多能互补梯级利用的氢-太阳能冷热电三联供系统

1.本专利涉及氢能源领域和太阳能利用结合技术领域，具体为多能互补梯级利用的氢-太阳能冷热电三联供系统。


背景技术：

2.随着“碳达峰、碳中和
″
目标的提出，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。我国目前每年氢气的年产量在4100万吨，产量排名全球第一，氢能逐渐成为国际议程的新焦点。空调已经成为现代人的生活必需品，目前空调主要以电空调和燃气空调为主，燃气空调总体工作效率低，运行阶段伴随着二氧化碳等气体排出，对环境有一定破坏，而且燃气是不可再生能源，电空调的电能由火力发电等发电厂供给，过程中也伴随着二氧化碳等污染气体排出，所以将公认最洁净的氢能源与空调相结合，既解决了二氧化碳等污染物排放的问题，又提升了空调系统的工作效率，具有重大的发展前景。


技术实现要素：

3.针对现有技术中结构上的不足，本专利的目的是提供多能互补梯级利用的氢-太阳能冷热电三联供系统，以利于解决氢气的循环利用、提升光伏光热效率，实现多种可再生能源自洽互补及梯级利用的功能。
4.为实现以上目的，本专利采用的技术是提供多能互补梯级利用的氢-太阳能冷热电三联供系统，该系统包括光伏发电系统、氢气压缩系统、制冷系统、制热系统、尾气回收系统、电解水系统、新风换热系统以及生活用水换热系统。
5.所述氢气压缩系统包括氢气采用较一级压缩更节能的二级压缩方式提高氢气压缩比，每级压缩为了保证安全都需要采用水冷型冷却器对氢气进行降温，输送到氢气压缩机中进行燃烧后为制冷系统和制热系统输送能量。
6.所述制冷系统为制冷剂在氢气压缩机中被压缩，将低温低压的制冷剂气体压缩成高温高压的过热蒸汽后，通过四通换向阀控制制冷剂流向，高温高压的过热蒸汽导入到冷凝器中冷却，过热蒸汽由气态转变为液态，液态的制冷剂经过膨胀阀排入到蒸发器进行吸热汽化，实现制冷，气化后的制冷剂送回四通换向阀后被吸入到氢气压缩机，维持制冷循环。
7.所述制热系统为压缩机吸入低压气体经过压缩变成高温高压气体，再经过四通换向阀直接将过热蒸汽送入房间蒸发器中，过热蒸汽在房间进行散热后形成低温低压的液体，再送入到室外机中完成汽化过程，制冷剂液体从外界吸入大量热量，重新变回干饱和蒸汽，再次被压缩机吸入继续下一次制热循环。
8.所述尾气回收系统对氢气在压缩机中燃烧产生的尾气进行收集，由于尾气中含有污染气体，利用scr系统将尾气过滤为符合排放标准的无污染气体再排出。
9.所述电解水系统由光伏板进行光电效应产生电能充入蓄电池中，再将蓄电池中电能传输到电解水箱，氢气燃烧产生的水进行冷凝和催化后排入电解水箱，电解水制氢气和
氧气，氢气输送到氢气集气罐，氧气收集后可用于医疗、工程等使用。
10.所述新风换热系统是将外界新风吸入到风管，风管与尾气回收系统中进行尾气收集的气-气换热器相连接，换热后的新风被送入到房间，起到节能效果。
11.所述生活用水换热系统为生活用水首先在氢气换热器中进行换热，再排入到板式换热器中，与板式换热器进行二次换热，换热后的生活用水被排出使用。
12.本专利的有益效果有：
13.(1)本专利系统对氢气燃烧产生的尾气进行冷凝、脱氮、电解水等步骤制氢，实现氢气循环使用。
14.(2)本专利系统有效利用光伏发电的热量和尾气的热量，使生活用水通过氢气换热器和板式换热器，实现能源的梯级利用。
15.(3)本专利采用可再生能源氢能与太阳能自洽互补，实现多能互补。
16.(4)本专利能够自动进行运行阶段氢气浓度、压力等安全性因素实时监测，保障系统安全稳定运行。
附图说明
17.图1是本专利多能互补梯级利用的氢-太阳能冷热电三联供系统制冷流程示意图；
18.图2是本专利多能互补梯级利用的氢-太阳能冷热电三联供系统制热流程示意图；
19.图3是本专利多能互补梯级利用的氢-太阳能冷热电三联供系统控制主机系统示意图。
20.图中：
21.1.氢气集气罐
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2.光伏板
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3.氢气换热器
22.4.一级压缩装置
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5.二级压缩装置
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6.氢气压缩机
23.7.氢气浓度传感器
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8.四通换向阀
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9.蒸发器
24.10.膨胀阀
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11.冷凝器
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12.房间
25.13.进风口
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14.催化脱氮容器
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15.板式换热器
26.16.集气装置
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17.气-气换热器
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18.scr系统
27.19.电解水箱
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20.蓄水箱
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21.蓄电池
28.22.整流器
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23.市政电网
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24.生活用水进口段
29.25.生活用水出口段
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26.氢气阀
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27.压力传感器i
30.28.压力传感器ii
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29.温度传感器
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30.冷凝装置
31.31.脱氮水阀门
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32.热风风阀
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33.冷风风阀
32.34.补水阀
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35.继电器
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36.直动式电磁阀
33.37.水冷型冷却器i
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38.水冷型冷却器ii
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39.氧气集气瓶
34.40.控制主机系统
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41.中央处理器
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42.电源
35.43.氢气流速传感器
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44.液位传感器
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45.电量检测仪
36.46.数据传输模块
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47.故障诊断系统
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48.液晶显示屏
具体实施方式
37.结合附图对本专利多能互补梯级利用的氢-太阳能冷热电三联供系统的流程加以
说明并描述具体的实施方式。
38.如图1所示，为本专利多能互补梯级利用的氢-太阳能冷热电三联供系统制冷流程示意图，氢气集气罐1通过氢气阀26控制氢气的流量，光伏板2背面安装的热管，氢气集气罐1向热管中输送氢气，光伏板2在光伏发电的过程中，由于光伏板2温度过高，会导致光伏板2的发电量减少，寿命降低，利用氢气良好的导热性，对光伏板2进行吸热，提升光伏发电效率，延长使用寿命，吸热后的氢气被传输到氢气换热器3中，生活用水在氢气换热器3中与氢气进行换热，生活用水进口段24安装直动式电磁阀36，氢气换热后传输到一级压缩装置4中，再经过水冷型冷却器i37对氢气进行冷却降温和分离气体中水蒸气，之后通过二级压缩装置5，再经过水冷型冷却器ii38，氢气在燃烧前需要进行压缩，由于经过两级压缩的高压氢气需要的能量要小于经过一级压缩得到高压氢气，所以本系统采用两级压缩对氢气进行加压。当压缩空气超过一定温度进入处理设备时，会加大处理设备的负荷和处理难度，降低设备的使用寿命和处理品质，严重时会损坏设备，所以必须将压缩气体的温度控制在要求的范围内。在进行一级压缩和二级压缩的过程中均装有压力传感器i27和压力传感器ii28，对进行压缩中的氢气进行实时监控，保证整个系统运行过程中的安全性。压缩后的氢气在氢气压缩机6中燃烧，在氢气压缩机6处装有氢气浓度传感器7，当氢气的体积在所含氢气的空气中混合体积占比4％-74.2％，会发生爆炸，本系统装有检测氢气体积占比的装置，实时监控，防止出现爆炸。在进行制冷工作时，氢气压缩机6将低温低压的制冷剂气体压缩成高温高压的过热蒸汽后，由氢气压缩机6排出，高温高压的过热蒸汽从四通换向阀8进口进入，被导入到冷凝器11中，高温高压的过热蒸汽在冷凝器11中冷却，过热的制冷剂由气态转变为液态，蒸发器9和冷凝器11中间安装有膨胀阀10，低温低压的制冷剂液体流入到蒸发器9中吸热汽化，周围温度下降，冷风被吹入到房间12，房间12安装温度传感器29，实时监测温度。将氢气在氢气压缩机6中燃烧产生的尾气进行回收，尾气在冷凝装置30中进行冷凝，将水蒸气冷凝后排进催化脱氮容器14，氢气燃烧中会产生氮氧化物会在水蒸气冷凝时融入水中，因而水中会含有硝酸，本系统的催化脱氮容器14是对硝酸进行催化处理，催化后的水通过脱氮水阀门31流进板式换热器15中，脱氮水阀门31作用是对水的流速进行控制。生活用水在氢气换热器3中换热后，继续流入到板式换热器15进行二次换热，实现能量的梯级利用，将换热后的生活用水排到生活用水出口段25，生活用水在氢气换热器3中换热后的温度能够提高到40℃～50℃，而冷凝后的水进入板式换热器15的温度大于55℃，生活用水会继续被加热，1千克的氢气燃烧后产生9千克的水，产生的水量足够换热使用。冷凝装置30除了冷凝的水外其余的氮氧化物尾气具有污染性，在集气装置16中被收集，再排入到气-气换热器17，尾气流过气-气换热器17后排入scr系统18中，scr系统18是针对氮氧化物排放的一种处理工艺，在催化作用下，氮氧化物进行还原，再将还原后无污染的气体排出。外界新风通过进风口13进入新风管道，此时对房间进行制冷，开启冷风风阀33，新风通过风管进入到房间12，将热风风阀32关闭。在板式换热器15中换热后的水排出到电解水箱19，通过电解方式进行制氢气和氧气，制得氧气排入氧气集气瓶39进行收集，氧气集气瓶39内的氧气可用于医疗、生产等方式使用，制得氢气排入氢气集气罐1中，供给系统循环使用，如果电解水箱19内水量不充足，可使用补水阀34控制蓄水箱水量，向电解水箱19排水，保证水箱中水量充足。光伏板2进行光电效应产生电能输入到蓄电池21内进行收集，当光伏板2产生的电能不够使用时，市政电网23的交流电通过整流器22转为直流电，被输送到蓄电池21，进行辅助蓄
电，继电器35控制蓄电池21使用，当继电器35打开时，蓄电池21的电能输入电解水箱19进行电解水。
39.如图2所示，为本专利多能互补梯级利用的氢-太阳能冷热电三联供系统制热流程示意图，与制冷系统中具有相同的光伏发电系统、氢气压缩系统、尾气回收系统、电解水系统以及生活用水换热系统，不同之处在于制热系统和新风换热系统。在进行制热工作时，经氢气压缩机6压缩的高温高压过热蒸汽由氢气压缩机6排出，高温高压的过热蒸汽进入四通换向阀8直接将过热蒸汽送入到蒸发器9中，过热的蒸汽散热吹入到房间12，房间12安装温度传感器29实时监测温度，过热蒸汽冷却后形成低温低压的液体，再经过膨胀阀10送入到冷凝器11中，低温低压的制冷剂在这里完成汽化的过程，制冷剂液体从外界吸收大量的热量，重新变回干饱和蒸汽，最后由连接氢气压缩机6吸气管返回氢气压缩机6吸气口，继续第二次制热循环。外界新风通过进风口13进入新风管道，关闭冷风风阀33，开启热风风阀32，新风通过风管先进入到气-气交换器17中，对新风进行换热处理，换热后的新风继续通过风管进入板式换热器15中，进行二次换热，换热后的新风再通过风管进入房间12，起到有效的节能和能量梯级利用效果。
40.如图3所示，为本专利多能互补梯级利用的氢-太阳能冷热电三联供系统控制主机系统示意图，所述控制主机系统40包括中央处理器41、电源42、电量检测仪45、液晶显示屏48、数据传输模块46、故障诊断系统47，控制主机系统40均集成在一块电路板上，氢气流速传感器43、氢气浓度传感器7、压力传感器i27、压力传感器ii28、温度传感器29、液位传感器44、氢气阀26、补水阀34、热风风阀32、冷风风阀33安装在系统各个管道上。所述中央处理器41能够根据上位机，如微型计算机或者手机发出的指令，控制系统的自动运作和数据的采集、处理、传输以及可视化展示。对氢气流速传感器43、氢气浓度传感器7、压力传感器i27、压力传感器ii28、房间温度传感器29、液位传感器44、电量检测仪45的数据进行采集，并实时显示在液晶显示屏49上。氢气浓度传感器7安装在氢气压缩机6的外侧，检验氢气压缩机6工作中是否出现漏气情况，压力传感器i27和压力传感器ii28将压力数据采集，数据传输到中央处理器41，根据预设氢气浓度安全值和压缩过程中氢气压力安全值，判断系统工作中是否出现异常，出现异常时自动关闭氢气阀26并自动报警。温度传感器29测量房间12温度数据传输到中央处理器41，根据满足人体舒适的预设温度，中央处理器41控制热风风阀32和冷风风阀33开关。液位传感器45安装在电解水箱19中，电解水箱19中的水量数据传输至中央处理器41，中央处理器41进行数据检验，控制补水阀34，保持电解水箱19中的水量充足。电量检测仪45把蓄电池21的电量反馈到中央处理器41，在液晶显示屏48上显示。所述故障诊断系统47主要任务是故障检测、故障类型判断、故障定位及故障恢复，故障诊断系统47均集成在一块电路板上，由中央处理器41统一控制；所述故障检测是指与本专利系统建立连接后，周期性地向下位机发送检测信号，通过接收的响应数据帧，判断系统是否产生故障；包括传感器、电路通断检测器和数据分析仪，所述故障类型判断是系统在检测出故障之后，通过分析原因，判断出系统故障的类型；所述故障定位是在前面的基础之上，细化故障种类，诊断出系统具体故障部位和故障原因，为故障恢复作准备；所述故障恢复是整个故障诊断过程中最后也是最重要的一个环节，需要根据故障原因，采取不同的措施，对系统故障进行恢复。
41.以上所述，仅是本装置的较佳实施例，并非对本装置作任何限制，凡是根据本装置
技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本装置技术方案的保护范围内。