氢能和太阳能互补的热电联供系统及其工作方法技术方案

本发明专利技术公开了氢能和太阳能互补的热电联供系统，包括质子交换膜燃料电池发电系统、蒸气压缩式热泵系统、太阳能光伏发电系统、直流母线和蓄电池组，所述质子交换膜燃料电池发电系统、蒸气压缩式热泵系统、太阳能光伏发电系统和蓄电池组均与直流母线连接，所述质子交换膜燃料电池发电系统和太阳能光伏发电系统产生的电流通过直流母线储存在蓄电池组中或用来驱动蒸气压缩式热泵系统制热，同时质子交换膜燃料电池发电系统的余热也被回收用于供热。本发明专利技术可以离网运行，在没有电网的地方也可以使用；可兼顾电能和热能的供应，灵活性好；制热效率高，充分利用了燃料电池的电能及余热；制取的热水温度高(60℃以上)；综合能源利用率高。

【技术实现步骤摘要】
氢能和太阳能互补的热电联供系统及其工作方法
本专利技术涉及热能动力
，尤其涉及一种氢能和太阳能互补的热电联供系统及其工作方法。
技术介绍
与直接电加热相比，热泵具有较高的制热效率(能效比一般能达到3以上)，具有省电、节能、环保的特点。但由于热泵仍需要消耗高品位的电能，在远离电网的地方应用受到限制。太阳能光伏电池可以充分利用取之不尽、用之不竭且廉价的太阳光来产生电能，是一种清洁、无污染的发电方式，但由于太阳能具有间歇性的特点，晴天有阴天没有，白天有晚上没有，因此在需要稳定的能源供应的地方并不方便使用。氢燃料电池发电系统使用氢作燃料，反应的产物只有水，同样是一种清洁、无污染的发电方式。但氢燃料电池所使用的氢气价格较贵，且燃料电池目前的实用效率只有50％左右，即输入燃料电池的氢能只有50％能转化成电能，剩下的50％能量都以热量的形式白白排放掉了，而没有得到充分的利用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的实施例提供了一种综合利用质子交换膜燃料电池、太阳能光伏电池、热泵各自的优点，并避免其缺点，可得到远高于质子交换膜燃料电池余热温度高温热水的氢能和太阳能互补的热电联供系统及其工作方法。本专利技术的实施例提供氢能和太阳能互补的热电联供系统，包括质子交换膜燃料电池发电系统、蒸气压缩式热泵系统、太阳能光伏发电系统、直流母线和蓄电池组，所述质子交换膜燃料电池发电系统、蒸气压缩式热泵系统、太阳能光伏发电系统和蓄电池组均与直流母线连接，所述质子交换膜燃料电池发电系统和太阳能光伏发电系统产生的电流通过直流母线储存在蓄电池组中或用于驱动蒸气压缩式热泵系统制热,同时,所述质子交换膜燃料电池发电系统的余热也被回收用于供热。进一步，所述太阳能光伏发电系统包括太阳能光伏阵列、第一直流-直流变换器以及相应的连接导线，所述太阳能光伏阵列和第一直流-直流变换器之间设有第一开关，所述太阳能光伏阵列包括一个或多个太阳能电池组件，所述太阳能光伏阵列输出的直流电经第一直流-直流变换器转换为稳定直流电；所述太阳能光伏阵列具有输出正接线端子和输出负接线端子，所述第一直流-直流变换器具有输入正接线端子、输入负接线端子、输出正接线端子和输出负接线端子，所述太阳能光伏阵列的输出正接线端子接第一直流-直流变换器的输入正接线端子，所述太阳能光伏阵列的输出负接线端子接第一直流-直流变换器的输入负接线端子；所述第一直流-直流变换器的输出正接线端子接直流母线的正极导线，所述第一直流-直流变换器的输出负接线端子接直流母线的负极导线。进一步，所述蒸气压缩式热泵系统包括直流制冷压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器、蒸发器风扇、第一水泵、热水储箱及相应的连接管路，所述直流制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器通过管路依次连接，所述蒸发器风扇设在蒸发器的一侧，所述第一水泵的进口和热水储箱相连，所述第一水泵的出口和冷凝器的进水口相连，所述冷凝器的出水口和热水储箱相连；所述直流制冷压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器和连接它们的管路中充注有制冷剂，所述冷凝器是制冷剂和水的热交换器，所述蒸发器是制冷剂和空气的热交换器。进一步，所述质子交换膜燃料电池发电系统包括质子交换膜燃料电池电堆、氢气供应系统、空气供应系统、第二直流-直流变换器、第二水泵、散热水箱、散热风扇、膨胀水箱、设于热水储箱内部的水换热器和相应的连接管路，所述质子交换膜燃料电池电堆连接氢气供应系统和空气供应系统，所述质子交换膜燃料电池电堆通过第二开关连接第二直流-直流变换器，所述质子交换膜燃料电池电堆的冷却水进口和第二水泵的出口相连，所述第二水泵的进口和散热水箱的进口相连，所述质子交换膜燃料电池电堆的冷却水出口连接散热水箱进口和水换热器的进口，所述水换热器的出口连接散热水箱的进口，所述散热风扇设在散热水箱的一侧，所述膨胀水箱连接第二水泵；所述直流制冷压缩机通过第三开关连接直流母线的正极导线和负极导线。进一步，所述质子交换膜燃料电池电堆的冷却水出口和散热水箱进口的连接管道上设有第一阀，所述质子交换膜燃料电池电堆的冷却水出口和水换热器的进口的连接管道上设有第二阀，所述水换热器出口和散热水箱进口的连接管道上设有第三阀，所述质子交换膜燃料电池电堆具有输出正接线端子和输出负接线端子，所述第二直流-直流变换器具有输入正接线端子、输入负接线端子、输出正接线端子和输出负接线端子，所述质子交换膜燃料电池电堆的输出正接线端子和第二直流-直流变换器的输入正接线端子相连，所述质子交换膜燃料电池电堆的输出负接线端子和第二直流-直流变换器的输入负接线端子相连；所述第二直流-直流变换器的输出正接线端子接直流母线的正极导线，所述第二直流-直流变换器的输出负接线端子接直流母线的负极导线。进一步，所述质子交换膜燃料电池电堆上设有氢气进口、氢气出口、空气进口和空气出口，所述质子交换膜燃料电池电堆通过氢气进口连接氢气供应系统供应氢气，所述质子交换膜燃料电池电堆通过空气进口连接空气供应系统供应空气，所述氢气和空气中的氧气反应产生直流电和水，所述直流电通过第二直流-直流变换器转换为稳定直流电，多余的氢气通过氢气出口排出，多余的空气和反应生成的水通过空气出口排出；所述蓄电池组包含一个或多个蓄电池，各个蓄电池的正极与直流母线的正极导线相连，各个蓄电池的负极与直流母线的负极导线相连。氢能和太阳能互补的热电联供系统的工作方法，阳光充足，需要供电但不需供热时，断开第二开关和第三开关，所述蒸气压缩式热泵系统和质子交换膜燃料电池发电系统均不工作，当直流母线电压低于电压下限时，闭合第一开关，太阳能光伏阵列输出电压和电流实时变化的直流电，此直流电经第一直流-直流变换器稳压后，接入直流母线，并给接入直流母线的蓄电池组充电；当直流母线电压高于电压上限时，断开第一开关，太阳能光伏阵列停止输出直流电，从所述直流母线上取出的直流电即能用于照明。氢能和太阳能互补的热电联供系统的工作方法，在阴雨天气或夜晚条件下，需要供电时，断开第一开关和第三开关，太阳能光伏发电系统和蒸气压缩式热泵系统均不工作，直流母线电压低于电压下限时，闭合第二开关，质子交换膜燃料电池发电系统开始工作，氢气由氢气进口进入质子交换膜燃料电池电堆，经过加压的空气从空气进口进入质子交换膜燃料电池电堆，在质子交换膜燃料电池电堆内部氢气与空气中的氧气反应，产生直流电和水，所述直流电经第二直流-直流变换器稳压后，接入直流母线，并给接入直流母线的蓄电池组充电，当直流母线电压高于电压上限时，断开第二开关，质子交换膜燃料电池发电系统停止电流输出，从直流母线上取出的直流电用于照明；质子交换膜燃料电池电堆产生直流电时，质子交换膜燃料电池电堆内部产生热量，所述第二水泵将散热水箱中的冷却水泵入质子交换膜燃料电池电堆的冷却水进口，冷却水吸收质子交换膜燃料电池电堆内部的热量后，温度升高，从冷却水出口流出返回散热水箱，在散热水箱中，冷却水将热量散发到空气中，温度降低，循环冷却质子交换膜燃料电池电堆。氢能和太阳能互补的热电联供系统的工作方法，需要制热时，闭合第三开关，蒸气压缩式热泵系统工作，蓄电池组中的直流电供给直流制冷压缩机，直流制冷压缩机运转，压缩制冷剂气体，制冷剂气体经直流制冷压缩机压缩后，温度升高、压力升高，进入冷凝器，在冷凝器中，高温高压的制冷剂气体放热，热本文档来自技高网...

【技术保护点】
氢能和太阳能互补的热电联供系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池发电系统、蒸气压缩式热泵系统、太阳能光伏发电系统、直流母线和蓄电池组，所述质子交换膜燃料电池发电系统、蒸气压缩式热泵系统、太阳能光伏发电系统和蓄电池组均与直流母线连接，所述质子交换膜燃料电池发电系统和太阳能光伏发电系统产生的电流通过直流母线储存在蓄电池组中或用于驱动蒸气压缩式热泵系统制热,同时,所述质子交换膜燃料电池发电系统的余热也被回收用于供热。

【技术特征摘要】
1.氢能和太阳能互补的热电联供系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池发电系统、蒸气压缩式热泵系统、太阳能光伏发电系统、直流母线和蓄电池组，所述质子交换膜燃料电池发电系统、蒸气压缩式热泵系统、太阳能光伏发电系统和蓄电池组均与直流母线连接，所述质子交换膜燃料电池发电系统和太阳能光伏发电系统产生的电流通过直流母线储存在蓄电池组中或用于驱动蒸气压缩式热泵系统制热,同时,所述质子交换膜燃料电池发电系统的余热也被回收用于供热。2.根据权利要求1所述的氢能和太阳能互补的热电联供系统，其特征在于，所述太阳能光伏发电系统包括太阳能光伏阵列、第一直流-直流变换器以及相应的连接导线，所述太阳能光伏阵列和第一直流-直流变换器之间设有第一开关，所述太阳能光伏阵列包括一个或多个太阳能电池组件，所述太阳能光伏阵列输出的直流电经第一直流-直流变换器转换为稳定直流电；所述太阳能光伏阵列具有输出正接线端子和输出负接线端子，所述第一直流-直流变换器具有输入正接线端子、输入负接线端子、输出正接线端子和输出负接线端子，所述太阳能光伏阵列的输出正接线端子接第一直流-直流变换器的输入正接线端子，所述太阳能光伏阵列的输出负接线端子接第一直流-直流变换器的输入负接线端子；所述第一直流-直流变换器的输出正接线端子接直流母线的正极导线，所述第一直流-直流变换器的输出负接线端子接直流母线的负极导线。3.根据权利要求1所述的氢能和太阳能互补的热电联供系统，其特征在于，所述蒸气压缩式热泵系统包括直流制冷压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器、蒸发器风扇、第一水泵、热水储箱及相应的连接管路，所述直流制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器通过管路依次连接，所述蒸发器风扇设在蒸发器的一侧，所述第一水泵的进口和热水储箱相连，所述第一水泵的出口和冷凝器的进水口相连，所述冷凝器的出水口和热水储箱相连；所述直流制冷压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器和连接它们的管路中充注有制冷剂，所述冷凝器是制冷剂和水的热交换器，所述蒸发器是制冷剂和空气的热交换器。4.根据权利要求3所述的氢能和太阳能互补的热电联供系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池发电系统包括质子交换膜燃料电池电堆、氢气供应系统、空气供应系统、第二直流-直流变换器、第二水泵、散热水箱、散热风扇、膨胀水箱、设于热水储箱内部的水换热器和相应的连接管路，所述质子交换膜燃料电池电堆连接氢气供应系统和空气供应系统，所述质子交换膜燃料电池电堆通过第二开关连接第二直流-直流变换器，所述质子交换膜燃料电池电堆的冷却水进口和第二水泵的出口相连，所述第二水泵的进口和散热水箱的进口相连，所述质子交换膜燃料电池电堆的冷却水出口连接散热水箱进口和水换热器的进口，所述水换热器的出口连接散热水箱的进口，所述散热风扇设在散热水箱的一侧，所述膨胀水箱连接第二水泵；所述直流制冷压缩机通过第三开关连接直流母线的正极导线和负极导线。5.根据权利要求4所述的氢能和太阳能互补的热电联供系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池电堆的冷却水出口和散热水箱进口的连接管道上设有第一阀，所述质子交换膜燃料电池电堆的冷却水出口和水换热器的进口的连接管道上设有第二阀，所述水换热器出口和散热水箱进口的连接管道上设有第三阀，所述质子交换膜燃料电池电堆具有输出正接线端子和输出负接线端子，所述第二直流-直流变换器具有输入正接线端子、输入负接线端子、输出正接线端子和输出负接线端子，所述质子交换膜燃料电池电堆的输出正接线端子和第二直流-直流变换器的输入正接线端子相连，所述质子交换膜燃料电池电堆的输出负接线端子和第二直流-直流变换器的输入负接线端子相连；所述第二直流-直流变换器的输出正接线端子接直流母线的正极导线，所述第二直流-直流变换器的输出负接线端子接直流母线的负极导线。6.根据权利要求4所述的氢能和太阳能互补的热电联供系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池电堆上设有氢气进口、氢气出口、空气进口和空气出口，所述质子交换膜燃料电池电堆通过氢气进口连接氢气供应系统供应氢气，所述质子交换膜燃料电池电堆通过空气进口连接空气供应系统供应...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴国民，杨宇飞，欧阳瑞，郝义国，吴波，熊钢，
申请(专利权)人：武汉地质资源环境工业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42