耦合SOFC和燃气轮机的铝燃料储能系统及工作方法与流程

耦合sofc和燃气轮机的铝燃料储能系统及工作方法
技术领域
1.本发明属于绿色低碳发电和先进储能技术领域，涉及一种耦合sofc和燃气轮机的铝燃料储能系统及工作方法。


背景技术：

2.随着全球大气污染和气候变暖形势的日趋严峻，传统的以化石能源为主的发电系统将面临前所未有的压力和挑战。从世界范围来看，各国都在努力提高自身电力结构中可再生能源发电的比例。未来，世界能源领域的发展趋势必然是可再生能源逐步替代化石能源。然而，可再生能源由于自身的间歇性、不稳定性和不确定性等特点，严重阻碍了可再生能源发电的发展。未来要实现可再生能源替代化石能源，必须依赖大规模和长周期储能技术的发展和支撑。
3.目前，储能技术领域的研究十分活跃，各种储能技术迅猛发展，如抽水蓄能、压缩空气储能、锂电池储能、超级电容器储能、飞轮储能、储氢等。然而，现有的储能技术难以同时满足储能密度大、可移动性、自耗损失小和能源贸易的要求。因此，需要开发一种新的储能技术，从而使可再生能源发电在全世界范围内向更深、更广方向发展。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种耦合sofc和燃气轮机的铝燃料储能系统及工作方法，该系统及工作方法具有储能密度高、储能周期长可实现永久储存、燃料循环再生无消耗、发电效率高及便于开展能源贸易的特点。
5.为达到上述目的，本发明所述的耦合sofc和燃气轮机的铝燃料储能系统包括释能子系统及储能子系统；
6.所述储能子系统包括氧化铝电解装置及可再生能源电力供应系统，其中，释能子系统的固体产物氧化铝出口与氧化铝电解装置的物料进口相连通，氧化铝电解装置的电源接口与可再生能源电力供应系统相连接，氧化铝电解装置的固体铝燃料出口与释能子系统的燃料进口相连通，释能子系统的输出端与外界电网相连接。
7.所述释能子系统包括补充水输入管道、铝燃料供应管道、铝-蒸汽燃烧室、回热器、气液冷凝分离器、蒸汽透平、第一发电机、冷凝器、氢气预热器、固体氧化物燃料电池、燃气轮机燃烧室、燃气透平、第二发电机、空气预热器及空气压缩机；
8.所述蒸汽透平的蒸汽出口分为两路，其中，一路与铝-蒸汽燃烧室的燃烧蒸汽进口相连通，另一路与冷凝器的热侧入口相连通，冷凝器的热侧出口与补充水输入管道的出口通过管道并管后与回热器的冷侧入口相连通，回热器的冷侧出口与铝-蒸汽燃烧室的循环工质进口相连通，铝-蒸汽燃烧室的循环工质出口与蒸汽透平的进口相连通，蒸汽透平的输出轴与第一发电机的驱动轴相连接，铝-蒸汽燃烧室的燃料进口与铝燃料供应管道相连通，铝-蒸汽燃烧室的气体产物出口与回热器的热侧入口相连通，回热器的热侧出口与气液冷凝分离器的入口相连通；
9.所述气液冷凝分离器的氢气出口与氢气预热器的冷侧入口相连通，氢气预热器的冷侧出口与固体氧化物燃料电池的阳极入口相连通，空气压缩机的进口与外界环境空气相连通，空气压缩机的出口与空气预热器的冷侧入口相连通，空气预热器的冷侧出口与固体氧化物燃料电池的阴极入口相连通，固体氧化物燃料电池的阳极出口与燃气轮机燃烧室的燃料进口相连通，固体氧化物燃料电池的阴极出口与燃气轮机燃烧室的氧化剂进口相连通，燃气轮机燃烧室的出口与燃气透平的进口相连通，燃气透平的输出轴与第二发电机的驱动轴相连接，燃气透平的高温排气出口与空气预热器的热侧入口相连通，空气预热器1的热侧出口与氢气预热器的热侧入口相连通，固体氧化物燃料电池的输出端、第一发电机的输出端及第二发电机的输出端与外界电网相连接。
10.冷凝器的热侧出口与补充水输入管道的出口通过管道并管后经给水泵与回热器的冷侧入口相连通。
11.在铝-蒸汽燃烧室中，铝燃料与蒸汽发生燃烧放热反应，反应方程式为2al+3h2o＝al2o3+3h2，铝-蒸汽燃烧产生的固体产物氧化铝通过铝-蒸汽燃烧室的底部排出并进行收集，铝-蒸汽燃烧产生的高温气体混合物经铝-蒸汽燃烧室的气体产物出口排出后进入到回热器的热侧中。
12.在固体氧化物燃料电池中，高温的氢气与空气发生电化学反应产生电能对外供电。
13.可再生能源电力供应系统输出的电力来自光伏发电、风力发电、光热发电、水力发电和/或生物质能发电。
14.本发明所述的耦合sofc和燃气轮机的铝燃料储能方法包括以下步骤：
15.当电网系统中可再生能源发电过剩或富余时，通过氧化铝电解装置对熔融的氧化铝进行电解，将可再生能源电力通过电化学反应转化成铝燃料的化学能进行储存；当电网系统中可再生能源发电不足或其他某地理位置需要电力供应时，则将存储的铝燃料送入释能子系统中，将化学能转化为电能，并对外供电，与此同时，释能子系统输出的固体产物氧化铝返回至氧化铝电解装置中。
16.本发明具有以下有益效果：
17.本发明所述的耦合sofc和燃气轮机的铝燃料储能系统及工作方法在具体操作时，(1)金属燃料铝的能量密度高；(2)铝燃料中不含碳，且系统整个工作过程不产生污染物，是一种绿色低碳的发电技术；(3)通过电化学反应将可再生能源电力转化为金属燃料铝的化学能进行储存，具有储能周期长，可实现永久储存的优点；(4)整个过程中铝-蒸汽燃烧反应后，其燃烧固体产物通过电解再生可重新得到金属燃料铝，整个过程燃料铝循环再生、无消耗；(5)将铝-水燃烧产生的氢气通过sofc和燃气轮机耦合进行发电，发电效率高；(6)通过金属燃料铝进行储能，便于开展全球范围内的能源贸易。
附图说明
18.图1为本发明中释能子系统的结构示意图；
19.图2为本发明中储能子系统的示意图。
20.其中，1为铝-蒸汽燃烧室、2为回热器、3为气液冷凝分离器、4为蒸汽透平、5为第一发电机、6为冷凝器、7为给水泵、8为氢气预热器、9为固体氧化物燃料电池、10为燃气轮机燃
烧室、11为燃气透平、12为第二发电机、13为空气预热器、14为空气压缩机、15为氧化铝电解装置、16为可再生能源电力供应系统。
具体实施方式
21.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
22.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
23.本发明所述的耦合sofc和燃气轮机的铝燃料储能系统包括释能子系统及储能子系统；
24.如图1所示，所述释能子系统包括补充水输入管道、铝燃料供应管道、铝-蒸汽燃烧室1、回热器2、气液冷凝分离器3、蒸汽透平4、第一发电机5、冷凝器6、给水泵7、氢气预热器8、固体氧化物燃料电池(sofc)9、燃气轮机燃烧室10、燃气透平11、第二发电机12、空气预热器13及空气压缩机14；
25.所述蒸汽透平4的蒸汽出口分为两路，其中，一路与铝-蒸汽燃烧室1的燃烧蒸汽进口相连通，另一路与冷凝器6的热侧入口相连通，冷凝器6的热侧出口与补充水输入管道的出口通过管道并管后与给水泵7的进口相连通，给水泵7的出口与回热器2的冷侧入口相连通，回热器2的冷侧出口与铝-蒸汽燃烧室1的循环工质进口相连通，铝-蒸汽燃烧室1的循环工质出口与蒸汽透平4的进口相连通，铝-蒸汽燃烧室1的燃料进口与铝燃料供应管道相连通，在铝-蒸汽燃烧室1中，铝燃料与蒸汽发生燃烧放热反应，反应方程式为2al+3h2o＝al2o3+3h2，铝-蒸汽燃烧产生的固体产物氧化铝通过铝-蒸汽燃烧室1的底部排出并进行收集，铝-蒸汽燃烧产生的高温气体混合物经铝-蒸汽燃烧室1的气体产物出口进入到回热器2的热侧中，铝-蒸汽燃烧室1的气体产物出口与回热器2的热侧入口相连通，回热器2的热侧出口与气液冷凝分离器3的入口相连通，其中，气体混合物中的水蒸气在气液冷凝分离器3中经冷凝后与氢气分离，气液冷凝分离器3设置有氢气出口及冷凝水出口；
26.所述气液冷凝分离器3的氢气出口与氢气预热器8的冷侧入口相连通，氢气预热器8的冷侧出口与固体氧化物燃料电池9的阳极入口相连通，空气压缩机14的进口与外界环境空气相连通，空气压缩机14的出口与空气预热器13的冷侧入口相连通，空气预热器13的冷侧出口与固体氧化物燃料电池9的阴极入口相连通，在固体氧化物燃料电池9中，高温的氢气与空气发生电化学反应产生电能对外供电，固体氧化物燃料电池9的阳极出口与燃气轮机燃烧室10的燃料进口相连通，固体氧化物燃料电池9的阴极出口与燃气轮机燃烧室10的氧化剂进口相连通，在燃气轮机燃烧室10中，固体氧化物燃料电池9中未完全反应的氢气燃
烧后产生高温高压气体混合物进入到燃气轮机燃烧室10中，燃气轮机燃烧室10的出口与燃气透平11的进口相连通，高温高压的气体混合物在燃气透平11中膨胀做功，以带动第二发电机12发电对外实现供电，燃气透平11的高温排气出口与空气预热器13的热侧入口相连通，空气预热器13的热侧出口与氢气预热器8的热侧入口相连通，在氢气预热器8中预热氢气后经氢气预热器8的热侧出口排出外界环境。
27.如图2所示，所述储能子系统包括氧化铝电解装置15及可再生能源电力供应系统16；所述储能子系统位于电解铝工厂中，铝-蒸汽燃烧室1底部的固体产物氧化铝出口与氧化铝电解装置15的物料进口相连通，另外，在实际应用时，可以将铝-蒸汽燃烧室1底部的固体产物氧化铝出口排出后的固体产物氧化铝进行收集，然后供应给氧化铝电解装置15，氧化铝电解装置15的电源接口与可再生能源电力供应系统16相连接，在氧化铝电解装置15中发生电化学反应，在氧化铝电解装置15的阴极上产生铝液，通过冷凝收集后得到固体铝燃料，氧化铝电解装置15的固体铝燃料出口与铝-蒸汽燃烧室1的燃料进口相连通。
28.作为本发明的优选实施方式，所述可再生能源电力供应系统16输出的电力来自光伏发电、风力发电、光热发电、水力发电和/或生物质能发电。
29.本发明所述的耦合sofc和燃气轮机的铝燃料储能系统在具体操作时，以氧化铝为原料，当电网系统中可再生能源发电过剩或富余时，通过氧化铝电解装置15对熔融的氧化铝进行电解，将可再生能源电力通过电化学反应转化成铝燃料的化学能进行储存。当电网系统中可再生能源发电不足或其他某地理位置需要电力供应时，则通过铝-蒸汽燃烧室1、蒸汽朗肯循环发电、固体氧化物燃料电池9及燃气轮机耦合发电将铝燃料的化学能转化成电能，对外实现供电。铝-蒸汽燃烧的固体产物氧化铝可重新进入整个储能子系统，通过氧化铝电解装置15电解再次得到铝燃料，实现循环利用，整个过程氧化铝无消耗。
30.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。