一种多系统耦合的热电水联供系统及方法

阅读：评论：0

1.本发明涉及可再生能源利用和能源系统技术领域，具体涉及一种多系统耦合的热电水联供系统及方法。

背景技术：

2.太阳能等可再生能源存在间歇性和不连续性等问题，需要一种合适的能量载体使其可向用户提供持续、可靠的能源。氢能作为传统化石能源的替代能源之一备受关注，且耦合光伏发电和电解水制氢技术可以实现节能减排的目标。
3.传统能源系统主要是以分产的方式满足人们对电、冷和热的需求，其能源利用效率较低，导致资源浪费和环境污染严重。分布式联供系统是一种高效、可靠和环保的能源系统，是当前能源综合利用技术领域的一个重要发展方向。
4.随着淡水资源的日益稀缺和需求增加，淡水生产技术得到了空前的发展。低品位热驱动的膜蒸馏水处理技术被认为是一种有效水净化方法，可广泛应用于海水和苦咸水淡化等领域，尤其在处理高浓度盐水方面具有明显优势。发明人发现，现有的联供系统通常是对两种系统进行耦合，实现一种或两种能量的供应，不能同时满足人们对多种能量的需求，因此，亟需研究一种能够实现热电水联供的多能联供系统。

技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多系统耦合的热电水联供系统及方法，将太阳能光伏/光热、质子交换膜水电解槽、燃料电池、热泵和膜蒸馏集成于一体，提高了能源综合利用效率。
6.本发明的技术方案如下：
7.在本发明的第一方面，提供了一种多系统耦合的热电水联供系统，包括太阳能系统、水电解槽系统、燃料电池系统、热泵系统和膜蒸馏系统；
8.所述太阳能系统和燃料电池系统为用户提供电能和热能；所述水电解槽系统利用太阳能系统提供的电能制取氢气，提供给燃料电池系统；所述膜蒸馏系统的料液处理水利用太阳能系统和燃料电池系统的热量制取可饮用淡水；所述热泵系统通过冷凝器和蒸发器与膜蒸馏系统耦合。
9.在本发明的一些实施方式中，所述太阳能系统包括太阳能光伏光热一体化组件，其中光伏组件与直流控制器相连，光热组件与水泵储热水箱依次相连。
10.在本发明的一些实施方式中，所述直流控制器的其中一路与dc/ac变换器相连，为用户提供电能，另一路与dc/dc变换器相连，为水电解槽系统提供电能。
11.在本发明的一些实施方式中，所述水电解槽系统包括pem水电解槽，pem 水电解槽的氢气出口与储氢瓶相连。
12.在本发明的一些实施方式中，所述燃料电池系统包括pemfc电堆，所述 pemfc电堆的氢气进口与储氢瓶相连，氧气进口与空气压缩机相连，所述 pemfc电堆的阳、阴极湿气体
出口均设置气液分离器，所述气液分离器的液体出口与储水箱相连。
13.在本发明的一些实施方式中，所述膜蒸馏系统包括膜蒸馏组件、料液箱和渗透液箱，所述料液箱的料液出口经过燃料电池系统的换热器、太阳能系统的储热水箱和热泵系统的冷凝器与膜蒸馏组件的高温料液入口相连。
14.在本发明的一些实施方式中，所述膜蒸馏组件的渗透液出口经过热泵系统的蒸发器与渗透液箱相连。
15.在本发明的一些实施方式中，所述热泵系统包括依次连接的压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器。
16.在本发明的一些实施方式中，所述热泵系统还包括回热器，用于将来自蒸发器的高温热泵工质与来自冷凝器的低温热泵工质进行换热。
17.在本发明的第二方面，提供了一种多系统耦合的热电水联供方法，包括：
18.当太阳能辐射充足时，太阳能系统为用户提供电能和热水，膜蒸馏系统为用户提供可饮用淡水；
19.当太阳辐射不充足时，太阳能系统为用户提供部分电能和热水，燃料电池系统为用户提供电能，膜蒸馏系统为用户提供可饮用淡水；
20.当没有太阳辐射时，储热水箱为用户提供热水，燃料电池系统为用户提供电能，膜蒸馏系统为用户提供可饮用淡水。
21.本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
22.(1)本发明引入膜蒸馏系统回收燃料电池系统和太阳能系统的中低温余热，生产可饮用淡水，提高了能源利用效率；利用热泵系统与膜蒸馏系统有机结合，进一步提高了膜蒸馏过程中的换热效率。
23.(2)本发明基于能量梯级利用原理，将太阳能系统、水电解槽、燃料电池系统、热泵系统和膜蒸馏系统集成于一体，具有较好的温度匹配效果，可实现提供电能、可饮用淡水、生活热水以及储能的目的。
24.(3)本发明提出的多系统耦合的热电水联供系统，能够根据不同的运行工况实现向用户连续提供电能、可饮用淡水和生活热水，整个系统不会受到太阳能不连续的影响。
25.(4)本发明的多系统耦合的热电水联供系统中设置多个换热器及回热器，能够将各个系统产生的热量进行回收利用，实现了能源利用最大化，提高了能源利用率。
26.(5)本发明提出的多系统耦合的热电水联供系统，建设周期短、维护便捷且可实现“无人值守”，可应用在包括军事领域、边防区、海岛以及公共电网难以覆盖的偏远地区，满足用户的热电水需求，实现节能减排和提高能源利用效率的目的。
附图说明
27.图1为本发明实施例1的多系统耦合的热电水联供系统结构示意图。
28.图中，1、太阳能光伏光热一体化组件，2、直流控制器，3、第一dc/ac变换器，4、dc/dc变换器，5、pem水电解槽，6、第一电用户，7、储氢瓶，8、空气压缩机，9、减压阀，10、第一合流阀，11、空气加湿器，12、氢气加湿器， 13、氢气压缩机，14、pemfc电堆，15、第一气液分离器，16、第二气液分离器，17、第二dc/ac变换器，18、第二电用户，19、第二合流阀，20、储水箱， 21、第一水泵，22、第一换热器，23、料液箱，24、第二水泵，25、第二换热器， 26、淡水用
户，27、渗透液箱，28、第三水泵，29、膜蒸馏组件，30、蒸发器， 31、节流阀，32、回热器，33、热泵工质压缩机，34、冷凝器，35、第一阀门， 36、第二阀门，37、第三阀门，38、第四阀门，39、储热水箱，40、第四水泵， 41、热水用户。
具体实施方式
29.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
30.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和 /或它们的组合。
31.为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.实施例1
33.本发明的一种典型的实施方式中，提出一种多系统耦合的热电水联供系统，如图1所示，包括太阳能系统、水电解槽系统、燃料电池系统、热泵系统和膜蒸馏系统；所述太阳能系统和燃料电池系统为用户提供电能和热能；所述水电解槽系统利用太阳能系统提供的电能制取氢气，提供给燃料电池系统；所述膜蒸馏系统的料液处理水利用太阳能系统和燃料电池系统的热量制取可饮用淡水；所述热泵系统通过冷凝器和蒸发器与膜蒸馏系统耦合。
34.太阳能系统包括太阳能光伏光热一体化组件(pvt)1，太阳能光伏光热一体化组件内的光伏组件与直流控制器2相连，光热组件与第四水泵40、储热水箱 39依次相连，所述直流控制器2的其中一路与第一dc/ac变换器3相连，为用户提供电能，另一路与dc/dc变换器4相连，为水电解槽系统提供电能，光伏组件将太阳能转化为电能，直流控制器2用于对光伏组件产生的直流电进行控制，第一dc/ac变换器3将直流电转化为交流电为第一电用户6提供，dc/dc变换器4将直流电转化为与pem水电解槽5运行相匹配的直流电制取氢气；光热组件将太阳能转化为热能将水加热，热水储存在储热水箱39中，用于加热料液和提供生活热水。
35.水电解槽系统包括pem水电解槽5，pem水电解槽将固体质子交换膜作为电解质，以纯水为反应物，利用电能将水进行电离产生氢气，pem水电解槽的氢气出口与储氢瓶7相连，储氢瓶将氢气进行储存。
36.所述燃料电池系统为质子交换膜燃料电池(pemfc)系统，包括pemfc电堆14，所述pemfc电堆14的氢气进口经过减压阀9与储氢瓶7相连，氧气进口与空气压缩机8相连，所述pemfc电堆的阳、阴极湿气体出口设置第一气液分离器15和第二气液分离器16，用于回收pemfc电堆的阳、阴极出口湿气体中的水分，第一气液分离器15和第二气液分离器16的液体出口经过第二合流阀 19与储水箱20相连，储水箱将回收的水分进行储存；第一气液分离器15的气体出口经过氢气压缩机13、第一合流阀10进入氢气管道，pemfc电堆的氢气进口和储
氢瓶之间设置氢气加湿器12，氧气进口与空气压缩机8之间设置空气加湿器 11，氢气加湿器和空气加湿器的水分来自于储水箱20，pemfc电堆产生的电能经过第二dc/ac变换器17变为交流电后提供给第二电用户18。
37.由于燃料电池系统会产生大量的热量，因此燃料系统中还设置第一换热器22，第一水泵21将水泵入pemfc电堆带走其产生的热量，然后进入第一换热器中，将热量交换给膜蒸馏系统的料液，降温后的水再次进入pemfc电堆进行降温，此过程不断循环进行。
38.所述膜蒸馏系统包括膜蒸馏组件29、料液箱23和渗透液箱27，所述料液箱23的料液出口经过燃料电池系统的第一换热器22、太阳能系统的储热水箱39和热泵系统的冷凝器34与膜蒸馏组件29的高温料液入口相连；所述膜蒸馏组件的渗透液出口经过热泵系统的蒸发器30与渗透液箱27相连，为淡水用户26提供淡水，渗透液箱内的部分淡水在第三水泵的作用下再次进入膜蒸馏组件29进行循环。
39.进一步地，膜蒸馏组件29的高温料液出口经过第二换热器25再次回到料液箱23中，料液箱内的料液在第二水泵24的作用下进入第二换热器25与来自膜蒸馏组件的高温液料进行换热，实现了对高温液料热量的回收利用。
40.所述热泵系统包括依次连接的热泵工质压缩机33、冷凝器34、节流阀31和蒸发器30，构成热工工质的闭合循环回路。
41.进一步地，所述热泵系统还包括回热器32，用于将来自蒸发器30的高温热泵工质与来自冷凝器34的低温热泵工质进行换热，提供能源利用效率，减少压缩机电耗。
42.在本实施例的多系统耦合的热电水联供系统，设置了多个阀门，包括第一阀门35、第二阀门36、第三阀门37、第四阀门38，可以通过改变阀门的开启实现不同的运行工况。
43.本发明的多系统耦合的热电水联供系统包括以下运行工况：
44.(1)当太阳辐射充足时
45.太阳能系统提供用户所需的电能和膜蒸馏过程所需的热能。
46.太阳能系统的pvt组件产生的直流电一部分通过dc/ac变换器3转化成交流电为用户提供电能，另一部分通过dc/dc变换器4转化成与pem水电解槽5 运行相匹配的直流电制取氢气，储存在储氢瓶7，实现储能过程。另外，太阳能pvt组件产生的热能储存在储热水箱39，一部分热能用于加热料液，另一部分为用户提供生活热水。
47.通过第二换热器25，利用来自膜蒸馏组件29的高温料液对来自料液箱23 的低温料液进行预加热，提高能源利用效率；此时第二阀门36和第三阀门37关闭，第一阀门35和第四阀门38打开，被预加热后的料液先流经储热水箱39吸收热量，然后进入冷凝器34吸收热泵工质热量，再进入膜蒸馏组件29，完成一次循环；与此同时，渗透液箱27中的低温渗透液被第三水泵28泵入膜蒸馏组件 29，完成膜蒸馏过程；来自膜蒸馏组件29的高温渗透液进入热泵系统的蒸发器 30与热泵工质进行换热，释放热量，然后流回渗透液箱27，完成一次循环，为用户提供可饮用淡水。
48.热泵系统中的高温高压气态热泵工质进入冷凝器34释放热量，然后进入回热器32进一步释放热量，再进入节流阀31变成低温低压液态工质，之后进入蒸发器30吸收渗透液的热量，然后进入回热器32进一步吸收热量变成气态工质，再进入热泵工质压缩机33，完成一次循环；通过设置回热器32，提供能源利用效率，减少压缩机电耗。
49.(2)当太阳辐射不充足时
50.太阳能系统和燃料电池系统共同提供用户所需的电能和膜蒸馏过程所需的热能。
51.太阳能系统的pvt组件产生的直流电全部通过dc/ac变换器3转化成交流电，为用户提供电能；pvt组件产生的热能储存在储热水箱39，一部分热能用于加热料液，另一部分为用户提供生活热水。
52.燃料电池系统利用储存在储氢瓶中的氢气产生电能、热能和水；pemfc电堆产生的直流电通过第二dc/ac变换器17转化为交流电，为用户提供电能；第一水泵21和第一换热器22通过管道连接构成热管理循环，冷却液带走pemfc 电堆产生的余热，并通过第一换热器22加热料液，释放热量；第一气液分离器 15和第二气液分离器16分别收集阳、阴极出口湿气体中的水分，并储存在储水箱20，为空气加湿器11和氢气加湿器12补充水分，构成水管理循环。
53.此时，第二阀门36和第四阀门38打开，第一阀门35和第三阀门37关闭，被第二换热器25预加热后的料液先进入第一换热器22吸收冷却液的热量，然后流经储热水箱39吸收热量，再进入冷凝器34吸收热泵工质热量，最后进入膜蒸馏组件29，完成一次循环；渗透液的循环方式和热泵的循环方式与太阳能充足的工况相同。
54.(3)当没有太阳辐射时(夜晚或恶劣天气)
55.燃料电池系统提供用户所需的电能和膜蒸馏过程所需的热能。
56.储存在储热水箱39中的热水，可为用户提供生活热水，燃料电池系统利用储存在储氢瓶中的氢气产生电能、热能和水。
57.此时，第二阀门36和第三阀门37打开，第一阀门35和第四阀门38关闭，被第二换热器25预加热后的料液先进入第一换热器22吸收冷却液的热量，然后进入冷凝器34吸收热泵工质热量，再进入膜蒸馏组件29，完成一次循环；其余系统与上述两种工况的循环相同。
58.实施例2
59.本发明的一种典型的实施方式中，提出一种多系统耦合的热电水联供方法，包括：
60.当太阳能辐射充足时，太阳能系统为用户提供电能和热水，膜蒸馏系统为用户提供可饮用淡水，热泵系统为用户提供热量/冷量；
61.当太阳辐射不充足时，太阳能系统为用户提供部分电能和热水，燃料电池系统为用户提供电能，膜蒸馏系统为用户提供可饮用淡水，热泵系统为用户提供热量/冷量；
62.当没有太阳辐射时，储热水箱为用户提供热水，燃料电池系统为用户提供电能，膜蒸馏系统为用户提供可饮用淡水，热泵系统为用户提供热量/冷量。
63.以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种多系统耦合的热电水联供系统，其特征在于，包括太阳能系统、水电解槽系统、燃料电池系统、热泵系统和膜蒸馏系统；所述太阳能系统和燃料电池系统为用户提供电能和热能；所述水电解槽系统利用太阳能系统提供的电能制取氢气，提供给燃料电池系统；所述膜蒸馏系统的料液处理水利用太阳能系统和燃料电池系统的热量制取可饮用淡水；所述热泵系统通过冷凝器和蒸发器与膜蒸馏系统耦合。2.如权利要求1所述的多系统耦合的热电水联供系统，其特征在于，所述太阳能系统包括太阳能光伏光热一体化组件，其中光伏组件与直流控制器相连，光热组件与水泵储热水箱依次相连。3.如权利要求2所述的多系统耦合的热电水联供系统，其特征在于，所述直流控制器的其中一路与dc/ac变换器相连，为用户提供电能，另一路与dc/dc变换器相连，为水电解槽系统提供电能。4.如权利要求1所述的多系统耦合的热电水联供系统，其特征在于，所述水电解槽系统包括pem水电解槽，pem水电解槽的氢气出口与储氢瓶相连。5.如权利要求4所述的多系统耦合的热电水联供系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括pemfc电堆，所述pemfc电堆的氢气进口与储氢瓶相连，氧气进口与空气压缩机相连，所述pemfc电堆的阳、阴极湿气体出口均设置气液分离器，所述气液分离器的液体出口与储水箱相连。6.如权利要求1所述的多系统耦合的热电水联供系统，其特征在于，所述膜蒸馏系统包括膜蒸馏组件、料液箱和渗透液箱，所述料液箱的料液出口经过燃料电池系统的换热器、太阳能系统的储热水箱和热泵系统的冷凝器与膜蒸馏组件的高温料液入口相连。7.如权利要求6所述的多系统耦合的热电水联供系统，其特征在于，所述膜蒸馏组件的渗透液出口经过热泵系统的蒸发器与渗透液箱相连。8.如权利要求1所述的多系统耦合的热电水联供系统，其特征在于，所述热泵系统包括依次连接的压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器。9.如权利要求8所述的多系统耦合的热电水联供系统，其特征在于，所述热泵系统还包括回热器，用于将来自蒸发器的高温热泵工质与来自冷凝器的低温热泵工质进行换热。10.一种多系统耦合的热电水联供方法，采用如权利要求1-9任一项所述的多系统耦合的热电水联供系统，其特征在于，包括：当太阳能辐射充足时，太阳能系统为用户提供电能和热水，膜蒸馏系统为用户提供可饮用淡水；当太阳辐射不充足时，太阳能系统为用户提供部分电能和热水，燃料电池系统为用户提供电能，膜蒸馏系统为用户提供可饮用淡水；当没有太阳辐射时，储热水箱为用户提供热水，燃料电池系统为用户提供电能，膜蒸馏系统为用户提供可饮用淡水。

技术总结

本发明公开了一种多系统耦合的热电水联供系统及方法，包括太阳能系统、水电解槽系统、燃料电池系统、热泵系统和膜蒸馏系统；所述太阳能系统和燃料电池系统为用户提供电能和热能；所述水电解槽系统利用太阳能系统提供的电能制取氢气，提供给燃料电池系统；所述膜蒸馏系统的料液处理水利用太阳能系统和燃料电池系统的热量制取可饮用淡水；所述热泵系统通过冷凝器和蒸发器与膜蒸馏系统耦合；本发明基于能量梯级利用原理，将太阳能系统、水电解槽、燃料电池系统、热泵系统和膜蒸馏系统集成于一体，具有较好的温度匹配效果，可实现提供电能、可饮用淡水、生活热水以及储能的目的。生活热水以及储能的目的。生活热水以及储能的目的。