【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及可再生能源與電、熱、氧、氫協同利用領域，具體涉及融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統。
技術介紹
1、由于高海拔地區空氣稀薄、晝夜溫差大、冰川融水溫度低常年低于10度以下，生活非常艱苦，當地社區居民、邊境哨所基本供電、供熱、供氧和蔬菜供給等基礎設施差，對于電、熱、氧和蔬菜等維持生存生活的重要能源和物資難以有效保障。
2、由于海拔高太陽能資源豐富，但由于地形地貌條件造成光照存在差異，尤其多山環境，光照時間、光伏日滿發小時數都不同，具有光照的獨特性。同時太陽能資源無論是季節還是日與負荷需求匹配度低，寒冷期熱負荷增加，期間太陽能發電減少。反之溫暖期熱負荷減少，期間太陽能發電增加。能否利用太陽能資源解決全年供電、供熱、供氧等生活實際問題，并考慮季節變化，通過制氫、制氧解、生物質解決跨季節能源需求問題，同時考慮經濟性、可操作性、安全性，充分將供電、供熱、跨季節儲能過程的伴生能源合理利用，滿足如空分供氧、蔬菜等的自給自足需求是亟需解決的問題。
技術實現思路
1、為解決上述技術問題，本專利技術提供融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，以光伏發電為能源，以儲電、制熱、儲熱、制氫、壓縮空氣為負荷，基于物理特點和負荷需求通過設備之間的相互協同配合利用。以壓縮空氣密封艙氮氣保護解決供氧問題，以制氫過程產出的氧氣助力生物質或其它鍋爐，產生生活供熱，排出的二氧化碳熱氣供給蔬菜大棚，儲氫通過燃料電池發電補充季節能源不足以及led蔬菜大棚補光提高蔬菜光照
2、本專利技術以太陽能發電為能源供給，以生物質為補充供熱，可以實現：
3、1.?供電：通過儲能變流器化學儲能、電解槽制氫燃料電池解決雙電互補供電問題，其中電解槽制氫燃料電池供電解決跨季節供電問題；
4、2.?供熱：通過光伏水電極鍋爐和生物質鍋爐解決雙熱互補供暖問題，其中生物質鍋爐補充供熱解決跨季節供熱問題；
5、3.?供氧：空壓機壓縮空氣經氮氧分離技術，為密封艙內提供正壓氮氣保護，解決設備高海拔降額、散熱、安全等問題，同時經氮氧分離技術解決空分供氧解決局地生活供氧問題；
6、4.?供鮮食：通過電解槽制氫伴生氧氣為生物質鍋爐助燃，保證生物質充分燃燒，排出的二氧化碳的高溫煙氣，經過慮提供蔬菜大棚的溫度及植物需求的二氧化碳氣體，并通過led補光技術提高植物的光照時間，與二氧化碳氣體配合加速植物光合作用，促進生長。生物質鍋爐產生的熱水提供生活和供暖需求，有條件可魚池養魚，魚排泄物水提供蔬菜營養用水分。
7、本專利技術的原理為：
8、利用密封艙將雙向儲能變流器、儲電電池、燃料電池等裝置置于內，將電解制氫和水電極制熱、儲熱裝置置于另一個相對制氫艙內。生物質鍋爐置于蔬菜大棚與生活住所之間。
9、（一）通過空壓機向密封艙壓縮空氣，保證1個大氣壓，靶向通風換熱，并通過半透膜技術保留氮氣，制造氧氣。實現密封艙內設備氮氣保護，同時解決如下問題：
10、1.?密封艙內1個大氣壓力解決設備降額使用問題；
11、2.?密封艙內正壓解決外面灰塵進入問題；
12、3.?密封艙內氮氣保護主動防火避免火災的發生和設備換熱問題；
13、4.?半透膜技術物理空分制氧解決生活需求；
14、5.?冷水換熱器作為制冷源與密封艙內的氮氣換熱，一方面調節密封艙的溫度，另一方面提升生活用水的溫度。
15、（二）通過電解槽制氫與水電極鍋爐協同配合，適配光伏發電無變流器最大功率點mppt跟蹤，實現高效制氫、制熱，保證長時間生活用電用熱需求；
16、1.?電解槽制氫、儲氫跨季節解決能源需求；
17、2.?電解槽制氧、儲氧助力生物質和其它鍋爐，產生生活用熱；
18、3.?燃料電池發電提供供暖季（跨季節）供電，同時產生純水。
19、（三）采用雙向儲能變流器供電儲電，保證一定時間內的生活用電需求。
20、（四）生物質鍋爐通過燃燒生物質和氧氣助燃，解決跨季節的補充寒冷期生活、蔬菜大棚等熱源。依據植物光合作用原理，利用生物質鍋爐排出的二氧化碳與led補光技術相結合促進植物快速生長。
21、其中，二氧化碳是光合作用的原料，增加二氧化碳的濃度可以增強光合作用，制造的有機物多。因此適當提高環境中的二氧化碳濃度，能夠提高光合作用效率，加快植物生長速度。
22、環境中二氧化碳含量增多后可以促進光合作用提高光合速率，如以下公式：
23、co2+h2o(光照、酶、?葉綠體)==(ch2o)n+o2?；(ch2o)為糖類能量；
24、在一定溫度范圍內（不傷害植物），溫度越高，呼吸作用越強，導致的結果為植物生長周期縮短（快速成長）植株變大，若同時提供氮肥可顯著增產，同時抑制植物的呼吸作用，減少植物消耗的能量。
25、（五）實現高海拔地區熱源管理利用。
26、1.?冷水經密封艙換熱，一方面提高水溫，另一方面吸收密封艙的熱量，對密封艙進行散熱調溫。經密封艙換熱的水經水電極鍋爐進一步的加溫，提高生活用熱質量；
27、2.?由于光伏發電的波動性，考慮制氫的效率和快速響應，利用水電極鍋爐恒溫區與電解液換熱，保證電解槽最佳制氫效率溫度，實現電解槽快速響應光伏波動，提高電解制氫效率；
28、3.?太陽能供電無法實現同時適配雙向儲能變流器、電解槽制氫和水電極儲熱鍋爐的最大功率點mppt跟蹤需求，尤其電解槽制氫電壓相對固定，高效率制氫功率相對范圍較窄，適配光伏最大功率點難度較大。由此需要與水電極鍋爐協同，在光伏發電容量一定時，充分利用太陽能光伏發電最大功率點特性，以及光伏水電極儲熱鍋爐0功率啟動線性加熱特點，通過光伏水電極儲熱鍋爐分別與雙向儲能變流器組合或水電解槽制氫設備組合，實現在光伏發電周期內光伏發電能量優化分配，以及光伏發電最大功率無損消納。即實現雙向儲能變流器的儲能供電、水電解槽制氫、光伏水電極儲熱鍋爐水體加熱、光伏發電最大功率點mppt跟蹤，又保證太陽能發電的最大利用率。
29、為達到上述目的，本專利技術采用如下的技術方案：
30、融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，包括主控制器、密封保溫艙、制氫艙、光伏矩陣、雙向儲能變流器、光伏水電極儲熱鍋爐、制氫單元、供氣單元、生物質鍋爐、蔬菜大棚；雙向儲能變流器、燃料電池置于密封保溫艙內，供氣單元置于密封保溫艙外面；光伏水電極儲熱鍋爐和制氫單元置于制氫艙內；光伏矩陣、密封保溫艙、制氫艙、生物質鍋爐和蔬菜大棚都置于同一區域，光伏矩陣通過電纜分別與密封保溫艙、制氫艙內部設備連接，為密封保溫艙、制氫艙內部設備提供能源；制氫艙通過供氧管道、電解氧氣存儲罐與生物質鍋爐連通；生物質鍋爐通過排煙道、本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，其特征在于，包括主控制器、密封保溫艙、制氫艙、光伏矩陣、雙向儲能變流器、光伏水電極儲熱鍋爐、制氫單元、供氣單元、生物質鍋爐、蔬菜大棚；雙向儲能變流器、燃料電池置于密封保溫艙內，供氣單元置于密封保溫艙外面；光伏水電極儲熱鍋爐和制氫單元置于制氫艙內；光伏矩陣、密封保溫艙、制氫艙、生物質鍋爐和蔬菜大棚都置于同一區域，光伏矩陣通過電纜分別與密封保溫艙、制氫艙內部設備連接，為密封保溫艙、制氫艙內部設備提供能源；制氫艙通過供氧管道、電解氧氣存儲罐與生物質鍋爐連通；生物質鍋爐通過排煙道、煙氣換熱器、粉塵過濾器和供暖管道與蔬菜大棚連通；所述制氫艙置于地面，用于安裝光伏水電極儲熱鍋爐和制氫單元，并對光伏水電極儲熱鍋爐和制氫單元進行保溫，其中光伏水電極儲熱鍋爐與制氫單元并列置于制氫艙內；制氫艙與密封保溫艙放置在生活區附近，保持安全距離。
2.根據權利要求1所述的融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，其特征在于，所述供氣單元包括空壓機、氮氧氣分離膜模塊、浮頂式空分氧氣罐；空壓機置于密封保溫艙外地面，空壓機進氣口與大氣
3.根據權利要求2所述的融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，其特征在于，所述氮氧氣分離膜模塊將空壓機的壓縮氣體進行氮氧分離，并通過氮氧分離膜模塊的氮氣輸出管道將氮氣壓縮到密封保溫艙內，提供密封保溫艙內一定壓力的氮氣；氮氧氣分離膜模塊分離出的氧氣，經過空分氧氣輸出管道貫穿密封保溫艙，將氧氣壓縮到浮頂式空分氧氣罐中，浮頂式空分氧氣罐的一條生活供氧管道經氧氣減壓閥接入生活區，提供生活供氧需求；氧氣減壓閥用于調節供給室內用氧的壓力。
4.根據權利要求1所述的融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，其特征在于，所述光伏矩陣安裝在密封保溫艙和制氫艙周邊；光伏矩陣發電經光伏矩陣匯流輸出電源端分別通過密封保溫艙與雙向儲能變流器電源輸入端連接，通過制氫艙與光伏水電極儲熱鍋爐的正負電極定時切換器、制氫單元電源輸入端連接。
5.根據權利要求1所述的融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，其特征在于，所述密封保溫艙置于高海拔地區，雙向儲能變流器、儲能電池、燃料電池置于密封保溫艙內，供氣單元置于密封保溫艙外側面，并通過氮氣輸出管道與密封保溫艙內連通；密封保溫艙還包括換熱器和減壓閥；主控制器26嵌入安裝在密封保溫艙上。
6.根據權利要求1所述的融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，其特征在于，所述主控制器內嵌觸摸屏、通訊接口，嵌在密封保溫艙壁上；其中，通訊接口通過通訊電纜與所有的設備控制器、分布在所有設備、艙室內外的傳感器、減壓閥連接，主控制器通過通訊接口經通訊電纜讀取所有設備、傳感器、減壓閥的狀態信息，依據控制策略實時對相應設備進行控制；觸摸屏是人機對話窗口，可設置、顯示所有設備狀態；生活供電通過雙向儲能變流器的交流輸出端輸出供電。
7.根據權利要求6所述的融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，其特征在于，傳感器包括壓力和溫度傳感器，分別安裝在密封保溫艙、制氫艙相關的位置上，環境監測儀安裝在光伏矩陣的周邊，傳感器和環境監測儀通過數據線經通訊接口與主控制器交換數據，主控制器通過數據線經通訊接口與雙向儲能變流器控制器、光伏水電極儲熱鍋爐控制器、電解槽制氫控制器、燃料電池控制器交換數據，并依據采集的數據通過控制系統策略對雙向儲能變流器控制器、光伏水電極儲熱鍋爐控制器、電解槽制氫控制器和燃料電池控制器進行控制，保證最佳電量和溫度供給；所有設備的控制器都嵌入安裝在對應的設備上。
8.根據權利要求1所述的融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，其特征在于，還包括換熱器，置于密封保溫艙內，所述換熱器包括換熱器輸入水管道和換熱器輸出水管道，置于密封保溫艙內，換熱器輸入水管道穿過密封保溫艙與外面水源連接，換熱器輸出水管道與光伏水電極儲熱鍋爐的內部連通；冰川融水通過換熱器輸入水管道經換熱器引入到密封保溫艙內，經換熱器與密封保溫艙通過氮氣換熱，換熱出的水經換熱器輸出水管道輸送到光伏水電極儲熱鍋爐，提升進入光伏水電極儲熱鍋爐的水的溫度，為光伏水電極儲熱鍋爐的水預熱，降低光伏水電極儲熱鍋爐加熱的功耗，同時降低密封保溫艙內的溫度。
9.根據權利要求1所述的融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，其特征在于，所述雙向儲能變流器還包括儲能電池，雙向儲能變流器置于密封保溫...
【技術特征摘要】
1.融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，其特征在于，包括主控制器、密封保溫艙、制氫艙、光伏矩陣、雙向儲能變流器、光伏水電極儲熱鍋爐、制氫單元、供氣單元、生物質鍋爐、蔬菜大棚；雙向儲能變流器、燃料電池置于密封保溫艙內，供氣單元置于密封保溫艙外面；光伏水電極儲熱鍋爐和制氫單元置于制氫艙內；光伏矩陣、密封保溫艙、制氫艙、生物質鍋爐和蔬菜大棚都置于同一區域，光伏矩陣通過電纜分別與密封保溫艙、制氫艙內部設備連接，為密封保溫艙、制氫艙內部設備提供能源；制氫艙通過供氧管道、電解氧氣存儲罐與生物質鍋爐連通；生物質鍋爐通過排煙道、煙氣換熱器、粉塵過濾器和供暖管道與蔬菜大棚連通；所述制氫艙置于地面，用于安裝光伏水電極儲熱鍋爐和制氫單元，并對光伏水電極儲熱鍋爐和制氫單元進行保溫，其中光伏水電極儲熱鍋爐與制氫單元并列置于制氫艙內；制氫艙與密封保溫艙放置在生活區附近，保持安全距離。
2.根據權利要求1所述的融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，其特征在于，所述供氣單元包括空壓機、氮氧氣分離膜模塊、浮頂式空分氧氣罐；空壓機置于密封保溫艙外地面，空壓機進氣口與大氣連通，空壓機排氣端嵌入安裝氮氧氣分離膜模塊，氮氧氣分離膜模塊的氮氣輸出管道與密封保溫艙內連通，氮氧氣分離膜模塊的氧氣輸出管道與浮頂式空分氧氣罐連通。
3.根據權利要求2所述的融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，其特征在于，所述氮氧氣分離膜模塊將空壓機的壓縮氣體進行氮氧分離，并通過氮氧分離膜模塊的氮氣輸出管道將氮氣壓縮到密封保溫艙內，提供密封保溫艙內一定壓力的氮氣；氮氧氣分離膜模塊分離出的氧氣，經過空分氧氣輸出管道貫穿密封保溫艙，將氧氣壓縮到浮頂式空分氧氣罐中，浮頂式空分氧氣罐的一條生活供氧管道經氧氣減壓閥接入生活區，提供生活供氧需求；氧氣減壓閥用于調節供給室內用氧的壓力。
4.根據權利要求1所述的融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，其特征在于，所述光伏矩陣安裝在密封保溫艙和制氫艙周邊；光伏矩陣發電經光伏矩陣匯流輸出電源端分別通過密封保溫艙與雙向儲能變流器電源輸入端連接，通過制氫艙與光伏水電極儲熱鍋爐的正負電極定時切換器、制氫單元電源輸入端連接。
5.根據權利要求1所述的融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，其特征在于，所述密封保溫艙置于高海拔地區，雙向儲能變流器、儲能電池、燃料電池置于密封保溫艙內，供氣單元置于密封保溫艙外側面，并通過氮氣輸出管道與密封保溫艙內連通；密封保溫艙還包括換熱器和減壓閥；主控制器26嵌入安裝在密封保溫艙上。
6.根據權利要求1所述的融合電/熱/燃料多能共濟的高海拔地區社區高質生活系統，其特征在于，所述主控制器內嵌觸摸屏、通訊接口，嵌在密封保溫艙壁上；其...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王一波，王哲，趙勇，陳卓，侯艷嬌，國建鴻，陳偉偉，
申請(專利權)人：中國科學院電工研究所，
類型：發明
國別省市：
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