一種水氫能源自供電系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于甲醇制氫供電技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種供電系統(tǒng)，尤其涉及一種水氫能源自供電系統(tǒng)；同時，本發(fā)明還涉及一種水氫能源自供電方法。
【背景技術(shù)】
[0002]能源危機和生態(tài)危機一直困擾著世界各國政府，同樣也困擾著中國政府，特別是中國是農(nóng)業(yè)大國，幾億農(nóng)民的增產(chǎn)增收也一直糾結(jié)著各級政府。多年來的探索雖有所成效，但一直沒有重大突破。
[0003]應(yīng)用能態(tài)科學(xué)與工程的思維和視角，通過對現(xiàn)存農(nóng)業(yè)食品生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)模式的分析，結(jié)合自然能源的特征，發(fā)現(xiàn)自然能源和食品生產(chǎn)具有非常相似的特征?？梢缘贸鼋Y(jié)論:自然能源的生產(chǎn)基地在農(nóng)村，完全可以在農(nóng)村建立食品和自然能源聯(lián)產(chǎn)的新農(nóng)村經(jīng)濟(jì)模式，稱之為能態(tài)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)或農(nóng)村能態(tài)經(jīng)濟(jì)。
[0004]從技術(shù)層面看，幾項主流自然能源發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟:10kw太陽能聚熱斯特林發(fā)電機已實現(xiàn)商業(yè)化；風(fēng)力發(fā)電機也已實現(xiàn)商業(yè)化；生物質(zhì)制沼氣已普及多年。所存在的問題是，這些可大量獲取的自然能源的儲存一直困擾著人類。
[0005]為了有效利用農(nóng)村中大量存在的秸桿和畜禽排泄物，一些地區(qū)的農(nóng)村開始利用秸桿和畜禽排泄物制造沼氣。沼氣是有機物質(zhì)在厭氧條件下，經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用而生成的一種可燃?xì)怏w。由于這種氣體最先是在沼澤中發(fā)現(xiàn)的，所以稱為沼氣。人畜糞便、秸桿、污水等各種有機物在密閉的沼氣池內(nèi)，在厭氧(沒有氧氣)條件下發(fā)酵，即被種類繁多的沼氣發(fā)酵微生物分解轉(zhuǎn)化，從而產(chǎn)生沼氣。沼氣是一種混合氣體，可以燃燒。沼氣是有機物經(jīng)微生物厭氧消化而產(chǎn)生的可燃性氣體。
[0006]沼氣是多種氣體的混合物，一般含甲烷50?70%，其余為二氧化碳和少量的氮、氫和硫化氫等。其特性與天然氣相似?？諝庵腥绾?.6?20.8% (按體積計)的沼氣時，就會形成爆炸性的混合氣體。沼氣除直接燃燒用于炊事、烘干農(nóng)副產(chǎn)品、供暖、照明和氣焊等外，還可作內(nèi)燃機的燃料以及生產(chǎn)甲醇、福爾馬林、四氯化碳等化工原料。經(jīng)沼氣裝置發(fā)酵后排出的料液和沉渣，含有較豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，可用作肥料和飼料。
[0007]沼氣是一些有機物質(zhì)，在一定的溫度、濕度、酸度條件下，隔絕空氣(如用沼氣池)，經(jīng)微生物作用(發(fā)酵)而產(chǎn)生的可燃性氣體。它含有少量硫化氫，所以略帶臭味。發(fā)酵是復(fù)雜的生物化學(xué)變化，有許多微生物參與。
[0008]反應(yīng)大致分兩個階段:(I)微生物把復(fù)雜的有機物質(zhì)中的糖類、脂肪、蛋白質(zhì)降解成簡單的物質(zhì)，如低級脂肪酸、醇、醛、二氧化碳、氨、氫氣和硫化氫等。(2)由甲烷菌種的作用，使一些簡單的物質(zhì)變成甲烷。要正常地產(chǎn)生沼氣，必須為微生物創(chuàng)造良好的條件，使它能生存、繁殖。
[0009]沼氣池必須符合多種條件。首先，沼氣池要密閉。有機物質(zhì)發(fā)酵成沼氣，是多種厭氧菌活動的結(jié)果，因此要造成一個厭氧菌活動的缺氧環(huán)境。在建造沼氣池時要注意隔絕空氣，不透氣、不滲水。其次，沼氣池里要維持20?40°C，因為通常在這種溫度下產(chǎn)氣率最高。第三，沼氣池要有充足的養(yǎng)分。微生物要生存、繁殖，必須從發(fā)酵物質(zhì)中吸取養(yǎng)分。在沼氣池的發(fā)酵原料中，人畜糞便能提供氮元素，農(nóng)作物的秸桿等纖維素能提供碳元素。第四，發(fā)酵原料要含適量水，一般要求沼氣池的發(fā)酵原料中含水80%左右，過多或過少都對產(chǎn)氣不利。第五，沼氣池的pH值一般控制在7?8.5。
[0010]人們對沼氣的利用主要是通過使其燃燒的方式獲得能量，能源的利用率較低。同時，利用沼氣發(fā)電的技術(shù)也確有存在，但現(xiàn)有的發(fā)電系統(tǒng)是通過沼氣燃燒的方式進(jìn)行熱能發(fā)電，能量轉(zhuǎn)化效率較低，因此未能廣泛應(yīng)用。
[0011]此外，如今人們對風(fēng)能、太陽能等自然能源的利用還有局限，通常是直接供電或者存儲在電池中，若還有剩余電能則無法存儲，這在無形中也是對資源的一種浪費。
[0012]有鑒于此，如今迫切需要設(shè)計一種新的供電方式，以便克服現(xiàn)有供電方式的上述缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種水氫能源自供電系統(tǒng)，可根據(jù)發(fā)電量、用電量控制能源的存儲及輸出，更有利于充分地利用能源，節(jié)能環(huán)保。
[0014]此外，本發(fā)明還提供一種水氫能源自供電方法，可根據(jù)發(fā)電量、用電量控制能源的存儲及輸出，更有利于充分地利用能源，節(jié)能環(huán)保。
[0015]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0016]—種水氫能源自供電系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:風(fēng)能發(fā)電單元、太陽能發(fā)電單元、甲醇發(fā)電單元、充電電池、充電單元、甲醇存儲單元、沼氣制醇單元、氫制醇單元、電制氫單元、主控單元；
[0017]所述主控單元分別連接風(fēng)能發(fā)電單元、太陽能發(fā)電單元、甲醇發(fā)電單元、充電電池、充電單元、沼氣制醇單元、氫制醇單元、電制氫單元，控制各個單元的工作；
[0018]所述風(fēng)能發(fā)電單元、太陽能發(fā)電單元、甲醇發(fā)電單元分別連接用電設(shè)備，直接為用電設(shè)備供電；
[0019]所述風(fēng)能發(fā)電單元、太陽能發(fā)電單元、甲醇發(fā)電單元分別連接充電單元，通過充電單元為充電電池充電；
[0020]所述主控單元還用以獲取用電設(shè)備的開啟狀態(tài)，從而獲取實時用電需求數(shù)據(jù)；同時，主控單元獲取風(fēng)能發(fā)電單元、太陽能發(fā)電單元、甲醇發(fā)電單元的實時發(fā)電量數(shù)據(jù)；
[0021]所述主控單元根據(jù)實時用電需求數(shù)據(jù)、實時發(fā)電量數(shù)據(jù)做相應(yīng)控制；當(dāng)發(fā)電量數(shù)據(jù)大于用電需求數(shù)據(jù)時，控制充電單元將多余電能為充電電池充電；當(dāng)發(fā)電量數(shù)據(jù)小于用電需求數(shù)據(jù)時，通過啟動充電電池為用電設(shè)備供電；
[0022]所述沼氣制醇單元用以將生物質(zhì)通過發(fā)酵制得甲醇，將制得的甲醇存儲至甲醇存儲單元；
[0023]所述甲醇發(fā)電單元利用甲醇發(fā)電，同時生成二氧化碳，將生成的二氧化碳輸送至氫制醇單元；
[0024]所述電制氫單元用以將水電解，得到氫氣及氧氣，將氫氣輸送至氫制醇單元；電制氫單元在發(fā)電量剩余數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定值時啟動，利用余量電能制氫；
[0025]所述氫制醇單元用以利用氫氣、二氧化碳制得甲醇；所述氫制醇單元在發(fā)電量剩余數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定高值時啟動，制得甲醇；
[0026]甲醇發(fā)電單元包括:固態(tài)氫氣儲存容器、快速啟動裝置、液體儲存容器、原料輸送裝置、制氫設(shè)備、膜分離裝置、氫氣發(fā)電裝置；
[0027]所述制氫設(shè)備包括換熱器、氣化室、重整室；膜分離裝置設(shè)置于分離室內(nèi)，分離室設(shè)置于重整室的上部；
[0028]所述固態(tài)氫氣儲存容器、液體儲存容器分別與制氫設(shè)備連接；液體儲存容器中儲存有液態(tài)的甲醇和水；
[0029]通過固態(tài)氫氣儲存容器中儲存固態(tài)氫氣或/和快速啟動裝置為制氫設(shè)備提供啟動能源；
[0030]所述固態(tài)氫氣儲存容器中儲存固態(tài)氫氣，當(dāng)制氫系統(tǒng)啟動時，通過氣化模塊將固態(tài)氫氣轉(zhuǎn)換為氣態(tài)氫氣，氣態(tài)氫氣為氫氣發(fā)電裝置發(fā)電，作為制氫設(shè)備的啟動電源；
[0031]所述快速啟動裝置包括第一啟動裝置、第二啟動裝置；所述第一啟動裝置包括第一加熱機構(gòu)、第一氣化管路，第一氣化管路的內(nèi)徑為I?2mm，第一氣化管路緊密地纏繞于第一加熱機構(gòu)上；所述第一氣化管路的一端連接液體儲存容器，通過原料輸送裝置將甲醇送入第一氣化管路中；第一氣化管路的另一端輸出被氣化的甲醇，而后通過點火機構(gòu)點火燃燒；或者，第一氣化管路的另一端輸出被氣化的甲醇，且輸出的甲醇溫度達(dá)到自燃點，甲醇從第一氣化管路輸出后直接自燃；所述第二啟動裝置包括第二氣化管路，第二氣化管路的主體設(shè)置于所述重整室內(nèi)，第一氣化管路或/和第二氣化管路輸出的甲醇為重整室加熱的同時加熱第二氣化管路，將第二氣化管路中的甲醇?xì)饣凰鲋卣覂?nèi)壁設(shè)有加熱管路，加熱管路內(nèi)放有催化劑；所述快速啟動裝置通過加熱所述加熱管路為重整室加熱；
[0032]所述液體儲存容器中的甲醇和水通過原料輸送裝置輸送至換熱器換熱，換熱后進(jìn)入氣化室氣化；所述原料輸送裝置提供動力，將液體儲存容器中的原料輸送至制氫設(shè)備；所述原料輸送裝置向原料提供1.1?5M Pa的壓強，使得制氫設(shè)備制得的氫氣具有足夠的壓強；
[0033]氣化后的甲醇蒸氣及水蒸氣進(jìn)入重整室，重整室內(nèi)設(shè)有催化劑，重整室下部及中部溫度為350 °C?409 °C;所述重整室上部的溫度為400 °C?570 °C;重整室與分離室通過連接管路連接；所述分離室內(nèi)的溫度設(shè)定為400°C?570°C ;
[0034]所述催化劑包括Pt的氧化物、Pd的氧化物、Cu的氧化物、Fe的氧化物、Zn的氧化物、稀土金屬氧化物、過渡金屬氧化物；其中，貴金屬Pt含量占催化劑總質(zhì)量的0.6%?1.8%，Pd含量占催化劑總質(zhì)量的1.1 %?4%，Cu的氧化物占催化劑總質(zhì)量的6%?12%，F(xiàn)e的氧化物占催化劑總質(zhì)量的3%?8%，Zn的氧化物占催化劑總質(zhì)量的8%?20%，稀土金屬氧化物占催化劑總質(zhì)量的6 %?40 %，其余為過渡金屬氧化物；
[0035]或者，所述催化劑為銅基催化劑，包括物質(zhì)及其質(zhì)量份數(shù)為:3-17份的CuO，3-18份的 ZnO, 0.5-3 份的 ZrO, 55-80 份的 Al2O3,1-3 份的 CeO2,1-3 份的 La2O3;
[0036]所述氫氣發(fā)電裝置連接制氫設(shè)備，將發(fā)出的部分直流電輸送至制氫設(shè)備；制氫設(shè)備通過自己制得的直流電帶動電磁加熱裝置為重整室、分離室加熱；
[0037]所述電磁加熱裝置包括形成重整室的重整缸體、形成分離室的分離缸體，設(shè)置于重整缸體外的第一加熱線圈，分離缸體外的第二加熱線圈，重整缸體、分離缸體內(nèi)的溫度傳感器、壓力傳感器，以及電磁控制器；電磁控制器根據(jù)溫度傳感器、壓力傳感器感應(yīng)到的數(shù)據(jù)控制第一加熱線圈、第二加熱線圈的電流，能使重整室、分離室瞬間達(dá)到設(shè)定溫度；
[0038]所述分離室內(nèi)設(shè)有膜分離器，從膜分離器的產(chǎn)氣端得到氫氣；所述制氫設(shè)備制得的氫氣輸送至膜分離裝置進(jìn)行分離，用于分離氫氣的膜分離裝置的內(nèi)外壓強之差大于等于1.1M Pa ；
[0039]所述膜分離裝置為在多孔陶瓷表面真空鍍鈀銀合金的膜分離裝置，鍍膜層為鈀銀合金，鈀銀合金的質(zhì)量百分比鈀占75%?78%，銀占22%?25% ；
[0040]系統(tǒng)啟動時，通過快速啟動裝置制備氫氣，將制備得到的氫氣輸送至氫氣發(fā)電裝置發(fā)電；而后將發(fā)出的電能啟動制氫設(shè)備；
[0041]所述制氫設(shè)備還包括電能估算模塊、氫氣制備檢測模塊、電能存儲模塊；所述電能估算模塊用以估算氫氣發(fā)電裝置實時發(fā)出的電能是否能滿足重整、分離時需要消耗的電能；如果滿足，則關(guān)閉快速啟動裝置；
[0042]氫氣制備檢測模塊用來檢測制氫設(shè)備實時制備的氫氣是否穩(wěn)定；若制氫設(shè)備制備的氫氣不穩(wěn)定，則控制快速啟動裝置再次啟動，并將得到的電能部分存儲于電能存儲模塊，當(dāng)電能不足以提供制氫設(shè)備的消耗時使用；
[0043]所述氫氣發(fā)電裝置為燃料電池系統(tǒng)，燃料電池系統(tǒng)包括:氣體供給裝置、電堆；所述氣體供給裝置利用壓縮的氣體作為動力，自動輸送至電堆中；
[0044]所述燃料電池系統(tǒng)還包括空氣進(jìn)氣管路、出氣管路；所述壓縮的氣體主要為氧氣；空氣與氧氣在混合容器混合后進(jìn)入電堆；
[0045]所述燃料電池系統(tǒng)還包括氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)；所述氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括閥門調(diào)節(jié)控制裝置，以及氧氣含量傳感器或/和壓縮氣體壓縮比傳感器；
[0046]所述氧氣含量傳感器用以感應(yīng)混合容器中混合的空氣與氧氣中氧氣的含量，并