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一種用于木屋的清潔能源系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:4623513閱讀:254來源:國知局
專利名稱:一種用于木屋的清潔能源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及應(yīng)用于木屋的清潔能源系統(tǒng),特別涉及利用固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng),為木屋提供符合清潔能源要求的電力與熱水供應(yīng)。
背景技術(shù)
眾所周知,清潔能源定義可以用“環(huán)保、節(jié)能、低碳、高效”八個字來概括,而對于木屋而言,清潔能源系統(tǒng)不僅僅是指能源供應(yīng)方,還包括能源使用方,其配置的設(shè)備和設(shè)備運行方式都要達(dá)到清潔能源定義要求。先從能源供應(yīng)方談起,木屋的建造形式是工廠預(yù)制、現(xiàn)場靈活組裝,可移動性強; 另外,對建造地域要求較低,森林、沙漠、山地、海濱以及都市郊區(qū)都是木屋可建處所,適應(yīng)性強,適合在旅游區(qū)使用,不會對環(huán)境造成大的破壞。因此,木屋作為一種新型的旅游度假居住形式正逐漸興起,各大旅游熱點目的地紛紛開發(fā)旅游度假用木屋,使之成為旅游地產(chǎn)的新的寵兒。但是,許多旅游度假景區(qū)特別是一些地處高山、森林、海島的風(fēng)景名勝,往往交通不便,市政建設(shè)欠缺,未必有完善的電力供應(yīng);或者是冬天滑雪、夏天游泳的季節(jié)性度假區(qū), 電力負(fù)荷極度不勻。在這些情況下,就要自備柴油發(fā)電機組發(fā)電。顯然,這種供電方式既不經(jīng)濟(發(fā)電效率低)又不環(huán)保(廢氣污染大),尤其是發(fā)電噪音會大大干擾旅游環(huán)境安靜度,為人們所不容忍。當(dāng)然,現(xiàn)在可以選擇風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電此類環(huán)保清潔能源供電。但還有以下缺陷一是對安裝場所有特殊要求,比如風(fēng)力發(fā)電要有風(fēng)力資源,光伏發(fā)電需要光照條件,這不是任何旅游景區(qū)都具備的;二是無論風(fēng)力發(fā)電還是光伏發(fā)電,都是間歇性發(fā)電能源,不能保證隨時隨地連續(xù)供電;三是如果要做到連續(xù)供電,必須增加風(fēng)電或光伏發(fā)電機組的容量和儲能電池裝置,這就大大增加了設(shè)備成本。另外,旅游度假用木屋除了要有電可用(看電視和開空調(diào)等)外,熱水供應(yīng)(洗澡和暖氣)也是必不可少的。也就是說,在沒有市政供電、供氣的環(huán)境里,木屋要同時解決電力與熱水供應(yīng)問題,主要依靠自備發(fā)電裝置,但是要做到按清潔能源定義要求,而且還要盡可能地以比較低的成本運行,以上所提及的幾種方式都有缺陷甚至不容易做到。再看看能源使用方木屋的能源使用以家用電器為主,如照明燈具、電視機、冰箱、 洗衣機、微波爐、電磁灶;用于洗澡的熱水器;用于木屋室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的空調(diào)器、電暖氣等。 以上家電產(chǎn)品都是市場上買得到的,目前只能選擇符合國家節(jié)能能效標(biāo)識的家電產(chǎn)品。要進一步達(dá)到節(jié)能和高效利用能源,還需要家電企業(yè)提供智能化產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,利用一種固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng),在能源管理控制計算機的控制下,為木屋提供符合清潔能源要求的電力與熱水供應(yīng)。
傳統(tǒng)熱機發(fā)電都是一個從化學(xué)能變?yōu)闊崮?,熱能轉(zhuǎn)化為機械能再變成電能的過程。比如火力發(fā)電,就是煤炭通過燃燒產(chǎn)生蒸汽,蒸汽驅(qū)動汽輪機再帶動發(fā)電機發(fā)電。燃料電池發(fā)電則是由化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的過程。燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料氣體(如天然氣、氫氣、煤氣等)和空氣中的氧氣反應(yīng)生成的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置??紤]到旅游度假用的木屋要同時供電力和供熱水,所以本發(fā)明選用固體氧化物燃料電池(SOFC)。所述固體氧化物燃料電池由陽極、固體氧化物電解質(zhì)、陰極組成(類似“三明治”結(jié)構(gòu)),其工作原理如圖1所示,從燃料電池的陽極一側(cè)持續(xù)通入燃料氣體,如天然氣 (主要是甲烷)、城市煤氣等,具有催化作用的陽極表面吸附燃料氣體,并通過陽極的多孔結(jié)構(gòu)擴散到陽極與電解質(zhì)的界面。在陰極一側(cè)持續(xù)通入氧氣或空氣,具有多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面吸附氧,由于陰極本身的催化作用,使得O2得到電子變?yōu)?2_,在化學(xué)勢的作用下,O2-進入起電解質(zhì)作用的固體氧離子導(dǎo)體,由于濃度梯度引起擴散,最終到達(dá)固體電解質(zhì)與陽極的界面,與燃料氣體發(fā)生反應(yīng),失去的電子通過外電路(經(jīng)過負(fù)載,如電燈泡)回到陰極。與此同時,電池發(fā)出電能的同時,電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量將未反應(yīng)完全的陰極與陽極的氣體加熱。陽極未反應(yīng)完全的燃料氣體和陰極剩余空氣通入熱能交換器進行燃燒, 燃燒產(chǎn)生的高溫氣體除了用來預(yù)熱燃料氣體和空氣之外,還可以通過余熱回收裝置提供熱水或用來供暖,從而進一步加以利用。這樣,就達(dá)到了熱電聯(lián)供目的。固體氧化物燃料電池發(fā)電技術(shù)是將燃料中化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù),具有燃料適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、低成本、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染低排放、無噪聲等優(yōu)點, 可以直接使用一氧化碳、天然氣、液化氣、煤氣及生物質(zhì)氣等多種碳基氣體燃料。尤其是提供高質(zhì)余熱,實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn),燃料利用率高,全能量利用率高達(dá)80%左右。顯而易見,在木屋中,尤其是在旅游度假當(dāng)?shù)厝狈Ρ匾氖姓茉垂?yīng)條件下,用固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)來替代常規(guī)自備柴油機組發(fā)電(用柴油發(fā)電,比較難利用發(fā)電余熱,供熱還需要配置電熱水器或燃油鍋爐。),能夠以高效低成本,又可環(huán)保、節(jié)能、 低噪音連續(xù)供電和供熱,是非常合適的。同樣,如果選用風(fēng)電或光伏供電,雖然也能做到以清潔能源方式供電,但仍要配置電加熱器或太陽能熱水器才能供熱。更主要的是由于風(fēng)電或光伏都屬于間歇性發(fā)電能源, 要做到連續(xù)供電供熱,勢必要大大增加儲能電池等裝置成本。為利用上述固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)實現(xiàn)木屋的清潔能源供應(yīng),本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種用于木屋的清潔能源系統(tǒng),包括燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)和能源管理控制計算機系統(tǒng),其中所述燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)利用氣體燃料發(fā)電和產(chǎn)熱,提供給木屋電器和熱水設(shè)備;所述能源管理控制計算機系統(tǒng)對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)和木屋電器、熱水設(shè)備進行日常運行和緊急狀態(tài)下的控制和管理,按木屋電器和熱水設(shè)備的實際使用負(fù)荷來調(diào)整燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的輸出功率(發(fā)電及供熱的出力),讓發(fā)電與用電達(dá)到或接近動態(tài)平衡,從而實現(xiàn)高效、節(jié)能和環(huán)保、低碳的清潔能源供應(yīng)。在木屋當(dāng)?shù)厝狈艿廊細(xì)夤?yīng)條件下,所述清潔能源系統(tǒng)還包括燃料供氣系統(tǒng) (簡稱CNG),該燃料供氣系統(tǒng)將壓縮的氣體燃料(如瓶裝天然氣)減壓后輸出到燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)。
所述燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)只需提供天然氣等碳基氣體燃料、空氣和水,就會產(chǎn)生并輸出交流市電和熱水,供應(yīng)木屋用戶使用。一般的,燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)包括固體氧化物燃料電池堆、脫硫器、燃料重整器、空氣過濾器、風(fēng)機、熱能交換器和燃料電池系統(tǒng)控制器,氣體燃料先進入脫硫器脫硫,然后經(jīng)過燃料重整器處理進入固體氧化物燃料電池堆的陽極端;空氣經(jīng)空氣過濾器除塵后,由風(fēng)機送到固體氧化物燃料電池堆的陰極端;氣體燃料和空氣中的氧氣在電池堆中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生直流電;該直流電在燃料電池系統(tǒng)控制器的控制下轉(zhuǎn)換為交流市電輸出到外電路,供外電路中的電器使用;陽極端剩余的氣體燃料和陰極端過剩的空氣在熱能交換器中燃燒,加熱注入的冷水。這樣,在木屋當(dāng)?shù)厝狈涣魇须姾凸艿廊細(xì)夤?yīng)條件下,燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)利用壓縮天然氣鋼瓶及其燃料供氣系統(tǒng),接通水管,即可產(chǎn)生交流市電和熱水,為木屋獨立提供用電和供熱服務(wù)。由于燃料電池工作原理決定了調(diào)整燃料電池發(fā)電輸出功率比較簡單,主要調(diào)整氣體燃料輸入多少就可以了,而且還不太影響發(fā)電效率。所述的木屋能源管理控制計算機系統(tǒng),采集木屋的能源供應(yīng)設(shè)備和能源使用設(shè)備的運行工況數(shù)據(jù),根據(jù)預(yù)設(shè)程序?qū)δ茉垂?yīng)設(shè)備與能源使用設(shè)備的工作狀態(tài)進行程序控制 (主要是控制燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的發(fā)電供熱輸出功率),其中所述能源供應(yīng)設(shè)備包括燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)和燃料供氣系統(tǒng),所述能源使用設(shè)備包括木屋電器和熱水設(shè)備。木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)的運行模式可包括“常規(guī)運行模式”、“節(jié)能運行模式”和“應(yīng)急運行模式”。在所設(shè)置的“常規(guī)運行模式”狀態(tài)下,主要是按不同時段木屋的用電用熱量有所不同的規(guī)律,設(shè)計了分時段負(fù)荷變化程序,來調(diào)整燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的功率輸出,從而通過出力大小的程序控制,達(dá)到燃料電池的高效發(fā)電供熱目的。在所設(shè)置的 “節(jié)能運行模式”狀態(tài)下,是在常規(guī)運行模式中的分時段負(fù)荷變化程序基礎(chǔ)上,通過采集木屋電器和熱水設(shè)備的負(fù)荷變化數(shù)據(jù),反饋控制燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的出力大小,進一步提高發(fā)電輸出變化與熱電負(fù)荷變化的正相關(guān)聯(lián)動?!皯?yīng)急運行模式”當(dāng)接收到相關(guān)設(shè)備工況異?;蛟O(shè)備處于危險狀態(tài)的數(shù)據(jù)時,能源管理控制計算機就按應(yīng)急停機程序的風(fēng)險控制級另IJ,分別對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)和/或燃料供氣系統(tǒng)進行應(yīng)急處理操作,如停機。進一步的,所述能源管理控制計算機系統(tǒng)具有木屋設(shè)備與用戶識別插件、移動數(shù)據(jù)通信接口和衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信接口,使能源管理控制計算機系統(tǒng)與木屋所有者或管理中心建立基于移動通信網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信和控制聯(lián)系,以保證木屋的獨立發(fā)電供熱設(shè)施長期安全運行,當(dāng)木屋及其設(shè)備出現(xiàn)意外故障或危急情況時,及時得到木屋所有者或管理中心的支持和救助。所述木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信接口優(yōu)選北斗衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信接口,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信方式可以克服在木屋所在地沒有移動通信服務(wù)區(qū)情況下,做到高可靠通信與控制聯(lián)系。本發(fā)明技術(shù)方案的實現(xiàn),首先需要一臺能滿足木屋建筑供電供熱所需容量的固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng),一般為1千瓦到10千瓦左右,或者根據(jù)需求提高到幾十千瓦功率量級。該系統(tǒng)的工作原理(參見圖2)是瓶裝天然氣先進入系統(tǒng)內(nèi)置的脫硫器脫硫, 再經(jīng)過燃料重整器進行燃?xì)庵卣幚?其目的是對天然氣脫硫和去掉有關(guān)雜質(zhì),防止燃料電池電池堆的陽極積碳和催化功能中毒,以保障電池堆正常工作),之后送到燃料電池電池堆的陽極端;空氣經(jīng)空氣過濾器除塵后,由風(fēng)機送到燃料電池電池堆的陰極端;這樣,電池堆就通過電化學(xué)反應(yīng)把大部分燃料轉(zhuǎn)化為電能;陽極側(cè)剩余的天然氣燃料和陰極側(cè)過剩的空氣在熱能交換器中催化燃燒,加熱由水管注入的冷水。另外,通過系統(tǒng)控制器自動控制, 把電池堆產(chǎn)生的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流市電,可供木屋內(nèi)如電視機、電冰箱、電灶等電器使用;控制熱能交換器的催化燃燒工況,輸出適宜溫度的熱水供洗澡或其他洗滌之用。本發(fā)明技術(shù)方案的實現(xiàn),需要配置空氣、水和燃料資源。其中空氣和水(配置一個足夠容量的水箱)的配置比較簡單,這里只討論燃料資源的配置。從固體氧化物燃料電池工作原理上來講,可以用多種碳基氣體燃料,包括天然氣、煤層氣、城市煤氣,以及石油液化氣、沼氣甚至甲醇、二甲醚等。但從木屋所處市場定位和使用價值而言,目前比較現(xiàn)實可用而且技術(shù)成熟的方案是現(xiàn)在大量應(yīng)用于天然氣公交汽車、出租車?yán)锏膲嚎s天然氣(CNG)供氣系統(tǒng)。一個壓縮天然氣(CNG)燃料供氣系統(tǒng)通常包括天然氣氣瓶、減壓調(diào)壓器、各類閥門和管件以及電腦控制裝置等。它的工作原理類同天然氣汽車的壓縮天然氣(CNG)汽車燃料系統(tǒng)如圖3所示,通過減壓調(diào)壓器的調(diào)壓(減壓)作用,將天然氣鋼瓶里的壓縮天然氣氣體從高壓(一般在20MI^左右)減到常壓狀態(tài),再由一系列包括氣體通路開閉和流量大小調(diào)節(jié)等功能調(diào)節(jié)閥門控制,輸出到燃料電池裝置。天然氣所有的壓力、流量的調(diào)節(jié)是由燃?xì)怆娔X控制。本發(fā)明技術(shù)方案的實現(xiàn),還需要增加一套木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)。這是因為旅游度假木屋的使用和維護保養(yǎng)與日常民居相比,是有很大差異的①作為擔(dān)負(fù)木屋獨立供電供熱的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng),其不僅要求使用方便,而且要求工作可靠,最好做到少維護或免保養(yǎng),特別是在出現(xiàn)緊急情況時可以自動關(guān)機并能夠第一時間通知相關(guān)單位與個人,便于及時安排搶險、搶修。②旅游者一般是白天外出游覽,晚上回來居住。所以木屋的供電供熱是白天輕負(fù)荷,晚上重負(fù)荷狀態(tài)。這樣,必須對熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行晝夜負(fù)荷循環(huán)變化控制。另外,許多旅游景區(qū)是屬于季節(jié)性旅游景區(qū),興旺半年,閑置半年。這樣,旅游度假木屋往往是長達(dá)半年無人居住。但相關(guān)設(shè)備還是要維護保養(yǎng)的。③旅游度假用的木屋大部分安置在旅游景區(qū),往往遠(yuǎn)離城市或交通便利地區(qū)。平時通信聯(lián)絡(luò)主要依靠手機;而且木屋位置相對偏僻,也就是說,在普通地圖上標(biāo)記不多,不便尋找。④有相當(dāng)一部分木屋是作為金融租賃標(biāo)的物,而木屋的可移動性,有可能產(chǎn)生不能及時定位而失控,所以當(dāng)事者非常希望及時掌控木屋的去向(而日常居住建筑是不會移動的)。為讓木屋的供電、供熱更符合清潔能源標(biāo)準(zhǔn),需要通過能源管理控制計算機系統(tǒng)對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)和燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)進行在日常運行與緊急狀態(tài)下的控制與管理。從圖4可見,設(shè)置木屋能源管理控制計算機系統(tǒng),通過對①木屋的能源供應(yīng)設(shè)備和電器使用設(shè)備的運行工況數(shù)據(jù)采集,②能源供應(yīng)與使用設(shè)備工作狀態(tài)的程序控制,③數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信與控制等三方面操作,可以解決以上存在的問題。具體介紹如下①木屋的能源供應(yīng)設(shè)備和電器使用設(shè)備的運行工況數(shù)據(jù)采集能源供應(yīng)設(shè)備包括燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)及天然氣燃料供氣系統(tǒng),采集相關(guān)的運行工況數(shù)據(jù),如電壓/電流等發(fā)電參數(shù),熱水溫度/流量等熱力參數(shù),天然氣的流量/壓力數(shù)據(jù);特別是如天然氣泄漏,燃料電池電池堆工作異常等極限數(shù)據(jù)采集。木屋的電器使用設(shè)備,一般是指如電視機、冰箱、洗衣機、微波爐、電磁灶、熱水器等家用電器。目前只能購買符合節(jié)能能效標(biāo)識的家電產(chǎn)品,所采集的數(shù)據(jù),只是工作負(fù)荷和設(shè)備運行時間等比較簡單的數(shù)據(jù)。
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木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)對上述設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)采集,一方面作為設(shè)備日常工作日志記錄,可供設(shè)備維護之用;另一方面,當(dāng)采集到設(shè)備工況異?;蛟O(shè)備處于危險狀態(tài)數(shù)據(jù)時,可根據(jù)計算機內(nèi)置的緊急狀態(tài)處理預(yù)案,給相關(guān)設(shè)備發(fā)出關(guān)機指令,同時通過數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信接口,給木屋所有人或控制中心發(fā)送相關(guān)設(shè)備工作失常報警信息。②能源供應(yīng)與使用設(shè)備工作狀態(tài)的程序控制能源管理控制計算機系統(tǒng)按預(yù)設(shè)的木屋電力與熱水供應(yīng)方案,包括以木屋使用者或者木屋管理中心設(shè)定的時間段,如按年度、月度、直至每天定時開機和關(guān)機要求,每一運行時間段的供電供熱容量調(diào)整等參數(shù),對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)及天然氣燃料供氣系統(tǒng)進行程序控制。同樣,對木屋的家用電器也可以進行比較簡單的程序控制,如定時開關(guān)機器寸。設(shè)置一個應(yīng)急停機程序,當(dāng)接收到相關(guān)設(shè)備工況異常或設(shè)備處于危險狀態(tài)的數(shù)據(jù)時,能源管理控制計算機就按應(yīng)急停機程序的風(fēng)險控制級別,分別對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)及天然氣燃料供氣系統(tǒng)進行應(yīng)急處理操作。比如接收到天然氣泄漏報警信號,就給天然氣燃料供氣系統(tǒng)里的燃?xì)怆娔X發(fā)出控制閥門關(guān)閉指令,命令燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)從發(fā)電轉(zhuǎn)到停機狀態(tài),直至能源供應(yīng)方的全部系統(tǒng)能夠安全關(guān)閉并在保全故障處理記錄的同時, 給有關(guān)方面發(fā)出報警及如何應(yīng)急處理的信息。設(shè)置一個節(jié)能運行程序,該程序設(shè)計思想是“需方?jīng)Q定供方”,由木屋的電器設(shè)備實際使用負(fù)荷來決定木屋的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)發(fā)電及供熱的能量。即用電或用熱負(fù)荷越大,燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)發(fā)電與供熱能力就越多,反之亦然。也就是說,可以做到“用多少,發(fā)多少”,發(fā)電與用電有可能達(dá)到或接近動態(tài)平衡。這是由燃料電池工作原理所決定的一是燃料電池在滿負(fù)荷發(fā)電與輕負(fù)荷發(fā)電時,其發(fā)電效率差不多(相差只有幾個百分點);而常規(guī)發(fā)電機發(fā)電,在滿負(fù)荷和輕負(fù)荷發(fā)電工況時,發(fā)電效率相差太大,所以在一般情況下,常規(guī)發(fā)電機都要求工作在滿負(fù)荷發(fā)電狀態(tài)。二是燃料電池的發(fā)電量可以通過調(diào)整燃?xì)夤饬縼碚{(diào)節(jié)。而調(diào)整燃?xì)夤饬恐恍枰{(diào)節(jié)燃?xì)饪刂崎y門(流量閥門或節(jié)流閥門) 就可以了。③數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信與控制由于木屋建筑大部分應(yīng)用于遠(yuǎn)離城市及交通要道的風(fēng)景游覽區(qū)或山區(qū)、海島等偏僻地方,相比常規(guī)住宅建筑,又在木屋里配套獨立的發(fā)電、供熱等裝置,致使木屋建成并投入營運后,必須考慮平時木屋里的設(shè)備,主要是燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)是否正常運行?出現(xiàn)故障時,當(dāng)時、當(dāng)?shù)責(zé)o法及時排除怎么辦?特別是突發(fā)非常事件,如有非法入侵或火警、 水浸、雪崩等自然災(zāi)害時,如何及時報警?以上問題,首先是如何與木屋所有人或管理中心在第一時間取得聯(lián)系,方有可能及時得到幫助和支援。為此,能源管理控制計算機系統(tǒng)設(shè)置了一塊木屋設(shè)備與用戶識別插件、一個移動數(shù)據(jù)通信接口、一個衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信接口共三個部件。這樣,就可以在木屋與木屋所有人或管理中心之間建立可靠有效的通信聯(lián)系一方面,一旦出現(xiàn)意外情況,通過內(nèi)置應(yīng)急處理程序控制,可以自動或有限人工干預(yù),如按下“報警”鍵方式,就能“告訴”木屋所有者或管理中心,該木屋發(fā)生了突發(fā)故障或險情。另一方面,在平時正常運行期間,通過內(nèi)置的自動檢測和巡回查詢報告程序,可以做到定期定時檢查木屋的位置情況,主要設(shè)備如燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的工況,木屋使用(居住及設(shè)備)是否超期或欠費等。如何實現(xiàn)上述通信與控制功能,下面進一步闡明A.設(shè)置一塊木屋設(shè)備與用戶識別插件該木屋設(shè)備與用戶識別插件首先是作為使用該木屋合法用戶的識別標(biāo)記、授權(quán)記錄,以保證用戶使用權(quán)限和木屋安全運營。例如,木屋設(shè)備基本信息,包括木屋本身以及所配置的如燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)等主要設(shè)備,其生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品型號、生產(chǎn)日期等數(shù)據(jù),可以作為設(shè)備身份碼固化在插件中;但有關(guān)用戶與生產(chǎn)廠家之間可能存在的關(guān)聯(lián)信息,是需要在木屋及其設(shè)備交付使用時,正式寫入到用戶識別插件中以木屋設(shè)備產(chǎn)品使用等級子系統(tǒng)為例,用戶是全額付款購買,還是分期付款購買,或者租賃(按使用計時、計次收費)使用;何時轉(zhuǎn)移設(shè)備處置權(quán)或者投入使用日期;以上這些跟蹤數(shù)據(jù)可以保證或落實用戶與生產(chǎn)廠家之間(也可以設(shè)定在木屋使用者與木屋管理中心之間)合法權(quán)益,也為雙方規(guī)范操作提供數(shù)據(jù)記錄證明甚至可以實施如強制性“鎖死”設(shè)備運行等技術(shù)措施。進一步的,該木屋設(shè)備與用戶識別插件還設(shè)置了數(shù)據(jù)庫單元;首先是把能源管理控制計算機所采集及存儲的木屋設(shè)備運行數(shù)據(jù)“分門別類”地移動到相關(guān)數(shù)據(jù)庫子單元① 用于設(shè)備日常工作日志記錄的數(shù)據(jù)庫子單元,按“先進先出”原則保留最近時間段的所移動的數(shù)據(jù),時間段預(yù)置從幾天到幾十天甚至更長。在此子單元里存儲的信息是,將移動過來的設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)經(jīng)過一個設(shè)備工作日志程序過濾,以一天M小時為基準(zhǔn)單位,將木屋的某一個設(shè)備的工況,以燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)為例,如每日發(fā)電供熱小時時數(shù),出力大小或多少,是否有故障出現(xiàn)或者停機現(xiàn)象等,即作為設(shè)備的正常工作狀況所涉及的主要工作參數(shù)(而不是全部采集數(shù)據(jù))記錄在案,作為該設(shè)備維修時的判據(jù)。在進行設(shè)備維護時,還可以現(xiàn)場調(diào)用相關(guān)記錄數(shù)據(jù),作為維護實施參考。②用于記錄設(shè)備工況異常數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫子單元,按先木屋的能源供應(yīng)設(shè)備后電器使用設(shè)備的次序,一旦出現(xiàn)并采集到設(shè)備工況異常數(shù)據(jù),相關(guān)控制程序優(yōu)先安排將此類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到該子單元,并且由內(nèi)置的應(yīng)急處理程序進行比對。如果超出生產(chǎn)廠家或相關(guān)方面預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍,按應(yīng)急風(fēng)險級別,或發(fā)出聲光報警信號,或應(yīng)急停機,或自動啟動數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信與控制程序,通知木屋使用者,木屋所有者及其木屋管理中心。③用于木屋應(yīng)急狀態(tài)處理的數(shù)據(jù)庫子單元,除了木屋的設(shè)備有可能出現(xiàn)應(yīng)急風(fēng)險故障外,木屋本身如遇到未得到授權(quán)的使用者使用木屋及設(shè)備,更嚴(yán)重的如非法入侵者破壞,木屋當(dāng)?shù)匕l(fā)生水、火災(zāi),雪崩等自然災(zāi)難,由木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)設(shè)置的各種事故災(zāi)難傳感器,如密碼設(shè)定報警器、紅外報警器、視頻圖像識別報警器、木屋位移傳感器等,一旦獲取上述傳感器發(fā)出的報警信息,同樣經(jīng)過應(yīng)急處理程序判據(jù),一方面將報警數(shù)據(jù)及時存儲,另一方面將啟動該子單元特設(shè)的應(yīng)急報警數(shù)據(jù)包調(diào)用程序,即將事先存儲在該應(yīng)急報警數(shù)據(jù)包里的信息,以數(shù)碼及文字短信(適合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)報告通信模式)形式調(diào)出,其主要內(nèi)容是木屋屬性,如木屋名稱、使用情況、木屋位置,可由北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位給出;木屋現(xiàn)況,是設(shè)備嚴(yán)重故障,還是非法入侵,或是自然災(zāi)難;其中,前兩項是事先確定,相對固化,第三項是由應(yīng)急處理程序判據(jù)選擇。按北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)報告通信模式要求,其數(shù)據(jù)容量不超過120個漢字。B、設(shè)置一個移動數(shù)據(jù)通信接口如在木屋所在地有移動通信基站服務(wù),就可以與木屋管理中心或木屋所有人建立基于移動通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸與交換業(yè)務(wù)。這種通信聯(lián)系方式是大家所熟悉的,在此就不再多介紹了。
C、設(shè)置一個衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信接口這是考慮到,許多旅游風(fēng)景區(qū)沒有移動通信服務(wù),加上木屋可以移動安置的特性, 需要讓木屋管理中心或木屋所有人知道木屋的所在確切位置。由于我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除具有與美國GPS —樣的導(dǎo)航和授時外,其最大特色就是在報告通信模式中增加了短信通訊功能,一次可傳送多達(dá)120個漢字的信息。用戶與用戶之間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,可以隨時隨地向相關(guān)控制中心報告所在位置。這樣,基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的報告通信功能,通過衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信接口,不僅可以向木屋管理中心或木屋所有人報告其所在位置,更可以克服木屋所在地沒有移動通信服務(wù)的缺陷,保證在有需要特別是發(fā)生緊急危險事故時,及時交換信息數(shù)據(jù),及時取得外界幫助及支援由于設(shè)置了具有高冗余度的移動數(shù)據(jù)通信接口和衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信接口,完全可以保證木屋燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)、燃料供氣系統(tǒng)和家用電器的日常運行及可能發(fā)生的應(yīng)急情況,都在木屋控制中心或木屋所有人的監(jiān)控之下,緊急情況下,由控制中心發(fā)出指令, 能源管理控制計算機系統(tǒng)接收指令之后,通過遠(yuǎn)程控制接口對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)實施緊急關(guān)機。從而大大提高了木屋的能源供應(yīng)及使用設(shè)備工作可靠性。在本發(fā)明中,主要由燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)、燃料供氣系統(tǒng)以及能源管理控制計算機系統(tǒng)三大部分組成一個清潔能源系統(tǒng)。采用這個清潔能源系統(tǒng),即便在缺乏市政供電、 供氣設(shè)施的地方,如高山,沙漠,海島等旅游風(fēng)景區(qū),遠(yuǎn)離交通線或城鎮(zhèn)的鄉(xiāng)村,草原乃至邊防哨所,只要有氣體燃料和水保證供應(yīng),就可以提供電力與熱水。尤其在木屋建筑中,相比常規(guī)柴油發(fā)電,甚至風(fēng)力、光伏發(fā)電,該系統(tǒng)的“環(huán)保、節(jié)能、低碳、高效”等優(yōu)點尤為突出1.燃料電池發(fā)電比傳統(tǒng)發(fā)電方式更具高效、環(huán)保等許多優(yōu)勢,其根本原因在于兩種發(fā)電方式的機理不同。燃料電池發(fā)電基于氧化一還原電化學(xué)反應(yīng)原理,不受卡諾循環(huán)所確定的熱功轉(zhuǎn)化效率限制。就拿目前我國已掌握的100萬千瓦‘超超臨界’火力發(fā)電技術(shù)來說,雖然轉(zhuǎn)化效率已高達(dá)44%,但這僅僅是在如此大發(fā)電功率規(guī)模情況下,才能讓其轉(zhuǎn)化率相當(dāng)接近卡諾循環(huán)。如果發(fā)電功率在幾十千瓦數(shù)量級,其發(fā)電效率不超過40 % ;加上用電熱水器(一般由電轉(zhuǎn)化為熱,效率也在40%左右)產(chǎn)生熱水,這時候的總效率肯定比40% 的發(fā)電效率更低。而燃料電池發(fā)電,很容易做到一次發(fā)電效率大于45%,系統(tǒng)總發(fā)電效率大于70%。比如,日本大阪煤氣公司推向市場銷售的燃料電池700W燃料電池家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)產(chǎn)品,其電效率大于45%,熱效率(熱水罐為70升)大于40%,系統(tǒng)總效率超過85%。由此可見,在沒有市政供電、供氣設(shè)施的地方,如果木屋等建筑物要做到獨立供電、供熱,選用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng),其供電供熱的經(jīng)濟性和不間斷性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過包括風(fēng)能、光伏在內(nèi)的常規(guī)發(fā)電方式。相比之下,其發(fā)電效率最高,發(fā)電成本最低,整體系統(tǒng)節(jié)水 (幾乎完全水循環(huán)),二氧化碳廢氣收集率高達(dá)90%以上,比較容易做到低碳減排。2.由于設(shè)置了木屋能源管理控制計算機系統(tǒng),通過對木屋能源供應(yīng)方的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)和木屋能源使用方的家電及熱水設(shè)備的運行數(shù)據(jù)收集,監(jiān)控,特別是設(shè)計了一個節(jié)能運行程序,讓木屋的能源供應(yīng)和使用按照“用多少電發(fā)多少電”的原理,即由木屋的電器及熱水設(shè)備實際使用負(fù)荷來調(diào)整木屋的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)發(fā)電及供熱的供給能力。這種節(jié)能運行程序的實施,使得供電供熱與用電用熱有可能達(dá)到或接近動態(tài)平衡,更符合清潔能源要求。這也是目前包括風(fēng)力、光伏在內(nèi)的現(xiàn)有常規(guī)發(fā)電方式難以做到的。3.鑒于木屋可移動性大、處置相對分散、使用時間多變不定的環(huán)境條件,平時維護和應(yīng)急搶修難度比常規(guī)住宅建筑物大的特點,為保證燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)可靠運行,通過設(shè)置基于移動通信和衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信兩種通信接口,可以讓木屋管理方對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)和家電及熱水設(shè)備進行遠(yuǎn)程監(jiān)控。尤其是衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信方式,不僅解決了在許多旅游風(fēng)景區(qū)或遠(yuǎn)離城市的邊遠(yuǎn)鄉(xiāng)村山區(qū),因沒有移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋而通信不暢而無法實施遠(yuǎn)程監(jiān)控難點,而且可以做到對木屋所在位置精確定位并向木屋管理方或所有者報


圖1是固體氧化物燃料電池工作原理示意圖。圖2是固體氧化物燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)發(fā)電與供熱工作原理框圖。圖3是天然氣燃料供氣系統(tǒng)組成框圖。圖4是木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)工作原理框圖。圖5是本發(fā)明實施例所使用的木屋的一種清潔能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖,通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。實施例1如圖5所示,本實施例所使用的清潔能源系統(tǒng)由以下幾個部分組成(1)由燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)和天然氣燃料供氣系統(tǒng)組成的能源供應(yīng)方;( 由包括木屋設(shè)備與用戶識別插件、衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信接口和移動通信數(shù)據(jù)通信接口在內(nèi)的木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)組成的木屋清潔能源管理方;C3)由木屋電器和熱水設(shè)備組成的能源使用方。在木屋里,上述設(shè)備之間的“互聯(lián)互通”,一是以燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)為中心的有關(guān)水、電、氣管線配置①燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)是一個獨立的工作機柜。一般幾千瓦級的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)工作機柜體積相當(dāng)于一個家用電冰箱大小。該設(shè)備就位后,可選用適合輸送冷熱水的金屬管、塑料管,一頭把木屋裝置的水箱或室外輸水管與該設(shè)備的冷水入口連通,另一頭將該設(shè)備的熱水出口與木屋的如洗漱、洗澡用熱水龍頭,暖氣片等熱水設(shè)備連通(參見圖5帶箭頭黑線所示的冷水和熱水輸送方向標(biāo)記)。②選用合適的電力電纜或電線,將燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的交流市電輸出端與木屋的配電箱相連,木屋的其他用電設(shè)備都從該配電箱取電(參見圖5帶箭頭黑線所示的電力(交流市電)輸送方向標(biāo)記)。③選用合適的金屬或塑料輸氣管,將燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的天然氣入口端與天然氣燃料供氣系統(tǒng)的常壓天然氣輸出出口端連接(參見圖5的天然氣輸送方向標(biāo)記);另外,可以把燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的空氣輸入端端口保護罩去掉,猶如家用煤氣灶一樣直接從木屋室內(nèi)取得空氣,或者用合適的金屬或塑料輸氣管接到木屋室外(參見圖5的空氣輸送方向標(biāo)記)O二是以木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)為中心的有關(guān)數(shù)據(jù)總線配置木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)是一套嵌入式電子設(shè)備,可以獨立壁掛在木屋墻上,也可以嵌入到燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的機柜里。木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)是通過數(shù)據(jù)總線與木屋內(nèi)各種設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信、信息交換以及實施控制的??紤]到木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)的主要功能是對能源提供方和能源使用方的設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集與程序控制。也就是說,具體到每一臺設(shè)備的運行,木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)平時是不參與該設(shè)備的實時控制的,而是由該設(shè)備自身的控制計算機或工控機或可編程控制器等裝置來實施執(zhí)行的。所以對數(shù)據(jù)通信與交換控制流量要求并不高。其數(shù)據(jù)總線可采用常見的RS-235,RS-485總線規(guī)格標(biāo)準(zhǔn), 當(dāng)然也可以選擇目前流行的CAN總線。同樣,由于木屋自身體量并不大,一般情況下,連接線可以選用雙絞線,要求高的場合可用CAN總線專用屏蔽電纜。木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)與各設(shè)備的互聯(lián)互通比較簡單,有關(guān)雙絞線或總線專用屏蔽電纜布置就位后,把數(shù)據(jù)總線的連接插頭插到相應(yīng)設(shè)備上。當(dāng)然,除了木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)與各個設(shè)備硬件連接之外,相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信信息交換與控制軟件也要嵌入到各個設(shè)備之中。盡管該清潔能源系統(tǒng)的設(shè)備組成,包括其工作原理及工作過程都相當(dāng)復(fù)雜,但因為在木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)里預(yù)先設(shè)置了常規(guī)運行模式、節(jié)能運行模式和應(yīng)急運行模式三種程序,所以對于木屋用戶來說,使用該系統(tǒng),只要選擇“常規(guī)運行模式”或“節(jié)能運行模式”其中之一的運行模式,就如用遙控器或用人手按鍵盤來操作空調(diào)器一樣簡單。下面就本實施例所使用的一種清潔能源系統(tǒng)的工作過程作進一步介紹1.常規(guī)運行模式該運行模式特點是木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)只對木屋的能源供應(yīng)方設(shè)備進行程序控制和數(shù)據(jù)采集工作,對木屋的能源使用方設(shè)備僅僅作其運行工作參數(shù)進行采集與記錄。具體操作如下(1)首先在木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)中,按不同時間段(長周期以年度、季度、月度為單位,短周期以一天對小時為單位)設(shè)定燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的運行周期。比如,位于高山滑雪區(qū)的木屋,可能是大半年開放運行,小半年關(guān)閉休整。那么就可以設(shè)定第一年的9月開始到第二年的6月為開放運行長周期,其中還可以按當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件,細(xì)分為各個季度和月份,其他月份可設(shè)定為關(guān)閉休整狀態(tài)。在每一個開放運行長周期中,還可以按一天M小時的短周期分段設(shè)置如在白天,旅游者外出,在木屋里就可以關(guān)閉照明燈具,減少熱水供應(yīng),這一時段可以降低供電、供熱出力;當(dāng)旅游者回到木屋活動,燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)就提高供電、供熱出力;到了晚上,其用電、用熱水及取暖需求量大增,此時可設(shè)定供電、供熱出力達(dá)到最大值。由此可見,通過對常規(guī)運行模式的控制程序設(shè)置,可以讓燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)按不同的時間段或投入運行,或調(diào)整其供電供熱出力大小,從而使燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)具備了初步的智能節(jié)能運行功能。(2)當(dāng)木屋用戶用遙控器或鍵盤啟動木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)之后,燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)就執(zhí)行木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)里預(yù)置的常規(guī)運行模式程控指令,進入供電、供熱的常規(guī)運行工作狀態(tài)。如果在其運行過程中,木屋用戶不進行人工干預(yù),燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)就會按木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)所設(shè)定的程序自動運行下去,直至木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)所設(shè)定的操作程序執(zhí)行完畢而停止運行。(3)木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)只是對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)進行程控操作, 燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的運行是由自身的控制計算機執(zhí)行完成的。與此同時,木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)會對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)及天然氣燃料供氣系統(tǒng)的運行工況進行相關(guān)數(shù)據(jù)采集工作。所采集的運行工況數(shù)據(jù),作為木屋能源供應(yīng)方的設(shè)備日常工作日志記錄, 是執(zhí)行設(shè)備維護的重要技術(shù)參數(shù)。(4)現(xiàn)有的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)有比較完善的工作故障檢測和應(yīng)急處理措施。比如對燃?xì)庑孤?、工作溫度超?biāo)等故障,都會及時報警或自動關(guān)機。但在這個清潔能源系統(tǒng)中,由于木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)對所采集的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)工況運行數(shù)據(jù),包括可能出現(xiàn)的運行故障數(shù)據(jù),會及時進行存儲、比較和處理。也就是說,相對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)自身的故障處理措施,木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)提供了冗余備份。 進一步了解,請見“應(yīng)急運行模式”內(nèi)容介紹。(5)木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)還對木屋的能源使用方,如照明燈具,家用電器等設(shè)備,進行運行工況數(shù)據(jù)采集與記錄。綜上所述可見,木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)的常規(guī)運行模式已經(jīng)初步體現(xiàn)了 “環(huán)保、節(jié)能、低碳、高效”這一清潔能源定義。即要比常規(guī)發(fā)電方式如柴油機發(fā)電更容易調(diào)整,能夠做到以時間分段需求,按預(yù)設(shè)時間程序計劃,提供相應(yīng)的發(fā)電和供熱出力。2.節(jié)能運行模式為了進一步達(dá)到清潔能源的“環(huán)保、節(jié)能、低碳、高效”定義要求,在前述的常規(guī)運行模式基礎(chǔ)上,增加節(jié)能運行程序控制功能,演變?yōu)楣?jié)能運行模式對于木屋的能源提供方,該運行模式貫徹了 “需方?jīng)Q定供方”設(shè)計思想,即由木屋的電器設(shè)備實際使用負(fù)荷來調(diào)整木屋的燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)發(fā)電及供熱的出力(輸出功率)。對于木屋的能源使用方, 根據(jù)木屋室內(nèi)外的如“光線強弱,有人沒人”等環(huán)境條件變化,可以做到“按需用電用熱”。簡單的,如“人走燈滅”;復(fù)雜的,如分時使用相關(guān)家電設(shè)備,尤其是在木屋的設(shè)備用電量超出燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)發(fā)電量時,可以讓一些家電設(shè)備退出運行或降低運行功率。進一步說明如下(1)顯見,節(jié)能運行模式向下兼容了常規(guī)運行模式,故具體操作方式與其相似,其中的有關(guān)按不同時間段設(shè)定燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的運行周期的方法,可參照執(zhí)行常規(guī)運行模式所述內(nèi)容;新增的節(jié)能運行設(shè)定方法,只是確定如何讓燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的發(fā)電和供熱出力(輸出功率),能夠?qū)崟r跟蹤電氣設(shè)備負(fù)荷變化而及時調(diào)整。具體來講,讓采集到的電器設(shè)備實際使用負(fù)荷數(shù)據(jù),通過木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)所內(nèi)置的節(jié)能運行程序計算,對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)發(fā)出出力(輸出功率)調(diào)整指令,然后燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)自動調(diào)整其發(fā)電及供熱輸出功率大小并保證電氣設(shè)備的正常用電負(fù)荷。內(nèi)置的節(jié)能運行程序設(shè)計依據(jù)是一般木屋的用電設(shè)備功率都不太大,大致在幾千瓦到十幾千瓦數(shù)量級;在正常運行中,其設(shè)備負(fù)荷比較均衡,只不過在設(shè)備開啟和關(guān)閉時亥IJ,有一定的沖擊性負(fù)荷變化。所以,燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)只需要考慮出力的調(diào)整與用電設(shè)備投入運行的數(shù)量及其負(fù)荷增減相匹配,而應(yīng)對用電設(shè)備的沖擊性負(fù)荷變化,出力的調(diào)整量和調(diào)整速度可以有一定的滯后度,具體滯后度是由生產(chǎn)廠家通過理論計算和實驗決定。(2)對于木屋使用者而言,如何讓燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)能夠進入清潔能源工作狀態(tài),只需要按鍵進入“節(jié)能運行模式”就可以了。使用者更關(guān)心的是如何有效和合理使用木屋內(nèi)的電氣設(shè)備。從木屋建設(shè)和運行成本考量出發(fā),木屋配置的電氣設(shè)備總負(fù)荷量是要大于燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)最大輸出功率的,這是因為在一般情況下,使用者不會把所有設(shè)備全部打開投入運行,如果出現(xiàn)這種情況,就會過載跳間。但節(jié)能運行模式可以改善一是當(dāng)木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)檢測到燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)已經(jīng)接近最大輸出功率時,可以發(fā)出聲光信號提示使用者,此時不宜再接入電器設(shè)備。二是可以啟動電器設(shè)備優(yōu)先使用級別分配(分時使用)程序,或者關(guān)閉一個或幾個電氣設(shè)備,或者降低某個設(shè)備用電量。具體讓哪些設(shè)備優(yōu)先使用,可以人工設(shè)定。三是可以讓木屋墻上的電氣插座分成二類。 一類是小負(fù)荷的插座,可以保證使用者自帶的電腦、音響及充電器等設(shè)備不間斷用電;另一類是大功率電氣設(shè)備插座,如給電動自行車充電,可以由木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)給出提示,在電力不夠用時,可以臨時停電。(3)清潔能源的“環(huán)保、節(jié)能、低碳、高效”要求,其中的“環(huán)保、節(jié)能、低碳”前三項, 主要是采用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)而做到的。要進一步做到第四項“高效”指標(biāo),就必須依靠“節(jié)能運行模式“運行。但也只有采用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng),才有可能比較簡單并且是低成本做到用“多少電,發(fā)多少電”。只是因為燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的最大特點之一就是燃料電池在滿負(fù)荷發(fā)電與輕負(fù)荷發(fā)電時,其發(fā)電效率差不多(只相差幾個百分點);而常規(guī)發(fā)電機都要求工作在滿負(fù)荷或接近滿負(fù)荷發(fā)電,才能保持其高效狀態(tài)。3.應(yīng)急運行模式木屋建筑物特點就是可移動性大、處置相對分散、使用時間多變不定,在缺乏市電和管道氣供應(yīng)條件下,木屋還需要獨立發(fā)電供熱,加上木屋的所有者、經(jīng)營者和使用者往往不是同一人,所以日常運行、維護和應(yīng)急搶修難度比常規(guī)住宅建筑物大。為保證燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)安全可靠運行,在常規(guī)運行模式和節(jié)能運行模式基礎(chǔ)上,增加了應(yīng)急運行模式 尤其是當(dāng)木屋使用者與經(jīng)營管理者不是同一方時,無論日常運行時,如出現(xiàn)天然氣用完要換氣瓶或充氣;還是一旦發(fā)生緊急事故要停機,都必須第一時間通知木屋的經(jīng)營管理者并讓他立即處理解決。特別在發(fā)生災(zāi)難的緊急狀態(tài)時,木屋使用者往往沒有也不具備相應(yīng)處置能力,相反,必須保證有及時知情權(quán)。這時候,如讓經(jīng)營管理者得知此緊急狀態(tài)信息之后再來通知木屋使用者,往往來不及。就需要通過運行應(yīng)急運行模式,就地、第一時間自動發(fā)出警告信號,方能讓木屋使用者及時逃離,避免人身傷害。顯見,有關(guān)信息或數(shù)據(jù)由木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)采集之后,移送到木屋設(shè)備與用戶識別插件中進行信息狀態(tài)識別處理。如果是正常數(shù)據(jù)結(jié)論,不需要人工干預(yù),就可作為日常工作日志記錄數(shù)據(jù)存儲;如果是異常數(shù)據(jù)結(jié)論,木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)或者燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)自身糾錯、排除不了,就通過移動通信數(shù)據(jù)通信接口或衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信接口通知木屋所有者和經(jīng)營管理方,讓他們及時到現(xiàn)場解決。比如,最簡單例子是天然氣用完了,需要換氣瓶或者充氣。這類正常的要人到現(xiàn)場處理業(yè)務(wù)也可以算是應(yīng)急處理操作之一。另一種是真正的應(yīng)急處理,即所得出的異常數(shù)據(jù)結(jié)論是屬于緊急或高危險度或如非法入侵及災(zāi)難,木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)一方面發(fā)出緊急處理指令,比如停機, 關(guān)天然氣閥門,發(fā)出聲光警告信號告訴木屋使用者;另一方面,也是同步進行移動通信和衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信,把以上信息第一時間告訴木屋所有者和經(jīng)營管理方,讓他們立即到現(xiàn)場急救處理。最后,還可以有其他附加延伸功能,如檢測到相關(guān)設(shè)備到了正常維修期,需要通知木屋所有者或經(jīng)營管理方;木屋使用者因欠費或超期,需要停止其使用權(quán),此時也可以通知相關(guān)方面,甚至在必要時,可以通過移動通信和衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信,異地實施強制性“鎖死”設(shè)備運行技術(shù)措施。進一步的說明(1)應(yīng)急運行模式是綁定在“常規(guī)運行模式”和“節(jié)能運行模式”之上的,也就是說,燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)是可以處在常規(guī)還是節(jié)能運行狀態(tài),但應(yīng)急運行模式始終存在,該模式是“隱性”運行的。其目的是保障木屋清潔能源的正常工作,一旦發(fā)生事故,及時通知現(xiàn)場人員,盡可能避免人身傷害;另一方面讓相關(guān)方面人員及時到現(xiàn)場緊急處理,盡可能減少損失。(2)應(yīng)急運行模式是由木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度和控制的,依靠木屋設(shè)備與用戶識別插件來完成應(yīng)急信息數(shù)據(jù)判決及實時處理、依靠衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信接口和移動通信數(shù)據(jù)通信接口完成數(shù)據(jù)信息通信。其中,木屋設(shè)備與用戶識別插件相當(dāng)于一塊嵌入式單片計算機,只不過在結(jié)構(gòu)上做成一個可插拔的板卡,以方便現(xiàn)場維修;同樣,衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信接口和移動通信數(shù)據(jù)通信接口也以模塊形式裝置在木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)上。(3)在木屋設(shè)備與用戶識別插件中,主要對所采集的數(shù)據(jù)進行信息狀態(tài)識別處理。 其中的狀態(tài)識別的標(biāo)準(zhǔn)、條件及處理方式可分為①原廠設(shè)置主要是木屋及設(shè)備制造商對相關(guān)設(shè)備,如燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng),天然氣燃料供氣系統(tǒng)的正常和異常工況條件、指標(biāo)和上下極限值,故障糾錯、排除及報警,緊急處置如停機、關(guān)閉閥門等操作條件。以上原始判據(jù)是由生產(chǎn)廠家設(shè)置,一般是不可更改的。②買賣交易設(shè)置買賣雙方包括木屋生產(chǎn)商與木屋購置方之間交易;木屋所有方與租賃經(jīng)營方之間交易,甚至還有木屋所有方、租賃經(jīng)營方與木屋所在地如風(fēng)景旅游景區(qū)等三方之間交易。以上交易涉及到使用該木屋合法用戶的識別標(biāo)記、授權(quán)記錄,以保證用戶使用權(quán)限和木屋及其設(shè)備安全運營。例如,木屋包括木屋自身及所配置的如燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)等主要設(shè)備基本信息,如生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品型號、生產(chǎn)日期等數(shù)據(jù),可以作為設(shè)備身份碼固化在插件中。還有買賣交易方之間的關(guān)聯(lián)信息,以木屋設(shè)備產(chǎn)品使用等級子系統(tǒng)為例,用戶是全額付款購買,還是分期付款購買,或者租賃(按使用計時、計次收費)使用; 何時轉(zhuǎn)移設(shè)備處置權(quán)或者投入使用日期;以上這些跟蹤數(shù)據(jù)可以保證或落實木屋生產(chǎn)商、 木屋購置方、木屋所有方、租賃經(jīng)營方,甚至還有木屋所在地如風(fēng)景旅游景區(qū)等各方的合法權(quán)益。以上關(guān)聯(lián)信息是需要在買賣交易成交時,正式寫入到用戶識別插件中。而且每交易成功一次,就要將這次交易內(nèi)容及其關(guān)聯(lián)信息寫入到用戶識別插件中;每次寫入,都要由每個交易方憑已經(jīng)在該插件中注冊的密碼或電子水印確認(rèn)之后,方能有效;寫入之后,只能讀出,不能修改。③現(xiàn)場設(shè)置木屋連同所配置的設(shè)備在所在地安裝并準(zhǔn)備投入運營之前,需要在所在地現(xiàn)場進行一次相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)置一類是木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)自動設(shè)置,即通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測定木屋所在地的地理位置坐標(biāo),并寫入木屋設(shè)備與用戶識別插件中的“設(shè)備工況異常數(shù)據(jù)”數(shù)據(jù)庫子單元。今后作為木屋位置信息報告給相關(guān)方面,便于他們在緊急狀態(tài)時正確快速找到木屋。另一類是由木屋所有者或經(jīng)營管理方人工設(shè)置,即將木屋安裝、投入運行時間等初始信息寫入到用戶識別插件中的“設(shè)備日常工作日志記錄”數(shù)據(jù)庫子單元。有關(guān)現(xiàn)場設(shè)置數(shù)據(jù)同樣是寫入之后,只能讀出,不能修改。如果木屋因某種原因需要移動搬到新的地方,可以再次執(zhí)行現(xiàn)場設(shè)置操作,其中,頭一次現(xiàn)場設(shè)置數(shù)據(jù)保留,只不過新的木屋地理位置坐標(biāo)覆蓋了原來的。換言之,也可以設(shè)計一個木屋地理位置坐標(biāo)定期自動搜索定位程序(衛(wèi)星導(dǎo)航定位是免費服務(wù)的),以保證木屋精確定位。④使用者使用設(shè)置相對而言,使用者使用設(shè)置并不能干擾應(yīng)急運行模式操作。只
14不過考慮到使用者需要有一個安全可靠的木屋生活環(huán)境。比如,木屋開門、木屋內(nèi)設(shè)備啟動等操作,基本上依靠密碼設(shè)置(管理中心給定或自行設(shè)置),包括鍵盤輸入,磁卡或IC卡刷卡操作。同時也防止外來無關(guān)人員非法操作,一旦出現(xiàn)非法操作,以上密碼設(shè)置相當(dāng)于防盜傳感器,可以讓應(yīng)急運行模式執(zhí)行應(yīng)急處理程序。當(dāng)然,也可以讓木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)配置指紋識別等更高級安全防偽識別設(shè)備,這些都是成熟措施,就不多介紹了。通過以上本發(fā)明實施例介紹,可以得知作為木屋的獨立發(fā)電供熱系統(tǒng),包括主要由燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng),木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)和木屋用電、用熱設(shè)備組成,通過節(jié)能運行軟件操作,比較完美達(dá)到了清潔能源要求。而且可以讓木屋使用者或木屋管理中心做到異地遠(yuǎn)程控制并保證木屋的獨立發(fā)電供熱系統(tǒng)長期安全可靠工作。與此同時,本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解,在不脫離本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi),還可以基于現(xiàn)有技術(shù)對本發(fā)明做若干推演或替換,因此本發(fā)明的保護范圍視權(quán)利要求范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種用于木屋的清潔能源系統(tǒng),包括燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)和能源管理控制計算機系統(tǒng),其中所述燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)利用氣體燃料發(fā)電和產(chǎn)熱,提供給木屋電器和熱水設(shè)備;所述能源管理控制計算機系統(tǒng)對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)和木屋電器、熱水設(shè)備進行日常運行和緊急狀態(tài)下的控制和管理,按木屋電器和熱水設(shè)備的實際使用負(fù)荷來調(diào)整燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的輸出功率。
2.如權(quán)利要求1所述的清潔能源系統(tǒng),其特征在于,所述燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)包括固體氧化物燃料電池堆、脫硫器、燃料重整器、空氣過濾器、風(fēng)機、熱能交換器和燃料電池系統(tǒng)控制器,氣體燃料先進入脫硫器脫硫,然后經(jīng)過燃料重整器處理進入固體氧化物燃料電池堆的陽極端;空氣經(jīng)空氣過濾器除塵后,由風(fēng)機送到固體氧化物燃料電池堆的陰極端;氣體燃料和空氣中的氧氣在固體氧化物燃料電池堆中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生直流電;該直流電在燃料電池系統(tǒng)控制器的控制下轉(zhuǎn)換為交流市電輸出到外電路,供外電路中的電器使用;陽極端剩余的氣體燃料和陰極端過剩的空氣在熱能交換器中燃燒,加熱注入的冷水。
3.如權(quán)利要求1所述的清潔能源系統(tǒng),其特征在于,所述能源管理控制計算機系統(tǒng)通過調(diào)整氣體燃料的輸入量來調(diào)整燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的輸出功率。
4.如權(quán)利要求1所述的清潔能源系統(tǒng),其特征在于,所述清潔能源系統(tǒng)還包括燃料供氣系統(tǒng),所述燃料供氣系統(tǒng)將壓縮的氣體燃料減壓后輸出到燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)。
5.如權(quán)利要求4所述的清潔能源系統(tǒng),其特征在于,所述木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)采集木屋的能源供應(yīng)設(shè)備和能源使用設(shè)備的運行工況數(shù)據(jù),根據(jù)預(yù)設(shè)程序?qū)δ茉垂?yīng)設(shè)備與電器使用設(shè)備的工作狀態(tài)進行程序控制,其中所述能源供應(yīng)設(shè)備包括燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)和燃料供氣系統(tǒng),所述能源使用設(shè)備包括木屋電器和熱水設(shè)備。
6.如權(quán)利要求5所述的清潔能源系統(tǒng),其特征在于,所述木屋能源管理控制計算機系統(tǒng)的預(yù)設(shè)程序包括常規(guī)、節(jié)能和應(yīng)急三種運行模式,其中常規(guī)運行模式是按不同時段木屋的用電用熱量有所不同的規(guī)律,分時段調(diào)整燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的輸出功率;節(jié)能運行模式是在常規(guī)運行模式的分時段程序基礎(chǔ)上通過采集木屋電器和熱水設(shè)備的負(fù)荷變化數(shù)據(jù),反饋控制燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的輸出功率;應(yīng)急運行模式是在接收到相關(guān)設(shè)備工況異?;蛭kU狀態(tài)數(shù)據(jù)時,按應(yīng)急停機程序的風(fēng)險控制級別,對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)和/或燃料供氣系統(tǒng)進行應(yīng)急處理操作。
7.如權(quán)利要求1所述的清潔能源系統(tǒng),其特征在于,所述能源管理控制計算機系統(tǒng)具有木屋設(shè)備與用戶識別插件、移動數(shù)據(jù)通信接口和衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信接口三個部件,其中,木屋設(shè)備與用戶識別插件作為木屋合法用戶的識別標(biāo)記和授權(quán)記錄,使能源管理控制計算機系統(tǒng)通過移動數(shù)據(jù)通信接口或衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信接口與木屋管理中心或木屋所有人建立基于移動通信網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信和控制聯(lián)系。
8.如權(quán)利要求7所述的清潔能源系統(tǒng),其特征在于,所述衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信接口是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航報告通信接口。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于木屋的清潔能源系統(tǒng),包括燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)和能源管理控制計算機系統(tǒng),其中所述燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)利用氣體燃料發(fā)電和供熱;所述能源管理控制計算機系統(tǒng)對燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)和木屋電器、熱水設(shè)備進行日常運行和緊急狀態(tài)下的控制和管理,按木屋電器和熱水設(shè)備的實際使用負(fù)荷來調(diào)整燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)的輸出功率,讓發(fā)電與用電達(dá)到或接近動態(tài)平衡,從而實現(xiàn)高效、節(jié)能和環(huán)保、低碳的清潔能源供應(yīng)。
文檔編號F24H1/00GK102569858SQ201210037108
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月17日
發(fā)明者程浩川, 陳聰, 韓敏芳 申請人:程浩川, 陳聰, 韓敏芳
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