一种氢能和太阳能互补的热电冷联供系统的制作方法

本发明涉及热能动力技术领域，尤其涉及一种氢能和太阳能互补的热电冷联供系统。

背景技术：

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。同时，若仅利用燃料电池的余热作为热源，只能实现供热，而不能实现供冷。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明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，实现氢能和太阳能互补的热电冷联供系统。

本发明的实施例提供一种氢能和太阳能互补的热电冷联供系统，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相连，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供应给蒸气压缩式热泵系统，所述蒸气压缩式热泵系统包括直流制冷压缩机和阀位切换装置，所述直流母线将电流供应给直流制冷压缩机，所述直流制冷压缩机运转进而驱动所述蒸气压缩式热泵系统，所述蒸气压缩式热泵系统通过阀位切换装置的阀位切换实现对室内的制热或制冷。

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还包括室内侧换热器、室内侧风扇、节流元件、室外侧换热器、室外侧风扇及相应的连接管路，所述直流制冷压缩机连接阀位切换装置，所述阀位切换装置连接室内侧换热器和室外侧换热器，所述节流元件连接室内侧换热器和室外侧换热器，所述室内侧风扇和室外侧风扇分别设在室内侧换热器和室外侧换热器的一侧，所述直流制冷压缩机、室内侧换热器、节流元件、室外侧换热器、阀位切换装置和相应的连接管路中充注有制冷剂，所述室内侧换热器和室外侧换热器是制冷剂和空气的热交换器。

进一步，所述阀位切换装置为四通阀，所述四通阀包括第一通口、第二通口、第三通口和第四通口，所述第一通口与直流制冷压缩机的吸气口相连，所述第二通口与室外侧换热器相连，所述第三通口和直流制冷压缩机的排气口相连，所述第四通口和室内侧换热器相连。

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、水泵、第一散热器、散热风扇、膨胀水箱、设于室内的第二散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水泵的出口相连，所述水泵的进口和第一散热器的进口相连，所述质子交换膜燃料电池电堆的冷却水出口连接第一散热器进口和第二散热器的进口，所述第二散热器的出口连接第一散热器的进口，所述散热风扇设在第一散热器的一侧，所述膨胀水箱连接水泵；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第一散热器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第二散热器的进口的连接管道上设有第二阀，所述第二散热器出口和第一散热器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；

进一步，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。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：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，可以离网运行，在没有电网的地方也可以使用；可兼顾热电冷的供应，灵活性好；制热效率高，充分利用了燃料电池的电能及余热；综合能源利用率高。

附图说明

图1是本发明一种氢能和太阳能互补的热电冷联供系统的一示意图。

图2是图1中阀位切换装置及其位于不同导通状态的示意图。

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氢能和太阳能互补的热电冷联供系统，包括质子交换膜燃料电池发电系统1、蒸气压缩式热泵系统2、太阳能光伏发电系统3、直流母线4和蓄电池组5。

直流母线4包括正极导线41和负极导线42。

蓄电池组5包含一个或多个蓄电池，各个蓄电池的正极与直流母线4的正极导线41相连，各个蓄电池的负极与直流母线4的负极导线42相连。

蒸气压缩式热泵系统2包括直流制冷压缩机21、阀位切换装置22、室内侧换热器23、室内侧风扇24、节流元件25、室外侧换热器26、室外侧风扇27及相应的连接管路，所述直流制冷压缩机21连接阀位切换装置22，所述阀位切换装置22连接室内侧换热器23和室外侧换热器26，所述节流元件25连接室内侧换热器23和室外侧换热器26，所述室内侧风扇24和室外侧风扇27分别设在室内侧换热器23和室外侧换热器26的一侧，所述室内侧风扇24和室外侧风扇27分别用于加速室内侧换热器23和室外侧换热器26的空气对流，所述直流制冷压缩机21、室内侧换热器23、节流元件25、室外侧换热器26、阀位切换装置22和相应的连接管路中充注有制冷剂，所述室内侧换热器23和室外侧换热器26是制冷剂和空气的热交换器，所述直流制冷压缩机21通过第三开关28连接直流母线4的正极导线41和负极导线42。

在一实施例中，节流元件23可以是热力膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管、节流短管等任一种，阀位切换装置22优选为四通阀。

请参考图2，四通阀包括第一通口221、第二通口222、第三通口223和第四通口224，所述第一通口221与直流制冷压缩机21的吸气口相连，所述第二通口222与室外侧换热器26相连，所述第三通口223和直流制冷压缩机21的排气口相连，所述第四通口224和室内侧换热器23相连。

通过四通阀方向的切换可以改变制冷剂的流向，从而可使蒸气压缩式热泵系统2分别工作于制热或制冷模式，具体地，所述第一通口221和第二通口222相通，第三通口223和第四通口224相通，此为导通状态a，此时，直流制冷压缩机21通过四通阀驱动制冷剂在直流制冷压缩机21、室内侧换热器23、节流元件25和室外侧换热器26间循环进行能量变化实现室内制热模式。

所述第一通口221和第四通口224相通，第三通口223和第二通口222相通，此为导通状态b，此时，所述直流制冷压缩机21通过四通阀驱动制冷剂在直流制冷压缩机21、室外侧换热器26、节流元件25和室内侧换热器23间循环进行能量变化实现室内制冷模式。

太阳能光伏发电系统3包括太阳能光伏阵列31、第一直流-直流变换器32以及相应的连接导线，所述太阳能光伏阵列31和第一直流-直流变换器32之间设有第一开关33。

太阳能光伏阵列31包括一个或多个太阳能电池组件，太阳能光伏阵列31输出的直流电是不稳定的直流电，其电压和电流随着太阳辐射和环境温度的变化而不断变化，为此需通过第一直流-直流变换器32转换成稳定的直流电。

太阳能光伏阵列31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32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31的输出正接线端子接第一直流-直流变换器32的输入正接线端子，所述太阳能光伏阵列31的输出负接线端子接第一直流-直流变换器32的输入负接线端子；所述第一直流-直流变换器32的输出正接线端子接直流母线4的正极导线41，所述第一直流-直流变换器32的输出负接线端子接直流母线4的负极导线42。

质子交换膜燃料电池发电系统1包括质子交换膜燃料电池电堆11、氢气供应系统(图中未示出)、空气供应系统(图中未示出)、第二直流-直流变换器12、水泵13、第一散热器14、散热风扇15、膨胀水箱16、设于室内的第二散热器17和相应的连接管路。

质子交换膜燃料电池电堆11上设有氢气进口111、氢气出口112、空气进口113、空气出口114、冷却水进口115、冷却水出口116、输出正接线端子和输出负接线端子。

质子交换膜燃料电池电堆11通过氢气进口111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11通过空气进口113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，该直流电的电压幅值不断变化的，为此设置有第二直流-直流变换器12，将不稳定的直流电转换成稳定的直流电，多余的氢气通过氢气出口113排出，多余的空气和反应生成的水通过空气出口114排出。

在一实施例中，质子交换膜燃料电池电堆11通过第二开关18连接第二直流-直流变换器12，所述第二直流-直流变换器12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11的输出正接线端子和第二直流-直流变换器12的输入正接线端子相连，所述质子交换膜燃料电池电堆11的输出负接线端子和第二直流-直流变换器12的输入负接线端子相连；所述第二直流-直流变换器12的输出正接线端子接直流母线4的正极导线41，所述第二直流-直流变换器12的输出负接线端子接直流母线4的负极导线42。

质子交换膜燃料电池电堆11的冷却水进口115和水泵13的出口相连，所述水泵13的进口和第一散热器14的进口相连，所述质子交换膜燃料电池电堆11的冷却水出口116连接第一散热器14进口和第二散热器17的进口，在一实施例中，质子交换膜燃料电池电堆11的冷却水出口116和第一散热器14进口的连接管道上设有第一阀141，所述质子交换膜燃料电池电堆11的冷却水出口116和第二散热器17的进口的连接管道上设有第二阀142，所述第二散热器17的出口连接第一散热器14的进口，在一实施例中，所述第二散热器17出口和第一散热器14进口的连接管道上设有第三阀143。

散热风扇15设在第一散热器14的一侧，散热风扇15加速第一散热器14外部空气的流动，进行加速散热，所述膨胀水箱16连接水泵13，所述膨胀水箱16用于容纳冷却水循环回路中因温度变化而造成的水的容积变化。

质子交换膜燃料电池发电系统1、蒸气压缩式热泵系统2、太阳能光伏发电系统3和蓄电池组5均与直流母线4连接，所述质子交换膜燃料电池发电系统1和太阳能光伏发电系统3产生的电流通过直流母线4储存在蓄电池组5中或供应给蒸气压缩式热泵系统2，在一实施例中，所述直流母线4将电流供应给直流制冷压缩机21，所述直流制冷压缩机21运转进而驱动所述蒸气压缩式热泵系统2,所述蒸气压缩式热泵系统2通过阀位切换装置22的阀位切换实现对室内的制热或制冷。

一种氢能和太阳能互补的热电冷联供系统的工作方法，包括以下工作方法：

(一)太阳能光伏充电模式

阳光充足，需要供电但不需供热时，断开第二开关18和第三开关28，所述蒸气压缩式热泵系统2和质子交换膜燃料电池发电系统1均不工作，当直流母线4电压低于电压下限时，闭合第一开关33，太阳能光伏阵列31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32稳压后，接入直流母线4，并给接入直流母线4的蓄电池组5充电；当直流母线5电压高于电压上限时，断开第一开关33，太阳能光伏阵列31停止输出直流电，从所述直流母线5上取出的直流电即能用于照明等需要电力应用的场合。

(二)燃料电池充电模式

在阴雨天气或夜晚条件下，需要供电时，断开第一开关33和第三开关28，太阳能光伏发电系统3和蒸气压缩式热泵系统2均不工作，直流母线4电压低于电压下限时，闭合第二开关18，质子交换膜燃料电池发电系统1开始工作，氢气由氢气进口111进入质子交换膜燃料电池电堆11，经过加压的空气从空气进口113进入质子交换膜燃料电池电堆11，在质子交换膜燃料电池电堆11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12稳压后，接入直流母线4，并给接入直流母线4的蓄电池组5充电，当直流母线4电压高于电压上限时，断开第二开关18，质子交换膜燃料电池发电系统1停止电流输出，从直流母线4上取出的直流电用于照明等需要电力应用的场合。

质子交换膜燃料电池电堆11产生直流电时，质子交换膜燃料电池电堆11内部产生热量，所述水泵13将第一散热器14中的冷却水泵入质子交换膜燃料电池电堆11的冷却水进口115，冷却水吸收质子交换膜燃料电池电堆11内部的热量后，温度升高，从冷却水出口116流出返回第一散热器14。

当室内需要供暖时，打开第一阀141，闭合第二阀142和第三阀143，温度升高的冷却水经过所述第二阀142将热量传递到第二散热器17的表面，并通过辐射和空气对流的方式对室内空气进行加热，实现供暖，冷却水向室内散热后温度降低，再经过第三阀143返回第一散热器14，有利于减小第一散热器14的散热负荷和散热风扇15的消耗功率；

当室内不需要供暖时，闭合第一阀141，打开第二阀142和第三阀143，温度升高的冷却水经过第一阀141直接返回第一散热器14。

在第一散热器14中，冷却水将热量散发到空气中，温度降低，进而具备循环冷却质子交换膜燃料电池电堆11的能力。

(三)热泵制热模式

需要制热时，闭合第三开关28，阀位切换装置22位于导通状态a，即第一通口221和第二通口222相通，第三通口223和第四通口224相通，蒸气压缩式热泵系统2工作，蓄电池组5中的直流电供给直流制冷压缩机21，直流制冷压缩机21运转，压缩制冷剂气体，制冷剂气体经直流制冷压缩机21压缩后，温度升高、压力升高，并经第三通口223和第四通口224排入室内侧换热器23，在室内侧换热器23中，高温高压的制冷剂气体向室内空气放热，并通过室内侧风扇24加速对流，使室内空气均被加热，放热后的制冷剂则冷凝成高温高压的液体，并在流经节流元件25时，压力降低变成低温低压的气液混合物，低温低压的制冷剂气液混合物随后流入室外侧换热器26，在室外侧换热器26中吸收室外空气的热量并蒸发，重新变成制冷剂气体，并经第二通口222和第一通口221返回直流制冷压缩机21的吸气口，重新被压缩，循环往复，在此过程中，制冷剂从室外空气中吸收热量，并释放到室内的空气中，使室内空气温度升高，实现热泵供热。

蒸气压缩式热泵系统2工作，太阳能光伏发电系统3和质子交换膜燃料电池发电系统1不工作，蓄电池组5中的电量将逐渐耗尽，直流母线4的电压将逐渐降低，当直流母线4的电压低于电压下限时，在阳光充足时，单独开启太阳能光伏发电系统3给蓄电池组5充电，在阳光不充足或没有阳光时，单独开启质子交换膜燃料电池发电系统1给蓄电池组5充电，使直流母线4的电压回升，在阳光充足时，如果单独开启太阳能光伏发电系统3，直流母线4的电压仍较低，则可以同时开启太阳能光伏发电系统3和质子交换膜燃料电池发电系统1给蓄电池组5充电，以维持直流母线4的电压稳定。

当蒸气压缩式热泵系统2在向室内制热时，同时，质子交换膜燃料电池发电系统1在工作时，打开第一阀141，闭合第二阀142和第三阀143，温度升高的冷却水经过所述第二阀142将热量传递到第二散热器17的表面，并通过辐射和空气对流的方式对室内空气进行加热，室内侧换热器23同时对室内空气进行加热，此时，可以达到最佳的供热效果。

(四)热泵制冷模式

需要制冷时，闭合第三开关28，阀位切换装置22位于导通状态b，即第一通口221和第四通口224相通，第三通口223和第二通口222相通，蒸气压缩式热泵系统2工作，蓄电池组5中的直流电供给直流制冷压缩机21，直流制冷压缩机21运转，压缩制冷剂气体，制冷剂气体经直流制冷压缩机21压缩后，温度升高、压力升高，并经第三通口223和第二通口222排入室外侧换热器26，在室外侧换热器26中，高温高压的制冷剂气体向室外空气放热，放热后的制冷剂则冷凝成高温高压的液体，并在流经节流元件25时，压力降低变成低温低压的气液混合物，低温低压的制冷剂气液混合物随后流入室内侧换热器23，在室内侧换热器23中吸收室内空气的热量，并通过室内侧风扇24加速对流，使整个室内的空气都被降温，吸收了室内空气热量的制冷剂重新变成制冷剂气体，并经第四通口224和第一通口221返回直流制冷压缩机21的吸气口，重新被压缩，循环往复，在此过程中，制冷剂从室内空气中吸收热量，并释放到室外的空气中，使室内空气温度降低，实现热泵供冷。

蒸气压缩式热泵系统2工作，太阳能光伏发电系统3和质子交换膜燃料电池发电系统1不工作，蓄电池组5中的电量将逐渐耗尽，直流母线4的电压将逐渐降低，当直流母线4的电压低于电压下限时，在阳光充足时，单独开启太阳能光伏发电系统3给蓄电池组5充电，在阳光不充足或没有阳光时，单独开启质子交换膜燃料电池发电系统1给蓄电池组5充电，使直流母线4的电压回升，在阳光充足时，如果单独开启太阳能光伏发电系统3，直流母线4的电压仍较低，则可以同时开启太阳能光伏发电系统3和质子交换膜燃料电池发电系统1给蓄电池组5充电，以维持直流母线4的电压稳定。

当蒸气压缩式热泵系统2在向室内制冷时，同时，质子交换膜燃料电池发电系统1在工作时，闭合第一阀141，打开第二阀142和第三阀143，以避免在制冷情况下第二散热器17向室内散热，影响制冷效果。

本发明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，可以离网运行，在没有电网的地方也可以使用；可兼顾热电冷的供应，灵活性好；制热和制冷效率高，充分利用了燃料电池的电能及余热；综合能源利用率高。

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。