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联供系统及其工作方法。
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。
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，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。
本发明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，热量通过第一水泵驱动循环带入热水储箱中，放热后的制冷剂冷凝成高温高压的液体，并在流经节流元件时，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蒸发器，在蒸发器中吸收蒸发器中另一侧空气的热量并蒸发，重新变成制冷剂气体，制冷剂气体由直流制冷压缩机的吸气口吸入重新被压缩，循环往复,在此过程中，制冷剂从空气中吸收热量，并释放到热水储箱中，从而使得热水储箱中热水的温度升高，实现热泵；蒸气压缩式热泵系统工作，太阳能光伏发电系统和质子交换膜燃料电池发电系统不工作，蓄电池组中的电量将逐渐耗尽，直流母线的电压将逐渐降低，当直流母线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给蓄电池组充电，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给蓄电池组充电，使直流母线的电压回升，在阳光充足时，如果单独开启太阳能光伏发电系统，直流母线的电压仍较低，则可以同时开启太阳能光伏发电系统和质子交换膜燃料电池发电系统给蓄电池组充电，以维持直流母线的电压稳定。
进一步，所述冷却水从冷却水出口流出返回散热水箱的途径为：
当热水储箱的水温低于质子交换膜燃料电池的冷却水出口的水温时，打开第一阀，闭合第二阀和第三阀，冷却水经过第二阀流入水换热器，并在水换热器中将热量传递给热水储箱内的水，加热所述热水储箱中的水，再经过第三阀返回散热水箱；
当热水储箱的水温高于质子交换膜燃料电池的冷却水出口的水温时，闭合第一阀，打开第二阀和第三阀，冷却水经过第一阀直接返回散热水箱。
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。
附图说明
图1是本发明氢能和太阳能互补的热电联供系统的一示意图。
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、冷凝器22、节流元件23、蒸发器24、蒸发器风扇25、第一水泵26、热水储箱27及相应的连接管路，所述直流制冷压缩机21、冷凝器22、节流元件23和蒸发器24通过管路依次连接，直流制冷压缩机21、冷凝器22、节流元件23、蒸发器24和连接它们的管路中充注有制冷剂，所述冷凝器22是制冷剂和水的热交换器，所述蒸发器24是制冷剂和空气的热交换器，所述蒸发器风扇25设在蒸发器24的一侧，加速蒸发器24外侧的空气流动，进而加速热交换，所述第一水泵26的进口和热水储箱27相连，所述第一水泵26的出口和冷凝器22的进水口相连，所述冷凝器22的出水口和热水储箱27相连，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，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。
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、第二水泵13、散热水箱14、散热风扇15、膨胀水箱16、设于热水储箱27内部的水换热器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和第二水泵13的出口相连，所述第二水泵13的进口和散热水箱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连接散热水箱14进口和水换热器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和散热水箱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和水换热器17的进口的连接管道上设有第二阀142，所述水换热器17的出口连接散热水箱14的进口，在一实施例中，所述水换热器17出口和散热水箱14进口的连接管道上设有第三阀143。
散热风扇15设在散热水箱14的一侧，散热风扇15加速散热水箱14外部空气的流动，进行加速散热，所述膨胀水箱16连接第二水泵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中或用于驱动蒸气压缩式热泵系统2，同时,所述质子交换膜燃料电池发电系统1的余热也被回收用于供热。
氢能和太阳能互补的热电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，所述第二水泵13将散热水箱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流出返回散热水箱14。
冷却水从冷却水出口116流出返回散热水箱14的途径为：
当热水储箱27的水温低于质子交换膜燃料电池11的冷却水出口116的水温时，打开第一阀141，闭合第二阀142和第三阀143，冷却水经过第二阀142流入水换热器17，并在水换热器17中将热量传递给热水储箱27内的水，加热所述热水储箱27中的水，再经过第三阀143返回散热水箱14，这样做的目的是回收一部分燃料电池发电系统的余热以用于供热，并有利于减小散热水箱14的散热负荷和散热风扇15的消耗功率；
当热水储箱27的水温高于质子交换膜燃料电池11的冷却水出口116的水温时，闭合第一阀141，打开第二阀142和第三阀143，冷却水经过第一阀141直接返回散热水箱14。
在散热水箱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，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，进入冷凝器22，在冷凝器22中，高温高压的制冷剂气体放热，热量通过第一水泵26驱动循环带入热水储箱27中，放热后的制冷剂冷凝成高温高压的液体，并在流经节流元件23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蒸发器24，在蒸发器24中吸收蒸发器24中另一侧空气的热量并蒸发，重新变成制冷剂气体，制冷剂气体由直流制冷压缩机21的吸气口吸入重新被压缩，循环往复，在此过程中，制冷剂从空气中吸收热量，并释放到热水储箱27中，从而使得热水储箱27中热水的温度升高，实现热泵。
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。
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。
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。