一种野外应急可再生能源管理系统及其实施方法

摘要

本发明涉及一种基于可再生燃料电池的野外应急可再生能源管理系统及其实施方法，由太阳能电池、燃料电池、蓄电池、储氢瓶、水罐、逆变器、负载、可编程逻辑能源控制单元和无线收发模块等单元互相连接组成。通过可编程逻辑能源控制中心的智能化管理，实现太阳能的有效利用，系统电力不足时通过GPRS向指挥中心发送信号；该系统具有智能化、长时间供电、无人值守等特点，使管理系统的总体能量转换效率高于10％。

说明书

技术领域

本发明涉及一种野外应急可再生能源管理系统及其实施方法，属于先进能源技术领域。

背景技术

常规煤电给人类带来了巨大的环境污染，直接威胁人类的生存和发展空间。采用太阳能等可再生能源，有望减少大气污染排放，但是，由于太阳能供电受到昼夜、地区差异的影响，不能保证持续供电，因此需要一种高效清洁的能源载体，在太阳能与负载用户之间提供储能和放的过渡，氢能提供了很好的媒介。在各种制氢技术中，太阳能水解制氢被认为是可再生、环保型、也是最有潜力的技术之一。野外应急能源智能管理系统，为野外应急供电提供了较好的技术手段，在野外应急通信基站、移动手术台、野外单兵、无人机等方面有巨大的应用潜力。

与采用内燃发动机或涡轮发动机相比，野外能源可再生能源系统有诸多优点：1、电推进的声辐射和热辐射都较低，因而在野外不易被红外探测；2、与携带大量电池相比，采用燃料电池可以大大降低负重，氢燃料电池的重量要比等功率的常规电池轻50％以上；3、燃料(如氢)的化学能转化为电能的过程中只产生热和水，而不会释放出有毒气体，不会对环境产生不良影响，是种安全的发电手段；4、与传统的发电设备相比，燃料电池安全，燃烧效率高；5、跟常规电池不同，燃料电池只要有燃料盒就可以持续使用，无需充电，不存在可充电能力衰减。氢燃料电池技术的主要应用对象将是采用电推进的小型供电系统。

目前已有部分国家开始研发燃料电池系统，如德国的智能燃料电池(SFC)公司设计出了一种“士兵燃料电池动力系统”(FCPS)，目前正在进行实际应用实验。采用“直接甲醇燃料电池”(DMFC)技术，用重0.47千克，体积18×8厘米的M500充电燃料盒进行热交换。该系统最高电量达40瓦，额定电压144伏，重量为1千克(仅为单兵原来携带电池重量的20％)。该系统采用DMFC技术，当甲醇耗尽时，系统将停止工作，系统不可再生，如图1。传统应急能源系统也包括储氢瓶+燃料电池供电系统，该系统尽管无需使用太阳能电池板，减小了重量，供电时间有限，当氢气压力小于设定压力时，将停止供电，再次恢复需要人员亲临现场更换氢气瓶，如图2。

采用太阳能和氢能相结合，再结合能源管理单元，实现对能量的可再生高效转化。由于可再生燃料电池，既可以作为制氢单元，又可以作为放电单元，大大减轻了常规能源系统的重量。该系统只包含单个蓄电池以满足燃料电池启动耗电之用，无需繁重的蓄电池组，从而大大减轻了传统能源系统(蓄电池组)的重量。

本发明正是基于这样的想法而产生的。本发明集成了太阳能电池、可再生燃料电池、蓄电池及储氢瓶和无线收发模块，实现能源有效转换控制，为系统中能量的有效储存、传递和利用提供手段。

国内外专利检索方面，查阅到Regenerative energy storage and conversionsystem(US 6748737)，Regenerative energy system(US7514808)。主要是针对船上可再生大型发电系统，采用储氢罐+燃料电池的发电模式，需要不断更换氢气瓶。

在国家知识产权网上，搜索“应急电源”关键词，发现有26项发明专利，其中大部分为铅酸电池用作应急电源的方法和系统，2项是关于燃料电池集成的，未见太阳能制氢的可再生应急电源系统的专利。如“质子交换膜燃料电池作为变电站应急电源系统及方法”(200710074501.4)，“使用燃料电池的应急电源系统和配电盘”(200780013672.4)，便携式太阳能发电装置(200820114458.X)。搜索“可再生应急电源”，未见相关专利。

能源系统方面的专利，主要侧重燃料电池的结构和发电方法。如，“燃料电池系统和利用一种燃料电池系统发电的方法”(99806402.5)，2003年松下电器产业株式会社申请的“氢生成设备和燃料电池系统”(02158983.6)，主要侧重系统，包括重整器；一氧化碳除去装置；以及原料加湿装置。2000年美国H·格泽尔-阿亚格；A·J利奥申请的“高效燃料电池系统”(00816543.2)一种混合燃料电池系统。查询到最新类似专利“太阳-氢能系统”(申请号：200810228596.5)虽然采用了太阳能和燃料电池，但主要是采用太阳辅助电解水制氢，解决电解水耗电大的瓶颈问题，降低制氢成本，需要与220V电网供电，不能应用于具备野外无人值守使用环境。未查询到关于太阳能、制氢、储氢、燃料电池一体化的野外应急能源系统专利。

发明内容

本发明涉及一种野外应急可再生能源管理系统及其实施方法。所述的管理系统包括太阳能电池、燃料电池、储氢瓶、逆变器、负载、蓄电池、能源控制单元和无线收发模块；

所述的系统采用智能化能源控制单元，在阳光充裕时，采用太阳能电池白天供电，并储存能量，当光能不足时，利用氢能供电，实现18小时以上长时间供电。可以解决常规应急电源供电时间短的问题；

所述的系统采用无线收发模块，在蓄电池功率下降到一定值时，通过GPRS系统，给指挥中心发出提示信号，实现能源系统的野外远程信息收集和控制。

由此可见，所述的系统具有可再生功能，连续6小时太阳能电池充电，可以满足无光照条件下(或夜晚)20W供电18小时需求。

本发明所述的野外应急可再生能源管理系统工作时各单元逻辑关系(图3)：

1、如果太阳能电池功率大于或等于负载功率(Psc≥Pr)，那么进行下一步，如果Psc-Pr≥Pq，那么太阳能电池接燃料电池，否则，太阳能电池直接通过逆变器接负载。

2、如果太阳能电池功率小于负载功率(Psc＜Pr)，则启动放氢过程启动燃料电池，启动放氢阀。

3、如果燃料电池输出功率大于负载功率(Pf≥Pr)，则燃料电池对负载供电，否则蓄电池对负载供电。

4、如果ps＜psmin，则GPRS发送信号到控制中心，否则蓄电池对负载充电。

5、如果pH≥pHset，关闭储氢瓶阀门、开启太阳电池输出对蓄电池充电。否则继续对储氢瓶充氢。

本发明采用选择GaInP/GaAs双结高效化合物太阳能电池作为光电转换工具，其特征在于，在AM0(一种测试条件，外太空光照，光照强度为140mW/cm²)条件下，电池效率高于24％，电池总功率达到400瓦，开路电压48V，短路电流8.1A效率高于24％，与燃料电池和能源控制单元相连；

本发明采用市场上可以购买到的H100型可再生燃料电池为制氢和发电载体，其特征在于用在同一燃料电池中实现制氢和发电功能，减轻了系统总重量，燃料电池效率高，制氢时能量转换效率大于50％，过程无污染，无噪音。燃料电池的发电输出功率达到20W。可再生燃料电池分别与太阳能电池、电控单元、储氢瓶、水罐和蓄电池相连。燃料电池借助太阳能电池输出能量，吸入水罐中的水，电解水，生成氢气和氧气，将氢气存入储氢瓶，如图3。

本发明采用市场可以购买到的LP083048A锂电池储存多余电量，作为蓄电池用，其特征在于额定电压3.7V，额定容量1000mAH，体积7.9×29.8×47.5mm³，质量23g。所述的蓄电池与太阳能电池、燃料电池和能源控制单元相连。在能源控制单元的控制下，将负载和制氢过程使用剩余的太阳能储存与蓄电池中，在需要时为燃料电池供能；

本发明采用Mn-Cr-V-Co四元合金储氢材料，置于带有开关阀门的2个3.5Kg的钢瓶中，制作成储氢瓶，其特征在于储氢效率高，储氢效率大于3wt％。储存氢气500-1000升，储氢瓶通过储氢阀、放氢阀与燃料电池和能源控制单元相连；

本发明所述系统采用2个3.6M³新型储氢瓶，放氢时无需加热，实现常温(25℃)下放氢。

本发明采用能量控制单元来控制系统内部能量的有效储存、转化，其特征在于与太阳能电池、燃料电池、储氢瓶、蓄电池、无线收发单元相连，控制能量合理、高效转换，能量控制单元采用MK300S(济南海诺)可编程逻辑控制单元(PLC)，对相连单元进行信息收集与有效控制，保证系统总体能量转换效率高于10％。

本发明采用体积为2L的水罐，采用透明石英玻璃制成，通过软管与燃料电池相连，系统发电时用于储存反应生成水，制氢时提供水源。

本发明采用F150-5型无线收发模块(北京福宝)作为无线收发模块，与系统的智能化能源管理单元相连，其特征在于在蓄电池功率下降到一定值时，通过GPRS系统，给指挥中心发出提示信号，实现3KM距离范围内的信号收发。

其工艺步骤：

1、对能源控制单元中可编程逻辑单元(PLC)进行编程，形成符合图3所示的逻辑关系的程序，也即所述的管理系统的实施方式。

2、按照图4，将系统各单元相互连接。①太阳能电池，与逆变器互联；②可再生燃料电池与能源控制单元、储氢瓶、负载相连；③水罐，与能源控制单元、储氢瓶、负载相连；④储氢瓶，与能源控制单元、可再生燃料电池，水罐相连；⑤逆变器，与能源控制单元、太阳能电池、蓄电池、负载相连；⑥负载，与可再生燃料电池、逆变器、蓄电池相连；⑦蓄电池，与能源控制单元、逆变器、负载相连；⑧无线收发模块，与能源控制单元相连；⑨表示能源控制单元，与可再生燃料电池、水罐、储氢瓶、逆变器、蓄电池、无线收发模块相连；

本发明的优势在于：

1、选择高效化合物太阳能电池作为光电转换工具，实现对光能的高效吸收(效率高于24％，功率400瓦)。

2、采用燃料电池为可再生燃料电池，其特征在于用在同一燃料电池中实现制氢和发电功能，制氢时能量转换效率对于50％，过程无污染，无噪音。燃料电池的发电输出功率达到20W。

3、采用四元合金作为储氢材料Mn-Cr-V-Co制作储氢瓶，提高储氢效率，其特征在于储氢效率大于3wt％。

4、采用能量控制单元，其特征在于与太阳能电池、燃料电池、储氢瓶、蓄电池、无线收发单元相连，控制能量合理、高效转换，保证系统总体能量转换效率达到10％。

5、采用无线收发单元与能量控制单元和蓄电池相连，其特征在于在蓄电池功率小于预先设定功率时，向指挥中心发送信号。

附图说明

图1、传统直接甲醇燃料电池(DMFC)供电系统

该系统采用直接甲醇燃料电池对负载供电，能源控制器与燃料电池相连，如果燃料电池输出功率小于负载所需功率，则关闭燃料电池，等待人员添加甲醇。

图2、传统储氢瓶+氢氧燃料电池供电系统

该系统采用储氢瓶+氢氧燃料电池模式对负载供电，能源控制器与储氢瓶相连，如果氢气压力小于设定压力，则关闭储氢瓶，等待人员更换储氢瓶。

图3、野外应急可再生能源智能管理系统工作逻辑图，所述的各参数说明：

1)、Psc，太阳能电池电池输出功率

2)、Pr，负载功率

3)、Pq，制氢需要最低功率(开启燃料电池和储氢瓶所需功率)

4)、Pf，燃料电池输出功率

5)、Ps，蓄电池输出功率

6)、Psmin，蓄电池设定最低功率

7)、pH，储氢瓶压力

8)、pHset，设定储氢瓶压力

图4、野外应急可再生能源系统连线图，图中，①表示太阳能电池；②表示可再生燃料电池；③表示水罐；④表示储氢瓶；⑤表示逆变器；⑥表示负载；⑦表示蓄电池；⑧表示无线收发模块；⑨表示可编程逻辑能源控制单元。

具体实施方式

本发明提供的野外应急可再生能源智能管理系统按照图4将系统各单元相互连接：

①太阳能电池，与逆变器互联，采用GaInP/GaAs双结高效化合物太阳能电池，增加光能吸收效率，在AMO条件下，电池效率高于24％，电池总功率达到400瓦，开路电压48V，短路电流8.1A，面积2.5m²；②可再生燃料电池与能源控制单元、储氢瓶、负载相连，采用市场上可以购买到的H100型可再生燃料电池，既可以用电解水制氢，储存太阳能，又可以将氢气和空气反应发电，减轻了系统总重量。所使用的燃料电池效率高，达到50％以上；③水罐，与能源控制单元、储氢瓶、负载相连，采用体积为2L的水罐，采用透明石英玻璃制成，通过软管与燃料电池相连，系统发电时用于储存反应生成水，制氢时提供水源；④储氢瓶，与能源控制单元、可再生燃料电池，水罐相连，采用2个3.6M³新型储氢瓶，放氢时无需加热，实现常温(25℃)下的放氢；⑤逆变器，与能源控制单元、太阳能电池、蓄电池、负载相连，包括48V/220V，48V/24V，48V/12V转换部分；⑥负载，与可再生燃料电池、逆变器、蓄电池相连，包括电脑、照明灯、手机充电器；⑦蓄电池，与能源控制单元、逆变器、负载相连，采用蓄电池储存多余电量，采用市场可以购买到的LP083048A锂电池，额定电压3.7V，额定容量1000mAH，体积7.9×29.8×47.5mm³，质量23g；⑧无线收发模块，与能源控制单元相连，采用F150-5型无线收发模块(北京福宝)作为无线收发模块，与系统的智能化能源管理单元相连，在蓄电池功率下降到一定值时，通过GPRS系统，给指挥中心发出提示信号，实现3KM距离范围内的信号收发；⑨表示能源控制单元，与可再生燃料电池、水罐、储氢瓶、逆变器、蓄电池、无线收发模块相连，能量控制单元采用可编程控制逻辑单元(PLC)实现对各相连单元的可编程控制。

本发明系统包括太阳能电池、可再生燃料电池、蓄电池、储氢罐、能源控制器和无线收发模块，当太阳能提供的能量能够满足负载功率要求时，太阳能电池吸收光能发电，分为三路供电：第1路直接为负载供电，第2路通过燃料电池制氢，储存，第3路将剩余能量存入蓄电池；在太阳能提供的能量不能满足负载功率要求时，打开储氢阀门，通过燃料电池反应放出电能，为负载供电(如图3)，太阳能电池、可再生燃料电池、蓄电池、储氢罐与能量控制单元相连，受能源控制单元控制，是一种可以连续供电的可再生能源管理系统。

本发明系统可实现昼夜连续供电：白天采用高效太阳能电池对负载直接供电，多余能量通过可再生燃料电池转化为H₂，从而以氢能的形式储存于储氢瓶中，或转化为化学能储存于蓄电池中；夜晚通过可再生燃料电池消耗氢能，释放电能，提供负载用电，实现昼夜不间断供电。

野外应急可再生能源智能管理系统功能验证步骤：

第一步，将该系统在阳光下照射6小时，功率计测量太阳能电池输出400W(电压48V，电流8.1A。

第二步，按照图4连接系统各单元，在暗室中启动放氢发电过程，功率计测量燃料电池输出功率，20W，记录输出维持20W的时间h。判断系统的能量转换效率：20W×h/400W/6小时*100％。

第三步，等待系统氢能和蓄电池电能耗尽时，根据指挥中心是否接收到信息，判断无线收发模块是否工作正常。