CN212563461U - 一种三联合循环系统、交通工具、充电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种三联合循环系统、交通工具、充电系统，其中循环系统包括：空压机系统，包括回热器、电动机以及与电动机连接的空压机，所述空压机进气端接入外界气体，出气端连接回热器进口；燃料电池系统，包括燃料电池，所述回热器出口连接燃料电池进口用于为燃料电池提供燃烧气体，所述燃料电池尾气出口连接空压机进气端用于推动空压机旋转；以及，蒸汽发电系统，所述回热器出口连接蒸汽发电系统用于为蒸汽发电系统提供热源。本系统可同时解决SOFC发电余热和回热器排气余热的回收问题，将系统中各环节产出的热量循环利用，可提高整个系统的发电和回收效率。

Description

一种三联合循环系统、交通工具、充电系统

技术领域

本实用新型涉及能量回收及利用技术领域，尤其涉及一种空压机、燃料电池和蒸汽发电三联合循环系统、交通工具、充电系统。

背景技术

在发电系统中，可通过固体氧化物燃料电池进行发电。固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)在高温下(800-1000℃)运行，具有以下特点：不需要使用贵金属催化剂；对燃料的适应性强，能在各种燃料情况下运行；使用全固态组件，不存在漏液、腐蚀问题；可以随意搭建，规模和安装地点灵活等。这些特点使燃料发电效率大大提高。由于反应时含有部分未完全反应的气相燃料，该部分气体本可继续燃烧产生热量，但却经常被当做废气进行排空或者燃烧处理，从而导致能源的浪费，也不利于环境保护。

因此，如何提高发电系统中热量循环利用和回收效率以提高发电系统的产电量是本领域技术人员亟需解决的一项技术问题。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种空压机、燃料电池和蒸汽发电三联合循环系统、交通工具、充电系统，可同时解决SOFC发电余热和回热器排气余热的回收问题，将系统中各环节产出的热量循环利用，可提高整个系统的发电和回收效率。

本实用新型的技术方案如下：

根据本实用新型的一个方面，提供一种三联合循环系统，包括：

空压机系统，包括回热器、电动机以及与电动机连接的空压机，所述空压机进气端接入外界气体，出气端连接回热器进口；

燃料电池系统，包括燃料电池，所述回热器出口连接燃料电池进口用于为燃料电池提供燃烧气体，所述燃料电池尾气出口连接空压机进气端用于推动空压机旋转；

以及，蒸汽发电系统，所述回热器出口连接蒸汽发电系统用于为蒸汽发电系统提供热源。

进一步的，所述蒸汽发电系统为汽轮机系统；

所述汽轮机系统包括换热单元、循环水箱、发动机以及第一发电机，所述回热器出口与换热单元进气口连接，所述换热单元的进水口与循环水箱的出水口连接，换热单元的蒸汽出口与发动机连接用于为发动机提供做功蒸汽，所述发动机连接第一发电机用于驱动第一发电机发电，所述循环水箱连接发动机用于回收做功蒸汽做功后转化成的水或者水汽混合物。

进一步的，所述发动机为单侧进气弹簧复位式活塞发动机或双侧进气式活塞发动机或水平对置的双缸控制式活塞发动机；

所述单侧进气弹簧复位式活塞发动机包括：

气缸缸体、活塞、弹簧、活塞杆、曲柄滑块机构以及输出轴；

其中，所述活塞安装于气缸缸体内，活塞杆一端连接活塞，另一端伸出气缸缸体并与曲柄滑块机构连接，曲柄滑块机构连接输出轴，输出轴连接第一发电机；

气缸缸体的无杆腔一侧设置有第一进气口，第一排气口，第一进气口连接换热单元，第一排气口连接循环水箱，气缸缸体的有杆腔一侧设置弹簧，用于活塞做功后的复位；

所述双侧进气式活塞发动机包括：

气缸缸体、活塞、活塞杆、曲柄滑块机构以及输出轴；

其中，所述活塞安装于气缸缸体内，活塞杆一端连接活塞，另一端伸出气缸缸体并与曲柄滑块机构连接，曲柄滑块机构连接输出轴，输出轴连接第一发电机；

气缸缸体的无杆腔一侧设置有第一进气口，第一排气口，气缸缸体的有杆腔一侧设置有第二进气口，第二排气口，第一进气口、第二进气口连接换热单元，第一排气口、第二排气口连接循环水箱；

所述水平对置的双缸控制式活塞发动机包括：

曲柄滑块机构和相对设置于曲柄滑块机构两侧的第一气缸和第二气缸；

其中，曲柄滑块机构为双滑块结构，其包括曲柄、第一滑块、第一连接杆，第二滑块，第二连接杆以及输出轴；输出轴连接第一发电机，输出轴穿设于于曲柄的中心，第一连接的一端、第二连接杆的一端分别连接于曲柄的两个端面，且连接点分布于输出轴的两侧，第一连接杆的另一端连接第一滑块、第二连接杆的另一端连接第二滑块；

第一气缸包括第一气缸缸体，第一活塞，第一活塞杆，第一活塞安装于第一气缸缸体内，第一活塞杆一端连接第一活塞，另一端伸出第一气缸缸体并与第一滑块连接；第一气缸缸体的无杆腔一侧设置有第一进气口、第一排气口，第一进气口连接换热单元，第一排气口连接循环水箱；

第二气缸包括第二气缸缸体、第二活塞、第二活塞杆、第二活塞杆安装于第二气缸缸体内，第二活塞杆一端连接第二活塞，另一端伸出第二气缸缸体并与第二滑块连接；第二气缸缸体的有杆腔一侧设置有第二进气口，第二排气口，第二进气口连接换热单元，第二排气口连接循环水箱。

进一步的，所述第一发电机为直线发电机，所述发动机为单侧进气弹簧复位式活塞发动机或双侧进气式活塞发动机或水平对置的双缸控制式活塞发动机；

所述单侧进气弹簧复位式活塞发动机包括：

气缸缸体、活塞、弹簧、活塞杆；

其中，所述活塞安装于气缸缸体内，活塞杆一端连接活塞，另一端伸出气缸缸体并连接所述直线电机；

气缸缸体的无杆腔一侧设置有第一进气口，第一排气口，第一进气口连接换热单元，第一排气口连接循环水箱，气缸缸体的有杆腔一侧设置弹簧，用于活塞做功后的复位；

所述双侧进气式活塞发动机包括：

气缸缸体、活塞、活塞杆；

其中，所述活塞安装于气缸缸体内，活塞杆一端连接活塞，另一端伸出气缸缸体并连接所述直线电机；

气缸缸体的无杆腔一侧设置有第一进气口，第一排气口，气缸缸体的有杆腔一侧设置有第二进气口，第二排气口，第一进气口、第二进气口连接换热单元，第一排气口、第二排气口连接循环水箱；

所述水平对置的双缸控制式活塞发动机包括：

第一气缸、第二气缸；

其中，第一气缸包括第一气缸缸体，第一活塞，第一活塞杆，第一活塞安装于第一气缸缸体内，第一活塞杆一端连接第一活塞，另一端伸出第一气缸缸体并与所述直线第一发电机端连接；第一气缸缸体的无杆腔一侧设置有第一进气口、第一排气口，第一进气口连接换热单元，第一排气口连接循环水箱；

第二气缸包括第二气缸缸体、第二活塞、第二活塞杆、第二活塞杆安装于第二气缸缸体内，第二活塞杆一端连接第二活塞，另一端伸出第二气缸缸体并与所述直线电机另一端连接；第二气缸缸体的有杆腔一侧设置有第二进气口，第二排气口，第二进气口连接换热单元，第二排气口连接循环水箱。

进一步的，所述蒸汽发电系统为有机朗肯循环系统；

所述有机朗肯循环系统包括冷凝器、蒸发器、第二发电机、透平膨胀机以及液体泵，所述回热器出口与蒸发器进气口连接，所述冷凝器通过液体泵连接蒸发器的进水口，所述蒸发器的蒸汽出口与透平膨胀机连接用于为透平膨胀机提供做功蒸汽，所述透平膨胀机连接第二发电机用于驱动第二发电机发电，所述冷凝器连接透平膨胀机用于回收做功蒸汽做功后转化成的水或者水汽混合物。

进一步的，所述燃料电池系统还包括补燃器；

所述燃料电池尾气出口连接所述补燃器，所述补燃器出气口连接空压机进气端。

进一步的，还包括太阳能系统；

所述太阳能系统包括太阳能收集装置以及用于将太阳光反射到太阳能收集的太阳能反射镜，所述太阳能反射镜设置在回热器内部或/和外部的入口段或和中段或/和出口段或燃料电池用于连接回热器的入口处。

进一步的，所述空压机为径流式涡轮，所述燃料电池为固体燃料电池或质子交换膜燃料电池。

根据本实用新型另一方面，提供一种交通工具，包括上述的三联合循环系统；

所述三联合循环系统的蒸汽发电系统连接交通工具中的发热元件，用于回收发热元件所散发的热量。

根据本实用新型另一方面，提供一种充电系统，包括上述的三联合循环系统；

所述三联合循环系统的蒸汽发电系统连接充电系统中的发热元件，用于回收发热元件所散发的热量。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1.本实用新型提供的空压机、燃料电池和蒸汽发电三联合循环系统是一种三联合系统，其可以同时解决SOFC发电余热和回热器排气余热的回收问题，将系统中各环节产出的热量循环利用，其回收效率可达到50％-80％；该三联合系统中的蒸汽发电系统可选择汽轮机系统或者ORC系统(有机朗肯循环系统)，通用性强。

2.本实用新型的燃料电池产生的高温高压尾气通入空压机，既可以推动空压机旋转而分担驱动电机的压力，也可以作为回收气重新通入空压机参与循环，节约能源并且效率高，本实用新型的空压机不只起到压气作用，还处于循环链中参与循环，使驱动电机做功减少。

3.低温冷启动是影响燃料电池商业化应用的重要因素之一，本实用新型将燃料电池置于一整套循环系统之中，可以使燃料电池在回热器出气温度达到一个合适的值时才启动，使燃料电池被充分利用，节约资源，使用效率高，利于商业化。

4.本实用新型的三联合循环系统可应用于交通工具或发电系统中，通过蒸汽发电系统的循环水可进一步回收交通工具或发电系统中发热元件的热量，例如发动机壳体、电池组，发电机散发的热量等。

附图说明

图1是本实用新型的循环系统实施例一的工作示意图；

图2是本实用新型的循环系统实施例二的工作示意图；

图3是本实用新型的发动机结构一示意图；

图4是本实用新型的发动机结构二示意图；

图5是本实用新型的发动机结构三示意图；

图6是本实用新型的发动机结构四示意图；

图7是本实用新型的发动机结构五示意图；

图8是本实用新型的发动机结构六示意图；

图9是本实用新型图5设置真空泵时结构示意图；

图10是本实用新型图8设置真空泵时结构示意图；

图11是本实用新型的循环系统实施例三的工作示意图；

图12是本实用新型的循环系统实施例四的工作示意图；

图13是本实用新型的循环系统实施例五的工作示意图。

具体实施方式

为了更好的了解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施例、说明书附图对本实用新型作进一步说明。

实施例一

本实施例提供一种空压机、燃料电池和蒸汽发电三联合循环系统，如图1所示。

本实施例的空压机、燃料电池和蒸汽发电三联合循环系统包括：

空压机系统，包括空压机102，空压机102进气端接入外界气体，其出气端连接回热器101进口，空压机102由电动机103带动。

燃料电池系统2，包括燃料电池201。回热器101出口连接至燃料电池201，为燃料电池201提供燃烧所需的高温气体，燃料电池201输出端输出电能，其产生的高温高压尾气一方面推动空压机102旋转、一方面作为循环气体通入空压机102，此时电动机103输出少量功率即可带动空压机102工作，节约能量。

蒸汽发电系统，选用汽轮机系统3，包括换热单元302、循环水箱301、发动机303、第一发电机304，回热器101排出的一部分气体输送到换热单元302，同时循环水箱301将循环水输送到换热单元302，在换热单元302内，循环水吸收尾气中的热量并在换热单元302内气化形成高压蒸汽，高压蒸汽进入发动机303做功驱动第一发电机304发电。高压蒸汽做功后成为常压蒸汽或者水汽混合物冷却后进入循环水箱301，以实现循环利用。从而有效利用了回热器101的排气中的热量，提高循环系统整体效率。

进一步地，本实施例的循环过程为：

1.电动机103带动空压机102工作，外界气体通入空压机102，经压缩后通入回热器101内，此时从空压机102中流出的气体温度为100-300℃，优选地，为200℃。

2.从回热器101中流出的气体分为两路，一路进入汽轮机系统3的换热单元302中，另一路进入燃料电池系统2中，与燃料气一起促使燃料电池201的反应启动及维持：

1)回热器101排出的一部分气体输送到换热单元302，同时循环水箱301将循环水输送到换热单元302，在换热单元302内，循环水吸收尾气中的热量并在换热单元302内气化形成高压蒸汽，高压蒸汽进入发动机303做功带动第一发电机304发电。高压蒸汽做功后成为常压蒸汽或者水汽混合物进入循环水箱301，以实现循环利用。

2)燃料电池201启动后，逐渐产生热量并产生少部分电能，其产生的尾气通入空压机102，重复循环直至燃料电池201在最佳温度稳定反应，空压机102内气体温度也上升并逐渐稳定，输出端气体进入回热器101内循环。该步骤中，燃料电池201启动后产生热量，并逐渐升至最佳反应温度，在800-950℃稳定反应，(优选地，为900℃)，稳定输出电能；产生的尾气通入空压机102重复循环，此时空压机102出气端温度达到550℃-700℃，(优选地，为650℃)；回热器101中的温度保持在500℃-600℃。

本实施例的三联合系统中的蒸汽发电系统选择汽轮机系统，本三联合系统可以同时解决SOFC发电余热和回热器排气余热的回收问题，将系统中各环节产出的热量循环利用，其回收效率可达到50％-80％。

实施例二

本实施例与实施例一不同之处在于，在实施例一的基础上增加了补燃器202。

参见图2，燃料电池201后可以连接补燃器202，以防止燃烧不充分，燃料电池201输出电能，且其未完全反应的部分气体输送至补燃器202，补燃器202内产生燃烧反应后，尾气自补燃器202出口输送至空压机102进气端循环利用。

进一步地，所述补燃器202采用现有补燃装置，如补燃炉等。

本实施例的循环过程为：

1.电动机103带动空压机102工作，外界气体通入空压机102，经压缩后通入回热器101内，此时从空压机102中流出的气体温度为100-300℃，优选地，为200℃。

2.从回热器101中流出的气体分为两路，一路进入汽轮机系统3的换热单元302中，另一路进入燃料电池系统2中，和燃料气一起促使燃料电池201的反应启动及维持：

1)回热器101排出的一部分气体输送到换热单元302，同时循环水箱301将循环水输送到换热单元302，在换热单元302内，循环水吸收尾气中的热量并在换热单元302内气化形成高压蒸汽，高压蒸汽进入发动机303做功带动第一发电机304发电。高压蒸汽做功后成为常压蒸汽或者水汽混合物冷却后进入循环水箱301，以实现循环利用。

2)燃料电池201启动后，逐渐产生热量并产生少部分电能，产生的尾气通入补燃器202，补燃器202中排出的气体通入空压机102，空压机102内气体温度上升并逐渐稳定，出气端气体进入回热器101内循环。该步骤中，燃料电池201启动后产生热量，并逐渐升至最佳温度，在800-950℃稳定反应，(优选地，为900℃)，稳定输出电能；未反应完全的气体通入补燃器202进一步反应，补燃器202产生的尾气通入空压机102重复循环，此时空压机102出气端温度达到550℃-700℃，(优选地，为650℃)；回热器101中的温度保持在500℃-600℃。

本实施例，通过增加补燃器202的方式，以保证燃料的充分燃烧，提高能量回收率。

进一步的，本实用新型实施例一和实施例二中的发动机303可以采用活塞发动机。活塞发动机的结构可以通过多种结构实现，例如、但不限于以下几种结构。

结构一：

本结构中，发动机303采用单侧进气弹簧复位式活塞发动机310。如图3所示，其包括气缸缸体311，活塞312，弹簧313，活塞杆314，曲柄滑块机构315以及输出轴316，活塞312安装于气缸缸体311内，活塞杆314一端连接活塞312，另一端伸出气缸缸体311并与曲柄滑块机构315连接，曲柄滑块机构315连接输出轴316，气缸缸体311的无杆腔一侧设置有第一进气口311-1，第一排气口311-2，第一进气口311-1连接换热单元302，第一排气口311-2连接循环水箱301，输出轴316连接第一发电机304；气缸缸体311的有杆腔一侧设置有弹簧313，用于活塞312做功后的复位。

作为优选，可在第一进气口311-1，第一排气口311-2、与气缸缸体311之间设置开关阀321，根据活塞发动机的具体工作状态控制开关阀321的通断，以实现对活塞发动机动作的控制。

具体地，开关阀321可以是机械式开关阀或者电动式开关阀。其中电动式开关阀从原理上讲，较为简单，仅需满足高频通断即可，但是其需要能够承受较高的温度和压力；机械式开关阀，则需要结合本身活塞的运动，彼此之间进行联动，省去了程序控制的频率限制，但其结构上会稍复杂一些。

工作状态下，高压蒸汽由换热单元302经第一进气口311-1进入活塞发动机的无杆腔，推动活塞312做直线运动，活塞312通过曲柄连杆机构315将活塞312的直线运动转化为输出轴316的旋转运动，输出轴316带动第一发电机304发电；做功后，弹簧313推动活塞312复位，活塞发动机的无杆腔内的乏气或者汽水混合物经第一排气口311-2进入循环水箱301循环使用。

结构二：

本结构中，发动机303采用双侧进气的活塞发动机320。如图4所示，其在结构一的基础上，省去弹簧313，同时在气缸缸体311的有杆腔一侧设置有第二进气口311-3，第二排气口311-4，第二进气口311-3连接换热单元302，第二排气口311-4连接循环水箱301，其它结构与结构一相同，在此不做重复说明和标注。

工作状态下，高压蒸汽由换热单元302经第一进气口311-1进入活塞发动机的无杆腔，推动活塞312做直线运动，活塞312通过曲柄连杆机构315将活塞312的直线运动转化为输出轴316的旋转运动，输出轴316带动第一发电机304；做功后，高压蒸汽经第二进气口311-3进入活塞发动机的有杆腔，推动活塞312向无杆腔一侧运动，活塞发动机的无杆腔内的乏气或者汽水混合物经第一排气口311-2进入循环水箱301，然后进入下一个循环周期，高压蒸汽经第一进气口311-1进入活塞发动机的无杆腔，推动活塞312做功，活塞发动机有杆腔内的乏气或者汽水混合物经第二排气口311-4进入循环水箱301循环。

作为优选，可在第一进气口311-1，第一排气口311-2、第二进气口311-3，第二排气口311-4与气缸缸体311之间设置开关阀321，根据活塞发动机的具体工作状态控制开关阀321的通断，以实现活塞发动机往复运动的控制；开关阀321可以是机械式开关阀或者电动式开关阀。

本结构与结构一相比，其省去了弹簧，通过两侧进气和排气实现了活塞的往复运动，提高了活塞发动机控制的可靠性，并简化了结构。

结构三：

本结构中，发动机303采用水平对置的双缸控制式活塞发动机330。如图5所示，双缸控制式活塞发动机330包括曲柄滑块机构335和相对设置于曲柄滑块机构335两侧的第一气缸和第二气缸。

其中，曲柄滑块机构335为双滑块结构，其包括曲柄335-1，第一滑块335-2、第一连接杆335-3，第二滑块335-4，第二连接杆335-5以及输出轴316；输出轴316穿设于于曲柄335-1的中心，第一连接杆335-3的一端、第二连接杆335-5的一端分别连接于曲柄335-1的两个端面，且连接点分布于输出轴316的两侧，第一连接杆335-3的另一端连接第一滑块335-2、第二连接杆335-5的另一端连接第二滑块335-4。

第一气缸包括：第一气缸缸体331，第一活塞332，第一活塞杆334，第一活塞332安装于第一气缸缸体331内，第一活塞杆334一端连接第一活塞332，另一端伸出第一气缸缸体331并与第一滑块335-2连接；第一气缸缸体331的无杆腔一侧设置有第一进气口311-1，第一排气口311-2，第一进气口311-1连接换热单元302，第一排气口311-2连接循环水箱301。

第二气缸包括：第二气缸缸体337、第二活塞338、第二活塞杆339、第二活塞杆339安装于第二气缸缸体337内，第二活塞杆338一端连接第二活塞338，另一端伸出第二气缸缸体337并与第二滑块335-4连接；第二气缸缸体337的有杆腔一侧设置有第二进气口311-3，第二排气口311-4，第二进气口311-3连接换热单元302，第二排气口311-4连接循环水箱301。

工作状态下，高压蒸汽由换热单元302经第一进气口311-1进入第一气缸的无杆腔，推动第一活塞332做直线运动，第一活塞332通过曲柄连杆机构335将第一活塞332的直线运动转化为输出轴316的旋转运动，输出轴316带动第一发电机304；做功后，高压蒸汽经第二进气口311-3进入第二气缸的有杆腔，推动第二活塞338向无杆腔一侧运动，第一气缸的无杆腔内的乏气或者汽水混合物经第一排气口311-2进入循环水箱301，第二气缸做功后，高压蒸汽再进入第一气缸继续做功，重复循环，实现输出轴316的连续工作。

在图示结构中，高压蒸汽进入第一气缸做功时，第一活塞杆334带动曲柄滑块机构335的曲柄335-1旋转，曲柄335-1按逆时针方向旋转，在此过程中，曲柄335-1同时带动第二活塞杆339运动，第二活塞杆339带动第二活塞338向曲柄335-1一侧运动，当其旋转到预定角度后，高压蒸汽进入第二气缸做功时，第二活塞338带动第二活塞杆339向远离曲柄335-1一侧运动，曲柄335-1则继续按逆时针方向旋转，此时，第一气缸的无杆腔内的乏气或者汽水混合物经第一排气口311-2进入循环水箱301。即在连续做功过程中，第一气缸进气做功时，第二气缸排气，第二气缸进气做功时，第一气缸排气，以此实现循环做功。

当然，上述说明只是针对具体工作过程的一个说明，并不构成对本实用新型的实现过程和其结构的限制。

作为优选，第一进气口311-1，第一排气口311-2、第二进气口311-3，第二排气口311-4与缸体之间设置有开关阀321，根据活塞发动机的具体工作状态控制开关阀321的通断，以实现活塞发动机往复运动的控制。具体地，开关阀321可以是机械式开关阀或者电动式开关阀。

作为优选，可以将换热单元302内与第一进气口311-1、第二进气口311-3之间通过电磁换向阀连接，将第一排气口311-2、第二排气口311-4通过电磁换向阀与循环水箱301连接，通过电磁换向阀的动作控制即可控制第一气缸和第二气缸的动作，使得活塞发动机的控制更为简单和准确。

在结构一、二、三所公开的三种结构中，发动机303的具体结构为气缸带动曲柄连杆的结构，即将活塞的直线往复运动转换为曲柄的旋转运动，然后带动第一发电机304；除上述结构外，本实用新型也可以使用直线电机，即第一发电机304为直线发电机，将活塞杆直接连接到直线电机，活塞的直线运动直接驱动直线电机发电。这样可进一步简化整体结构。当其使用场景受限不适合上述三种结构的情况下，可以使用以下结构的结构。具体结构原理如下：

结构四：

在本结构中，发动机303为单侧进气弹簧复位式活塞发动机310，如图6所示，包括：

气缸缸体311、活塞312、弹簧313、活塞杆314；

其中，所述活塞312安装于气缸缸体311内，活塞杆314一端连接活塞312，另一端伸出气缸缸体311并连接第一发电机304；

气缸缸体311的无杆腔一侧设置有第一进气口311-1，第一排气口311-2，第一进气口311-1连接换热单元302，第一排气口311-2连接循环水箱301，气缸缸体311的有杆腔一侧设置弹簧313，用于活塞312做功后的复位。

结构五：

在本结构中，发动机303为双侧进气式活塞发动机320，如图7所示，包括：

气缸缸体311、活塞312、活塞杆314；

其中，所述活塞312安装于气缸缸体311内，活塞杆314一端连接活塞312，另一端伸出气缸缸体311并连接第一发电机304；

气缸缸体311的无杆腔一侧设置有第一进气口311-1，第一排气口311-2，气缸缸体311的有杆腔一侧设置有第二进气口311-3，第二排气口311-4，第一进气口311-1、第二进气口311-3连接换热单元302，第一排气口311-2、第二排气口311-4连接循环水箱301。

结构六：

在本结构中，发动机303为水平对置的双缸控制式活塞发动机330，如图8所示，包括：

第一气缸、第二气缸；

其中，第一气缸包括第一气缸缸体331，第一活塞332，第一活塞杆334，第一活塞332安装于第一气缸缸体331内，第一活塞杆334一端连接第一活塞332，另一端伸出第一气缸缸体331并与第一发电机304一端连接；第一气缸缸体的无杆腔一侧设置有第一进气口311-1、第一排气口311-2，第一进气口311-1连接换热单元302，第一排气口311-2连接循环水箱301；

第二气缸包括第二气缸缸体337、第二活塞338、第二活塞杆339、第二活塞杆339安装于第二气缸缸体337内，第二活塞杆339一端连接第二活塞338，另一端伸出第二气缸缸体337并与第一发电机304另一端连接；第二气缸缸体337的有杆腔一侧设置有第二进气口311-3，第二排气口311-4，第二进气口311-3连接换热单元302，第二排气口311-4连接循环水箱301。

根据上述结构公开的技术，发电装置的结构的具体选择可以根据工况和使用场景做出最优化的选择。

上述6中结构中，均设置了单组的活塞发动机来驱动发电装置的工作，本实用新型同样可设置多组活塞发动机来驱动发电装置工作。即，活塞发动机设置为多组，多组发动机同时对应驱动多组曲柄旋转，而多组曲柄安装于同一输出轴，输出轴与发动装置连接。这样可以提高发电装置运行可靠性，同时提高发电效率。

可选地，可以在本实用新型的图5和图8所示的结构中，在第一气缸的有杆腔和第二气缸的无杆腔连接第一真空泵P1，第二真空泵P2，如图9、图10所示。当第一气缸或者第二气缸做功时，对应的真空泵也同时开始工作，将相应的腔室抽到负压状态。

因为采用的是水蒸汽进行活塞膨胀做功，因此，当背压降低后，即采用抽真空的方法降低排气压力，则做功部分的水蒸汽会有更多的液态水凝结出来，从而产生更多的做功能量，提高整机的发电效率。例如，在第一缸体的有杆腔内的压力为常压时，第一缸体的无杆腔内的蒸汽做功后压力为0.1MPa，而将第一气缸的有杆腔的压力通过真空泵抽到0.005MPa后，两种不同的背压条件，在等熵条件下，0.005MPa背压相比于常压背压，水蒸汽将释放更多的能量，从而将整体的做功效率提高5-8％。

此外，由于本实用新型中使用循环水来吸收回热器排出的废热，然后推动活塞做功，因此在活塞做功过程中，活塞和缸体之间是不需要添加润滑油和润滑脂的，直接由水润滑即可，因此不需要额外的润滑结构和润滑油供给结构和系统，简化了活塞发动机的结构。

实施例三

参见图11，本实施例是在实施例一的基础上，将蒸汽发电系统的汽轮机系统3更换为ORC系统4(即有机朗肯循环系统)：

ORC系统4(即有机朗肯循环系统)，包括冷凝器401、蒸发器402、第二发电机403、透平膨胀机404，液体泵405。燃气轮机系统1的回热器101排出的一部分气体输送到蒸发器402，同时冷凝器401通过液体泵405将冷凝水输送到蒸发器402，在蒸发器402内，冷凝水吸收尾气中的热量并在蒸发器402内气化形成高压蒸汽，高压蒸汽经过透平膨胀机404带动第二发电机403发电。高压蒸汽做功后成为常压蒸汽或者水汽混合物进入冷凝器401，以实现循环利用。从而有效利用了回热器101的排气中的热量，提高循环的整体效率。

本实施例的循环过程为：

1.电动机103带动空压机102工作，外界气体通入空压机102，经压缩后通入回热器101内，此时从空压机102中流出的气体温度为100-300℃，优选地，为200℃。

2.从回热器101中流出的气体分为两路，一路进入ORC系统4的蒸发器402中，另一路进入燃料电池系统2中，和燃料气一起促使燃料电池201的反应启动及维持：

1)回热器101排出的一部分气体输送到蒸发器402，同时冷凝器401通过液体泵405将冷凝水输送到蒸发器402，在蒸发器402内，冷凝水吸收尾气中的热量并在蒸发器402内气化形成高压蒸汽，高压蒸汽经过透平膨胀机404带动第二发电机403发电。高压蒸汽做功后成为常压蒸汽或者水汽混合物进入冷凝器401，以实现循环利用。

2)燃料电池201启动后，逐渐产生热量并产生少部分电能，其产生的尾气通入空压机102，重复循环直至燃料电池201在最佳温度稳定反应，空压机102内气体温度也上升并逐渐稳定，输出端气体进入回热器101内循环。该步骤中，燃料电池启动后产生热量，并逐渐升至最佳反应温度，在800-950℃稳定反应，(优选地，为900℃)，稳定输出电能；产生的尾气通入空压机102重复循环，此时空压机102出气端温度达到550℃-700℃，(优选地，为650℃)；回热器101中的温度保持在500℃-600℃。

本实施例的三联合系统中的蒸汽发电系统选择ORC系统，本三联合系统可以同时解决SOFC发电余热和回热器排气余热的回收问题，将系统中各环节产出的热量循环利用，其回收效率可达到50％-80％。

实施例四

本实施例是在实施例三的基础上增加了补燃器202。

参见图12，燃料电池201后可以连接补燃器202，以防止燃烧不充分，燃料电池201输出电能、未完全反应的部分气体输送至补燃器202，补燃器202内产生燃烧反应后，气体自补燃器202出口输送至空压机102进气端循环利用。

进一步地，所述补燃器202采用现有补燃装置，如补燃炉等。

本实施例的循环过程为：

1.电动机103带动空压机102工作，外界气体通入空压机102，经压缩后通入回热器101内，此时从空压机102中流出的气体温度为100-300℃，优选地，为200℃。

2.从回热器101中流出的气体分为两路，一路进入ORC系统4的蒸发器402中，另一路进入燃料电池系统2中，和燃料气一起促使燃料电池201的反应启动及维持：

1)回热器101排出的一部分气体输送到蒸发器402，同时冷凝器401通过液体泵405将冷凝水输送到蒸发器402，在蒸发器402内，冷凝水吸收尾气中的热量并在蒸发器402内气化形成高压蒸汽，高压蒸汽经过透平膨胀机404带动第二发电机403发电。高压蒸汽做功后成为常压蒸汽或者水汽混合物进入冷凝器401，以实现循环利用。

2)燃料电池201启动后，逐渐产生热量并产生少部分电能，产生的尾气通入补燃器²02，补燃器202中排出的气体通入空压机102，重复循环直至燃料电池201在最佳温度稳定反应，空压机102内气体温度也上升并逐渐稳定并进入回热器101内循环。该步骤中，燃料电池201启动后产生热量，并逐渐升至最佳温度，在800-950℃稳定反应，(优选地，为900℃)，稳定输出电能；产生的尾气通入空压机102重复循环，此时空压机102出气端温度达到550℃-700℃，(优选地，为650℃)；回热器101中的温度保持在500℃-600℃。

本实施例，通过增加补燃器202的方式，以保证燃料的充分燃烧，提高能量回收率。

实施例五

本实施例中，在循环系统中加入了太阳能系统5，参见图13。图13虽然为在实施例一的基础上加入了太阳能系统5，但应当理解，本实施例的太阳能系统5同样适用于其它实施例的三联合循环系统。

在本实施例中，太阳能反射镜501将太阳光反射到太阳能收集装置502上，太阳能收集装置502可设置在回热器101内部或/和外部的入口段或/和中段或/和出口段、也可设置在燃料电池201用以连接回热器101的入口处。

本实用新型各实施例中，由于燃料电池201所需流量较小，而空压机102可输出的流量较大，因此可选用径流式涡轮作为本实用新型的空压机102。

本实用新型各实施例中，燃料电池201为固体燃料电池(如碳酸盐燃料电池)或质子交换膜燃料电池。

本实用新型的三联合循环系统可应用于交通工具或充电系统中，以进一步回收交通工具或充电系统中的发热元件所产生的产量。

在本实用新型提供一种使用该三联合循环系统的交通工具中，上述的循环水可以先对交通工具中的驱动电机，电池组、电器元件所产生的热量先进行回收，后进入换热单元换热，以回收交工工具的驱动电机、电池组、电器元件所散发的热量，进而进一步提高本实用新型循环系统的热效率。

在本实用新型还提供的一种使用该三联合循环系统的充电系统中，上述的循环水可以先对充电系统中的驱动电机，电池组、电器元件所产生的热量先进行回收，后进入换热单元换热，该充电系统可以是充电车，移动充电站等。

作为本实用新型的一种优选实施方式，联合循环系统还包括储能支路，即原系统所发的电用于电解水，并将电解产物氢收集，该支路连通燃烧室，当阳光不足的时候，可将氢作为燃料燃烧，以使系统连续稳定工作。

作为本实用新型的一种优选实施方式，压缩空气可临时储存，在需要时通入涡轮做功发电。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能。

Claims (10)

1.一种三联合循环系统，其特征在于，包括：

空压机系统，包括回热器、电动机以及与电动机连接的空压机，所述空压机进气端接入外界气体，出气端连接回热器进口；

燃料电池系统，包括燃料电池，所述回热器出口连接燃料电池进口用于为燃料电池提供燃烧气体，所述燃料电池尾气出口连接空压机进气端用于推动空压机旋转；

以及，蒸汽发电系统，所述回热器出口连接蒸汽发电系统用于为蒸汽发电系统提供热源。

2.根据权利要求1所述的三联合循环系统，其特征在于，所述蒸汽发电系统为汽轮机系统；

所述汽轮机系统包括换热单元、循环水箱、发动机以及第一发电机，所述回热器出口与换热单元进气口连接，所述换热单元的进水口与循环水箱的出水口连接，换热单元的蒸汽出口与发动机连接用于为发动机提供做功蒸汽，所述发动机连接第一发电机用于驱动第一发电机发电，所述循环水箱连接发动机用于回收做功蒸汽做功后转化成的水或者水汽混合物。

3.根据权利要求2所述的三联合循环系统，其特征在于，所述发动机为单侧进气弹簧复位式活塞发动机或双侧进气式活塞发动机或水平对置的双缸控制式活塞发动机；

所述单侧进气弹簧复位式活塞发动机包括：

气缸缸体、活塞、弹簧、活塞杆、曲柄滑块机构以及输出轴；

其中，所述活塞安装于气缸缸体内，活塞杆一端连接活塞，另一端伸出气缸缸体并与曲柄滑块机构连接，曲柄滑块机构连接输出轴，输出轴连接第一发电机；

气缸缸体的无杆腔一侧设置有第一进气口，第一排气口，第一进气口连接换热单元，第一排气口连接循环水箱，气缸缸体的有杆腔一侧设置弹簧，用于活塞做功后的复位；

所述双侧进气式活塞发动机包括：

气缸缸体、活塞、活塞杆、曲柄滑块机构以及输出轴；

其中，所述活塞安装于气缸缸体内，活塞杆一端连接活塞，另一端伸出气缸缸体并与曲柄滑块机构连接，曲柄滑块机构连接输出轴，输出轴连接第一发电机；

气缸缸体的无杆腔一侧设置有第一进气口，第一排气口，气缸缸体的有杆腔一侧设置有第二进气口，第二排气口，第一进气口、第二进气口连接换热单元，第一排气口、第二排气口连接循环水箱；

所述水平对置的双缸控制式活塞发动机包括：

曲柄滑块机构和相对设置于曲柄滑块机构两侧的第一气缸和第二气缸；

其中，曲柄滑块机构为双滑块结构，其包括曲柄、第一滑块、第一连接杆，第二滑块，第二连接杆以及输出轴；输出轴连接第一发电机，输出轴穿设于于曲柄的中心，第一连接的一端、第二连接杆的一端分别连接于曲柄的两个端面，且连接点分布于输出轴的两侧，第一连接杆的另一端连接第一滑块、第二连接杆的另一端连接第二滑块；

第一气缸包括第一气缸缸体，第一活塞，第一活塞杆，第一活塞安装于第一气缸缸体内，第一活塞杆一端连接第一活塞，另一端伸出第一气缸缸体并与第一滑块连接；第一气缸缸体的无杆腔一侧设置有第一进气口、第一排气口，第一进气口连接换热单元，第一排气口连接循环水箱；

第二气缸包括第二气缸缸体、第二活塞、第二活塞杆、第二活塞杆安装于第二气缸缸体内，第二活塞杆一端连接第二活塞，另一端伸出第二气缸缸体并与第二滑块连接；第二气缸缸体的有杆腔一侧设置有第二进气口，第二排气口，第二进气口连接换热单元，第二排气口连接循环水箱。

4.根据权利要求2所述的三联合循环系统，其特征在于，所述第一发电机为直线发电机，所述发动机为单侧进气弹簧复位式活塞发动机或双侧进气式活塞发动机或水平对置的双缸控制式活塞发动机；

所述单侧进气弹簧复位式活塞发动机包括：

气缸缸体、活塞、弹簧、活塞杆；

其中，所述活塞安装于气缸缸体内，活塞杆一端连接活塞，另一端伸出气缸缸体并连接所述直线发电机；

气缸缸体的无杆腔一侧设置有第一进气口，第一排气口，第一进气口连接换热单元，第一排气口连接循环水箱，气缸缸体的有杆腔一侧设置弹簧，用于活塞做功后的复位；

所述双侧进气式活塞发动机包括：

气缸缸体、活塞、活塞杆；

其中，所述活塞安装于气缸缸体内，活塞杆一端连接活塞，另一端伸出气缸缸体并连接所述直线发电机；

气缸缸体的无杆腔一侧设置有第一进气口，第一排气口，气缸缸体的有杆腔一侧设置有第二进气口，第二排气口，第一进气口、第二进气口连接换热单元，第一排气口、第二排气口连接循环水箱；

所述水平对置的双缸控制式活塞发动机包括：

第一气缸、第二气缸；

其中，第一气缸包括第一气缸缸体，第一活塞，第一活塞杆，第一活塞安装于第一气缸缸体内，第一活塞杆一端连接第一活塞，另一端伸出第一气缸缸体并与所述直线第一发电机端连接；第一气缸缸体的无杆腔一侧设置有第一进气口、第一排气口，第一进气口连接换热单元，第一排气口连接循环水箱；

第二气缸包括第二气缸缸体、第二活塞、第二活塞杆、第二活塞杆安装于第二气缸缸体内，第二活塞杆一端连接第二活塞，另一端伸出第二气缸缸体并与所述直线发电机另一端连接；第二气缸缸体的有杆腔一侧设置有第二进气口，第二排气口，第二进气口连接换热单元，第二排气口连接循环水箱。

5.根据权利要求1所述的三联合循环系统，其特征在于，所述蒸汽发电系统为有机朗肯循环系统；

所述有机朗肯循环系统包括冷凝器、蒸发器、第二发电机、透平膨胀机以及液体泵，所述回热器出口与蒸发器进气口连接，所述冷凝器通过液体泵连接蒸发器的进水口，所述蒸发器的蒸汽出口与透平膨胀机连接用于为透平膨胀机提供做功蒸汽，所述透平膨胀机连接第二发电机用于驱动第二发电机发电，所述冷凝器连接透平膨胀机用于回收做功蒸汽做功后转化成的水或者水汽混合物。

6.根据权利要求1-5任一项所述的三联合循环系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括补燃器；

所述燃料电池尾气出口连接所述补燃器，所述补燃器出气口连接空压机进气端。

7.根据权利要求1-5任一项所述的三联合循环系统，其特征在于，还包括太阳能系统；

所述太阳能系统包括太阳能收集装置以及用于将太阳光反射到太阳能收集的太阳能反射镜，所述太阳能反射镜设置在回热器内部或/和外部的入口段或和中段或/和出口段或燃料电池用于连接回热器的入口处。

8.根据权利要求1-5任一项所述的三联合循环系统，其特征在于，所述空压机为径流式涡轮，所述燃料电池为固体燃料电池或质子交换膜燃料电池。

9.一种交通工具，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的三联合循环系统；

所述三联合循环系统的蒸汽发电系统连接交通工具中的发热元件，用于回收发热元件所散发的热量。

10.一种充电系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的三联合循环系统；

所述三联合循环系统的蒸汽发电系统连接充电系统中的发热元件，用于回收发热元件所散发的热量。

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