基于燃料電池的建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和趨勢

陳 曦,肖 翀,榮 軍,李文彬

(1.湖南理工學院 信息與通信工程學院,湖南 岳陽 414006; 2.湖南理工學院 南湖學院,湖南 岳陽 414006)

基于燃料電池的建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和趨勢

陳 曦1,肖 翀2,榮 軍1,李文彬1

(1.湖南理工學院 信息與通信工程學院,湖南 岳陽 414006; 2.湖南理工學院 南湖學院,湖南 岳陽 414006)

闡述了目前基于燃料電池的建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在集成分析、熱力性能、綜合評價及多目標優(yōu)化等四個方面的研究進展,分析了聯(lián)供系統(tǒng)在部件耦合關系、驅動系統(tǒng)形式、評價指標、優(yōu)化方法研究中存在的問題,提出了研究的方向和趨勢.

燃料電池; 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng); 集成分析; 熱力性能; 多目標優(yōu)化

0 引言

建筑冷熱源是建筑能耗的主要來源.傳統(tǒng)的建筑冷熱源存在兩方面的問題: 一方面,傳統(tǒng)建筑冷熱源主要靠電驅動,而傳統(tǒng)火力發(fā)電廠發(fā)電,經電網輸變電到達建筑用戶過程中損耗巨大,能量利用效率較低,一次能源浪費嚴重; 另一方面,化石燃料燃燒發(fā)電產生的污染氣體對環(huán)境造成重大破壞,危害人們的生存健康.為克服傳統(tǒng)冷熱源存在的缺點,采用基于燃料電池的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),通過能量梯級利用,借助高發(fā)電效率的燃料電池設備,從根本上提升能量系統(tǒng)效率,減少環(huán)境污染是實現(xiàn)建筑節(jié)能減排的有效途徑.

1 燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是一種基于能量梯級利用的分布式能源系統(tǒng).系統(tǒng)借助燃料電池作為驅動裝置,利用氫氣或富氫燃料進行發(fā)電,將蘊含在燃料中的大部分化學能以較高的效率轉換成電能,另一部分化學能在發(fā)電過程中以余熱的形式通過余熱回收設備(例如: 余熱鍋爐、吸附式制冷機、吸收式制冷機、換熱器等)回收并加以利用,進一步向用戶提供采暖、制冷和生活熱水等.燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)一共包含四個系統(tǒng): 燃料處理子系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、電力電子子系統(tǒng)、余熱回收子系統(tǒng),如圖1所示.首先,燃料處理子系統(tǒng)將富氫燃料重整為氫氣,并輸送至燃料電池系統(tǒng)進行發(fā)電.然后,電力電子子系統(tǒng)將燃料電池產生的直流電轉化為交流電供建筑物使用或并入電網; 最后,余熱回收子系統(tǒng)將燃料電池發(fā)電產生的余熱回收、儲存,通過吸收、吸附式制冷機制冷,或利用換熱器和供熱管網給用戶供熱及提供熱水.

圖1 燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)

2 研究現(xiàn)狀

自上世紀90年代開始,隨著燃料電池研究的快速發(fā)展,基于燃料電池的(冷)熱電研究也得到了廣泛的關注.以美國、日本和歐洲為代表的發(fā)達國家(地區(qū))的企業(yè)和研究機構率先投入了大量資金和成本,著力開展燃料電池聯(lián)供系統(tǒng)的研究工作.我國的相關研究也緊隨其后,在近十年里取得長足的進步和可觀的成果.目前國內外對基于燃料電池的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)研究主要集中在以下幾個方面: 系統(tǒng)集成研究、熱力性能分析、系統(tǒng)評價、系統(tǒng)優(yōu)化四個方面.

2.1 系統(tǒng)集成研究

基于燃料電池的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)集成研究是近幾年興起的,旨在提升聯(lián)供系統(tǒng)效率、經濟性和可持續(xù)性的新研究領域.集成系統(tǒng)將燃料電池與其他熱機設備耦合形成新的混合動力系統(tǒng)作為聯(lián)供系統(tǒng)驅動裝置.目前,該領域的研究工作還處于起步階段,已開展的研究主要集中在燃料電池—燃氣輪機耦合驅動系統(tǒng)(FC-GT)、燃料電池—太陽能利用設備耦合驅動系統(tǒng)、燃料電池—風力發(fā)電設備耦合驅動系統(tǒng)等.Ishak[1]提出了一種基于SOFC、燃氣輪機(GT)和氨水制冷的混合冷熱電聯(lián)供系統(tǒng).該系統(tǒng)中,燃料電池陽極排出的未反應完全的氫氣進入燃氣輪機進行進一步燃燒發(fā)電,提升了系統(tǒng)的燃料利用率.此外,還研究了氨水制冷在熱力性能和系統(tǒng)成本等方面的影響,對比了基于兩種不同SOFC聯(lián)供系統(tǒng)熱力性能.結果表明基于氫質子傳導的SOFC聯(lián)供系統(tǒng)具有更高的效率.Moller[2]建立了基于生物質氣化制氫、SOFC和燃氣輪機的冷熱電混合熱電聯(lián)供系統(tǒng)模型.對比了SOFC、GT和SOFC-GT三種系統(tǒng)的發(fā)電效率,結果表明SOFC-GT的發(fā)電效率最高,達到50.3%.原因是SOFC排出的未反應完的氫氣被GT燃燒并發(fā)電,提升了系統(tǒng)整體發(fā)電效率.Velumani[3]設計了一個具有230kW 電輸出功率的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),包括200kW的SOFC電堆,30kW的微型燃氣輪機和一個單效吸收式制冷機.系統(tǒng)的熱效率可到達70～75%,但SOFC的高溫冷卻水中的余熱并未加以利用,效率有進一步提升的空間.Zafar[4]研究了一種新型光伏發(fā)電/供熱系統(tǒng)(PV/T).系統(tǒng)由光伏電池和燃料電池組成,可提供電力、暖氣、飲用水和氫氣.光伏電池發(fā)電,滿足用戶電力需求,同時多余的電力用于電解水制造氫氣供燃料電池使用.燃料電池發(fā)電產生的水用于制造飲用水.Akikur[5]提出了一個基于太陽能和SOFC的熱電聯(lián)供系統(tǒng).詳細介紹了系統(tǒng)根據環(huán)境變化所采取的三種供能模式: 太陽能 SOFC協(xié)同供能模式; 太陽能發(fā)電制氫模式; SOFC供能模式.當日照輻射較低時,太陽能光伏電池(PV)和SOFC協(xié)同發(fā)電供熱; 當日照輻射強時,由PV發(fā)電供能,并將多余的電量用于電解水制取氫氣并儲存; 夜間沒有日照,由SOFC獨立進行發(fā)電供熱.

2.2 熱力性能研究

熱力性能研究是體現(xiàn)燃料電池聯(lián)供系統(tǒng)能源利用效率和提升系統(tǒng)各項熱力學指標的重要依據和途徑,也是最受研究者們關注的領域.目前,對于燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的熱力性能研究主要集中在對系統(tǒng)的輸出功率、能量效率、?效率等熱力性能指標的分析和討論,并取得了一定的成果.Ozcan[6]對一個基于SOFC、太陽能有機朗肯循環(huán)(ORC)和溴化鋰吸收式制冷機的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行了熱力性能研究.SOFC排出的富氫廢氣進入燃燒器燃燒放熱,并用于制冷機制冷和太陽能有機朗肯循環(huán)(發(fā)電).在最佳狀態(tài)下,系統(tǒng)的能量效率和?效率分別達到85.1%和36.62%,比傳統(tǒng)的SOFC系統(tǒng)高56.25%和15.44%.Vadiee[7]對應用于商業(yè)溫室的 PEMFC系統(tǒng)進行了熱力性能分析,在該系統(tǒng)中,一方面,燃料電池為溫室提供電力和熱量; 另一方面,利用溫室產生的具有一定溫度和濕度的溫室氣體對燃料電池的進氣進行加熱和增濕,提升了PEMFC系統(tǒng)的性能.結果表明,3kW的PEMFC系統(tǒng)可實現(xiàn)對1000m2商業(yè)溫室全年25%和10%的電力和熱力供應.Yu[8]提出了一種基于SOFC和吸收式制冷機的冷電聯(lián)供系統(tǒng).SOFC排出的氣體經燃燒器燃燒后釋放熱量,并用于吸收式制冷.通過參數分析,討論了電流密度、燃料利用率對燃料電池效率、制冷效率和總體系統(tǒng)效率的影響.Hwang[9]對基于PEMFC的熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行了參數分析,研究了燃料流量、冷卻水流量、系統(tǒng)溫度和燃料濕度對聯(lián)供系統(tǒng)熱、電效率和總效率的影響.結果表明,當系統(tǒng)電輸出功率分別為3kW、4kW和5kW時,系統(tǒng)總效率分別為64%、76.6%和82.9%.Kuo[10]對一個基于PEMFC的熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行了實驗和建模仿真研究,如圖2所示.該系統(tǒng)包括PEMFC電堆,熱回收裝置,熱水管以及其他附屬設備.結果表明,仿真結果與實驗數據的一致率達 95%以上,系統(tǒng)總效率達到 93%以上,其中電、熱效率分別達53%和39%.

圖2 基于PEMFC的熱電聯(lián)供系統(tǒng)

2.3 系統(tǒng)評價

除了熱力性能,關于燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的評價也得到了廣泛研究.對于燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研究,如果說熱力性能分析是研究手段,那么系統(tǒng)的評價便是研究目的.因為系統(tǒng)評價作為描述系統(tǒng)研究、發(fā)展、應用的顯性指標,直接決定了系統(tǒng)研究的目的、意義和價值.目前,對于燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的評價研究主要集中在系統(tǒng)的經濟評價和環(huán)境評價兩方面.經濟評價主要涉及系統(tǒng)投資成本、運行成本、凈現(xiàn)值、回收周期等經濟指標評價,以及?經濟評價、熱經濟評價、?環(huán)境評價,旨在衡量系統(tǒng)的實際應用的可行性.環(huán)境評價主要涉及溫室氣體(GHG)減排量、二氧化碳減排量等指標,以體現(xiàn)與傳統(tǒng)化石能源驅動的能量系統(tǒng)相比,燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在環(huán)境保護方面的優(yōu)勢.Staffell[11]對英國的小(微)型家用燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行了詳細的經濟性調查和研究,結果表明,與傳統(tǒng)的冷凝式鍋爐相比,1kWe的燃料電池每年可節(jié)約170～300€的成本,當燃料電池壽命達到2.5年時,每年可節(jié)約350～625€; 降低燃料電池容量,延長使用壽命可加快燃料電池商業(yè)化的進度.Ren[12]對不同種類的日本家用微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)的經濟性和環(huán)境影響進行了評價.結果表明,基于燃料電池的系統(tǒng),在經濟性和環(huán)境影響方面都有更好的表現(xiàn),每年可節(jié)省26%的能源成本,降低9%的二氧化碳排放量.Chitsaz[13]對SOFC驅動的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行了?經濟分析,研究了主要操作參數對系統(tǒng)?經濟的影響.結果表明,增加電流密度和進氣溫度會分別提高和降低系統(tǒng)的輸出電功率?成本.系統(tǒng)最大和最小的單位產品?成本分別為34.2$/GJ和26.5$/GJ.Colson[14]對基于SOFC的熱電聯(lián)供系統(tǒng)的環(huán)境影響進行了評價,結合美國各地區(qū)的用能情況,分析了系統(tǒng)在污染物減排量方面的表現(xiàn).結果表明,美國西北部環(huán)太平洋地區(qū)和東部、中部地區(qū)的SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng),每年可分別節(jié)約112084$和115820$的經濟成本,分別減少690.7噸和1320噸二氧化碳的排放量.

2.4 系統(tǒng)優(yōu)化

基于燃料電池的冷熱電系統(tǒng)優(yōu)化研究是近些年取得突飛猛進的一個領域,是提升燃料電池冷熱電系統(tǒng)各方面性能的有效手段,吸引了眾多交叉學科的研究者們的關注.目前,優(yōu)化的目標主要包括: 熱力性能(能量效率、?效率、電功率)、經濟行為(投資成本、能量成本、回收周期)、環(huán)境影響(污染物減排量)等方面.優(yōu)化的方法主要有: 線性規(guī)劃(LP)、非線性規(guī)劃(NLP)、遺傳算法(GA)、其他進化算法等[15].Abdollahi[16]對一個家用小型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行了多目標優(yōu)化研究,優(yōu)化目標為系統(tǒng)?效率、系統(tǒng)經濟成本和環(huán)境成本.分別采用了進化算法和線性規(guī)劃對系統(tǒng)進行優(yōu)化,結果表明,前者結果比后者在?效率、經濟成本方面分別高 2.52%和 7.97%,環(huán)境成本低 3.18%.Mamaghani[17]運用遺傳算法對基于HT-PEMFC的微型熱電聯(lián)供電站進行了長周期經濟性分析和優(yōu)化,考慮了燃料電池在長周期運行情況下的性能退化情況.分別將發(fā)電效率和總成本支出作為目標函數,對電流密度、水碳比、鍋爐出口溫度等參數作為優(yōu)化變量.結果表明,優(yōu)化后的系統(tǒng)電效率為27.07%,比優(yōu)化前高1%.Shirazi[18]對基于內部重整器的 SOFC-GT混合系統(tǒng)進行了多目標優(yōu)化研究.分別將?效率和系統(tǒng)總成本(包括: 投資和維護成本、運行成本和環(huán)境成本)作為優(yōu)化目標,運用TOPSIS決策方法對Pareto曲線進行決策,得到最優(yōu)參數集.優(yōu)化后的系統(tǒng)可實現(xiàn)65.6%的?效率和3280000$ 的年均總成本,以及6.14年的回收周期.Wang[19]對基于燃氣鍋爐的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行了多目標優(yōu)化.優(yōu)化目標包括: 一次能源節(jié)約率、年投資成本以及二氧化碳減排量.以北京某賓館的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)作為應用實例,將熱/電比、制冷功率和燃氣鍋爐的功率作為優(yōu)化變量進行了優(yōu)化.

3 發(fā)展趨勢

根據以上分析,燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研究還存在以下幾個方面的問題: 首先,目前對基于燃料電池的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的熱力學行為的研究主要側重于系統(tǒng)總體熱力性能方面,而對燃料電池與聯(lián)供系統(tǒng)內部各部件的耦合關系缺乏研究; 其次,燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的驅動形式較為單一,系統(tǒng)的能量效率和魯棒性有待進一步提升; 再次,燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的綜合評價方法和相應的評價指標尚未形成較為統(tǒng)一的標準,不同評價標準所得到的結論差異較大; 最后,燃料電池系統(tǒng)和基于燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的多目標優(yōu)化手段有待進一步豐富,尋優(yōu)效果和求解效率有待提升.針對這些問題,為進一步提升聯(lián)供系統(tǒng)熱力學性能及系統(tǒng)在經濟和環(huán)境方面的表現(xiàn),可在如下方面開展進一步的研究:

(1)研究聯(lián)供系統(tǒng)內部各主要部件之間的熱力學行為關系,從內部分析造成能量損失的環(huán)節(jié),尋找解決辦法,使聯(lián)供系統(tǒng)的部件和整體效率得到進一步提升.

(2)建立基于太陽能、風能、地熱能和燃料電池的混合可再生能源驅動聯(lián)供系統(tǒng),借助能源的地域分布特點,因地制宜地建立相應的混合多熱源聯(lián)供系統(tǒng),減少燃料電池聯(lián)供系統(tǒng)對氫能的依賴,增強系統(tǒng)魯棒性,提升系統(tǒng)效率.

(3)針對基于可再生能源的能量系統(tǒng)構建統(tǒng)一的經濟評價和環(huán)境評價指標,為類似系統(tǒng)的綜合評價提供更為準確、客觀的依據.

(4)對于燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的多目標優(yōu)化問題,隨著優(yōu)化目標的增加,傳統(tǒng)的優(yōu)化手段在處理三維或高維優(yōu)化問題方面存在著計算效率低、種群分布不均勻等問題.可嘗試引入基于分解的多目標進化算法等類似手段,借助其在處理多維優(yōu)化問題上的高效率、種群分布均勻的優(yōu)點對聯(lián)供系統(tǒng)進行優(yōu)化.

4 結論

本文對基于燃料電池的建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進行了梳理,闡述了系統(tǒng)在集成分析、熱力性能、綜合評價及多目標優(yōu)化等四個方面的研究進展,分析了聯(lián)供系統(tǒng)在部件耦合關系、驅動系統(tǒng)形式、評價指標、優(yōu)化方法研究中存在的問題,并在此基礎上指明了系統(tǒng)內部耦合關系研究、混合可再生能源系統(tǒng)、規(guī)范評價標準、高效多維優(yōu)化算法是燃料電池建筑冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)今后的發(fā)展方向和趨勢.

[1]Ishak F,Dincer I,Zamfirescu C.Energy and exergy analyses of direct ammonia solid oxide fuel cell integrated with gas turbine power cycle[J].Journal of Power Sources,2012,212: 73～85

[2]Bangm?ller C andRokni M.Thermodynamic performance study of biomass gasification,solid oxide fuel cell and micro gas turbine hybrid systems[J].Energy Conversion and Management,2010,51(11): 2330～2339

[3]Velumani S,Guzmán CE,Peniche R.Proposal of a hybrid CHP system: SOFC/microturbine/absorption chiller[J].International Journal of Energy Research,2010,34(12): 1088～1095

[4]Zafar S,Dincer I.Thermodynamic analysis of a combined PV/T–fuel cell system for power,heat,fresh water and hydrogen production[J].International Journal of Hydrogen Energy,2014,39(19): 9962～9972

[5]Akikur RK,SaidurR,Ping HW,et al.Performance analysis of a co-generation system using solar energy and SOFC technology[J].Energy Conversion and Management,2014,79: 415～430

[6]Ozcan H,Dincer I.Thermodynamic Analysis of an Integrated SOFC,Solar ORC and Absorption Chiller for Tri-generation Applications[J].Fuel Cells,2013,13(5): 781～793

[7]Vadiee A,YaghoubiM,Sardella M,et al.Energy analysis of fuel cell system for commercial greenhouse application – A feasibility study[J].Energy Conversion and Management,2015,89: 925～932

[8]Yu Z,Han J,CaoX.Analysis of total energy system based on solid oxide fuel cell for combined cooling and power applications[J].International Journal of Hydrogen Energy,2010,35(7): 2703～2707

[9]Hwang JJ,Wang PC,Kuo JK.Simulation and Experiment of a Cogeneration System Based on Proton Exchange Membrane Fuel Cell[J].Fuel Cells,2012,12(3): 326～334

[10]Kuo JK,Hwang JJ,Lin CH.Performance Analysis of a Stationary Fuel Cell Thermoelectric Cogeneration System[J].Fuel Cells,2012,12(6): 1104～1114

[11]Staffell I,Green R.The cost of domestic fuel cell micro-CHP systems[J].International Journal of Hydrogen Energy,2013,38(2): 1088～1102

[12]Ren H,Gao W.Economic and environmental evaluation of micro CHP systems with different operating modes for residential buildings in Japan[J].Energy and Buildings,2010,42(6): 853～861

[13]Chitsaz A,Mehr AS,Mahmoudi SMS.Exergoeconomic analysis of a trigeneration system driven by a solid oxide fuel cell[J].Energy Conversion and Management,2015,106: 921～931

[14]Colson CM,Nehrir MH.Evaluating the Benefits of a Hybrid Solid Oxide Fuel Cell Combined Heat and Power Plant for Energy Sustainability and Emissions Avoidance[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2011,26(1): 140～148

[15]ünalAN,Ercan S,Kayakutlu G.Optimisation studies on tri-generation: a review[J].International Journal of Energy Research,2015,39(10): 1311～1334

[16]Abdollahi G,Sayyaadi H.Application of the multi-objective optimization and risk analysis for the sizing of a residential small-scale CCHP system[J].Energy and Buildings,2013,60: 330～344

[17]Mamaghani AH,Najafi B,Casalegno A,et al.Long-term economic analysis and optimization of an HT-PEM fuel cell based micro combined heat and power plant[J].Applied Thermal Engineering,2016,99: 1201～1211

[18]ShiraziA,AminyavariM,Najafi B,et al.Thermal–economic–environmental analysis and multi-objective optimization of an internal-reforming solid oxide fuel cell–gas turbine hybrid system[J].International Journal of Hydrogen Energy,2012,37(24): 19111～19124

[19]Wang JJ,Jing YY,Zhang CF.Optimization of capacity and operation for CCHP system by genetic algorithm[J].Applied Energy,2010,87(4): 1325～1335

Research Progress and Direction of Fuel Cell based Building Combined Cooling Heating and Power System

CHEN Xi1,XIAO Chong2,RONG Jun1,LI wenbin1
(1.College of Information and Communication Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China;2.Nanhu College,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

We described the research progresses of fuel cellg,based on combined cooling heating and power system in regard to integrated analysis,thermodynamic performance,synthesis assessment and multi-objective optimization,and analyzed the problems of components coupling,power system,evaluation index and optimization method in the combined system research,and presented the future research directions.

fuel cell,combined cooling heating and power system,integrated analysis,thermodynamic performance,multi-objective optimization

TK91 文獻標識碼: A 文章編號: 1672-5298(2017)02-0081-05

2017-03-20

湖南省自然科學基金項目(2017JJ3095)

陳 曦(1985- ),男,湖南岳陽人,博士,湖南理工學院信息與通信工程學院講師.主要研究方向: 燃料電池,可再生能源利用系統(tǒng)

肖 翀(1985- ),女,湖南岳陽人,碩士,湖南理工學院南湖學院講師.主要研究方向: 現(xiàn)代邏輯及其應用,思想政治教育