在几十千瓦数量级，其发电效率不超过40 % ；加上用电热水器(一般由电转化为热，效率也在40%左右)产生热水，这时候的总效率肯定比40% 的发电效率更低。而燃料电池发电，很容易做到一次发电效率大于45%，系统总发电效率大于70%。比如，日本大阪煤气公司推向市场销售的燃料电池700W燃料电池家用热电联供系统产品，其电效率大于45%，热效率(热水罐为70升)大于40%，系统总效率超过85%。由此可见，在没有市政供电、供气设施的地方，如果木屋等建筑物要做到独立供电、供热，选用燃料电池热电联供系统，其供电供热的经济性和不间断性远远超过包括风能、光伏在内的常规发电方式。相比之下，其发电效率最高，发电成本最低，整体系统节水 (几乎完全水循环)，二氧化碳废气收集率高达90%以上，比较容易做到低碳减排。2.由于设置了木屋能源管理控制计算机系统，通过对木屋能源供应方的燃料电池热电联供系统和木屋能源使用方的家电及热水设备的运行数据收集，监控，特别是设计了一个节能运行程序，让木屋的能源供应和使用按照“用多少电发多少电”的原理，即由木屋的电器及热水设备实际使用负荷来调整木屋的燃料电池热电联供系统发电及供热的供给能力。这种节能运行程序的实施，使得供电供热与用电用热有可能达到或接近动态平衡，更符合清洁能源要求。这也是目前包括风力、光伏在内的现有常规发电方式难以做到的。3.鉴于木屋可移动性大、处置相对分散、使用时间多变不定的环境条件，平时维护和应急抢修难度比常规住宅建筑物大的特点，为保证燃料电池热电联供系统可靠运行，通过设置基于移动通信和卫星导航报告通信两种通信接口，可以让木屋管理方对燃料电池热电联供系统和家电及热水设备进行远程监控。尤其是卫星导航报告通信方式，不仅解决了在许多旅游风景区或远离城市的边远乡村山区，因没有移动通信网络覆盖而通信不畅而无法实施远程监控难点，而且可以做到对木屋所在位置精确定位并向木屋管理方或所有者报
图1是固体氧化物燃料电池工作原理示意图。图2是固体氧化物燃料电池热电联供系统发电与供热工作原理框图。图3是天然气燃料供气系统组成框图。图4是木屋能源管理控制计算机系统工作原理框图。图5是本发明实施例所使用的木屋的一种清洁能源系统的结构框图。
具体实施例方式下面结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步详细描述。实施例1如图5所示，本实施例所使用的清洁能源系统由以下几个部分组成(1)由燃料电池热电联供系统和天然气燃料供气系统组成的能源供应方；( 由包括木屋设备与用户识别插件、卫星导航报告通信接口和移动通信数据通信接口在内的木屋能源管理控制计算机系统组成的木屋清洁能源管理方；C3)由木屋电器和热水设备组成的能源使用方。在木屋里，上述设备之间的“互联互通”，一是以燃料电池热电联供系统为中心的有关水、电、气管线配置①燃料电池热电联供系统是一个独立的工作机柜。一般几千瓦级的燃料电池热电联供系统工作机柜体积相当于一个家用电冰箱大小。该设备就位后，可选用适合输送冷热水的金属管、塑料管，一头把木屋装置的水箱或室外输水管与该设备的冷水入口连通，另一头将该设备的热水出口与木屋的如洗漱、洗澡用热水龙头，暖气片等热水设备连通(参见图5带箭头黑线所示的冷水和热水输送方向标记)。②选用合适的电力电缆或电线，将燃料电池热电联供系统的交流市电输出端与木屋的配电箱相连，木屋的其他用电设备都从该配电箱取电(参见图5带箭头黑线所示的电力(交流市电)输送方向标记)。③选用合适的金属或塑料输气管，将燃料电池热电联供系统的天然气入口端与天然气燃料供气系统的常压天然气输出出口端连接(参见图5的天然气输送方向标记)；另外，可以把燃料电池热电联供系统的空气输入端端口保护罩去掉，犹如家用煤气灶一样直接从木屋室内取得空气，或者用合适的金属或塑料输气管接到木屋室外(参见图5的空气输送方向标记)O二是以木屋能源管理控制计算机系统为中心的有关数据总线配置木屋能源管理控制计算机系统是一套嵌入式电子设备，可以独立壁挂在木屋墙上，也可以嵌入到燃料电池热电联供系统的机柜里。木屋能源管理控制计算机系统是通过数据总线与木屋内各种设备进行数据通信、信息交换以及实施控制的。考虑到木屋能源管理控制计算机系统的主要功能是对能源提供方和能源使用方的设备进行数据采集与程序控制。也就是说，具体到每一台设备的运行，木屋能源管理控制计算机系统平时是不参与该设备的实时控制的，而是由该设备自身的控制计算机或工控机或可编程控制器等装置来实施执行的。所以对数据通信与交换控制流量要求并不高。其数据总线可采用常见的RS-235，RS-485总线规格标准， 当然也可以选择目前流行的CAN总线。同样，由于木屋自身体量并不大，一般情况下，连接线可以选用双绞线，要求高的场合可用CAN总线专用屏蔽电缆。木屋能源管理控制计算机系统与各设备的互联互通比较简单，有关双绞线或总线专用屏蔽电缆布置就位后，把数据总线的连接插头插到相应设备上。当然，除了木屋能源管理控制计算机系统与各个设备硬件连接之外，相应的数据通信信息交换与控制软件也要嵌入到各个设备之中。尽管该清洁能源系统的设备组成，包括其工作原理及工作过程都相当复杂，但因为在木屋能源管理控制计算机系统里预先设置了常规运行模式、节能运行模式和应急运行模式三种程序，所以对于木屋用户来说，使用该系统，只要选择“常规运行模式”或“节能运行模式”其中之一的运行模式，就如用遥控器或用人手按键盘来操作空调器一样简单。下面就本实施例所使用的一种清洁能源系统的工作过程作进一步介绍1.常规运行模式该运行模式特点是木屋能源管理控制计算机系统只对木屋的能源供应方设备进行程序控制和数据采集工作，对木屋的能源使用方设备仅仅作其运行工作参数进行采集与记录。具体操作如下(1)首先在木屋能源管理控制计算机系统中，按不同时间段(长周期以年度、季度、月度为单位，短周期以一天对小时为单位)设定燃料电池热电联供系统的运行周期。比如，位于高山滑雪区的木屋，可能是大半年开放运行，小半年关闭休整。那么就可以设定第一年的9月开始到第二年的6月为开放运行长周期，其中还可以按当地的气象条件，细分为各个季度和月份，其他月份可设定为关闭休整状态。在每一个开放运行长周期中，还可以按一天M小时的短周期分段设置如在白天，旅游者外出，在木屋里就可以关闭照明灯具，减少热水供应，这一时段可以降低供电、供热出力；当旅游者回到木屋活动，燃料电池热电联供系统就提高供电、供热出力；到了晚上，其用电、用热水及取暖需求量大增，此时可设定供电、供热出力达到最大值。由此可见，通过对常规运行模式的控制程序设置，可以让燃料电池热电联供系统按不同的时间段或投入运行，或调整其供电供热出力大小，从而使燃料电池热电联供系统具备了初步的智能节能运行功能。(2)当木屋用户用遥控器或键盘启动木屋能源管理控制计算机系统之后，燃料电池热电联供系统就执行木屋能源管理控制计算机系统里预置的常规运行模式程控指令，进入供电、供热的常规运行工作状态。如果在其运行过程中，木屋用户不进行人工干预，燃料电池热电联供系统就会按木屋能源管理控制计算机系统所设定的程序自动运行下去，直至木屋能源管理控制计算机系统所设定的操作程序执行完毕而停止运行。(3)木屋能源管理控制计算机系统只是对燃料电池热电联供系统进行程控操作， 燃料电池热电联供系统的运行是由自身的控制计算机执行完成的。与此同时，木屋能源管理控制计算机系统会对燃料电池热电联供系统及天然气燃料供气系统的运行工况进行相关数据采集工作。所采集的运行工况数据，作为木屋能源供应方的设备日常工作日志记录， 是执行设备维护的重要技术参数。(4)现有的燃料电池热电联供系统产品已经有比较完善的工作故障检测和应急处理措施。比如对燃气泄漏、工作温度超标等故障，都会及时报警或自动关机。但在这个清洁能源系统中，由于木屋能源管理控制计算机系统对所采集的燃料电池热电联供系统工况运行数据，包括可能出现的运行故障数据，会及时进行存储、比较和处理。也就是说，相对燃料电池热电联供系统自身的故障处理措施，木屋能源管理控制计算机系统提供了冗余备份。 进一步了解，请见“应急运行模式”内容介绍。(5)木屋能源管理控制计算机系统还对木屋的能源使用方，如照明灯具，家用电器等设备，进行运行工况数据采集与记录。综上所述可见，木屋能源管理控制计算机系统的常规运行模式已经初步体现了 “环保、节能、低碳、高效”这一清洁能源定义。即要比常规发电方式如柴油机发电更容易调整，能够做到以时间分段需求，按预设时间程序计划，提供相应的发电和供热出力。2.节能运行模式为了进一步达到清洁能源的“环保、节能、低碳、高效”定义要求，在前述的常规运行模式基础上，增加节能运行程序控制功能，演变为节能运行模式对于木屋的能源提供方，该运行模式贯彻了 “需方决定供方”设计思想，即由木屋的电器设备实际使用负荷来调整木屋的燃料电池热电联供系统发电及供热的出力(输出功率)。对于木屋的能源使用方， 根据木屋室内外的如“光线强弱，有人没人”等环境条件变化，可以做到“按需用电用热”。简单的，如“人走灯灭”；复杂的，如分时使用相关家电设备，尤其是在木屋的设备用电量超出燃料电池热电联供系统发电量时，可以让一些家电设备退出运行或降低运行功率。进一步说明如下(1)显见，节能运行模式向下兼容了常规运行模式，故具体操作方式与其相似，其中的有关按不同时间段设定燃料电池热电联供系统的运行周期的方法，可参照执行常规运行模式所述内容；新增的节能运行设定方法，只是确定如何让燃料电池热电联供系统的发电和供热出力(输出功率)，能够实时跟踪电气设备负荷变化而及时调整。具体来讲，让采集到的电器设备实际使用负荷数据，通过木屋能源管理控制计算机系统所内置的节能运行程序计算，对燃料电池热电联供系统发出出力(输出功率)调整指令，然后燃料电池热电联供系统自动调整其发电及供热输出功率大小并保证电气设备的正常用电负荷。内置的节能运行程序设计依据是一般木屋的用电设备功率都不太大，大致在几千瓦到十几千瓦数量级；在正常运行中，其设备负荷比较均衡，只不过在设备开启和关闭时亥IJ，有一定的冲击性负荷变化。所以，燃料电池热电联供系统只需要考虑出力的调整与用电设备投入运行的数量及其负荷增减相匹配，而应对用电设备的冲击性负荷变化，出力的调整量和调整速度可以有一定的滞后度，具体滞后度是由生产厂家通过理论计算和实验决定。(2)对于木屋使用者而言，如何让燃料电池热电联供系统能够进入清洁能源工作状态，只需要按键进入“节能运行模式”就可以了。使用者更关心的是如何有效和合理使用木屋内的电气设备。从木屋建设和运行成本考量出发，木屋配置的电气设备总负荷量是要大于燃料电池热电联供系统最大输出功率的，这是因为在一般情况下，使用者不会把所有设备全部打开投入运行，如果出现这种情况，就会过载跳间。但节能运行模式可以改善一是当木屋能源管理控制计算机系统检测到燃料电池热电联供系统已经接近最大输出功率时，可以发出声光信号提示使用者，此时不宜再接入电器设备。二是可以启动电器设备优先使用级别分配(分时使用)程序，或者关闭一个或几个电气设备，或者降低某个设备用电量。具体让哪些设备优先使用，可以人工设定。三是可以让木屋墙上的电气插座分成二类。 一类是小负荷的插座，可以保证使用者自带的电脑、音响及充电器等设备不间断用电；另一类是大功率电气设备插座，如给电动自行车充电，可以由木屋能源管理控制计算机系统给出提示，在电力不够用时，可以临时停电。(3)清洁能源的“环保、节能、低碳、高效”要求，其中的“环保、节能、低碳”前三项， 主要是采用燃料电池热电联供系统而做到的。要进一步做到第四项“高效”指标，就必须依靠“节能运行模式“运行。但也只有采用燃料电池热电联供系统，才有可能比较简单并且是低成本做到用“多少电，发多少电”。只是因为燃料电池热电联供系统的最大特点之一就是燃料电池在满负荷发电与轻负荷发电时，其发电效率差不多(只相差几个百分点)；而常规发电机都要求工作在满负荷或接近满负荷发电，才能保持其高效状态。3.应急运行模式木屋建筑物特点就是可移动性大、处置相对分散、使用时间多变不定，在缺乏市电和管道气供应条件下，木屋还需要独立发电供热，加上木屋的所有者、经营者和使用者往往不是同一人，所以日常运行、维护和应急抢修难度比常规住宅建筑物大。为保证燃料电池热电联供系统安全可靠运行，在常规运行模式和节能运行模式基础上，增加了应急运行模式 尤其是当木屋使用者与经营管理者不是同一方时，无论日常运行时，如出现天然气用完要换气瓶或充气；还是一旦发生紧急事故要停机，都必须第一时间通知木屋的经营管理者并让他立即处理解决。特别在发生灾难的紧急状态时，木屋使用者往往没有也不具备相应处置能力，相反，必须保证有及时知情权。这时候，如让经营管理者得知此紧急状态信息之后再来通知木屋使用者，往往来不及。就需要通过运行应急运行模式，就地、第一时间自动发出警告信号，方能让木屋使用者及时逃离，避免人身伤害。显见，有关信息或数据由木屋能源管理控制计算机系统采集之后，移送到木屋设备与用户识别插件中进行信息状态识别处理。如果是正常数据结论，不需要人工干预，就可作为日常工作日志记录数据存储；如果是异常数据结论，木屋能源管理控制计算机系统或者燃料电池热电联供系统自身纠错、排除不了，就通过移动通信数据通信接口或卫星导航报告通信接口通知木屋所有者和经营管理方，让他们及时到现场解决。比如，最简单例子是天然气用完了，需要换气瓶或者充气。这类正常的要人到现场处理业务也可以算是应急处理操作之一。另一种是真正的应急处理，即所得出的异常数据结论是属于紧急或高危险度或如非法入侵及灾难，木屋能源管理控制计算机系统一方面发出紧急处理指令，比如停机， 关天然气阀门，发出声光警告信号告诉木屋使用者；另一方面，也是同步进行移动通信和卫星导航报告通信，把以上信息第一时间告诉木屋所有者和经营管理方，让他们立即到现场急救处理。最后，还可以有其他附加延伸功能，如检测到相关设备到了正常维修期，需要通知木屋所有者或经营管理方；木屋使用者因欠费或超期，需要停止其使用权，此时也可以通知相关方面，甚至在必要时，可以通过移动通信和卫星导航报告通信，异地实施强制性“锁死”设备运行技术措施。进一步的说明(1)应急运行模式是绑定在“常规运行模式”和“节能运行模式”之上的，也就是说，燃料电池热电联供系统是可以处在常规还是节能运行状态，但应急运行模式始终存在，该模式是“隐性”运行的。其目的是保障木屋清洁能源的正常工作，一旦发生事故，及时通知现场人员，尽可能避免人身伤害；另一方面让相关方面人员及时到现场紧急处理，尽可能减少损失。(2)应急运行模式是由木屋能源管理控制计算机系统统一调度和控制的，依靠木屋设备与用户识别插件来完成应急信息数据判决及实时处理、依靠卫星导航报告通信接口和移动通信数据通信接口完成数据信息通信。其中，木屋设备与用户识别插件相当于一块嵌入式单片计算机，只不过在结构上做成一个可插拔的板卡，以方便现场维修；同样，卫星导航报告通信接口和移动通信数据通信接口也以模块形式装置在木屋能源管理控制计算机系统上。(3)在木屋设备与用户识别插件中，主要对所采集的数据进行信息状态识别处理。 其中的状态识别的标准、条件及处理方式可分为①原厂设置主要是木屋及设备制造商对相关设备，如燃料电池热电联供系统，天然气燃料供气系统的正常和异常工况条件、指标和上下极限值，故障纠错、排除及报警，紧急处置如停机、关闭阀门等操作条件。以上原始判据是由生产厂家设置，一般是不可更改的。②买卖交易设置买卖双方包括木屋生产商与木屋购置方之间交易；木屋所有方与租赁经营方之间交易，甚至还有木屋所有方、租赁经营方与木屋所在地如风景旅游景区等三方之间交易。以上交易涉及到使用该木屋合法用户的识别标记、授权记录，以保证用户使用权限和木屋及其设备安全运营。例如，木屋包括木屋自身及所配置的如燃料电池热电联供系统等主要设备基本信息，如生产厂家、产品型号、生产日期等数据，可以作为设备身份码固化在插件中。还有买卖交易方之间的关联信息，以木屋设备产品使用等级子系统为例，用户是全额付款购买，还是分期付款购买，或者租赁(按使用计时、计次收费)使用； 何时转移设备处置权或者投入使用日期；以上这些跟踪数据可以保证或落实木屋生产商、 木屋购置方、木屋所有方、租赁经营方，甚至还有木屋所在地如风景旅游景区等各方的合法权益。以上关联信息是需要在买卖交易成交时，正式写入到用户识别插件中。而且每交易成功一次，就要将这次交易内容及其关联信息写入到用户识别插件中；每次写入，都要由每个交易方凭已经在该插件中注册的密码或电子水印确认之后，方能有效；写入之后，只能读出，不能修改。③现场设置木屋连同所配置的设备在所在地安装并准备投入运营之前，需要在所在地现场进行一次相关数据设置一类是木屋能源管理控制计算机系统自动设置，即通过北斗卫星导航系统测定木屋所在地的地理位置坐标，并写入木屋设备与用户识别插件中的“设备工况异常数据”数据库子单元。今后作为木屋位置信息报告给相关方面，便于他们在紧急状态时正确快速找到木屋。另一类是由木屋所有者或经营管理方人工设置，即将木屋安装、投入运行时间等初始信息写入到用户识别插件中的“设备日常工作日志记录”数据库子单元。有关现场设置数据同样是写入之后，只能读出，不能修改。如果木屋因某种原因需要移动搬到新的地方，可以再次执行现场设置操作，其中，头一次现场设置数据保留，只不过新的木屋地理位置坐标覆盖了原来的。换言之，也可以设计一个木屋地理位置坐标定期自动搜索定位程序(卫星导航定位是免费服务的)，以保证木屋精确定位。④使用者使用设置相对而言，使用者使用设置并不能干扰应急运行模式操作。只
14不过考虑到使用者需要有一个安全可靠的木屋生活环境。比如，木屋开门、木屋内设备启动等操作，基本上依靠密码设置(管理中心给定或自行设置)，包括键盘输入，磁卡或IC卡刷卡操作。同时也防止外来无关人员非法操作，一旦出现非法操作，以上密码设置相当于防盗传感器，可以让应急运行模式执行应急处理程序。当然，也可以让木屋能源管理控制计算机系统配置指纹识别等更高级安全防伪识别设备，这些都是成熟措施，就不多介绍了。通过以上本发明实施例介绍，可以得知作为木屋的独立发电供热系统，包括主要由燃料电池热电联供系统，木屋能源管理控制计算机系统和木屋用电、用热设备组成，通过节能运行软件操作，比较完美达到了清洁能源要求。而且可以让木屋使用者或木屋管理中心做到异地远程控制并保证木屋的独立发电供热系统长期安全可靠工作。与此同时，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的实质范围内，还可以基于现有技术对本发明做若干推演或替换，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。
权利要求
1.一种用于木屋的清洁能源系统，包括燃料电池热电联供系统和能源管理控制计算机系统，其中所述燃料电池热电联供系统利用气体燃料发电和产热，提供给木屋电器和热水设备；所述能源管理控制计算机系统对燃料电池热电联供系统和木屋电器、热水设备进行日常运行和紧急状态下的控制和管理，按木屋电器和热水设备的实际使用负荷来调整燃料电池热电联供系统的输出功率。
2.如权利要求1所述的清洁能源系统，其特征在于，所述燃料电池热电联供系统包括固体氧化物燃料电池堆、脱硫器、燃料重整器、空气过滤器、风机、热能交换器和燃料电池系统控制器，气体燃料先进入脱硫器脱硫，然后经过燃料重整器处理进入固体氧化物燃料电池堆的阳极端；空气经空气过滤器除尘后，由风机送到固体氧化物燃料电池堆的阴极端；气体燃料和空气中的氧气在固体氧化物燃料电池堆中发生电化学反应产生直流电；该直流电在燃料电池系统控制器的控制下转换为交流市电输出到外电路，供外电路中的电器使用；阳极端剩余的气体燃料和阴极端过剩的空气在热能交换器中燃烧，加热注入的冷水。
3.如权利要求1所述的清洁能源系统，其特征在于，所述能源管理控制计算机系统通过调整气体燃料的输入量来调整燃料电池热电联供系统的输出功率。
4.如权利要求1所述的清洁能源系统，其特征在于，所述清洁能源系统还包括燃料供气系统，所述燃料供气系统将压缩的气体燃料减压后输出到燃料电池热电联供系统。
5.如权利要求4所述的清洁能源系统，其特征在于，所述木屋能源管理控制计算机系统采集木屋的能源供应设备和能源使用设备的运行工况数据，根据预设程序对能源供应设备与电器使用设备的工作状态进行程序控制，其中所述能源供应设备包括燃料电池热电联供系统和燃料供气系统，所述能源使用设备包括木屋电器和热水设备。
6.如权利要求5所述的清洁能源系统，其特征在于，所述木屋能源管理控制计算机系统的预设程序包括常规、节能和应急三种运行模式，其中常规运行模式是按不同时段木屋的用电用热量有所不同的规律，分时段调整燃料电池热电联供系统的输出功率；节能运行模式是在常规运行模式的分时段程序基础上通过采集木屋电器和热水设备的负荷变化数据，反馈控制燃料电池热电联供系统的输出功率；应急运行模式是在接收到相关设备工况异常或危险状态数据时，按应急停机程序的风险控制级别，对燃料电池热电联供系统和/或燃料供气系统进行应急处理操作。
7.如权利要求1所述的清洁能源系统，其特征在于，所述能源管理控制计算机系统具有木屋设备与用户识别插件、移动数据通信接口和卫星导航报告通信接口三个部件，其中，木屋设备与用户识别插件作为木屋合法用户的识别标记和授权记录，使能源管理控制计算机系统通过移动数据通信接口或卫星导航报告通信接口与木屋管理中心或木屋所有人建立基于移动通信网络或卫星导航系统的远程通信和控制联系。
8.如权利要求7所述的清洁能源系统，其特征在于，所述卫星导航报告通信接口是北斗卫星导航报告通信接口。
全文摘要
本发明公开了一种用于木屋的清洁能源系统，包括燃料电池热电联供系统和能源管理控制计算机系统，其中所述燃料电池热电联供系统利用气体燃料发电和供热；所述能源管理控制计算机系统对燃料电池热电联供系统和木屋电器、热水设备进行日常运行和紧急状态下的控制和管理，按木屋电器和热水设备的实际使用负荷来调整燃料电池热电联供系统的输出功率，让发电与用电达到或接近动态平衡，从而实现高效、节能和环保、低碳的清洁能源供应。
文档编号F24H1/00GK102569858SQ201210037108
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月17日 优先权日2012年2月17日
发明者程浩川, 陈聪, 韩敏芳 申请人:程浩川, 陈聪, 韩敏芳