專利名稱：新型混合能源系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型是涉及能源系統(tǒng)領域的技術，具體指一種以太陽能、風能為主，配以燃 料電池、微燃氣發(fā)電動機、空氣壓縮設備和儲能設備，并輔以電力系統(tǒng)為用戶提供電能、熱 能和氫氣的新型混合能源系統(tǒng)。
背景技術：
繼工業(yè)革命、信息革命后，第五波將改變世界的“綠色革命”正逐步興起，新能源 將取代常規(guī)能源成為未來生活主流模式。常規(guī)能源是指技術上比較成熟且已被大規(guī)模利用的能源，煤、石油、天然氣以及大 中型水電都被看作常規(guī)能源。目前，主要使用的能源為煤、石油和天然氣等常規(guī)能源，但大 部分常規(guī)能源為一次能源不可再生，且污染嚴重。煤和石油在使用時排放大量的二氧化碳 和二氧化硫造成溫室效應和酸雨等惡劣影響；水電站的建設嚴重破壞周圍的生態(tài)環(huán)境。為 了改善環(huán)境，減少碳排放量，新能源被越來越廣泛的利用。新能源又稱非常規(guī)能源，是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式。包括了太陽能、風能 和氫燃燒所產生的能量。也可以說，新能源包括各種可再生能源和核能。相對于傳統(tǒng)能源， 新能源普遍具有污染少、儲量大的特點，對于解決當今世界日益嚴重的環(huán)境污染問題和資 源(特別是化石能源)枯竭問題具有重要意義。但新能源仍具有以下缺點分布分散，新能源(如太陽能、風能)雖然儲量很大但分 布不均勻；不穩(wěn)定，新能源(如太陽能、風能)受地理位置、季節(jié)和氣候等因素的影響，不能穩(wěn) 定的提供能源；利用率低，新能源(如太陽能、風能)在地球表面分布廣泛，但不集中，新能源 不能被充分的利用。由于上述新能源的特點和科技水平制約，目前新能源的利用還在探索階段，并不 能取代常規(guī)能源成為主要的能源形勢。
發(fā)明內容本實用新型是針對上述新能源的不足之處提供一種新型混合能源系統(tǒng)，本系統(tǒng)是 利用太陽能和風能為用戶提供電能、熱能和氫氣的新型混合能源系統(tǒng)。為了給用戶提供持 續(xù)穩(wěn)定的電能、熱能和氫氣，本系統(tǒng)配以燃料電池、微燃氣發(fā)電動機、空氣壓縮設備和儲能 設備調節(jié)。本系統(tǒng)與電力系統(tǒng)連接以確保所提供的能源持續(xù)穩(wěn)定。為實現上述目的，本實用新型采用以下技術方案一種新型混合能源系統(tǒng)，它包括微燃氣發(fā)電裝置、風力發(fā)電裝置、太陽能利用裝置 以及燃料電池，它們均與直流母線連接，微燃氣發(fā)電裝置、風力發(fā)電裝置、太陽能利用裝置 以及燃料電池還與儲能裝置連接；直流母線通過D/A裝置與本地負荷連接，同時直流母線 通過D/A裝置還與電力系統(tǒng)雙向連接；微燃氣發(fā)電裝置與壓縮空氣儲能裝置和供熱裝置連 接；風力發(fā)電裝置與壓縮空氣儲能裝置雙向連接并與制氫裝置連接；太陽能利用裝置分別 與供熱裝置和制氫裝置連接；制氫裝置與燃料電池連接。[0010] 所述制氫裝置還與混合動力汽車連接。 所述直流母線與電動汽車連接。所述儲能裝置為儲能電池。所述制氫裝置為電解水制氫設備。所述D/A設備為交流電和直流電相互轉換設備。本實用新型的工作原理為太陽能是指太陽光的輻射能量。地球軌道上的平均太陽輻射強度為1367w/m2。 地球表面某一點24h的年平均輻射強度為0.20kw/m2，相當于有102000TW的能量。通過 太陽能電池可將太陽能轉換成電能。太陽能電池是一對光有響應并能將光能轉換成電力的 裝置。當光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅 原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P-N結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路 時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的實質 是光子能量轉換成電能的過程。通過太陽能集熱器可將太陽能轉換成熱能。太陽能集熱 器的核心是吸熱板，它的功能是吸收太陽的輻射能，并向傳熱介質傳遞熱量。在以液體為介 質時，此種吸熱板有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等，可用金屬材料和非金屬材料制成。 吸熱板的向陽表面涂有黑色吸熱涂層。本實用新型太陽能利用裝置包含太陽能電池和太陽 能集熱器。風能是指地球表面大量空氣流動所產生的動能。由于地面各處受太陽輻照后氣溫 變化不同和空氣中水蒸氣的含量不同，因而引起各地氣壓的差異，在水平方向高壓空氣向 低壓地區(qū)流動，即形成風。把風的動能轉變成機械能，再把機械能轉化為電能，這就是風力 發(fā)電。風力發(fā)電所需要的裝置，稱作風力發(fā)電機組。風力發(fā)電機組，大體上可分風輪(包括 尾舵)、發(fā)電機和鐵塔三部分。風輪是把風的動能轉變?yōu)闄C械能的重要部件，它由兩只(或 更多只)螺旋槳形的葉輪組成。當風吹向漿葉時，槳葉上產生氣動力驅動風輪轉動。槳葉 的材料要求強度高、重量輕，目前多用玻璃鋼或其它復合材料(如碳纖維)來制造。由于風 輪的轉速比較低，而且風力的大小和方向經常變化著，這又使轉速不穩(wěn)定；所以，在帶動發(fā) 電機之前，還必須附加一個把轉速提高到發(fā)電機額定轉速的齒輪變速箱，再加一個調速機 構使轉速保持穩(wěn)定，然后再聯接到發(fā)電機上。為保持風輪始終對準風向以獲得最大的功率， 還需在風輪的后面裝一個類似風向標的尾舵。鐵塔是支承風輪、尾舵和發(fā)電機的構架。它 一般修建得比較高，為的是獲得較大的和較均勻的風力。發(fā)電機的作用，是把由風輪得到的 恒定轉速，通過升速傳遞給發(fā)電機，使其均勻運轉，從而將機械能轉變?yōu)殡娔?。氫氣是具有高揮發(fā)性、高能量的能源載體和燃料。它是一種極為優(yōu)越的二次能源， 其主要優(yōu)點有燃燒熱值高，每千克氫燃燒后的熱量，約為汽油的3倍，酒精的3. 9倍，焦炭 的4. 5倍；潔凈，氫氣燃燒的產物是水，是世界上最干凈的能源；資源豐富，氫氣可以由水制 取，而水是地球上最為豐富的資源。在自然界中，氫和氧結合成水，必須用電分解的方法把 氫從水中分離出來。當兩個電極(陰極和陽極)分別通上直流電，并且浸入水中時，水將會 被分解并在陰極和陽極分別產生氫氣和氧氣。這個過程就是電解水。本新型能源混合系統(tǒng)以太陽能和風能為主要能源，通過太陽能電池將太陽能轉換 成電能；通過太陽能集熱器將太陽能轉換成熱能；通過風力發(fā)電機將風能轉換成電能。并 利用太陽能電池和風能發(fā)電機產生的部分電能通過電解水產氫設備產生氫氣。由于太陽能和風能具有以下缺點分散性，在地球表面太陽能和風能的總量盡管很大，但能流密度很 低，并不平均分布，無法集中使用；不穩(wěn)定性，由于受到季節(jié)、地理緯度和氣候等自然條件的 限制和影響，到達某一地面的太陽能和風能是間斷的，又是極不穩(wěn)定的，這為風能和太陽能 的大規(guī)模應用增加了難度。為了使太陽能和太陽能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，本實用新型用微 燃氣發(fā)電機、燃料電池和空氣壓縮設備配合風能和太陽能提供能源。使本實用新型可提供 穩(wěn)定連續(xù)的電能和熱能。燃料電池可用太陽能電池和風能發(fā)電機部分電能電解水產生的氫氣作為燃氣。當 太陽能和風能低谷時，微燃氣發(fā)電機可提供電能和熱能，燃料電池可提供電能。用風力發(fā)電 機和微燃氣發(fā)電機帶動空氣壓縮設備，將空氣壓縮儲存，當風能減少時，可釋放壓縮空氣為 風力發(fā)電機提供風能。在微燃氣發(fā)電機、燃料電池和空氣壓縮設備的配合下，本實用新型可 利用太陽能和風能提供較為穩(wěn)定的電能、熱能和氫氣。為了獲得更為穩(wěn)定的能源，本實用新 型加入儲能設備，在能源供給高峰期儲存能源，在能源供給低谷期提供能源，以起到削峰平 谷的作用。為了更加安全穩(wěn)定的提供能源，本混合能源系統(tǒng)同D/A轉換設備與電力系統(tǒng)連 接。當本混合能源系統(tǒng)電能過剩時，可向電力系統(tǒng)提供電能；當本混合能源系統(tǒng)電能短缺 時，可向電力系統(tǒng)提取電能，以保證負荷運行。通過將太陽能發(fā)電裝置、太陽能集熱器、風力發(fā)電裝置、電解水制氫設備、燃料電 池、微燃氣發(fā)電機、空氣壓縮設備和儲能設備合理利用，本實用新型可充分利用太陽能和風 能為用戶提供持續(xù)穩(wěn)定的電能、熱能和氫氣，且水為本實用新型唯一排放物。燃料電池，是一種發(fā)電裝置。燃料電池含有陰陽兩個電極，分別充滿電解液，而兩 個電極間則為具有滲透性的薄膜所構成。氫氣由燃料電池的陽極進入，氧氣(或空氣)則由 陰極進入燃料電池。經由催化劑的作用，使得陽極的氫原子分解成兩個氫質子與兩個電子， 其中質子被氧“吸弓丨”到薄膜的另一邊，電子則經由外電路形成電流后，到達陰極。在陰極 催化劑之作用下，氫質子、氧及電子，發(fā)生反應形成水分子，因此水可說是燃料電池唯一的 排放物。本實用新型中的燃料電池的氫氣可有太陽能和風能提供的部分電能電解水獲得。燃氣發(fā)電機，是一種以液化氣、天然氣等可燃氣體為燃燒物，代替汽油、柴油作為 發(fā)動機動力的新型，高效的新能源發(fā)電機。在汽缸內，經過空氣濾清器過濾后的潔凈空氣與 可燃氣體充分混合，在活塞上行的擠壓下，體積縮小，溫度迅速升高，達到燃氣的燃點。燃氣 被點燃，混合氣體劇烈燃燒，體積迅速膨脹，推動活塞下行，稱為“作功”。各汽缸按一定順序 依次作功，作用在活塞上的推力經過連桿變成了推動曲軸轉動的力量，從而帶動曲軸旋轉。 將無刷同步交流發(fā)電機與燃氣機曲軸同軸安裝，就可以利用燃氣機的旋轉帶動發(fā)電機的轉 子，利用“電磁感應”原理，發(fā)電機就會輸出感應電動勢，經閉合的負載回路就能產生電流。 空氣壓縮設備，是指對密閉容器中的空氣施加壓力使空氣體積減少的設備。空氣 占有一定的空間，但它沒有固定的形狀和體積。在對密閉的容器中的空氣施加壓力時，空氣 的體積就被壓縮，使內部壓強增大。當外力撤消時，空氣在內部壓強的作用下，又會恢復到 原來的體積。當空氣恢復原來的體積時，壓縮空氣向外釋放能量。儲能設備，主要是指將電能的儲存起來的設備，本實用新型用儲能電池作為主要 儲能設備。D/A轉換設備，是指將交流電和直流電相互轉換的設備。本實用新型的有益效果是[0028]1、本實用新型主要利用風能、太陽能為用戶提供電能、熱能和氫氣。風能和太陽 能均為可再生能源，不影響環(huán)境，且不存在枯竭危險。2、本實用新型主要利用風能、太陽能為用戶提供電能、熱能和氫氣。其能源轉換 無嚴格場地要求，太陽能、風能需在室外，平地、或屋頂等無遮蔽處均可；燃料電池、微燃氣 發(fā)電機和儲能設備等設備可放在室內。其中建筑物屋頂，除防雨遮陽功能外，還未充分利 用，其具有位置高、無遮攔等特點，適合太陽能和風能采集利用。3、本實用新型主要利用風能、太陽能為用戶提供電能、熱能和氫氣。在除去建造 費用和日常維護費用外，只需支付少許能源費用。4、本實用新型主要利用風能、太陽能為用戶提供電能、熱能和氫氣。在利用風能 和太陽能過程中，不產生排放物。在燃料電池發(fā)電過程中，由于以氫氣作為燃料，因此水是 唯一的排放物；在微燃氣發(fā)電機發(fā)電過程中，只產生少許二氧化碳和二氧化硫等排放物。5、本實用新型利用太陽能和風能產氫，并通過燃料電池將氫氣轉換成電能，在太 陽能和風能不足時提供電能。6、本實用新型通過微燃氣發(fā)電機將天然氣轉換成電能和熱能，在太陽能和風能 不足時提供能源。7、本實用新型用儲能設備存儲電能，在太陽能和風能不足時為用戶提供電能。8、本實用新型與電力系統(tǒng)連接，可在能源過剩時向電力系統(tǒng)提供電能。9、本實用新型與電力系統(tǒng)連接，可在能源不足使從電力系統(tǒng)提取電能。

圖1為本實用新型的結構示意圖。其中，1.微燃氣發(fā)電裝置，2.風力發(fā)電裝置，3.太陽能利用裝置，4.燃料 電池，5.儲能裝置，6. D/A裝置，7.電力系統(tǒng)，8.壓縮空氣儲能裝置，9.供熱裝置，10. 制氫裝置，11.混合動力汽車，12.電動汽車，13.本地負荷。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型做進一步說明。圖1中，新型混合能源系統(tǒng)包括微燃氣發(fā)電裝置1、風力發(fā)電裝置2、太陽能利 用裝置3以及燃料電池4，它們均與直流母線連接，微燃氣發(fā)電裝置1、風力發(fā)電裝置2、太 陽能利用裝置3以及燃料電池4還與儲能裝置5連接；直流母線通過D/A裝置6與本地負 荷13連接，同時直流母線通過D/A裝置6還與電力系統(tǒng)7雙向連接；微燃氣發(fā)電裝置1與 壓縮空氣儲能裝置8和供熱裝置9連接；風力發(fā)電裝置2與壓縮空氣儲能裝置8雙向連接 并與制氫裝置10連接；太陽能利用裝置3分別與供熱裝置9和制氫裝置10連接；制氫裝 置10與燃料電池4連接。制氫裝置10還與混合動力汽車11連接。直流母線與電動汽車 12連接。儲能裝置5為儲能電池。制氫裝置10為電解水制氫設備。D/A設備6為交流電 和直流電相互轉換設備。本系統(tǒng)利用太陽能利用裝置中的太陽能電池將太陽能轉換成電能；利用利用 太陽能利用裝置中的太陽能集熱器將太陽能轉換成熱能；利用風力發(fā)電機將風能轉換成電 能；利用電解水制氫設備制造氫氣，所需電能由太陽能電池板和風力發(fā)電機提供；利用燃
6料電池將氫氣轉換成電能，所需氫氣由電解水制氫設備提供；利用微燃氣發(fā)電機將天然氣 轉換成電能和熱能，所需天然氣可由民用天然氣管道提供；利用空氣壓縮設備壓縮空氣，為 風力發(fā)電機提供風能。為使本系統(tǒng)安全穩(wěn)定提供能源，本系統(tǒng)與電力系統(tǒng)連接。當本系統(tǒng) 電能過剩時，可向電力系統(tǒng)提供電能；當電能短缺時，可向電力系統(tǒng)提取電能，以保證負荷 運行。
權利要求一種新型混合能源系統(tǒng)，其特征是，它包括微燃氣發(fā)電裝置、風力發(fā)電裝置、太陽能利用裝置以及燃料電池，它們均與直流母線連接，微燃氣發(fā)電裝置、風力發(fā)電裝置、太陽能利用裝置以及燃料電池還與儲能裝置連接；直流母線通過D/A裝置與本地負荷連接，同時直流母線通過D/A裝置還與電力系統(tǒng)雙向連接；微燃氣發(fā)電裝置與壓縮空氣儲能裝置和供熱裝置連接；風力發(fā)電裝置與壓縮空氣儲能裝置雙向連接并與制氫裝置連接；太陽能利用裝置分別與供熱裝置和制氫裝置連接；制氫裝置與燃料電池連接。
2.如權利要求1所述的新型混合能源系統(tǒng)，其特征是，所述制氫裝置還與混合動力汽 車連接。
3.如權利要求1所述的新型混合能源系統(tǒng)，其特征是，所述直流母線與電動汽車連接。
4.如權利要求1所述的新型混合能源系統(tǒng)，其特征是，所述儲能裝置為儲能電池。
5.如權利要求1所述的新型混合能源系統(tǒng)，其特征是，所述制氫裝置為電解水制氫設備。
6.如權利要求1所述的新型混合能源系統(tǒng)，其特征是，所述D/A設備為交流電和直流電 相互轉換設備。
專利摘要本實用新型是一種新型混合能源系統(tǒng)，包括微燃氣發(fā)電裝置、風力發(fā)電裝置、太陽能利用裝置以及燃料電池，它們均與直流母線連接，微燃氣發(fā)電裝置、風力發(fā)電裝置、太陽能利用裝置以及燃料電池還與儲能裝置連接；直流母線通過D/A裝置與本地負荷連接，同時直流母線通過D/A裝置還與電力系統(tǒng)雙向連接；微燃氣發(fā)電裝置與壓縮空氣儲能裝置和供熱裝置連接；風力發(fā)電裝置與壓縮空氣儲能裝置雙向連接并與制氫裝置連接；太陽能利用裝置分別與供熱裝置和制氫裝置連接；制氫裝置與燃料電池連接。它利用太陽能和風能為用戶提供電能、熱能和氫氣，為提供持續(xù)穩(wěn)定的電能、熱能和氫氣，配以燃料電池、微燃氣發(fā)電動機、空氣壓縮設備和儲能設備調節(jié)，并與電力系統(tǒng)連接以確保所提供的能源持續(xù)穩(wěn)定。
文檔編號H01M8/06GK201650611SQ201020154668
公開日2010年11月24日 申請日期2010年4月12日 優(yōu)先權日2010年4月12日
發(fā)明者孫瑩, 徐明銘, 李可軍 申請人:山東大學