学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

固体氧化物燃料电池建筑热电联供系统的性能研究

作　者: 赵玺灵
导　师: 邹平华；段常贵
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 分布式供能系统建筑物热(冷)、电联供系统天然气直接内部重整固体氧化物燃料电池
分类号: TM911.4
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 463次
引　用: 3次
阅　读: 论文下载

内容摘要

燃料电池发电技术是一种先进、清洁的发电技术,其发电机理与传统发电方式不同,其发电效率不受卡诺循环效率的限制,是一种高效的发电设备。将燃料电池作为建筑物热电联供系统的发电装置,是将高效的能源转换方式与高效的能源利用方式的综合,具有一定的研究价值,该领域的研究对提高能源利用率、改善环境质量等方面都具有重要的意义。本文首先从热力学角度对燃料电池发电技术进行分析,与传统发电方式进行比较,并且将处于优势地位的两种燃料电池在建筑物中的应用进行对比分析,针对固体氧化物燃料电池( SOFC)在建筑物热电联供系统(BCHP)中的应用这一课题,在以下几个方面进行研究:建立以天然气为燃料的直接内部重整固体氧化物燃料电池(DIR-SOFC)电堆模型,求解并验证模型的可用性,该模型是一个可以被灵活运用到不同的电池尺寸和操作条件下的模拟模型。在此基础上,模拟DIR-SOFC电堆的性能,分析其性能规律,确定电堆的合理操作区域。综合DIR-SOFC电堆模型与系统中配套的其他辅助设备模型,集成系统,通过对设计工况的模拟,实现SOFC系统的设计;通过对运行工况的模拟,分析系统的运行情况,形成一套适用于SOFC系统的设计思路和模拟方法。对SOFC系统的操作参数进行研究,分析预重整操作温度、预重整比率、蒸汽和碳的比率对系统性能的影响,并详细分析控制参数变化对系统性能的影响,提出四种可行的调节控制方法,通过对四种调节控制方法的综合效率、操作区特性、热电调节范围等各项性能指标的分析得出:以电池的操作温度和燃料利用率为控制参数的调节方法和以电池的操作电压和操作温度为控制参数的调节方法更适合用于建筑热电联供系统中。对SOFC系统进行优化设计,首先建立一个简化的SOFC系统的经济模型,采用指数缩放法处理经济模型中规模与造价的问题,然后从流程结构、设计参数和操作点三方面对系统进行优化设计:在流程结构的研究中,分别对5种不同流程进行模拟,从系统的热、电效率、热电比、初投资和寿命周期费用等方面进行综合评价;在设计参数的研究中,采用多因素析因试验和多变量方差分析的方法,得出燃料利用率、过量空气比率、燃料和空气进入电堆的设计温度为系统的主要设计参数,并分析各个设计变量对系统的技术和经济性能的影响,得到输出变量关于显著影响因素的回归模型,通过等值线图和响应曲面图描述多个非独立变量的变化情况;在系统操作点的研究中,以系统的主要设计变量为优化对象,以寿命周期费用最小为优化目标,采用有约束优化的方法对系统的操作点进行寻优,并逐一放松约束条件,研究不同电流密度条件下,约束条件对系统最佳操作点的影响趋势。对固体氧化物燃料电池建筑热电联供系统(SOFC-BCHP)的设计策略和运行策略进行优化研究,分别提出在高热、电比条件下和高电需求条件下相应的设计策略,特别是应燃料电池发电的特点提出差点设计法的原理,进而提出目前可以适用的电负荷跟随加外电网补充的操作策略。设计SOFC-BCHP系统并进行性能模拟,研究SOFC内部参数变化对系统的影响。针对SOFC-BCHP系统的集成匹配问题,分别从设备容量、设备配置数量、运行操作策略三个层次上以运行费用最小为优化目标,建立匹配问题的优化模型,采用序列二次规划法(SQP)寻优,其中,在对系统配置数量优化的研究中,提出用高频负荷工况的概念来确定设备数量的方法。最终,模拟实例建筑SOFC-BCHP系统的逐时运行匹配模式,并计算系统逐时综合效率、节省费用和CO2减排量,更为详细的分析结果为系统的设计及优化提供重要的理论参考。针对SOFC-BCHP系统的部分负荷优势,指出传统的技术评价指标不能体现系统的年运行工况、运行时间的不足,提出动态评价的概念,将传统的静态技术评价指标改进为“动态第一定律效率”和“动态第二定律效率”两类指标,并在此基础上提出“年一次能耗因子”(Annual Primary Energy Gene)和“年二次能耗因子”(Annual Second Energy Gene)两个新的技术评价指标,并通过实例分析证明了新评价指标的合理性,进而指出该系统在负荷需求持续、热电比需求接近1.6、冷电需求接近1的场合更具应用前景。随着燃料电池技术的日趋成熟,该系统不但为能源利用率的提高、污染物排放的减少提供了契机,而且具有能广泛应用于能量末端用户中的潜力,本文的研究成果为SOFC-BCHP系统的成功应用奠定了理论基础。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-9
物理量名称及符号表  9-21
第1章绪论  21-50
  1.1 课题的研究背景和意义  21-34
    1.1.1 分布式供能系统  21-22
    1.1.2 燃料电池发电技术  22-34
  1.2 国内外的研究现状综述  34-48
    1.2.1 理论基础上的模拟研究  35-45
    1.2.2 燃料电池在建筑中的示范性应用实例  45-48
  1.3 课题的主要研究内容  48-50
第2章固体氧化物燃料电池电堆模型  50-66
  2.1 DIR-SOFC 电堆模型的建立  50-61
    2.1.1 参数解释  51-53
    2.1.2 电堆模型的建立  53-58
    2.1.3 电堆模型的求解  58-61
  2.2 电堆模型的验证  61-63
  2.3 SOFC 电堆性能分析  63-65
    2.3.1 电流密度对电堆性能的影响  63-64
    2.3.2 操作温度对电堆性能的影响  64
    2.3.3 操作电压对电堆性能的影响  64-65
  2.4 本章小结  65-66
第3章 SOFC 系统性能模拟  66-92
  3.1 系统的辅助设备模型  66-72
    3.1.1 预重整器模型  66-67
    3.1.2 燃烧室模型  67
    3.1.3 流体输送设备模型  67-70
    3.1.4 换热设备的数学模型  70
    3.1.5 引射器的数学模型  70-72
  3.2 SOFC 系统的模拟  72-76
    3.2.1 系统求解方法  72-75
    3.2.2 算例  75-76
  3.3 SOFC 系统操作参数对系统性能的影响  76-91
    3.3.1 预重整操作参数对系统的性能影响  77-80
    3.3.2 控制参数变化对系统性能的影响  80-91
  3.4 本章小结  91-92
第4章 SOFC 系统的优化设计  92-125
  4.1 系统优化设计需要考虑的因素  92-94
    4.1.1 需求侧的能耗特点  92-93
    4.1.2 系统的流程结构  93
    4.1.3 主要设计参数的研究  93-94
  4.2 SOFC 系统的经济模型  94-96
  4.3 几种流程结构的性能比较  96-103
  4.4 基于析因试验的设计参数研究  103-118
    4.4.1 系统析因试验设计  103-105
    4.4.2 析因结果分析  105-118
  4.5 系统操作点的优化研究  118-124
  4.6 本章小结  124-125
第5章 SOFC-BCHP 系统的性能研究  125-159
  5.1 SOFC-BCHP 系统的设计策略和操作策略  125-128
    5.1.1 高热电比负荷条件下的设计策略  126
    5.1.2 高电需求负荷条件下的设计策略  126-127
    5.1.3 系统的操作策略  127-128
  5.2 SOFC-BCHP 系统的设计和性能模拟  128-138
    5.2.1 SOFC-BCHP 系统的设计  128-132
    5.2.2 SOFC-BCHP 系统的性能模拟  132-138
  5.3 SOFC-BCHP 系统的内部参数调节方法研究  138-143
    5.3.1 电堆入口温度变化对系统性能的影响  139-140
    5.3.2 燃料利用率变化对系统性能的影响  140-141
    5.3.3 过量空气比率变化对系统性能的影响  141-143
  5.4 SOFC-BCHP 系统的热电匹配问题研究  143-158
    5.4.1 联供系统设备总容量的优化  144-147
    5.4.2 联供系统设备配置数量的优化  147-149
    5.4.3 联供系统运行策略的优化研究  149-153
    5.4.4 SOFC-BCHP 系统优化实例  153-158
  5.5 本章小结  158-159
第6章 SOFC-BCHP 系统的技术评价指标及适用性分析  159-168
  6.1 联供系统的传统技术评价指标  159-160
    6.1.1 第一定律效率指标  159-160
    6.1.2 第二定律效率指标  160
  6.2 动态技术评价指标  160-162
  6.3 SOFC-BCHP 系统的适用性分析  162-167
  6.4 本章小结  167-168
结论  168-171
参考文献  171-182
附录  182-185
攻读博士学位期间发表的论文  185-187
致谢  187-188
个人简介  188

固体氧化物燃料电池建筑热电联供系统的性能研究

内容摘要

全文目录

相似论文