本發(fā)明屬于發(fā)電儲能領(lǐng)域，涉及一種獨立光伏-燃料電池-回收動力電池聯(lián)合發(fā)電儲能系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

我國有漫長的海岸線、島、孤立山峰和沙漠地帶，從地理和自然條件看，這些獨特的環(huán)境大部分都遠離電網(wǎng)覆蓋區(qū)，其孤立的地理位置，很難實現(xiàn)電網(wǎng)覆蓋。缺少電力、淡水和燃料供應(yīng)，嚴重影響了其生活和生產(chǎn)。若在這些地區(qū)采用傳統(tǒng)的柴油機發(fā)電方式，就會存在噪音大、污染環(huán)境、油料補給困難、補給時間長、補給成本高等諸多問題。而對于采取輸電線路的方式，則存在輸電距離遠，輸電成本高、電能消耗大等缺點，同時電纜監(jiān)測和維修困難。

為了解決以上問題，利用當?shù)氐目稍偕茉词亲詈玫慕鉀Q方案。若建立光伏發(fā)電站，采用大容量蓄電池組儲能，由于蓄電池組的工作環(huán)境惡劣，壽命較短，需要頻繁地更換蓄電池組。若采用光伏/燃料電池/蓄電池聯(lián)合裝置，其中光伏發(fā)電除供負荷和蓄電池外，多余電能還能用來電解水制氫氣并儲存；當光伏蓄電池不能提供電能時，再利用儲存的氫氣供燃料電池發(fā)電。這樣一種聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)不僅可以提高能源利用率，減少化石燃料消耗，降低大氣污染，而且可以提供有全天候不間斷的電力供應(yīng)。此外，我國電動汽車的高速發(fā)展，形成了成熟的動力電池產(chǎn)業(yè)群，但是如何回收廢舊的動力電池成為急需解決的重大問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種獨立光伏-燃料電池-回收動力電池聯(lián)合發(fā)電儲能系統(tǒng)。

為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

獨立光伏-燃料電池-回收動力電池聯(lián)合發(fā)電儲能系統(tǒng)，包括光伏電池模塊、質(zhì)子交換膜(protonexchangemembrane,pem)電解模塊、pem燃料電池模塊、蓄電池、數(shù)據(jù)采集和能量管理系統(tǒng)、四個dc/dc變換器、直流母線、導(dǎo)線；

所述光伏電池模塊包括光伏電池陣列、最大功率點跟蹤太陽能(maximumpowerpointtracking,mppt)控制器；所述光伏電池模塊通過所述mppt控制器使所述光伏電池陣列始終處于最大功率輸出狀態(tài)；

所述pem電解模塊包括pem電解槽、儲氫裝置；所述儲氫裝置用于存儲所述pem電解槽電解水產(chǎn)生的氫氣，并裝有壓力傳感器檢測裝置內(nèi)的壓力；

所述pem燃料電池模塊利用所述儲氫裝置中提供的氫氣和外界的空氣，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；

所述蓄電池用于存儲光伏電能或者提供負載電能；

所述光伏電池模塊、pem電解模塊、pem燃料電池模塊、蓄電池分別通過一所述dc/dc變換器連接在所述直流母線上，將不穩(wěn)定的直流電提升或降低為穩(wěn)定的直流電，用于穩(wěn)定直流母線上的電壓，并通過繼電器控制電源模塊的接入和斷開；所述pem電解槽將所述光伏電池陣列，除供給負載以外剩余的電能用于電解水制氫儲能于所述儲氫裝置中；

所述數(shù)據(jù)采集和能量管理系統(tǒng)采用單片機或可編程邏輯控制器(programmablelogiccontroller,plc)實現(xiàn)智能控制，通過接收電壓傳感器和電流傳感器的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同工作模式，用于檢測系統(tǒng)各功能單元運行參數(shù)，并通過顯示系統(tǒng)實時顯示工作狀態(tài)。

進一步，所述工作模式包括日間模式、夜間模式、連續(xù)陰雨天模式；

所述日間模式為采用所述光伏電池模塊供電；在光照強度足夠強的白天，所述聯(lián)合發(fā)電儲能系統(tǒng)的輸出功率大于負載功率，所述光伏電池模塊輸出功率向負載供電，剩余電能向所述蓄電池充電，當充電電流足夠或蓄電池充滿，所述pem電解模塊利用多余電流進行電解制氫，若所述儲氫裝置中的壓力達到上限，則停止電解制氫；

所述夜間模式為采用所述光伏電池模塊和所述蓄電池協(xié)同供電；在光照不足的白天和夜間，太陽能供應(yīng)不足，由在日間模式下充滿電能的蓄電池協(xié)同光伏電池模塊向負載提供電能，此時不制氫；

所述連續(xù)陰雨天模式為采用所述pem燃料電池模塊供電；在連續(xù)陰雨的天氣，太陽能和蓄電池均供應(yīng)不足，無法為負載提供足夠電能，此時釆用所述pem燃料電池模塊完全供電的方式向負載提供電能；一旦有微弱光能，則蓄電池進行充電。

進一步，所述光伏電池模塊、pem電解模塊、pem燃料電池模塊、蓄電池線路上都安裝有一電壓傳感器和一電流傳感器，所述電壓傳感器和電流傳感器的信號通過通信總線傳輸給所述單片機或plc，經(jīng)過處理運算后根據(jù)所設(shè)計的控制邏輯通過繼電器來控制電源模塊的接入和斷開，并通過lcd顯示屏實時顯示工作狀態(tài)。

進一步，所述工作模式判斷方法為：

設(shè)置電壓傳感器和電流傳感器的刷新頻率為2hz，光伏電池最低工作電流為io，蓄電池充電最大電壓為umax，蓄電池放電最小電壓為umin，采樣光伏電流ipv，光伏電壓upv，電池電流ibat，電池電壓ubat，燃料電池電流ifc，燃料電池電壓ufc，電解槽電流ie，電解槽電壓ue，負載電流il，負載電壓ul，計算出光伏功率ppv，電池功率pbat，燃料電池功率pfc，負載功率pl，電解槽功率pe；

當ipv>il，采用所述光伏電池模塊供電，同時，當ubat≥umin，ppv≥pl+pe，所述pem電解模塊電解制氫；當ubat<umin，ppv≥pl+pe+pbat，所述pem電解模塊電解制氫，所述蓄電池充電；當ubat<umin，ppv<pl+pe+pbat，ppv≥pl+pbat，所述蓄電池充電；

當ipv≤il，ipv>io，ubat≥umin，所述蓄電池供電，同時當ppv≥pe，所述pem電解模塊電解制氫；當ipv≤il，ipv>io，ubat<umin，所述蓄電池供電，所述pem燃料電池模塊供電；當ipv≤il，ipv≤io，ubat≥umin，所述蓄電池供電；當ipv≤il，ipv≤io，ubat<umin，所述pem燃料電池模塊供電。

進一步，所述pem電解槽還包括一個供水裝置，使去離子水充滿質(zhì)子交換膜；所述供水裝置包括儲水器、支架、向上輸送導(dǎo)管、向下輸送導(dǎo)管，所述支架將所述儲水器抬高至所述儲水器底部高于所述pem電解槽；所述向上輸送導(dǎo)管出水口處設(shè)置一滴壺，用于分離去離子水和氧氣；

所述儲水器利用重力勢能形成的液壓通過所述向下輸送導(dǎo)管將去離子水輸入所述pem電解槽，當去離子水充滿所述pem電解槽的質(zhì)子交換膜，生成的氧氣所述pem電解槽將氧氣和去離子水通過所述向上輸送導(dǎo)管輸入所述儲水器，經(jīng)過所述滴壺實現(xiàn)去離子水和氧氣的分離，實現(xiàn)去離子水的循環(huán)。

進一步，所述pem電解槽連接至兩位三通電磁閥的口1，所述儲氫裝置連接至兩位三通電磁閥的摳2，所述pem燃料電池模塊連接至兩位三通電磁閥的口3；當所述pem電解槽工作時，兩位三通電磁閥處于斷電狀態(tài)，口1與口2連通，氫氣從所述pem電解槽流入所述儲氫裝置；當所述燃料電池模塊工作時，所述pem電解槽停止工作，兩位三通電磁閥通電，口1與口2斷開，口2與口3連通，氫氣從所述儲氫裝置流入所述燃料電池模塊。

進一步，所述聯(lián)合發(fā)電儲能系統(tǒng)集成在一箱體中，所述箱體開口用于散熱，所述箱體設(shè)置有負載與所述光伏電池陣列的接口。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、效率高、無污染，解決了內(nèi)燃機發(fā)電的污染和噪音問題，常規(guī)離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)蓄電池占用體積過大、成本高和氫氣蓄能式發(fā)電系統(tǒng)效率較低、單位成本高的問題。

(2)本發(fā)明提很好地實現(xiàn)了動力電池的梯級利用，降低了污染，達到了節(jié)能減排、保護環(huán)境的目的。

(3)本發(fā)明提供了一套智能控制系統(tǒng)，通過單片機實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動化運行與實時監(jiān)控，可以作為家庭的小型電站，為家用電器提供電力，可以最大化利用能源。若將該套系統(tǒng)的推廣到更大功率及更大規(guī)模后，可以建成大型的離網(wǎng)式光伏/燃料電池/回收動力電池發(fā)電站，為電網(wǎng)難以覆蓋的偏遠地區(qū)提供全天候不間斷的電力供應(yīng)，也提高了動力電池利用價值，提高了能源的利用率并減少了能源損耗，并且該套系統(tǒng)對環(huán)境無污染，具有很高的利用價值和環(huán)保價值。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進行說明：

圖1為本發(fā)明原理圖；

圖2為本發(fā)明電路示意圖；

圖3為工作模式判斷流程圖；

圖4為供水裝置示意圖；

圖5為儲氫裝置示意圖；

圖6為集成箱示意圖；

圖7為系統(tǒng)工作狀態(tài)示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。

如圖1、圖2所示，獨立光伏-燃料電池-回收動力電池聯(lián)合發(fā)電儲能系統(tǒng)，包括光伏電池模塊、質(zhì)子交換膜(protonexchangemembrane,pem)電解模塊、pem燃料電池模塊、蓄電池、數(shù)據(jù)采集和能量管理系統(tǒng)、四個dc/dc變換器、直流母線、導(dǎo)線；

所述光伏電池模塊包括光伏電池陣列、最大功率點跟蹤太陽能(maximumpowerpointtracking,mppt)控制器；所述光伏電池模塊通過所述mppt控制器使所述光伏電池陣列始終處于最大功率輸出狀態(tài)；

所述pem電解模塊包括pem電解槽、儲氫裝置；所述儲氫裝置用于存儲所述pem電解槽電解水產(chǎn)生的氫氣，并裝有壓力傳感器檢測裝置內(nèi)的壓力；

所述pem燃料電池模塊利用所述儲氫裝置中提供的氫氣和外界的空氣，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；

所述蓄電池用于存儲光伏電能或者提供負載電能；

所述光伏電池模塊、pem電解模塊、pem燃料電池模塊、蓄電池分別通過一所述dc/dc變換器連接在所述直流母線上，將不穩(wěn)定的直流電提升或降低為穩(wěn)定的直流電，用于穩(wěn)定直流母線上的電壓，并通過繼電器控制電源模塊的接入和斷開；所述pem電解槽將所述光伏電池陣列，除供給負載以外剩余的電能用于電解水制氫儲能于所述儲氫裝置中；

所述數(shù)據(jù)采集和能量管理系統(tǒng)采用單片機或可編程邏輯控制器(programmablelogiccontroller,plc)實現(xiàn)智能控制，通過接收電壓傳感器和電流傳感器的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同工作模式，用于檢測系統(tǒng)各功能單元運行參數(shù)，并通過顯示系統(tǒng)實時顯示工作狀態(tài)。

進一步，所述工作模式包括日間模式、夜間模式、連續(xù)陰雨天模式；

所述日間模式為采用所述光伏電池模塊供電；在光照強度足夠強的白天，所述聯(lián)合發(fā)電儲能系統(tǒng)的輸出功率大于負載功率，所述光伏電池模塊輸出功率向負載供電，剩余電能向所述蓄電池充電，當充電電流足夠或蓄電池充滿，所述pem電解模塊利用多余電流進行電解制氫，若所述儲氫裝置中的壓力達到上限，則停止電解制氫；

所述夜間模式為采用所述光伏電池模塊和所述蓄電池協(xié)同供電；在光照不足的白天和夜間，太陽能供應(yīng)不足，由在日間模式下充滿電能的蓄電池協(xié)同光伏電池模塊向負載提供電能，此時不制氫；

所述連續(xù)陰雨天模式為采用所述pem燃料電池模塊供電；在連續(xù)陰雨的天氣，太陽能和蓄電池均供應(yīng)不足，無法為負載提供足夠電能，此時釆用所述pem燃料電池模塊完全供電的方式向負載提供電能；一旦有微弱光能，則蓄電池進行充電。

進一步，所述直流母線的電壓為12v；

所述光伏電池陣列的峰值電壓為18v，功率為50w，連接一個二極管防止電流反灌，通過一帶有mppt功能的buck電壓變換器連接到所述直流母線上；

所述pem電解槽采用質(zhì)子交換膜電解槽，輸入電壓為2.5v，功率為2w，通過一buck電壓變換器從直流母線中獲取功率；

所述pem燃料電池模塊采用四塊質(zhì)子交換膜燃料電池串聯(lián)方式供電；

所述蓄電池為18650鋰電池，采用三塊串聯(lián)的方式連接，電壓為11.1v，容量為0.67ah，通過buck/boost電壓變換器連接到所述直流母線；

5v直流負載通過一個buck電壓轉(zhuǎn)換器連接在直流母線上；

所述arduino單片機額定電壓為5v，由所述直流母線提供功率；所述光伏電池模塊、pem電解模塊、pem燃料電池模塊、蓄電池線路上都安裝有一電壓傳感器和一電流傳感器，所述電壓傳感器和電流傳感器的信號通過通信總線傳輸給所述單片機，經(jīng)過處理運算后根據(jù)所設(shè)計的控制邏輯通過繼電器來控制電源模塊的接入和斷開，并通過lcd顯示屏實時顯示工作狀態(tài)。

如圖3所示，所述工作模式判斷方法為：

設(shè)置電壓傳感器和電流傳感器的刷新頻率為2hz，光伏電池最低工作電流為io，蓄電池充電最大電壓為umax，蓄電池放電最小電壓為umin，采樣ipv，upv，ibat，ubat，ifc，ufc，ie，ue，il，ul，計算出ppv，pbat，pfc，pl，pe；(其中ipv：光伏電流，upv：光伏電壓，ibat：電池電流，ubat：電池電壓，ifc：燃料電池電流，ufc，燃料電池電壓ie：電解槽電流，ue：電解槽電壓，il：負載電流，ul：負載電壓，計算出ppv：光伏功率，pbat電池功率，pfc燃料電池功率，pl負載功率，pe電解槽功率)。

當ipv>il，采用所述光伏電池模塊供電，同時，當ubat≥umin，ppv≥pl+pe，所述pem電解模塊電解制氫；當ubat<umin，ppv≥pl+pe+pbat，所述pem電解模塊電解制氫，所述蓄電池充電；當ubat<umin，ppv<pl+pe+pbat，ppv≥pl+pbat，所述蓄電池充電；

當ipv≤il，ipv>io，ubat≥umin，所述蓄電池供電，同時當ppv≥pe，所述pem電解模塊電解制氫；當ipv≤il，ipv>io，ubat<umin，所述蓄電池供電，所述pem燃料電池模塊供電；當ipv≤il，ipv≤io，ubat≥umin，所述蓄電池供電；當ipv≤il，ipv≤io，ubat<umin，所述pem燃料電池模塊供電。

如圖4所示，所述pem電解槽還包括一個供水裝置，使去離子水充滿質(zhì)子交換膜；所述供水裝置包括儲水器、支架、向上輸送導(dǎo)管、向下輸送導(dǎo)管，所述支架將所述儲水器抬高至所述儲水器底部高于所述pem電解槽；所述向上輸送導(dǎo)管出水口處設(shè)置一滴壺，用于分離去離子水和氧氣；

所述儲水器利用重力勢能形成的液壓通過所述向下輸送導(dǎo)管將去離子水輸入所述pem電解槽，當去離子水充滿所述pem電解槽的質(zhì)子交換膜，生成的氧氣所述pem電解槽將氧氣和去離子水通過所述向上輸送導(dǎo)管輸入所述儲水器，經(jīng)過所述滴壺實現(xiàn)去離子水和氧氣的分離，實現(xiàn)去離子水的循環(huán)。

如圖5所示，所述pem電解槽連接至兩位三通電磁閥的口1，所述儲氫裝置連接至兩位三通電磁閥的摳2，所述pem燃料電池模塊連接至兩位三通電磁閥的口3；當所述pem電解槽工作時，兩位三通電磁閥處于斷電狀態(tài)，口1與口2連通，氫氣從所述pem電解槽流入所述儲氫裝置；當所述燃料電池模塊工作時，所述pem電解槽停止工作，兩位三通電磁閥通電，口1與口2斷開，口2與口3連通，氫氣從所述儲氫裝置流入所述燃料電池模塊。

如圖6所示，所述聯(lián)合發(fā)電儲能系統(tǒng)集成在一箱體中，所述箱體開口用于散熱，所述箱體設(shè)置有負載與所述光伏電池陣列的接口。

性能測試：測試裝置時，采用直流穩(wěn)壓電源代替光伏電池板。由于單片機從直流母線中獲取功率，所以光伏輸入或蓄電池提供的功率大于負載功率，但是系統(tǒng)的總功率保持守恒。當開啟。由于pem燃料電池功率較小，無法提供負載所需功率，故將其從母線分離，接入單獨的小功率負載，設(shè)定在電池供電后一分鐘后開啟。

測試過程如下：(1)開啟直流電源輸出電壓，它開始為電池和負載供電，電解槽處于關(guān)閉狀態(tài)；(2)增大電源的輸出功率，pem電解槽開啟；(3)斷開電源后，由電池向負載供電，pem電解槽關(guān)閉；(4)一分鐘后，開啟pem燃料電池，向小功率負載供電。

測試結(jié)果如圖7所示，結(jié)果顯示，該套裝置可以通過智能控制系統(tǒng)可以有效地實現(xiàn)工作模式之間的切換以及系統(tǒng)穩(wěn)定的運行。

最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以在形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。