本发明涉及设施农业和燃料电池领域，尤其是涉及一种设施农业用燃料电池热电联供系统自动化设计方法。
背景技术：
1、设施农业需要供给足够的电能和热能以维持作物品质和产量，其能量使用和碳交易成本最高可超过作物售价60％以上，限制着设施农业种植收益，制约了设施农业的进一步发展。目前，设施农业供能方式主要有电网、燃油发电机、锂电池、燃料电池等方案。电网供电需搭建基础供电网络，对基础设施要求较高，且当前电网主要电能来自于燃煤发电，碳排放量较大。燃油发电机能源使用率低，碳排放高，不利于节能减排。锂电池可回收性差，在大规模、长周期储能领域成本远大于氢储能，且只生产电能，不能直接满足设施农业供热需求。燃料电池通过氢气、氧气电化学反应，产生电能、热能和水，反应温度约为80℃，可用于家庭、农业等场所用电和供热，反应过程无碳排放、反应物无污染，是具有潜力的设施农业供能设备。
2、设施农业用电、供暖需求随环境温度、光照强度、天气等因素影响，作为供能设备的燃料电池负载需求随机性强、波动大，需频繁进行启动、运行和关机等状态的切换，易出现水淹、缺氧等问题，降低热电联供系统使用效率和寿命。然而，目前尚未存在面向设施农业的燃料电池热电联供系统设计和选型自动化方案，无法快速根据不同需求设计不同的热电联供系统，设计工作量大。
技术实现思路
1、本发明的目的就是为了快速根据不同需求设计不同的热电联供系统，减少涉及的工作量而提供的一种设施农业用燃料电池热电联供系统自动化设计方法。
2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、一种设施农业用燃料电池热电联供系统自动化设计方法，方法包括以下步骤：
4、设施农业能量需求模块获取典型数据，设施农业能量需求模块基于所述典型数据求解电、热需求功率谱和变载速率；
5、热泵能效比模块基于热泵选型模块输出的热泵能效比曲线和所述电、热需求功率谱获取热泵典型工况能效比；
6、燃料电池选型模块根据所述热泵典型工况能效比和电、热需求功率谱计算燃料电池供电功率谱，并选择满足电需求功率谱要求的燃料电池电堆，确定典型工况下电堆负载电流、电堆空气流量、电堆空气压力、电堆空气温度、阴极湿度、阴极压损、燃料电池供热功率、水路压损、电堆进出口温差、氢气压力、氢气温度、阳极湿度和变载极限、燃料电池供电功率和总供热功率；
7、空气滤清器选型模块根据燃料电池选型模块输出的典型工况下电堆空气流量、电堆空气压力和空气温度选择满足电堆空气流量、电堆空气压力和空气温度的空气滤清器；空气滤清器选型模块根据选择的空气滤清器得到典型工况空气滤清器压损；
8、加湿器选型模块基于燃料电池选型模块输出的典型工况下负载电流、电堆空气流量、电堆空气压力和阴极湿度计算加湿器水传输效率，从加湿器库中选择满足典型工况水传输效率需求的加湿器；加湿器选型模块根据选择的加湿器获得加湿器干侧和湿侧压损；
9、空压机选型模块根据燃料电池选型模块输出的典型工况下电堆空气流量、电堆空气压力、阴极压损、空气滤清器选型模块输出的典型工况空气滤清器压损、加湿器选型模块输出的加湿器干侧压损以及中冷器流阻计算模块输出的中冷器空气侧压损，从空压机库中选择符合条件的空压机；空压机选型模块根据选择的空压机输出典型工况下的空压机出口温度；
10、中冷器选型模块根据空压机选型模块输出的典型工况下的空压机出口温度、燃料电池选型模块输出的典型工况下电堆空气温度和电堆空气流量选择符合需求的中冷器；中冷器选型模块输出中冷器流阻特性；
11、中冷器流阻计算模块获取中冷器流阻特性，由典型工况下电堆空气流量查表获得中冷器空气侧压损，由散热器选型模块输出的典型工况下冷却液流量获取冷却液侧流阻；
12、背压阀选型模块根据典型工况电堆空气压力减去加湿器湿侧压损得到背压阀入口压力，利用喷管流量方程，根据典型工况下电堆空气流量，得到背压阀直径范围，从背压阀库中选择满足直径范围的背压阀；
13、氢气供应选型模块根据典型工况下氢气压力、氢气温度和阳极湿度从氢气供应模块库中选择满足氢气压力、氢气温度、阳极湿度的氢气供应模块；
14、散热器选型模块根据典型工况下燃料电池供热功率、水路压损和电堆进出口温差从散热器库中选择散热器，散热器选型模块输出典型工况下冷却液流量，根据选择的散热器和典型工况下冷却液流量输出典型工况下散热器压损；
15、节温器选型模块根据典型工况下冷却液流量从节温器库中选择满足流量范围的节温器，节温器选型模块根据选择的节温器输出节温器压损；
16、水泵选型模块计算并输出冷却回路压损；水泵选型模块按照扬程范围覆盖冷却回路压损、流量范围覆盖典型工况冷却液流量的标准，从水泵库中选择水泵；
17、热泵选型模块根据典型工况下燃料电池供热功率、燃料电池供电功率和总供热功率由总供热功率减去燃料电池供热功率得到热泵供热功率，按照能效比最大原则从热泵库中选择满足热泵供热功率的最优匹配热泵；
18、补偿电源选型模块根据变载极限速率和变载极限的差值确定补偿电源变载速率和最大输出功率，根据最高需求功率与燃料电池极限变载下功率随时间变化曲线差值对时间的积分，确定电池容量，从补偿电源库中选择满足变载速率、最大输出功率和电池容量的补偿电源；
19、热泵选型模块根据选择的最优匹配热泵，向热泵能效比模块输出热泵能效比曲线，构成闭环，重复上述步骤，闭环达到一定次数却收敛后，停止迭代，确定各器件参数，完成系统设计。
20、进一步地，所述典型数据包括典型环境温度、典型光照强度、典型环境湿度和需求温度。
21、进一步地，所述空气滤清器选型模块根据选择的空气滤清器得到典型工况空气滤清器压损的具体步骤为：
22、空气滤清器选型模块根据选择的空气滤清器的流阻特性曲线，由典型工况下电堆空气流量查表得到典型工况空气滤清器压损。
23、进一步地，所述热泵能效比模块基于所述电、热需求功率谱获取热泵典型工况能效比具体为：
24、热泵能效比模块基于热泵选型模块输出的热泵能效比曲线和所述电、热需求功率谱查表获取热泵典型工况能效比。
25、进一步地，所述加湿器选型模块根据选择的加湿器获得加湿器干侧和湿侧压损具体为：
26、加湿器选型模块根据选择的加湿器，利用典型工况下电堆空气流量查表得到加湿器干侧和湿侧压损。
27、进一步地，所述符合条件的空压机为：
28、其流量范围覆盖典型工况下电堆空气流量要求，同时其压比范围覆盖典型工况压比，其中典型工况压比为电堆空气压力与大气压力之比；
29、所述空压机选型模块根据选择的空压机输出空压机出口温度具体为：
30、空压机选型模块根据选择的空压机，确定空压机转速、流量、压比关系图和转速、进出口温差和压比关系图，查表获得典型工况下空压机进出口温差，由典型环境温度和典型工况下空压机进出口温差计算典型工况下的空压机出口空气温度。
31、进一步地，所述中冷器选型模块根据空压机选型模块输出的典型工况下的空压机出口温度、燃料电池选型模块输出的典型工况下电堆空气温度和电堆空气流量选择符合需求的中冷器具体为：
32、中冷器选型模块由典型工况空压机出口温度、空气温度和电堆空气流量确定中冷器典型工况需求散热功率，从中冷器库中选择散热功率满足典型工况需求散热功率的中冷器；
33、所述中冷器选型模块输出中冷器流阻特性具体为：
34、中冷器选型模块根据选择的中冷器输出中冷器流阻特性，即电堆空气流量-中冷器空气侧压损关系表。
35、进一步地，所述根据典型工况下电堆空气流量，得到背压阀直径范围具体为：
36、所述根据典型工况下电堆空气流量，在满足燃料电池运行状态下背压阀开度处于线性区间的要求下，反算得到背压阀直径范围。
37、进一步地，所述散热器选型模块根据典型工况下燃料电池供热功率、水路压损和电堆进出口温差从散热器库中选择散热器具体为：
38、散热器选型模块根据典型工况下燃料电池供热功率、水路压损和电堆进出口温差确定典型工况下冷却液流量，并根据燃料电池供热功率确定散热器最大散热功率，根据典型工况下冷却液流量和散热器最大散热功率从散热器库中选择散热器；
39、散热器选型模块根据选择的散热器和典型工况下冷却液流量输出典型工况下散热器压损具体为：
40、散热器选型模块根据选择的散热器和典型工况下冷却液流量，查表散热器流阻特性，获取典型工况下散热器压损。
41、进一步地，所述冷却回路压损为典型工况下水路压损、节温器压损、中冷器冷却液侧压损以及散热器压损之和。
42、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
43、本发明将热电联供系统的参数选择模块化，设置设施农业需求、热泵能效比计算、燃料电池电堆选型、氢气供应模块选型、空气滤清器选型、中冷器流阻计算、空压机选型、中冷器选型、加湿器选型、背压阀选型、散热器选型、水泵选型、节温器选型、热泵选型、补偿电源选型等模块，减少工作量的同时增加了系统设计的可靠度和快速性。
1.一种设施农业用燃料电池热电联供系统自动化设计方法，其特征在于，方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种设施农业用燃料电池热电联供系统自动化设计方法，其特征在于，所述典型数据包括典型环境温度、典型光照强度、典型环境湿度和需求温度。
3.根据权利要求1所述的一种设施农业用燃料电池热电联供系统自动化设计方法，其特征在于，所述空气滤清器选型模块根据选择的空气滤清器得到典型工况空气滤清器压损的具体步骤为：
4.根据权利要求1所述的一种设施农业用燃料电池热电联供系统自动化设计方法，其特征在于，所述热泵能效比模块基于所述电、热需求功率谱获取热泵典型工况能效比具体为：
5.根据权利要求1所述的一种设施农业用燃料电池热电联供系统自动化设计方法，其特征在于，所述加湿器选型模块根据选择的加湿器获得加湿器干侧和湿侧压损具体为：
6.根据权利要求1所述的一种设施农业用燃料电池热电联供系统自动化设计方法，其特征在于，所述符合条件的空压机为：
7.根据权利要求1所述的一种设施农业用燃料电池热电联供系统自动化设计方法，其特征在于，所述中冷器选型模块根据空压机选型模块输出的典型工况下的空压机出口温度、燃料电池选型模块输出的典型工况下电堆空气温度和电堆空气流量选择符合需求的中冷器具体为：
8.根据权利要求1所述的一种设施农业用燃料电池热电联供系统自动化设计方法，其特征在于，所述根据典型工况下电堆空气流量，得到背压阀直径范围具体为：
9.根据权利要求1所述的一种设施农业用燃料电池热电联供系统自动化设计方法，其特征在于，所述散热器选型模块根据典型工况下燃料电池供热功率、水路压损和电堆进出口温差从散热器库中选择散热器具体为：
10.根据权利要求1所述的一种设施农业用燃料电池热电联供系统自动化设计方法，其特征在于，所述冷却回路压损为典型工况下水路压损、节温器压损、中冷器冷却液侧压损以及散热器压损之和。
