基于燃料电池的建筑冷热电联供系统研究现状和趋势

陈 曦,肖 翀,荣 军,李文彬

(1.湖南理工学院 信息与通信工程学院,湖南 岳阳 414006; 2.湖南理工学院 南湖学院,湖南 岳阳 414006)

基于燃料电池的建筑冷热电联供系统研究现状和趋势

陈 曦1,肖 翀2,荣 军1,李文彬1

(1.湖南理工学院 信息与通信工程学院,湖南 岳阳 414006; 2.湖南理工学院 南湖学院,湖南 岳阳 414006)

阐述了目前基于燃料电池的建筑冷热电联供系统在集成分析、热力性能、综合评价及多目标优化等四个方面的研究进展,分析了联供系统在部件耦合关系、驱动系统形式、评价指标、优化方法研究中存在的问题,提出了研究的方向和趋势.

燃料电池; 冷热电联供系统; 集成分析; 热力性能; 多目标优化

0 引言

建筑冷热源是建筑能耗的主要来源.传统的建筑冷热源存在两方面的问题: 一方面,传统建筑冷热源主要靠电驱动,而传统火力发电厂发电,经电网输变电到达建筑用户过程中损耗巨大,能量利用效率较低,一次能源浪费严重; 另一方面,化石燃料燃烧发电产生的污染气体对环境造成重大破坏,危害人们的生存健康.为克服传统冷热源存在的缺点,采用基于燃料电池的冷热电联供系统,通过能量梯级利用,借助高发电效率的燃料电池设备,从根本上提升能量系统效率,减少环境污染是实现建筑节能减排的有效途径.

1 燃料电池冷热电联供系统

燃料电池冷热电联供系统是一种基于能量梯级利用的分布式能源系统.系统借助燃料电池作为驱动装置,利用氢气或富氢燃料进行发电,将蕴含在燃料中的大部分化学能以较高的效率转换成电能,另一部分化学能在发电过程中以余热的形式通过余热回收设备(例如: 余热锅炉、吸附式制冷机、吸收式制冷机、换热器等)回收并加以利用,进一步向用户提供采暖、制冷和生活热水等.燃料电池冷热电联供系统一共包含四个系统: 燃料处理子系统、燃料电池系统、电力电子子系统、余热回收子系统,如图1所示.首先,燃料处理子系统将富氢燃料重整为氢气,并输送至燃料电池系统进行发电.然后,电力电子子系统将燃料电池产生的直流电转化为交流电供建筑物使用或并入电网; 最后,余热回收子系统将燃料电池发电产生的余热回收、储存,通过吸收、吸附式制冷机制冷,或利用换热器和供热管网给用户供热及提供热水.

图1 燃料电池冷热电联供系统

2 研究现状

自上世纪90年代开始,随着燃料电池研究的快速发展,基于燃料电池的(冷)热电研究也得到了广泛的关注.以美国、日本和欧洲为代表的发达国家(地区)的企业和研究机构率先投入了大量资金和成本,着力开展燃料电池联供系统的研究工作.我国的相关研究也紧随其后,在近十年里取得长足的进步和可观的成果.目前国内外对基于燃料电池的冷热电联供系统研究主要集中在以下几个方面: 系统集成研究、热力性能分析、系统评价、系统优化四个方面.

2.1 系统集成研究

基于燃料电池的冷热电联供系统集成研究是近几年兴起的,旨在提升联供系统效率、经济性和可持续性的新研究领域.集成系统将燃料电池与其他热机设备耦合形成新的混合动力系统作为联供系统驱动装置.目前,该领域的研究工作还处于起步阶段,已开展的研究主要集中在燃料电池—燃气轮机耦合驱动系统(FC-GT)、燃料电池—太阳能利用设备耦合驱动系统、燃料电池—风力发电设备耦合驱动系统等.Ishak[1]提出了一种基于SOFC、燃气轮机(GT)和氨水制冷的混合冷热电联供系统.该系统中,燃料电池阳极排出的未反应完全的氢气进入燃气轮机进行进一步燃烧发电,提升了系统的燃料利用率.此外,还研究了氨水制冷在热力性能和系统成本等方面的影响,对比了基于两种不同SOFC联供系统热力性能.结果表明基于氢质子传导的SOFC联供系统具有更高的效率.Moller[2]建立了基于生物质气化制氢、SOFC和燃气轮机的冷热电混合热电联供系统模型.对比了SOFC、GT和SOFC-GT三种系统的发电效率,结果表明SOFC-GT的发电效率最高,达到50.3%.原因是SOFC排出的未反应完的氢气被GT燃烧并发电,提升了系统整体发电效率.Velumani[3]设计了一个具有230kW 电输出功率的冷热电联供系统,包括200kW的SOFC电堆,30kW的微型燃气轮机和一个单效吸收式制冷机.系统的热效率可到达70～75%,但SOFC的高温冷却水中的余热并未加以利用,效率有进一步提升的空间.Zafar[4]研究了一种新型光伏发电/供热系统(PV/T).系统由光伏电池和燃料电池组成,可提供电力、暖气、饮用水和氢气.光伏电池发电,满足用户电力需求,同时多余的电力用于电解水制造氢气供燃料电池使用.燃料电池发电产生的水用于制造饮用水.Akikur[5]提出了一个基于太阳能和SOFC的热电联供系统.详细介绍了系统根据环境变化所采取的三种供能模式: 太阳能 SOFC协同供能模式; 太阳能发电制氢模式; SOFC供能模式.当日照辐射较低时,太阳能光伏电池(PV)和SOFC协同发电供热; 当日照辐射强时,由PV发电供能,并将多余的电量用于电解水制取氢气并储存; 夜间没有日照,由SOFC独立进行发电供热.

2.2 热力性能研究

热力性能研究是体现燃料电池联供系统能源利用效率和提升系统各项热力学指标的重要依据和途径,也是最受研究者们关注的领域.目前,对于燃料电池冷热电联供系统的热力性能研究主要集中在对系统的输出功率、能量效率、㶲效率等热力性能指标的分析和讨论,并取得了一定的成果.Ozcan[6]对一个基于SOFC、太阳能有机朗肯循环(ORC)和溴化锂吸收式制冷机的冷热电联供系统进行了热力性能研究.SOFC排出的富氢废气进入燃烧器燃烧放热,并用于制冷机制冷和太阳能有机朗肯循环(发电).在最佳状态下,系统的能量效率和㶲效率分别达到85.1%和36.62%,比传统的SOFC系统高56.25%和15.44%.Vadiee[7]对应用于商业温室的 PEMFC系统进行了热力性能分析,在该系统中,一方面,燃料电池为温室提供电力和热量; 另一方面,利用温室产生的具有一定温度和湿度的温室气体对燃料电池的进气进行加热和增湿,提升了PEMFC系统的性能.结果表明,3kW的PEMFC系统可实现对1000m2商业温室全年25%和10%的电力和热力供应.Yu[8]提出了一种基于SOFC和吸收式制冷机的冷电联供系统.SOFC排出的气体经燃烧器燃烧后释放热量,并用于吸收式制冷.通过参数分析,讨论了电流密度、燃料利用率对燃料电池效率、制冷效率和总体系统效率的影响.Hwang[9]对基于PEMFC的热电联供系统进行了参数分析,研究了燃料流量、冷却水流量、系统温度和燃料湿度对联供系统热、电效率和总效率的影响.结果表明,当系统电输出功率分别为3kW、4kW和5kW时,系统总效率分别为64%、76.6%和82.9%.Kuo[10]对一个基于PEMFC的热电联供系统进行了实验和建模仿真研究,如图2所示.该系统包括PEMFC电堆,热回收装置,热水管以及其他附属设备.结果表明,仿真结果与实验数据的一致率达 95%以上,系统总效率达到 93%以上,其中电、热效率分别达53%和39%.

图2 基于PEMFC的热电联供系统

2.3 系统评价

除了热力性能,关于燃料电池冷热电联供系统的评价也得到了广泛研究.对于燃料电池冷热电联供系统的研究,如果说热力性能分析是研究手段,那么系统的评价便是研究目的.因为系统评价作为描述系统研究、发展、应用的显性指标,直接决定了系统研究的目的、意义和价值.目前,对于燃料电池冷热电联供系统的评价研究主要集中在系统的经济评价和环境评价两方面.经济评价主要涉及系统投资成本、运行成本、净现值、回收周期等经济指标评价,以及㶲经济评价、热经济评价、㶲环境评价,旨在衡量系统的实际应用的可行性.环境评价主要涉及温室气体(GHG)减排量、二氧化碳减排量等指标,以体现与传统化石能源驱动的能量系统相比,燃料电池冷热电联供系统在环境保护方面的优势.Staffell[11]对英国的小(微)型家用燃料电池热电联供系统进行了详细的经济性调查和研究,结果表明,与传统的冷凝式锅炉相比,1kWe的燃料电池每年可节约170～300€的成本,当燃料电池寿命达到2.5年时,每年可节约350～625€; 降低燃料电池容量,延长使用寿命可加快燃料电池商业化的进度.Ren[12]对不同种类的日本家用微型热电联供系统的经济性和环境影响进行了评价.结果表明,基于燃料电池的系统,在经济性和环境影响方面都有更好的表现,每年可节省26%的能源成本,降低9%的二氧化碳排放量.Chitsaz[13]对SOFC驱动的冷热电联供系统进行了㶲经济分析,研究了主要操作参数对系统㶲经济的影响.结果表明,增加电流密度和进气温度会分别提高和降低系统的输出电功率㶲成本.系统最大和最小的单位产品㶲成本分别为34.2$/GJ和26.5$/GJ.Colson[14]对基于SOFC的热电联供系统的环境影响进行了评价,结合美国各地区的用能情况,分析了系统在污染物减排量方面的表现.结果表明,美国西北部环太平洋地区和东部、中部地区的SOFC热电联供系统,每年可分别节约112084$和115820$的经济成本,分别减少690.7吨和1320吨二氧化碳的排放量.

2.4 系统优化

基于燃料电池的冷热电系统优化研究是近些年取得突飞猛进的一个领域,是提升燃料电池冷热电系统各方面性能的有效手段,吸引了众多交叉学科的研究者们的关注.目前,优化的目标主要包括: 热力性能(能量效率、㶲效率、电功率)、经济行为(投资成本、能量成本、回收周期)、环境影响(污染物减排量)等方面.优化的方法主要有: 线性规划(LP)、非线性规划(NLP)、遗传算法(GA)、其他进化算法等[15].Abdollahi[16]对一个家用小型冷热电联供系统进行了多目标优化研究,优化目标为系统㶲效率、系统经济成本和环境成本.分别采用了进化算法和线性规划对系统进行优化,结果表明,前者结果比后者在㶲效率、经济成本方面分别高 2.52%和 7.97%,环境成本低 3.18%.Mamaghani[17]运用遗传算法对基于HT-PEMFC的微型热电联供电站进行了长周期经济性分析和优化,考虑了燃料电池在长周期运行情况下的性能退化情况.分别将发电效率和总成本支出作为目标函数,对电流密度、水碳比、锅炉出口温度等参数作为优化变量.结果表明,优化后的系统电效率为27.07%,比优化前高1%.Shirazi[18]对基于内部重整器的 SOFC-GT混合系统进行了多目标优化研究.分别将㶲效率和系统总成本(包括: 投资和维护成本、运行成本和环境成本)作为优化目标,运用TOPSIS决策方法对Pareto曲线进行决策,得到最优参数集.优化后的系统可实现65.6%的㶲效率和3280000$ 的年均总成本,以及6.14年的回收周期.Wang[19]对基于燃气锅炉的冷热电联供系统进行了多目标优化.优化目标包括: 一次能源节约率、年投资成本以及二氧化碳减排量.以北京某宾馆的冷热电联供系统作为应用实例,将热/电比、制冷功率和燃气锅炉的功率作为优化变量进行了优化.

3 发展趋势

根据以上分析,燃料电池冷热电联供系统的研究还存在以下几个方面的问题: 首先,目前对基于燃料电池的冷热电联供系统的热力学行为的研究主要侧重于系统总体热力性能方面,而对燃料电池与联供系统内部各部件的耦合关系缺乏研究; 其次,燃料电池冷热电联供系统的驱动形式较为单一,系统的能量效率和鲁棒性有待进一步提升; 再次,燃料电池冷热电联供系统的综合评价方法和相应的评价指标尚未形成较为统一的标准,不同评价标准所得到的结论差异较大; 最后,燃料电池系统和基于燃料电池冷热电联供系统的多目标优化手段有待进一步丰富,寻优效果和求解效率有待提升.针对这些问题,为进一步提升联供系统热力学性能及系统在经济和环境方面的表现,可在如下方面开展进一步的研究:

(1)研究联供系统内部各主要部件之间的热力学行为关系,从内部分析造成能量损失的环节,寻找解决办法,使联供系统的部件和整体效率得到进一步提升.

(2)建立基于太阳能、风能、地热能和燃料电池的混合可再生能源驱动联供系统,借助能源的地域分布特点,因地制宜地建立相应的混合多热源联供系统,减少燃料电池联供系统对氢能的依赖,增强系统鲁棒性,提升系统效率.

(3)针对基于可再生能源的能量系统构建统一的经济评价和环境评价指标,为类似系统的综合评价提供更为准确、客观的依据.

(4)对于燃料电池冷热电联供系统的多目标优化问题,随着优化目标的增加,传统的优化手段在处理三维或高维优化问题方面存在着计算效率低、种群分布不均匀等问题.可尝试引入基于分解的多目标进化算法等类似手段,借助其在处理多维优化问题上的高效率、种群分布均匀的优点对联供系统进行优化.

4 结论

本文对基于燃料电池的建筑冷热电联供系统的研究现状进行了梳理,阐述了系统在集成分析、热力性能、综合评价及多目标优化等四个方面的研究进展,分析了联供系统在部件耦合关系、驱动系统形式、评价指标、优化方法研究中存在的问题,并在此基础上指明了系统内部耦合关系研究、混合可再生能源系统、规范评价标准、高效多维优化算法是燃料电池建筑冷热电联供系统今后的发展方向和趋势.

[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]Bangmøller 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 文献标识码: A 文章编号: 1672-5298(2017)02-0081-05

2017-03-20

湖南省自然科学基金项目(2017JJ3095)

陈 曦(1985- ),男,湖南岳阳人,博士,湖南理工学院信息与通信工程学院讲师.主要研究方向: 燃料电池,可再生能源利用系统

肖 翀(1985- ),女,湖南岳阳人,硕士,湖南理工学院南湖学院讲师.主要研究方向: 现代逻辑及其应用,思想政治教育