CN103503215A

CN103503215A - 自给式太阳供能的能量供应和储存系统

Info

Publication number: CN103503215A
Application number: CN201280018008.XA
Authority: CN
Inventors: P·奥康纳; G·范皮滕; J·C·拉瑟尔; S·马里尼克
Original assignee: Antecy BV
Current assignee: Antecy BV
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2014-01-08
Also published as: CA2832832A1; BR112013025990A2; WO2012159818A1; AU2012261208A1; EP2697855A1; US20140057139A1

Abstract

本发明公开了一种用于能量供应和储存的系统。该系统是自给式的。它包括一种产生太阳能电力的装置。电力可以转换成可逆液体燃料电池内的液体燃料，如甲醇。液体燃料被储存。当电力需求超过太阳能的供应时，使用储存的液体燃料在液体燃料电池中产生电力。

Description

自给式太阳供能的能量供应和储存系统

技术领域

本发明总体涉及一种自给式（self-contained）太阳供能的能量供应和储存系统，更具体地，涉及用于能量储存的使用甲醇的这种系统。

背景技术

为了解决对可再生资源的能量和减少对化石燃料依赖性的需求，越来越多地使用太阳能用于产生电力。可使用光伏电池或热太阳能电池（thermal solar cells）将太阳能转换成电能。

在光伏电池中，利用阳光在半导体晶片（通常是硅晶片）阵列中产生电力。虽然在阴雨天气期间可以产生一些电力，但是最佳的光伏电池效率需要充足、明亮的阳光。

热太阳能电池以间接方式产生电力。水通过放置在朝向太阳倾斜的浅托盘内的管网络泵送。太阳的热量将管内的水转换成蒸汽，从而用来推动常规的涡轮机。热太阳能电池的其他形式包括太阳能上升气流塔（solar updraft tower）和熔盐安装。上升气流塔结合了烟囱效应、温室效应和风力涡轮机。空气经阳光加热并收容在高烟囱底部周围的非常大的类似温室的结构中，并且所产生的对流导致空气在气流塔内上升。此气流驱动涡轮机，从而产生电力。

熔盐塔高度集中热的阳光到所谓的收集器上，随后收集器最终将热量传递给熔盐，在此储存以供以后使用。当天气是阴天时，特别是在没有阳光的夜间，熔盐中储存的热能用于帮助将水煮沸。简而言之：这是一种热量储存，如果以后没有足够的太阳能足够大力地煮沸水，这种热量储存在那时将水煮沸。

热太阳能电池提供有限的机会以蒸汽的形式储存太阳能。然而，蒸汽形式的能量储存是资本密集型的，因为它需要高压容器和广泛的绝缘。因为资本要求，热太阳能电池本身并不适合分布式发电。

配备有光伏电池的建筑物（如办公楼和家庭住所）一般与电网相连。当建筑物的电力需求低时，在明媚的晴天产生的多余电力被销售给电网。当建筑物的电力需求超过由其光伏电池产生的电力时，该建筑物的所有者接收信贷，以应用于从电网购买电力。然而，该建筑物有销售电力的能力是在供应充足且需求低时，而其有购买电力的需求是在供应有限且需求高时。出于这个原因，必须为购买的电力支付比销售电力所得更高的价格。

可以例如使用电解将电力转换成氢气，以及使用燃料电池将氢气转换回电力。原则上，有可能创造一种自给式太阳供能的能量供应和储存系统，其使用多余的太阳能产生氢气；储存氢气；以及在需求超过太阳能电池所产生的电力时使用氢气产生电力。然而，氢气的储存和处理需要先进的设备和高资本投资。基于氢气的系统本身不适合分布式发电。

因此，需要一种使用如甲醇或二甲醚（DME）的液体燃料作为能量储存介质的自给式太阳供能的能量供应和储存系统。

发明内容

本发明通过提供一种自给式太阳供能的能量供应和储存系统解决了这些问题，该系统包括：

将太阳能转换成电能的太阳能电池阵列；

至少一个将电能转换成液体燃料和将液体燃料转换成电能的可逆直接液体燃料电池（DLFC）；

液体燃料储罐。

优选的液体燃料包括甲醇和二甲醚（DME）。

本发明的另一方面包括供应按需电力（on-demand electric power）到电力消耗系统的方法，该方法包括以下步骤：

使用太阳能电池阵列将太阳能转换成电力；

如果电力的产生超过电力消耗系统对电力的需求，使用可逆的DLFC将多余的电力转换成液体燃料；

将所产生的液体燃料储存在液体燃料储罐内；

如果电力消耗系统对电力的需求超过光伏电池阵列的电力产出，使用可逆的DLFC将来自储罐的液体燃料转换成电力。

附图说明

本发明的特征和优点将参考下列附图加以理解，其中：

图1是本发明的自给式太阳供能的能量供应和储存系统的实施方式的图示。

图2是本发明的自给式太阳供能的能量供应和储存系统的替代实施方式的图示。

图3是可逆直接液体燃料电池在常规工作下的图示。

图4是可逆直接液体燃料电池在反向工作下的图示。

图5示出了具有外围供应管线的图1的系统。

具体实施方式

本发明的自给式太阳供能的能量供应和储存系统（以下简称为能量系统）依赖于使用太阳能电池产生电力。本文所用的术语“太阳能电池”是指能够将太阳辐射利用到电力上的任何类型的电池。术语“太阳辐射”是指在地球表面接收的来自阳光的电磁辐射，并包括红外线、可见光和紫外线。术语“太阳能电池”包括光伏电池和热太阳能电池。

将参考作为将太阳能转换成电力的装置的光伏电池更详细地描述本发明。将会理解的是，除了光伏电池或代替光伏电池，可以使用其他类型的太阳能电池，如热太阳能电池。

太阳能电池阵列用于向一个建筑物或一组建筑物供应电力。太阳能电池产生的电力的量取决于太阳高度角；太阳相对于太阳能电池的角度；大气条件，特别是存在或不存在云层覆盖；大气受尘粒的污染等。

建筑物的电力需求随季节和当日时间发生变化。例如，如果建筑物是办公楼，电力需求可能在工作期间高，但在晚上及周末期间低。相反，住宅楼的电力需求往往在周末期间和晚上高。

对于本发明的系统，有利的是以年为基础标注（dimension）光伏电池阵列供应建筑物的预测年度电力需求的规格。光伏阵列略微超过标注规格（over-dimensioning）（例如10%或20%）可能是可取的，以允许该系统应对低于平均日照时数的年份。

将会理解的是，光伏电池阵列的电力供应仅仅极少地会与同期需求完全匹配。在大多数情况下，要么是供应过剩，要么是需求过量。该系统可以设置有一堆电池来应付短期的供需不平衡。然而，对于较长期的不平衡，该系统依赖于以液体燃料的形式（如甲醇或DME，或者甲醇和DME的混合物）储存能量。DME在室温下是气体，在中等压力下容易液化。DME对在柴油燃料中使用是特别有吸引力的，因为它的十六烷值高。

将参考甲醇作为液体燃料更详细地描述该系统。

该系统包括甲醇燃料电池和甲醇储罐。甲醇燃料电池可以是与甲醇重整器结合的氢燃料电池。甲醇重整器将甲醇转换成氢气，其用作燃料电池的实际燃料。

在替代实施方式中，燃料电池是直接甲醇燃料电池，其直接将甲醇转换成电力，而不需要首先将甲醇转换成氢气。

燃料电池的容量是这样的，它可以应对高峰的电力需求，即使在没有任何太阳能电力的情况下。有利的是提供一组具有组合容量足以应对预测的高峰电力需求的太阳能电池。该系统可以设置有接通数个燃料电池的控制器，这些燃料电池足以满足即时的电力需求至这种需求超过太阳能电力供应的程度。

当直接甲醇燃料电池从甲醇产生电力时，在阳极上形成二氧化碳。

CH₃OH+H₂O→6H⁺+6e^-+CO₂ (1)

在阴极上形成水：

总反应式为：

有利的是储存在阳极处产生的二氧化碳供以后使用。在压力下，二氧化碳可以储存在合适的储罐内。令人合意的是除去水蒸气，这很容易通过选择性冷凝实现。

在替代方案中，二氧化碳可以可逆地吸收在二氧化碳吸收剂内，如氧化铝/氧化镁、水滑石等。水可以储存在储水罐中。

在太阳能电力供应超过电力需求的期间形成用作燃料电池燃料以补充太阳能电力产出的甲醇。

通过供应电力到电池并将电力转换成化学能，直接甲醇燃料电池可以反向工作。然而，当DMFC反向工作时，它充当水电解槽，生成氢气和氧气，而非甲醇。

因此，有必要采取额外措施，从而在该燃料电池的反向工作过程中产生甲醇。这些措施包括：

供应二氧化碳到阳极（在此形成氢气）；和

使二氧化碳与氢气反应，以形成甲醇：

3H₂+CO₂→CH₃OH+H₂O (4)

该反应中利用的二氧化碳优选是在该燃料电池的发电循环过程中收集和储存的二氧化碳。

反应（4）优选是在有催化剂的情况下进行的。合适催化剂的实例包括：含有Ni；Fe；Cu；Mn；Pt；Ru；Ir；Re；Zn；Au；及其组合特别是Pt/Ru；Pt/Ir、Pt/Re en Pt/Ir/Re、Cu/Zn；Cu/Zn/Al；Mn/Cu/Zn；Cu/Zn/Al/Mn；Au与Cu、Zn、Mn、Al、Fe和/或Ni的组合的材料。

例如通过用该金属的可溶性盐形式进行浸渍，催化金属可以沉积在载体材料例如碳上。该金属盐随后通过在空气中煅烧而转化为其氧化物。该催化剂在氢气或含有氢气的还原性气体、或还原剂（如NaBH₄）中被还原。例如，NaBH₄的5%溶液在80℃下提供良好的还原作用。将会理解的是，贵金属往往以金属的形式存在，而如Zn或Al的金属往往作为氧化物存在。其他金属（如Cu）可能仅部分地还原。这种反应的一个实例报道于Michael Specht and Andreas Bandi的"TheMethanol-Cycle"-Sustainable Supply of Liquid Fuels”（“甲醇-循环”——液体燃料的可持续供应）, Center of Solar Energy and HydrogenResearch (ZSW), Hessbruehlstr.21C, 70565 Stuttgart中

反应（4）可在DMFC的阳极或接近DMFC的阳极发生。在替代实施方式中，氢气在形成的阳极处被收集，并被输送到附近的甲醇反应器。在甲醇反应器中，氢气在合适催化剂的存在下与二氧化碳反应。

据报道，非金属催化剂能在相对低的压力（小于10巴，优选小于5巴）和适度的反应温度（＜250℃）下催化二氧化碳与氢气的反应以形成甲醇。这样的反应条件特别适合于在安全最重要的城市地区（例如，在办公楼、住宅楼、乡村社区等）或其附近使用该系统。

可以用于低压/低温甲醇合成的一组催化剂包括受阻的路易斯对（frustrated Lewis pairs，FLP）。合适的FLP的实例是由四甲基哌啶（TMP）碱和B(C₆F₅)₃酸组成的酸/碱对，据报道其在160℃和小于3巴下催化反应（参见http://newenergyandfuel.com/http:/newenergyandfuel/com/2010/01/19/a-new-way-to-make-methanol-fuel/）。

另一组合适的催化剂包括稳定的碳烯，特别是N-杂环碳烯（参见http://www.alternative-energy-news.info/new-way-to-convert-co2-into-methanol/）。

对于分布式发电，令人合意的是使用小型化的反应器，如微通道反应器。

将会理解的是，该系统可被设计为产生过量的液体燃料，如甲醇，即所产生的液体燃料的量超过该系统的长期自给自足运行所需要的量。这种方式在接收充沛太阳能的地理区域中是特别有吸引力的。多余的液体燃料可以用于发动车辆，无论是“按原样”或是与其他液体燃料（如汽油或柴油燃料）混合。

本发明还提供供应按需电力到电力消耗系统的方法。

在该方法中，使用太阳能电池阵列将太阳能转换成电力。

如果电力产出超过电力消耗系统的电力需求，使用可逆DMFC将多余电力转换成甲醇。甲醇被储存在甲醇储罐中。

该系统可以通过使用不同的液体燃料替代甲醇而加以改变。合适的液体燃料的实例是二甲醚。为合成甲醇，可以通过使用DME合成催化剂在上述方法中合成DME。合适的DME合成催化剂的实例包括CuO、ZnO、Al₂O₃、Ga₂O₃、MgO、ZrO₂以及它们的混合物。这些催化剂的合适载体包括氧化铝和Al/Mg混合氧化物，如水滑石。

取决于催化剂的选择性，合成可能产生甲醇和DME的混合物，还可能有较少量的其它液体燃料，如乙醇、甲基乙基醚和二乙醚。这样的混合物可以作为燃料电池的液体燃料储存和使用，而不需要分离或纯化步骤。

现在返回到甲醇作为液体燃料的具体实例，如果电力消耗系统的电力需求超过光伏电池阵列的电力产出，使用可逆DMFC将来自储罐的甲醇转换成电力。

该电力消耗系统可以是一个建筑物或一组建筑物，例如，一个或多个办公楼、一个或多个住宅楼、或者一个或多个单户住宅。有利的是，将该方法应用于一个或多个办公楼与一个或多个住宅楼的组合，因为办公楼和住宅楼的高峰需求时间往往彼此补偿（off-set against eachother），其中办公楼在工作期间具有其需求高峰，而住宅楼在晚上时间和周末期间具有其需求高峰。

技术人员将会理解的是，由太阳能电池和燃料电池产生的电力是低电压的直流电流（DC）。这种类型的电力适合于给许多电器供电，如电话、LED光源、电视机、扩音器、收音机和厨房小家电。其他电器（如洗衣机、烘干机和冰箱）设计为在标准功率（例如，北美和日本的110V、60Hz AC；欧洲的240V、50Hz AC）下运行。低电压直流功率到标准功率的转换效率非常低，造成高达30%的损失。转换回低电压直流功率同样是浪费的。令人合意的是尽可能少地进行转换。然而，低电压功率引起显著的输送损失，并需要大直径的电缆。

电力消耗系统可以通过将在低电压DC下运行的电器放置地尽可能接近电源（太阳能电池和DMFC）而加以优化，以便这些电器可以直接由DC电源供电。需要标准功率的电器可以在更远的距离放置。从低电压DC到标准电压AC的功率转换发生在电源附近的位置。AC功率可以输送到更远的距离而没有明显的损失且不需要过多布线。

作为实际示例，单户双层住宅可以在屋顶上配备有太阳能电池，在屋顶上或在阁楼内配备有可逆DMFC。有低电压电器（计算机、电视机、照明设备）的房间可以位于顶层上，以便低电压电器与电源的距离近。较大的电器（如冰箱、洗衣机、烘干机、VAC）可以放置在一楼或地下室内。转换器放置在电源附近，从而对一楼或地下室内的大电器提供标准电压AC。

下面是对仅以示例方式并参照附图给出的本发明某些实施方式的描述。参照图1，示出了本发明的系统的一个实施方式。

建筑物10有屋顶11，其上安装有太阳能电池板阵列12。由太阳能电池板12产生的电在供应线路13处提供给建筑物10内的电器。电器可包括照明、加热、冷却、洗涤、烘干及类似电器（未示出）。建筑物10的电气系统可包括一堆储存电能的电池和将低电压DC功率转换成标准AC功率以供标准电器的运行的转换器。

通过线路14，来自太阳能阵列12的电力可以被传递到可逆DMFC16。线路14设置有开关15，以便仅在有多余电力可用，例如仅在由太阳能电池板12提供的电力供应超过建筑物10的电力需求，且该一堆电池充满电时，电力可以被传递到DMFC16。开关15可以由微控制器（未示出）操作。

由可逆DMFC16产生的甲醇通过管道17被转移到甲醇储罐18，在此储存甲醇以供将来在DMFC21中使用。

当建筑物10的电力需求超过太阳能电池板阵列12的供应时，开关15关闭，这样没有电力被转移到可逆DMFC16。供应不平衡可以通过抽用电池组的电力进行补偿。如果供应短缺经分析属于持久性（例如，因为微控制器识别该时间是在日落和日出之间），阀20打开以供应甲醇到DMFC21，并起始DMFC21的操作。

在DMFC21的工作过程中，电力通过线路22提供给建筑物10。在DMFC21的工作过程中产生的二氧化碳和水例如通过选择性的冷凝而彼此分离。二氧化碳被储存在二氧化碳储罐23内。水被储存在储水罐24内。两个都可以在可逆DMFC16中使用。

图2示出本发明系统的替代实施方式。如在图1的系统中，来自太阳能电池板12的电力通过线路13送入建筑物10内。多余电力可以通过线路14转移到可逆DMFC16，其中开关15处于关闭位置。当在反向模式下工作时，可逆DMFC16接收来自储水罐24的水和来自二氧化碳储罐23的二氧化碳。在反向工作过程中，可逆DMFC产生甲醇，甲醇通过管道17被输送到甲醇储罐18。

当建筑物10的电力需求超过太阳能电池板12的供应时，可逆DMFC可以处于常规工作。在常规工作过程中，可以通过打开阀20使得来自甲醇储罐18的甲醇经由管道19被供应到可逆DMFC16。在常规工作过程中，可逆DMFC产生电力，通过线路22送入建筑物10内。DMFC16在常规工作过程中所产生的二氧化碳被储存在二氧化碳储罐23内；DMFC16在常规工作过程中所产生的水被储存在储水罐24内。

图3示出在常规工作下的DMFC。燃料电池30包括阴极40、阳极42和电解质41。通常，阴极和阳极包括贵金属，如Pt或Pt/Ru。水通过管道51被供应到混合罐50。甲醇通过管道52被供应到混合罐50。甲醇/水混合物通过管道53从混合罐50供应到阳极42。氧气或含氧空气（如空气）通过管线54被供应到阴极40。

水在阴极40处被收集，并通过管道55输送到储水罐（未示出），以供将来使用。二氧化碳在阳极42处被收集，并通过管道56输送到二氧化碳储罐（未示出），以供将来使用。

电力通过线路22被送入建筑物10。

图4示出了在反向工作下的可逆DMFC。来自太阳能电池板12的电力被送入燃料电池30内。在阴极40处产生的氧气通过管道61被输送到氧气储罐（未示出），以供将来使用。

在阳极42处产生的氢气被输送到逆水煤气变换（WGS）反应器43，并与来自二氧化碳储罐（未示出）的二氧化碳混合，二氧化碳通过管道63进入逆WGS反应器43。在逆WGS反应器43中，氢气与二氧化碳发生反应，以形成合成气混合物。在反应器43中产生的合成气混合物通过管道64被输送到甲醇反应器44。甲醇反应器44包含甲醇合成催化剂，如CuO/ZnO。

甲醇反应器44中产生的甲醇通过管道17被输送到甲醇储罐（未示出），以供将来使用。

图5示出图1的系统，其进一步示出二氧化碳的备用和额外来源。额外的二氧化碳可以用来产生额外的甲醇。潜在的额外的二氧化碳来源可包括加热器和/或加热锅炉的烟道气；通过对来自家庭、城市或农业来源的废物的发酵或堆肥处理产生的生物气；或可释放地捕获来自烟道气或来自环境空气的二氧化碳的二氧化碳捕获系统。在烟道气的情况下，二氧化碳来源还可包含一氧化碳，这有利于甲醇产生。

在不背离本发明的精神和范围的情况下，除上面描述的那些外，可以对本文所描述的结构和技术进行许多修改。因此，虽然已经描述了具体实施方式，但是这些仅是示例且并没有限制本发明的范围。

Claims

1.一种自给式太阳供能的能量供应和储存系统，包括：

a.用于将太阳能转换成电能的太阳能电池阵列；

b.至少一个用于将电能转换成液体燃料的直接液体燃料电池（DLFC）；

c.用于将所述液体燃料转换成电能的装置；

d.液体燃料储罐。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述用于将液体燃料转换成电能的装置包括：（i），以反向工作的直接液体燃料电池；（ii），用于将所述液体燃料重整为氢气的重整器和氢燃料电池的组合；（iii），高效涡轮发电机；（iv），（i）、（ii）和（iii）的任意组合。

3.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括用于转化二氧化碳的装置。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述用于转化二氧化碳的装置是所述直接液体燃料电池。

5.根据权利要求3所述的系统，其中所述用于转化二氧化碳的装置是催化型热转换反应器。

6.根据权利要求3所述的系统，其中二氧化碳从可再生资源产生，如生物质的转换，或者从空气中捕获。

7.根据权利要求3所述的系统，其中二氧化碳从烟道气或从由农业、城市或家庭废物产生的生物气捕获。

8.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述液体燃料是甲醇、DME或其混合物。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述液体燃料是甲醇，所述DLFC是DMFC。

10.根据权利要求9所述的能量供应和储存系统，其中可逆DMFC具有电力产生模式和甲醇产生模式。

11.根据权利要求10所述的能量供应和储存系统，其中所述可逆DMFC在所述电力产生模式下产生水蒸气和二氧化碳，其中所产生的二氧化碳与水蒸气隔离并储存。

12.根据权利要求11所述的能量供应和储存系统，其中，在所述甲醇产生模式下，二氧化碳被供应到阳极以形成甲醇。

13.根据权利要求12所述的能量供应和储存系统，其中所述阳极是用于使氢气与二氧化碳反应形成甲醇的催化剂。

14.根据权利要求9所述的能量供应和储存系统，其中，在所述甲醇产生模式下，所述可逆DMFC在所述阳极处产生氢气，所述氢气被引向反应器，用于在催化剂的存在下与二氧化碳反应而形成甲醇。

15.根据权利要求14所述的能量供应和储存系统，其中所述反应器中的催化剂是氢化催化剂，选自：金属Ni、Fe、Cu、Mn、Pt、Pt/Ru、Pt/Ir、Pt/Re en Pt/Ir/Re、Cu/Zn、Cu/Zn/Al、Mn/Cu/Zn、Cu/Zn/Al/Mn；Au；Au与Cu、Zn、Mn、Al、Fe、Ni中的一个或多个的混合物；这些金属中任何金属的氧化物；掺杂或涂有这些金属中的任何金属或其氧化物的碳。

16.根据权利要求14所述的能量供应和储存系统，其中所述催化剂包括受阻的路易斯对。

17.根据权利要求14所述的能量供应和储存系统，其中所述催化剂包括稳定的碳烯，特别是N-杂环碳烯。

18.一种用于供应按需电力到电力消耗系统的方法，所述方法包括以下步骤：

a.使用太阳能电池阵列将太阳能转换成电力；

b.如果电力的产生超过所述电力消耗系统对电力的需求，使用可逆DLFC将多余电力转换成液体燃料；

c.将所产生的液体燃料储存在液体燃料储罐内；

d.如果所述电力消耗系统对电力的需求超过光伏电池阵列的电力的产生，使用所述可逆DLFC将来自所述储罐的液体燃料转换成电力。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述液体燃料是甲醇、DME或其混合物。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述电力消耗系统包括建筑物。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述建筑物是住宅楼。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述建筑物是单户住宅。

23.根据权利要求20～22中任一项所述的方法，其中所述建筑物包含：第一类电器，其被设计为在低电压DC电力下工作；和第二类电器，其被设计为在家用电压AC电力下工作；其中所述第一类电器主要位于所述可逆DLFC的近处。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述第二类电器通过DC/AC转换器接收来自所述光伏电池阵列和/或所述可逆DLFC的电力，其中所述DC/AC转换器位于所述可逆DLFC的近处。

25.根据权利要求23或24所述的方法，其中所述第一类电器到所述可逆DLFC的平均距离小于所述第二类电器到所述可逆DLFC的平均距离。