一种基于RSOC的多能互补建筑分布式供能系统及其运行方法

本发明属于建筑清洁能源分布式供能，特别涉及一种基于可逆固体氧化物电池(reversible solid oxide cell，rsoc)的太阳能-氢能互补建筑分布式供能系统及其运行方法。

背景技术：

1、建筑作为社会耗能三大领域之一，具有巨大的节能减排潜力。不断提高可再生能源在建筑能源系统中的比重，最终实现对化石能源的替代，是建筑领域的必然发展趋势。然而，建筑负荷随气象参数实时变化，具有波动性，同时可再生能源具有间歇性与随机性，引入高比例的可再生能源为建筑供能产生严重的弃电现象。因此，亟需探索一种高效清洁的能源利用模式，既能满足建筑波动用能需求，又可以实现储能，吸收系统额外产出能量或弥补系统供能不足，有效提高系统供能可靠性与能源利用效率。

2、可逆固体氧化物电池(reversible solid oxide cell,rsoc)可以在同一装置上实现电解水制氢储电(solid oxide electrolysis cell，soec模式)和燃料电池发电(solid oxide fuel cell，sofc模式)两种功能，起到一种“储能电池”的作用。得益于600-1000℃的高工作温度，相比于可逆碱性电池和可逆质子交换膜电池，rsoc具有更强的反应动力学和更快的电化学反应速率。sofc发电效率可达60％以上，而目前soec实验室电解水效率几乎可以接近100％。同时，rsoc的高温余热还可以遵循“温度对口、梯级利用”的原理用于满足系统自身运行的热自洽或者为建筑供热，实现热电联产，进一步提高系统综合能源利用效率。

3、另外，太阳能技术的使用温度可以达到rsoc高温工作特性的要求，二者运行温度匹配度较好，耦合使用具有较好应用潜力。应对太阳能多余电力，rsoc可在soec模式下将电能转化为容易储存的燃料；在电力紧缺时rsoc可在sofc模式下通过电化学反应将储存的燃料转化为电能供用户使用，进而可实现能源系统中氢能与电能之间的双向流动。

4、由于rsoc耦合可再生能源的分布式供能系统的源-网-荷-储形式复杂、用能场景规模多样，目前相关系统研究还处于概念性设计阶段，并未提出针对具体用能场景的完整系统构型，也尚未对系统中关键供能设备容量配置进行细致设计，实际推广应用困难。同时，在概念性设计时，由于能量供给来源复杂、用户能量需求多样且动态变化，导致储电与储热设备集成方式复杂、电氢负荷调度与运行方法冗杂，使得系统状态切换频繁且不稳定，实际运行困难。

5、现阶段也有相关技术将soec制氢系统和sofc发电系统结合，即一个系统中同时使用sofc电堆和soec电堆，以实现类似rsoc的功能。但同时使用两个电堆明显造成投资成本升高；同时相关研究只是将soec制氢系统和sofc发电系统简单叠加，未根据物质流、能量流特点进行系统一体化综合设计，未充分利用rsoc可交替实现发电和储电的特点。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于rsoc的多能互补建筑分布式供能系统及其运行方法，解决现有rsoc多能互补分布式供能系统缺乏针对具体用能场景的完整系统构型、系统设备集成和运行方法冗杂、系统一体化程度低且余热利用不充分的技术缺陷。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于rsoc的多能互补建筑分布式供能系统，包括制氢模式原料供给模块、发电模式原料供给模块、rsoc能量转换模块、光伏模块、模式识别控制模块、建筑供电模块和建筑供热模块，制氢模式原料供给模块中耦合太阳能集热器；

4、所述制氢模式原料供给模块与发电模式原料供给模块以所述rsoc能量转换模块为共同能量转换装置相连接，当太阳能充足时，所述rsoc在soec模式下运行，联合所述光伏模块实现满足建筑电负荷以外的多余太阳能光伏电力制氢储能，所述制氢模式原料供给模块为所述rsoc能量转换模块供给水蒸气；当太阳能不足时，所述rsoc在sofc模式下运行，实现燃料电池补充发电供能，与太阳能光伏电力共同满足建筑电负荷，所述发电模式原料供给模块为所述rsoc能量转换模块供给燃料氢气；

5、其中：发电模式原料供给模块供给到所述rsoc能量转换模块在sofc模式下所需的燃料氢气，是所述rsoc能量转换模块在soec模式下由所述光伏模块和所述太阳能集热器能量供应下电解水得到的，实现太阳能电力的调峰；

6、供给到所述rsoc能量转换模块在soec模式下所需要的原料水蒸气一部分由该模式下电解水后的尾气经过水氢分离回收得到，一部分由sofc模式下氢气与氧气发生电化学反应产生的水得到，实现水氢转换、循环流动，无需额外补水；

7、所述模式识别控制模块用于定量比较光伏电力和建筑电负荷大小，当光伏电力大于建筑电负荷时，控制制氢模式原料供给模块和rsoc能量转换模块soec模式运行；当光伏电力小于建筑电负荷时，控制发电模式原料供给模块和rsoc能量转换模块sofc模式运行；

8、所述建筑供电模块与所述光伏模块的电力输出端以及所述rsoc能量转换模块在sofc模式下的电力输出端相连接，为建筑供电；

9、所述建筑供热模块与所述制氢模式原料供给模块、所述发电模式原料供给模块的所有尾气相连接，采用换热器回收所有可利用余热，为建筑供热；

10、所述基于rsoc的多能互补建筑分布式供能系统的关键供能设备容量设计方法为：基于全年波动的建筑电负荷和光伏电力的实时匹配约束设备容量，同时容量配置需满足其投资成本与考虑电负荷和光伏电力逐时波动特性下的系统全年运行费用最低。具体地，系统关键供能设备容量配置保证全年运行中光伏电力和rsoc在sofc模式下输出电力之和可以实时满足建筑逐时电负荷，rsoc在soec模式下的制氢量可以满足其在sofc模式下进行发电的燃料需求，即：所述光伏模块的最大容量与所述rsoc能量转换模块的最大容量保证其二者输出逐时电力之和大于建筑逐时电负荷，系统无需额外储电装置；光热量可以实时满足系统热量需求，即：所述太阳能集热器的最大容量大于系统运行逐时热量需求的峰值，系统无需额外储热装置。从而实现系统能量自给自足，以及系统设备和控制信息流简化。

11、在一个实施例中，所述制氢模式原料供给模块包括水蒸气供给通路、第一空气供给通路和冷凝器；所述发电模式原料供给模块包括氢气供给通路、第二空气供给通路和后燃烧器；所述rsoc能量转换模块包括rsoc电堆，所述rsoc电堆包括燃料极和空气极；

12、所述水蒸气供给通路上设置水箱、水泵、太阳能集热器和水蒸气预热器，所述水箱储存液态水，所述水泵对液态水加压，所述太阳能集热器将液态水加热为水蒸气，为所述rsoc在soec模式电解水制氢提供所需热量，所述水蒸气预热器将所述水蒸气预热达到所述rsoc在soec模式下燃料极进气温度要求；

13、所述第一空气供给通路上设置第一风机和第一空气预热器，所述第一风机对空气加压，所述第一空气预热器将空气预热到所述rsoc在soec模式下空气极进气温度要求；第一空气预热器的出口产物余热通过所述建筑供热模块送入建筑供热；

14、所述冷凝器用于凝结水蒸气，以分离所述rsoc在soec模式下燃料极出口产物中的水蒸气和氢气，氢气作为所述氢气供给通路的气源，冷凝水蒸气获得的液态水通入所述水箱作为所述水蒸气供应通路的水源，冷凝热通过所述建筑供热模块送入建筑供热；

15、所述氢气供给通路上设置储氢罐、燃料压缩机和燃料预热器，所述储氢罐储存所述rsoc在soec模式下制得的氢气，所述燃料压缩机对氢气加压，所述燃料预热器将氢气预热达到所述rsoc在sofc模式下燃料极进气温度要求；

16、所述第二空气供给通路上设置第二风机和第二空气预热器，所述第二风机对空气加压，所述第二空气预热器将空气预热达到所述rsoc在sofc模式下空气极进气温度要求；

17、所述后燃烧器用于将所述rsoc在sofc模式下燃料极出口的氢气与水蒸气混合物和所述空气极的出口尾气进行混合，并将剩余可燃氢气完全燃烧得到高温烟气，进一步提高余热温度。

18、在一个实施例中，所述rsoc在soec模式下，燃料极出口的氢气与水蒸气混合物，送至水蒸气预热器作为热源对水蒸气进行预热，实现模块热自洽，之后进入冷凝器凝结；所述空气极的出口尾气，送至第一空气预热器作为热源对空气进行预热，实现模块热自洽；

19、所述rsoc在sofc模式下，所述后燃烧器得到的高温烟气，依次或分别作为第二空气预热器和燃料预热器的热源，对空气和氢气进行预热，实现模块热自洽。

20、在一个实施例中，所述光伏模块由光伏阵列与配电装置组成，所述配电装置用于将产生的光伏电力进行分配，光伏电力在满足全部建筑电负荷后的富余量通入rsoc能量转换模块，为所述rsoc在soec模式下电解水制氢提供所需电能。

21、在一个实施例中，所述建筑供电模块包括交/直流逆变器，所述交/直流逆变器用于将所述光伏模块和所述rsoc在sofc模式输出的直流电转换为交流电送入建筑进行供电。

22、在一个实施例中，所述建筑供热模块包括第一建筑换热器和第二建筑换热器，所述第一建筑换热器与所述制氢模式原料供给模块的尾气相连，所述第二建筑换热器与所述发电模式原料供给模块的尾气相连，所述冷凝器直接由建筑生活热水作为冷却介质，用于将所有余热送入建筑进行供热，实现余热高效综合利用。

23、本发明还提供了一种基于rsoc的多能互补建筑分布式供能系统的运行方法，依据太阳能和建筑电负荷双重不确定性，由所述模式识别控制模块依据光伏电力和建筑电负荷两类信息流控制三类运行方式：

24、当有太阳辐射，且光伏电力>建筑电负荷，运行pv-soec-ptc模式；即：光伏供电富余量用于rsoc在soec模式下制氢储电，通过所述太阳能集热器(ptc)将太阳能转化为热能预热所述水泵送入的液态水；

25、当有太阳辐射，且光伏电力<建筑电负荷，运行pv-sofc模式；即：光伏供电无法完全满足建筑电耗，所述rsoc转入sofc模式进行补充发电，与光伏电力共同满足建筑电负荷；

26、当无太阳辐射，光伏电力＝0，运行sofc模式；即：仅由所述rsoc在sofc模式下运行为建筑提供电力。

27、在一个实施例中，所述pv-soec-ptc模式具体运行方式如下：

28、(1)，利用光伏阵列将太阳能转化为电能，再通过配电装置将建筑电负荷量通入交/直流逆变器，将直流电转换为交流电供给建筑；

29、(2)，配电装置将剩余光伏电力送入rsoc电堆，rsoc以soec模式运行；

30、(3)，液态水送入太阳能集热器加热为水蒸气，再进入水蒸气预热器，水蒸气达到燃料极入口温度要求后送入rsoc电堆的燃料极；

31、(4)，高温水蒸气在所述燃料极发生电解反应生成氢气：h2o+2e-→h2+o2-，氧离子穿过电解质到达空气极释放电子生成氧气：

32、(5)，空气加压送入第一空气预热器，达到空气极入口温度要求后通入rsoc电堆的空气极，满足所述rsoc热平衡要求，并带走所述空气极生成的氧气；

33、(6)，燃料极出口处的氢气和水蒸气混合物通入水蒸气预热器预热入口水蒸气，空气极出口处的空气通入第一空气预热器预热空气，完成换热的氢气和水蒸气混合物再通入冷凝器凝结水蒸气，氢气储存到储氢罐中，凝结热和空气余热采用所述建筑供热模块进行回收，最后通入建筑满足用户热需求。

34、在一个实施例中，所述pv-sofc模式具体运行方式如下：

35、(1)，利用光伏阵列将太阳能转化为电能，光伏电力全部通入交/直流逆变器，将直流电转换为交流电供给建筑；

36、(2)，储氢罐内的氢气加压进入燃料预热器，达到sofc模式燃料极入口温度要求后通入所述燃料极；

37、(3)，空气加压送入第二空气预热器，达到空气极入口温度要求后通入所述空气极；

38、(4)，空气中的氧气在空气极得到电子生成氧离子：氧离子穿过电解质到达燃料极与氢气结合并释放电子、生成水：h2+o2-→h2o+2e-，电子经外部电路流过负载产生电能；

39、(5)，燃料极出口处未完全反应的氢气与水蒸气、空气极出口处剩余的空气，全部通入后燃烧器进行完全燃烧，充分利用其余热；

40、(6)，后燃烧器生成的高温尾气依次通过第二空气预热器、燃料预热器分别对入口空气和氢气进行预热，最后进入所述第二建筑换热器为建筑供热。

41、在一个实施例中，所述sofc模式具体运行方式如下：

42、(1)，储氢罐内的氢气加压进入燃料预热器，达到sofc模式燃料极入口温度要求后通入所述燃料极；

43、(2)，空气加压送入第二空气预热器，达到空气极入口温度要求后通入所述空气极；

44、(3)，空气中的氧气在空气极得到电子生成氧离子：氧离子穿过电解质到达燃料极与氢气结合并释放电子、生成水：h2+o2-→h2o+2e-，电子经外部电路流过负载产生电能；

45、(4)，燃料极出口处未完全反应的氢气与水蒸气、空气极出口处剩余的空气，全部通入后燃烧器进行完全燃烧，充分利用其余热；

46、(5)，后燃烧器生成的高温尾气依次通过第二空气预热器、燃料预热器分别对入口空气和氢气进行预热，最后进入所述第二建筑换热器为建筑供热。

47、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

48、(1)针对具体的建筑用能场景，本发明提出了基于rsoc的太阳能-氢能互补建筑分布式供能系统的完整构型。解决了现有技术仅提出系统概念性设计、难以推广应用的缺陷。本系统包括模式识别控制模块、制氢模式原料供给模块(耦合光热组件)、发电模式原料供给模块、rsoc能量转换模块、光伏模块、建筑供电模块和建筑供热模块，针对各模块设计了完整的设备及其集成方式，易于实际应用。

49、(2)本发明通过合理的容量配置实现系统设备、控制信息流简化，提出了清晰完整的系统运行方法，系统利用光伏阵列、太阳能集热器、rsoc电堆和必要的辅助设备即可实现能量自给自足，无需额外加入储电、储热设备。解决了现有技术在概念性设计时由于系统能量供给来源复杂、用户能量需求多样且动态变化，导致储电与储热设备集成方式繁琐、电氢负荷调度方式与运行方法复杂，使得系统状态切换频繁且不稳定，实际运行困难的缺陷。本发明利用模式识别控制模块，依据光伏电力和建筑电负荷两种信息流即可实现系统运行方式调控切换。

50、(3)本发明针对具体的建筑用能场景提出了系统余热高效综合利用方式，构建了完备的热交换网络，极大提升了热电氢联产系统的综合能源利用效率。解决了现有技术高温余热利用不充分，不满足按质用能原则的缺陷。本发明在充分利用rsoc电堆尾气余热的基础上，各尾气余热分别用于预热入口组分；同时，将制氢模式原料供给模块中的冷凝器水氢分离的冷凝热进行完全回收；最后，将各个热能利用过程中未用完的余热整合，均通过建筑换热器进行热回收，送入建筑供热，从而完全实现系统热自洽。

51、(4)本发明利用rsoc消纳太阳能实现制氢、发电和太阳能利用过程的能量流、物质流耦合，真正实现了太阳能、氢能一体化耦合互补供能，完成了电氢互转、水氢循环转换流动。解决了现有技术将soec制氢系统和sofc发电系统进行简单叠加从而导致系统复杂、投资成本高的缺陷。本发明中rsoc交叉发电和储电，将制氢模块和发电模块进行能量流交叉耦合，而非简单顺序连接；发电模式所需的燃料氢气由系统在制氢模式下将太阳能电力转化为氢能进行供给，而制氢模式所需的原料水又由系统在发电模式下氢气与氧气发生电化学反应生成的水提供，实现水、氢、氧气物质流循环耦合；太阳能集热器直接采用供给的原料液态水为工质，无需中间换热介质，将液态水加热为电解所需的水蒸气，多余光伏电力用于rsoc电解，从而同时为rsoc制氢提供电能和热能，实现太阳能利用和制氢过程物质流、能量流双耦合。