一种氢能和太阳能互补的热泵系统及其运行方法与流程

本发明涉及热能动力技术范畴，尤其涉及一种氢能和太阳能互补的热泵系统及其运行方法。

背景技术：

太阳能热泵是以太阳能作为低温热源，另外消耗一定的高品位能源(一般为电能或机械能)，将太阳能的温度水平提升后再加以利用的热泵。在具体实现方式上，太阳能热泵可利用蒸气压缩式、斯特林式等热泵作为中间环节，而以集热器收集的太阳热作为蒸发器的吸热源，太阳能在其中起辅助热源的作用，因此这类热泵又常被称为太阳能辅助热泵。目前以太阳能集热器和蒸气压缩式热泵相结合的太阳能辅助热泵比较常见。

太阳能辅助热泵是太阳能利用的重要形式，但由于其需要消耗高品位的能源，如：电能或机械能，太阳能辅助热泵不能完全依靠太阳能来工作，因此还不是完全的可再生能源利用系统，不能离开电网单独运行。此外，由于太阳能具有间歇的特性，在夜晚和阴雨天气收集不了太阳热能，达不到热泵工作所需要的低温热源的最低温度，此时就不能维持太阳能辅助热泵的连续运转。

以氢为燃料的质子交换膜燃料电池(pemfc)具有燃料来源广泛、清洁环保、电能转换效率高、工作温度低的特点，只要源源不断地给pemfc供应氢气，pemfc就能源源不断地产生电力，不受天气条件的限制。输入到pemfc的氢气的能量有50％以上转化成电能，剩下不到50％则转化成热量。由于此热量温度较低，一般利用价值不大，只能白白排放掉。如要充分利用此余热，就需要将此余温的温度提升到比较高的水平才行。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种氢能和太阳能互补的新能源利用系统，以解决太阳能辅助热泵不能脱离电网运行，以及质子交换膜燃料电池的余热温度不高的问题的氢能和太阳能互补的热泵系统及其运行方法。

本发明的实施例提供一种氢能和太阳能互补的热泵系统,包括燃料电池发电系统、散热系统和复合型平板太阳能集热器，所述散热系统、燃料电池发电系统和复合型平板太阳能集热器依次连通构成冷却水回路，所述散热系统将冷却水泵入燃料电池发电系统中，所述冷却水带走燃料电池发电系统的反应热，所述冷却水的温度升高，并流入复合型平板太阳能集热器，所述复合型平板太阳能集热器在阳光不充足时吸收冷却水的热量，所述冷却水的温度降低，并流回散热系统，所述冷却水在散热系统中进一步散热，所述冷却水的温度进一步降低至能够再次冷却燃料电池发电系统。

进一步，所述复合型平板太阳能集热器包括透明平板玻璃、中间隔层、选择性吸收涂层、流道、填充层和保温层，所述中间隔层、选择性吸收涂层、流道和填充层均设在保温层内，所述流道、选择性吸收涂层、中间隔层和透明平板玻璃从下向上依次设置，太阳光透过所述透明平板玻璃，穿过所述中间隔层，照射在所述选择性吸收涂层上，所述选择性吸收涂层具有高吸收率和低发射率，太阳能充足时，所述选择性吸收涂层将入射的太阳光吸收，没太阳时或阳光不充足时,所述选择性吸收涂层吸收冷却水的热量，所述选择性吸收涂层温度升高，所述填充层填充在流道的外侧，所述选择性吸收涂层将吸收的热量通过填充层传递给流道，所述保护层防止热量散失。

进一步，所述流道包括水流道和制冷剂流道，所述水流道和制冷剂流道互不连通，所述制冷剂流道在水流道的下方，所述选择性吸收涂层将吸收的热量通过填充层传递给水流道内流通的水和制冷剂流道内流通的制冷剂；所述中间隔层为空气层或真空层，所述填充层为导热性能优良的固体或液体，所述填充层为泡沫金属或导热液。

进一步，所述复合型平板太阳能集热器依次连通压缩机、冷凝器和节流元件构成一集热回路，所述压缩机通过燃料电池发电系统产生的电力驱动，所述压缩机将制冷剂气体压缩为高温高压的制冷剂气体，再进入冷凝器，在所述冷凝器中冷凝为高温高压的液体，所述高温高压的液体通过节流元件变为低温低压的气液混合物，所述低温低压的制冷剂气液混合物流入复合型平板太阳能集热器，在所述复合型平板太阳能集热器中所述低温低压的制冷剂气液混合物吸收热量再次蒸发为制冷剂气体，并再次进入压缩机被重新压缩。

进一步，所述冷凝器依次连通第二水泵和热水储箱构成一热水循环回路，所述第二水泵将热水储箱中的水泵入冷凝器中吸收冷凝热，水温升高，再流回热水储箱。

进一步，所述第二水泵与冷凝器之间设有第四阀，所述第二水泵和复合型平板太阳能集热器的冷却水入口端连通，所述述第二水泵和复合型平板太阳能集热器的冷却水入口端之间设有第三阀，所述热水储箱和复合型平板太阳能集热器的冷却水出口端连通，所述述热水储箱和复合型平板太阳能集热器的冷却水出口端之间设有第五阀，所述复合型平板太阳能集热器的冷却水出口端与散热系统之间设有第二阀，所述复合型平板太阳能集热器的冷却水入口端与燃料电池发电系统之间设有第一阀；

所述散热系统包括散热器、第一水泵、散热风扇和膨胀水箱，所述第一水泵将冷却水从散热器的底部抽出，所述膨胀水箱为散热器供应冷却水并提供水温变化时所需的体积膨胀空间，所述散热风扇设在散热器的一侧，所述散热风扇加速散热器外部空气的对流，进而加速所述散热器的散热；

所述燃料电池发电系统包括质子交换膜燃料电池电堆和直流-直流变换器，所述氢气和空气中的氧气在所述质子交换膜燃料电池电堆中反应产生直流电，所述直流电经直流-直流变换器转换为稳定直流电，并输出或供应给压缩机；

所述冷凝器是冷媒-水换热器，所述冷凝器为壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器；

所述节流元件是节流毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀、节流短管或节流孔板。

一种氢能和太阳能互补的热泵系统的运行方法，阳光充足时，所述复合型平板太阳能集热器吸收太阳能的热量，关闭所述第一阀、第二阀和第四阀，打开第三阀、第五阀；关闭第一水泵，运行第二水泵；所述复合型平板太阳能集热器收集太阳的热能，所述第二水泵从热水储箱的底部抽水，并泵入复合型平板太阳能集热器中，水在复合型平板太阳能集热器中吸收热能，水温升高，再流回热水储箱的顶部，所述第二水泵再从热水储箱的底部抽水，并泵入复合型平板太阳能集热器中直至整个热水储箱中的水温升高，实现将太阳能储存到热水储箱中。

一种氢能和太阳能互补的热泵系统的运行方法，没有太阳或阳光不充足时，所述复合型平板太阳能集热器吸收冷却水的热量，打开第一阀和第二阀，关闭第三阀、第四阀和第五阀，关闭第二水泵，运行第一水泵，所述质子交换膜燃料电池电堆中氢气和空气中的氧气反应产生直流电，并经直流-直流变换器转换为稳定直流电输出，所述氢气和空气中的氧气反应时，第一水泵从散热器的底部抽取冷却水，并泵入质子交换膜燃料电池电堆，所述冷却水带走质子交换膜燃料电池电堆的反应热，并流向复合型平板太阳能集热器中，在所述复合型平板太阳能集热器中冷却后，再流回散热器，并在散热器中进一步冷却。

一种氢能和太阳能互补的热泵系统的运行方法，没有太阳或阳光不充足时，所述复合型平板太阳能集热器吸收冷却水的热量，打开第四阀，关闭第一阀、第二阀、第三阀和第五阀，关闭第一水泵，运行第二水泵，所述压缩机将制冷剂气体压缩为高温高压的制冷剂气体，再进入冷凝器，所述第二水泵将热水储箱底部的水泵入冷凝器中，泵入冷凝器中的水吸收高温高压的制冷剂气体冷凝为高温高压液体的冷凝热，水温升高，并流回热水储箱的顶部，所述第二水泵再从热水储箱的底部抽水，并泵入冷凝器中直至整个热水储箱中的水温升高，实现将太阳能储存到热水储箱中。

一种氢能和太阳能互补的热泵系统的运行方法，没有太阳或阳光不充足时，所述复合型平板太阳能集热器吸收冷却水的热量，打开第一阀、第二阀和第四阀，关闭第三阀和第五阀，运行第一水泵和第二水泵，所述质子交换膜燃料电池电堆中氢气和空气中的氧气反应产生直流电，并经直流-直流变换器转换为稳定直流电驱动压缩机，所述氢气和空气中的氧气反应时，第一水泵从散热器的底部抽取冷却水，并泵入质子交换膜燃料电池电堆，所述冷却水带走质子交换膜燃料电池电堆的反应热，并流向复合型平板太阳能集热器中；同时，所述压缩机将制冷剂气体压缩为高温高压的制冷剂气体，再进入冷凝器，所述第二水泵将热水储箱底部的水泵入冷凝器中，泵入冷凝器中的水吸收高温高压的制冷剂气体冷凝为高温高压液体的冷凝热，水温升高，并流回热水储箱的顶部，所述高温高压液体通过节流元件变为低温低压的气液混合物，所述低温低压的制冷剂气液混合物流入复合型平板太阳能集热器；在所述复合型平板太阳能集热器中吸收了热量的冷却水向制冷剂气液混合物放热，所述低温低压的制冷剂气液混合物吸收热量再次蒸发为制冷剂气体，所述冷却水再流回散热器进一步冷却。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：克服了质子交换膜燃料电池电能转换效率高，但余热温度低；充分利用了低品位的、温度较低的燃料电池余热和太阳能，得到了高品位的、温度较高的热水，使得燃料电池余热和太阳能的利用价值更高，如可用于冬季采暖、工艺加热等场合；系统中的制冷压缩机、水泵等可以用燃料电池所发的直流电直接驱动，可以实现脱网运行，在沙漠、海岛等边远无电地区也能应用；具有多种运行模式，可适应不同的季节和天气条件；全部由可再生能源驱动(氢能、太阳能)，零污染、零排放，对环境友好，且将燃料电池的余热完全利用的综合能源利用系统，提高了氢能源的综合利用率。

附图说明

图1是本发明一种氢能和太阳能互补的热泵系统的一示意图。

图2是图1中复合型平板太阳能集热器的一示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了本发明的实施例提供一种氢能和太阳能互补的热泵系统,包括燃料电池发电系统1、散热系统2和复合型平板太阳能集热器3，散热系统2、燃料电池发电系统1和复合型平板太阳能集热器3依次连通构成冷却水回路；复合型平板太阳能集热器3依次连通压缩机4、冷凝器5和节流元件6构成一集热回路，在一实施例中，冷凝器5是冷媒-水换热器，冷凝器5优选为壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器；节流元件6优选是节流毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀、节流短管或节流孔板；冷凝器5依次连通第二水泵7和热水储箱8构成一热水循环回路。

燃料电池发电系统1包括质子交换膜燃料电池电堆101和直流-直流变换器102，质子交换膜燃料电池电堆101两侧设有氢气进口、氢气出口、空气进口和出气出口，氢气和空气中的氧气进入质子交换膜燃料电池电堆101，并在质子交换膜燃料电池电堆101中反应产生直流电，直流电经直流-直流变换器102转换为稳定直流电，并输出或供应给压缩机4。

散热系统2包括散热器201、第一水泵202、散热风扇203和膨胀水箱204，散热风扇203设在散热器201的一侧，膨胀水箱204为散热器201供应冷却水并提供水温变化时所需的体积膨胀空间，第一水泵202将冷却水从散热器201的底部抽出，并将冷却水泵入燃料电池发电系统1中，冷却水带走燃料电池发电系统1的反应热，冷却水的温度升高，并流入复合型平板太阳能集热器3，没有阳光或阳光不充足时，复合型平板太阳能集热器3吸收冷却水的热量，冷却水的温度降低，并流回散热系统2的散热器201，散热风扇203加速散热器201外部空气的对流，进而加速散热器201的散热，使冷却水进一步散热，冷却水的温度进一步降低至能够再次冷却燃料电池发电系统1。

请参考图2，复合型平板太阳能集热器3包括透明平板玻璃301、中间隔层302、选择性吸收涂层303、流道304、填充层305和保温层306，中间隔层302、选择性吸收涂层303、流道304和填充层305均设在保温层306内，流道304、选择性吸收涂层303、中间隔层302和透明平板玻璃301从下向上依次设置，填充层305填充在流道304的外侧，在一实施例中，流道304包括水流道3041和制冷剂流道3042，水流道3041和制冷剂流道3042互不连通，制冷剂流道3042在水流道3041的下方，中间隔层302为空气层或真空层，优选真空层，其具有能最大限度地降低热量并传递的作用，填充层305为导热性能优良的固体或液体，填充层305优选为泡沫金属或导热液。

太阳光透过透明平板玻璃301，穿过中间隔层302，照射在选择性吸收涂层303上，选择性吸收涂层303具有高吸收率和低发射率，阳光充足时，选择性吸收涂层303将入射的太阳光吸收，没有阳光或阳光不充足时，选择性吸收涂层303吸收冷却水的热量，选择性吸收涂层303温度升高，选择性吸收涂层303将吸收的热量通过填充层305传递给水流道3041内流通的水和制冷剂流道3042内流通的制冷剂，水流道3041中流通的水来自冷却水回路或热水储箱8，保护层306防止热量散失。

压缩机4通过燃料电池发电系统1产生的电力驱动，压缩机4将制冷剂气体压缩为高温高压的制冷剂气体，再进入冷凝器5，第二水泵7将热水储箱8中的水泵入冷凝器5中吸收冷凝热，高温高压的制冷剂气体冷凝为高温高压的液体，水温升高，再流回热水储箱8，高温高压的液体通过节流元件6变为低温低压的气液混合物，低温低压的制冷剂气液混合物流入复合型平板太阳能集热器3，在复合型平板太阳能集热器3中低温低压的制冷剂气液混合物吸收热量再次蒸发为制冷剂气体，并再次进入压缩机4被重新压缩。

在一实施例中，第二水泵7与冷凝器5之间设有第四阀12，第二水泵7和复合型平板太阳能集热器3的冷却水入口端连通，第二水泵7和复合型平板太阳能集热器3的冷却水入口端之间设有第三阀11，热水储箱8和复合型平板太阳能集热器3的冷却水出口端连通，热水储箱8和复合型平板太阳能集热器3的冷却水出口端之间设有第五阀13，复合型平板太阳能集热器3的冷却水出口端与散热系统2的散热器201之间设有第二阀10，复合型平板太阳能集热器3的冷却水入口端与燃料电池发电系统1之间设有第一阀9。

阳光充足时，复合型平板太阳能集热器3中收集的太阳能的热量，太阳能的热量通过热交换的形式传递给冷凝器中以及冷凝器5收集吸收了冷凝热的热量的水均可以流入热水储箱8中；没有太阳时，复合型平板太阳能集热器3中收集的吸收了反应热的冷却水的热量页流入热水储箱8中，使得热水储箱8中水温提高，从而达到热泵效应，作为典型实施例，从第一水泵202中抽出的水温一般低于55℃，经此热泵循环之后，在热水储箱8中可得到75～95℃的热水，燃料电池余热的温度得到大幅提升，因而更有利用价值。

一种氢能和太阳能互补的热泵系统的运行方法：阳光充足时，复合型平板太阳能集热器3吸收太阳能的热量，关闭第一阀9、第二阀10和第四阀12，打开第三阀11和第五阀13；关闭第一水泵202，运行第二水泵7；复合型平板太阳能集热器3收集太阳的热能，第二水泵7从热水储箱8的底部抽水，并泵入复合型平板太阳能集热器3中，水在复合型平板太阳能集热器3中吸收热能，水温升高，再流回热水储箱8的顶部，第二水泵7再从热水储箱8的底部抽水，并泵入复合型平板太阳能集热器3中直至整个热水储箱8中的水温升高，实现将太阳能储存到热水储箱8中。

燃料电池发电系统1、压缩机4均不工作，仅靠复合型平板太阳能集热器3收集太阳的热能，适用于阳光充足的天气或夏季。

一种氢能和太阳能互补的热泵系统的运行方法，没有太阳或阳光不充足时，复合型平板太阳能集热器3吸收冷却水的热量，打开第四阀12，关闭第一阀9、第二阀10、第三阀11和第五阀13，关闭第一水泵202，运行第二水泵7，压缩机4将制冷剂气体压缩为高温高压的制冷剂气体，再进入冷凝器5，第二水泵7将热水储箱8底部的水泵入冷凝器5中，泵入冷凝器5中的水吸收高温高压的制冷剂气体冷凝为高温高压液体的冷凝热，水温升高，并流回热水储箱8的顶部，第二水泵7再从热水储箱8的底部抽水，并泵入冷凝器5中直至整个热水储箱8中的水温升高，实现将太阳能储存到热水储箱8中。

燃料电池发电系统1不工作，压缩机4工作，压缩机4由电网供电，复合型平板太阳能集热器3收集的太阳热能作为低温热源。此种模式适用于阳光不充足的冬春季节，且可以从电网取电的场合。

一种氢能和太阳能互补的热泵系统的运行方法，没有太阳或阳光不充足时，复合型平板太阳能集热器3吸收冷却水的热量，打开第一阀9和第二阀10，关闭第三阀11、第四阀12和第五阀13，关闭第二水泵7，运行第一水泵202，质子交换膜燃料电池电堆101中氢气和空气中的氧气反应产生直流电，并经直流-直流变换器102转换为稳定直流电输出，氢气和空气中的氧气反应时，第一水泵202从散热器201的底部抽取冷却水，并泵入质子交换膜燃料电池电堆101，冷却水带走质子交换膜燃料电池电堆101的反应热，并流向复合型平板太阳能集热器3中，在复合型平板太阳能集热器3中冷却后，再流回散热器201，并在散热器201中进一步冷却。

仅燃料电池发电系统1工作，压缩机4不工作。此种模式适用于仅需要单独供电，且不需要利用燃料电池余热的场合。

一种氢能和太阳能互补的热泵系统的运行方法，没有太阳或阳光不充足时，复合型平板太阳能集热器3吸收冷却水的热量，打开第一阀9、第二阀10和第四阀12，关闭第三阀11和第五阀13，运行第一水泵202和第二水泵7，质子交换膜燃料电池电堆101中氢气和空气中的氧气反应产生直流电，并经直流-直流变换器102转换为稳定直流电驱动压缩机4，氢气和空气中的氧气反应时，第一水泵202从散热器201的底部抽取冷却水，并泵入质子交换膜燃料电池电堆101，冷却水带走质子交换膜燃料电池电堆101的反应热，并流向复合型平板太阳能集热器3中；同时，压缩机4将制冷剂气体压缩为高温高压的制冷剂气体，再进入冷凝器5，第二水泵7将热水储箱8底部的水泵入冷凝器5中，泵入冷凝器5中的水吸收高温高压的制冷剂气体冷凝为高温高压液体的冷凝热，水温升高，并流回热水储箱8的顶部，高温高压液体通过节流元件6变为低温低压的气液混合物，低温低压的制冷剂气液混合物流入复合型平板太阳能集热器3；在复合型平板太阳能集热器3中吸收了热量的冷却水向制冷剂气液混合物放热，低温低压的制冷剂气液混合物吸收热量再次蒸发为制冷剂气体，冷却水再流回散热器201进一步冷却。

燃料电池发电系统1、压缩机4均工作，燃料电池发电系统1的余热、复合型平板太阳能集热器3收集的太阳作为低温热源，同时燃料电池发电系统1所发的直流电用于驱动压缩机4，此种模式适用于阳光不充足的条件或冬春季节，并且在没有市电的情况下也可以脱网运行。

本发明克服了质子交换膜燃料电池电能转换效率高，但余热温度低；充分利用了低品位的、温度较低的燃料电池余热和太阳能，得到了高品位的、温度较高的热水，使得燃料电池余热和太阳能的利用价值更高，如可用于冬季采暖、工艺加热等场合；系统中的制冷压缩机、水泵等可以用燃料电池所发的直流电直接驱动，可以实现脱网运行，在沙漠、海岛等边远无电地区也能应用；具有多种运行模式，可适应不同的季节和天气条件；全部由可再生能源驱动(氢能、太阳能)，零污染、零排放，对环境友好，且将燃料电池的余热完全利用的综合能源利用系统，提高了氢能源的综合利用率。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。