一种可逆固体氧化物电池热电联供系统及其控制方法与流程

本发明属于能源储存和转换，更具体地，涉及一种可逆固体氧化物电池热电联供系统及其控制方法。

背景技术：

1、可逆固体氧化物电池(rsoc)是一种固态电化学装置，可作为固体氧化物燃料电池(sofc)和固体氧化物电解电池(soec)交替运行。当用作sofc时，可逆固体氧化物电池能够氧化一种或多种气态燃料以产生电和热。当用作soec时，相同的设备可以消耗电力和热量，将氧化反应的产物转化回有价值的燃料。这些气体燃料可以加压并储存以备后用。出于这个原因，rsocs最近因其作为季节性储能解决方案的潜力而受到越来越多的关注。

2、现有技术中，cn204289610u公开了一种太阳能-可逆燃料电池的热电联供装置，该装置可以回收利用固体燃料电池阴极尾气能量，但该装置未能对电池工作时自身的热量进行有效利用；cn105576273a公开了一种可逆循环绿色能源转换系统及转换方法，该系统能够同时输出电能、热能及纯净水，但未能根据实际负载需求对系统输出进行有效控制；cn112542602a公开了一种热电比可调的sofc热电联供系统及其调控方法，该系统通过烟气流动控制装置调整系统输出热电比，但未能对系统发电量及供热量实现单独控制。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可逆固体氧化物电池热电联供系统及其控制方法，旨在解决现有的可逆固体氧化物电池热电联供系统无法对发电量和供热量进行单独控制，无法根据实际负载需要对系统输出进行有效控制的问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种可逆固体氧化物电池热电联供系统，该系统包括电池单元、电力单元、储电单元、热力单元、储热单元和控制单元，其中：所述电池单元采用可逆固体氧化物电池，用于在sofc模式下提供电能，并在soec模式下将电能转化为化学能进行储存；所述电力单元的一端与电池单元连接，其另一端用于与电网和储电单元连接，以对所述电能进行电压转换，并将其用于发电或储电；所述储电单元用于储存多余电能或者补充电能；所述热力单元的一端与电池单元连接，其另一端用于与热网和储热单元连接，以将电池单元的余热进行回收利用，并将其用于供热或储热；所述储热单元用于储存多余热能或者补充热能；所述控制单元用于根据电池单元发电量与电网电负荷的关系对储电单元或电池单元进行控制，并根据热力单元供热量与热网热负荷的关系对储热单元或电池单元进行控制，以此实现对发电量和供热量的单独控制。

3、作为进一步优选地，所述电池单元包括电池堆、燃料气源、燃料气预热器、氧化气源和氧化气预热器，其中所述燃料气源通过燃料气预热器与电池堆的阳极连接，所述氧化气源通过氧化气预热器与电池堆的阴极连接。

4、作为进一步优选地，所述电力单元采用dc/dc转换器。

5、作为进一步优选地，所述储电单元采用锂离子电池，所述储热单元采用储热水箱。

6、作为进一步优选地，所述热力单元包括依次连接的热泵蒸发器、压缩泵、冷凝器和膨胀阀，同时所述膨胀阀与热泵蒸发器连接以构成闭环回路，其中所述热泵蒸发器的入口与电池单元连接，用于通入吸收了电池单元余热的冷却气体，从而蒸发热泵蒸发器中的工质，蒸发的工质经压缩泵压缩后进入冷凝器冷凝为液态，从而将通入的常温水加热成蒸汽，最后液态的工质经过膨胀阀重新返回热泵蒸发器进行循环，同时所述冷凝器的出口用于与热网和储热单元连接，以通入所述蒸汽实现对电池单元的余热进行回收利用。

7、作为进一步优选地，所述热力单元还包括后燃室和热交换器，所述后燃室的一端与电池单元的尾气出口连接，其另一端与热交换器连接，用于对电堆尾气进行燃烧并将烟气通入热交换器；所述热交换器的蒸汽入口与冷凝器连接、其烟气入口与后燃室连接，并且其蒸汽出口用于与热网和储热单元连接，以利用烟气对蒸汽进行加热，从而实现对电堆尾气中能量的回收利用。

8、作为进一步优选地，所述热交换器的烟气出口分别与燃料气预热器和氧化气预热器连接，以利用换热后的烟气对燃料气和氧化气进行预热。

9、作为进一步优选地，所述控制单元包括电力pid控制器和热力pid控制器，所述电力pid控制器与电网、电力单元、储电单元和电池单元连接，以根据发电量与电负荷的关系对储电单元和电池单元的燃料气进行控制；所述热力pid控制器与热网、热力单元、储热单元和电池单元连接，以根据供热量与热负荷的关系对储热单元和电池单元的燃料气进行控制。

10、按照本发明的另一方面，提供了上述系统以电定热的控制方法，该控制方法具体为：

11、s1判断发电量与电负荷是否相等，若是，则进入步骤s2，若否，则调整所述燃料气的进气量直至发电量与电负荷相等，然后进入步骤s2；

12、s2判断供热量与热负荷是否相等，若是，则稳定运行，若否，则进入步骤s3；

13、s3判断供热量是否大于热负荷，若是，则将多余的热量送入储热单元进行储热并返回步骤s2；若否，则将储热单元的热能释放以补充供热量并返回步骤s2。

14、按照本发明的又一方面，提供了上述系统以热定电的控制方法，该控制方法具体为：

15、(a)判断供热量与热负荷是否相等，若是，则进入步骤(b)，若否，则调整所述燃料气的进气量直至供热量与热负荷相等，然后进入步骤(b)；

16、(b)判断发电量与电负荷是否相等，若是，则稳定运行，若否，则进入步骤(c)；

17、(c)判断发电量是否大于电负荷，若是，则将多余的电量送入储电单元进行储电并返回步骤(b)；若否，则将储电单元的电能释放以补充供电量并返回步骤(b)。

18、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

19、1.本发明通过设置储电单元和储热单元并配合控制单元，能够分别对电能和热能进行储存和输出，从而对发电量和供热量进行单独控制，进而实现电负荷和热负荷的同步满足，能够根据实时动态负荷对系统进行有效控制；

20、2.同时，本发明通过对热力单元的结构进行优化，通过热泵蒸发器、压缩泵、冷凝器和膨胀阀实现对电堆余热的高效回收利用，并通过后燃室和热交换器对电堆尾气中可燃气体的热量进行高效回收利用，从而大幅提高能源利用率；

21、3.此外，本发明还提供了两种控制方法，能够实现以电定热或者以热定电，具有控制简单、容易实施、响应快速的优势，同时对系统变化和外部扰动具有一定的鲁棒性，可以保持系统的稳定性，并且作为一种实时控制算法，能够快速响应系统变化，从而保持系统在期望值下运行。

技术特征：

1.一种可逆固体氧化物电池热电联供系统，其特征在于，该系统包括电池单元、电力单元、储电单元、热力单元、储热单元和控制单元，其中：所述电池单元采用可逆固体氧化物电池，用于在sofc模式下提供电能，并在soec模式下将电能转化为化学能进行储存；所述电力单元的一端与电池单元连接，其另一端用于与电网和储电单元连接，以对所述电能进行电压转换，并将其用于发电或储电；所述储电单元用于储存多余电能或者补充电能；所述热力单元的一端与电池单元连接，其另一端用于与热网和储热单元连接，以将电池单元的余热进行回收利用，并将其用于供热或储热；所述储热单元用于储存多余热能或者补充热能；所述控制单元用于根据电池单元发电量与电网电负荷的关系对储电单元或电池单元进行控制，并根据热力单元供热量与热网热负荷的关系对储热单元或电池单元进行控制，以此实现对发电量和供热量的单独控制。

2.如权利要求1所述的可逆固体氧化物电池热电联供系统，其特征在于，所述电池单元包括电池堆(5)、燃料气源(1)、燃料气预热器(2)、氧化气源(3)和氧化气预热器(4)，其中所述燃料气源(1)通过燃料气预热器(2)与电池堆(5)的阳极连接，所述氧化气源(3)通过氧化气预热器(4)与电池堆(5)的阴极连接。

3.如权利要求1所述的可逆固体氧化物电池热电联供系统，其特征在于，所述电力单元采用dc/dc转换器(6)。

4.如权利要求1所述的可逆固体氧化物电池热电联供系统，其特征在于，所述储电单元采用锂离子电池(7)，所述储热单元采用储热水箱(16)。

5.如权利要求1所述的可逆固体氧化物电池热电联供系统，其特征在于，所述热力单元包括依次连接的热泵蒸发器(10)、压缩泵(11)、冷凝器(12)和膨胀阀(13)，同时所述膨胀阀(13)与热泵蒸发器(10)连接以构成闭环回路，其中所述热泵蒸发器(10)的入口与电池单元连接，用于通入吸收了电池单元余热的冷却气体，从而蒸发热泵蒸发器(10)中的工质，蒸发的工质经压缩泵(11)压缩后进入冷凝器(12)冷凝为液态，从而将通入的常温水加热成蒸汽，最后液态的工质经过膨胀阀(13)重新返回热泵蒸发器(10)进行循环，同时所述冷凝器(12)的出口用于与热网和储热单元连接，以通入所述蒸汽实现对电池单元的余热进行回收利用。

6.如权利要求5所述的可逆固体氧化物电池热电联供系统，其特征在于，所述热力单元还包括后燃室(14)和热交换器(15)，所述后燃室(14)的一端与电池单元的尾气出口连接，其另一端与热交换器(15)连接，用于对电堆尾气进行燃烧并将烟气通入热交换器(15)；所述热交换器(15)的蒸汽入口与冷凝器(12)连接、其烟气入口与后燃室(14)连接，并且其蒸汽出口用于与热网和储热单元连接，以利用烟气对蒸汽进行加热，从而实现对电堆尾气中能量的回收利用。

7.如权利要求6所述的可逆固体氧化物电池热电联供系统，其特征在于，所述热交换器(15)的烟气出口分别与燃料气预热器(2)和氧化气预热器(4)连接，以利用换热后的烟气对燃料气和氧化气进行预热。

8.如权利要求1～7任一项所述的可逆固体氧化物电池热电联供系统，其特征在于，所述控制单元包括电力pid控制器(8)和热力pid控制器(17)，所述电力pid控制器(8)与电网、电力单元、储电单元和电池单元连接，以根据发电量与电负荷的关系对储电单元和电池单元的燃料气进行控制；所述热力pid控制器(17)与热网、热力单元、储热单元和电池单元连接，以根据供热量与热负荷的关系对储热单元和电池单元的燃料气进行控制。

9.如权利要求1～8任一项所述的可逆固体氧化物电池热电联供系统以电定热的控制方法，其特征在于，该控制方法具体为：

10.如权利要求1～8任一项所述的可逆固体氧化物电池热电联供系统以热定电的控制方法，其特征在于，该控制方法具体为：

技术总结
本发明提供了一种可逆固体氧化物电池热电联供系统及其控制方法，属于能源储存和转换技术领域，该系统包括电池单元、电力单元、储电单元、热力单元、储热单元和控制单元，其中：电池单元采用可逆固体氧化物电池；电力单元的一端与电池单元连接，其另一端用于与电网和储电单元连接；储电单元用于储存多余电能或者补充电能；热力单元的一端与电池单元连接，其另一端用于与热网和储热单元连接；储热单元用于储存多余热能或者补充热能；控制单元用于对发电量和供热量进行单独控制。本发明能够分别对电能和热能进行储存和输出，从而对发电量和供热量进行单独控制，进而实现电负荷和热负荷的同步满足，能够根据实时动态负荷对系统进行有效控制。

技术研发人员：潘军,雷金勇,黄旭锐,于丰源,廖梓豪,杨怡萍,唐渊,杨瑛,区定容,涂正凯
受保护的技术使用者：广东电网有限责任公司广州供电局
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1