浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院-TW-FGQ01風(fēng)光氫混合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺

一、項(xiàng)目概述

   本系統(tǒng)為科研創(chuàng)新理念與實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)型相結(jié)合的集風(fēng)力發(fā)電，光伏發(fā)電、制氫系統(tǒng)、氫燃料電池發(fā)電、數(shù)據(jù)采集等多元化“風(fēng)、光、氫混合型新能源實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”。由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能電池組件、風(fēng)力及光伏控制系統(tǒng)、氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、超級電容系統(tǒng)、制氫系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、主控系統(tǒng)及管路搭建組成的微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。其工作原理是風(fēng)力、光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，并由超級電容儲能，DC/AC逆變成交流電，驅(qū)動電解水設(shè)備制氫。氫氣通過儲氫系統(tǒng)儲存，并驅(qū)動燃料電池電堆發(fā)電。

    此外，DC/AC模塊自帶旁路功能，旁路端直接與市電連接，實(shí)現(xiàn)市電和逆變間的自動切換，在超級電容所儲電能不夠用時，自動切換至市電供電，確保持續(xù)制氫功能正常運(yùn)行。在本方案設(shè)計(jì)中主要體現(xiàn)在氫燃料電池系統(tǒng)、超級電容系統(tǒng)、制氫系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)的部分。

1.1系統(tǒng)拓?fù)鋱D

二、方案概述

2.1風(fēng)光氫混合系統(tǒng)的組成

  1KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)與2.2KW交流拖動電機(jī)成水平方式固定與平臺上，由變頻器驅(qū)動交流拖動電機(jī)并帶動風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，可模擬不同風(fēng)速情況下風(fēng)速變化引起的風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電效率變化，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/span>

2.2光伏發(fā)電

  2KW太陽能電池組件固定在專制鋼件上，呈40度正面朝向正南方，整體支架系統(tǒng)放置在屋頂，經(jīng)電纜輸送至室內(nèi)實(shí)驗(yàn)臺，可實(shí)現(xiàn)分布式屋頂發(fā)電相關(guān)實(shí)驗(yàn)，所發(fā)電能與風(fēng)力發(fā)電相結(jié)合，可供制氫系統(tǒng)使用。

2.3風(fēng)光氫混合系統(tǒng)的組成

   系統(tǒng)主要部件的構(gòu)成： 1000 W風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、 2000W光伏發(fā)電系統(tǒng)、1000W燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、超級電容系統(tǒng)、DC/AC模塊、制氫系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)及主控系統(tǒng)。

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

三、各單元參數(shù)

3.1 太陽能電池組件

  太陽能電池組為多晶硅或單晶硅，是由高效晶體硅太陽能電池片、超白布紋鋼化玻璃、EVA、透明TPT背板以及鋁合金邊框組成。是發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的核心部件，本次項(xiàng)目中采用的光伏組件規(guī)格見下表：

單晶硅太陽能電池規(guī)格

單塊250Wp太陽能電池組件，經(jīng)連接組合成電池方陣，排列放置并固定在屋頂，如上圖。

3.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

      是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功,機(jī)械功帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，最終輸出交流電的電力設(shè)備。也是發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的核心部件。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)

本項(xiàng)目采用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)規(guī)格如下：

風(fēng)力發(fā)電機(jī)規(guī)格

3.3風(fēng)光互補(bǔ)控制系統(tǒng)

   集風(fēng)能、太陽能控制于一體的智能控制器，能同時控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池板對直流母線進(jìn)行高效的供電。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)核心部件，素有風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)“心臟”之稱。

風(fēng)光互補(bǔ)控制器規(guī)格參數(shù)如下：

風(fēng)光互補(bǔ)控制器規(guī)格

注：控制器設(shè)有負(fù)載過電壓保護(hù)、夜間防反充電保護(hù)、輸出短路保護(hù)、欠壓和過壓防震蕩保護(hù)、均衡充電、溫度補(bǔ)償、光控開關(guān)功能。

3.4氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

  燃料電池采用空冷自增濕的PEMFC電池，減少了水泵、水箱、增濕器、增壓泵等附屬設(shè)備，使電堆控制更簡潔、可靠。燃料電池系統(tǒng)除了核心部分質(zhì)子交換膜燃料電池堆外，還需要一些輔助器件發(fā)電系統(tǒng)才能正常工作?？偟膩碚f，一個完整的燃料電池系統(tǒng)大致上由燃料電池發(fā)電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成，如圖2所示。其中，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)主要由質(zhì)子交換膜燃料電池堆、氫氣供應(yīng)單元、氧氣或空氣供應(yīng)單元、DC/DC四部分組成。而控制單元部分屬于控制系統(tǒng)。

圖7   燃料電池發(fā)電系統(tǒng)組成示意圖

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)組成

1、燃料電池堆：

氫氣和氧氣在其內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)并釋放電能，是整個系統(tǒng)的核心。

2、氫氣供應(yīng)單元（H2）

本系統(tǒng)指由制氫設(shè)備，儲氫系統(tǒng)及供氫管路組成。制氫設(shè)備制氫，并由儲氫系統(tǒng)通過管路向燃料電池堆提供特定壓力的氫氣。

3、空氣供應(yīng)單元：

不間斷地向燃料電池提供電化學(xué)反應(yīng)所需的氧氣，以確保質(zhì)子交換膜燃料電池實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行發(fā)電。

4、DC/DC：

氫燃料電池所產(chǎn)生的電能為直流電，其輸出電壓不僅受內(nèi)阻影響而且隨著負(fù)載的變化而改變。因此，為保證供電性能的穩(wěn)定，在燃料電池系統(tǒng)輸出端，須配置功率變換單元DC/DC，主要保證負(fù)載連續(xù)變化時，將輸出電壓穩(wěn)定在合適的范圍。

5、控制單元：

控制單元是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的核心，用來接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，并對它們進(jìn)行分析，根據(jù)分析的結(jié)果來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動作?？绽渥栽鰸袢剂想姵匕l(fā)電系統(tǒng)的控制單元通過控制系統(tǒng)、風(fēng)扇、電磁閥即可保證燃料電池正常工作。

燃料電池系統(tǒng)工作示意圖

圖8   1000W燃料電池實(shí)物圖

燃料電池規(guī)格

注：帶*的數(shù)據(jù)是在15℃-30℃的環(huán)境溫度范圍和30 - 90%的環(huán)境濕度范圍內(nèi)取得的。

1000W燃料電池系統(tǒng)性能曲線圖

3.5超級電容系統(tǒng)

超級電容系統(tǒng)概述

      超級電容儲能系統(tǒng)通過自帶的雙向DC/DC實(shí)現(xiàn)能量的吸收與釋放。風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)通過直流母線給超級電容充電，超級電容通過DC/AC給制氫系統(tǒng)供電。

      超級電容模塊內(nèi)部集成CAN通信模塊實(shí)現(xiàn)模組工作狀態(tài)的實(shí)時采集，并把數(shù)據(jù)上傳至主板，經(jīng)過主板的處理，通過CPU隔離方式向儲能變流器發(fā)送必要的模擬量及報警的狀態(tài)量。確保系統(tǒng)實(shí)時穩(wěn)定的運(yùn)行。

本項(xiàng)目采用的超級電容，滿足500W/24V燃料電池5小時充滿電的要求，規(guī)格如下：

表6 超級電容規(guī)格參數(shù)

3.6制氫系統(tǒng)

?制氫系統(tǒng)的原理

工業(yè)軟水經(jīng)純水裝置制取純水，并送入原料水箱，經(jīng)補(bǔ)水泵輸入堿液系統(tǒng)，補(bǔ)充被電解消耗的水。電解槽中的水，在直流電的作用下被分解成H2與O2，并與循環(huán)電解液一起分別進(jìn)入框架中的氫、氧分離洗滌器后進(jìn)行氣液分離、洗滌、冷卻。分離后的電解液與補(bǔ)充的純水混合后，經(jīng)堿液冷卻器、堿液循環(huán)泵、過濾器送回電解槽循環(huán)，電解。調(diào)節(jié)堿液冷卻器冷卻水流量，控制回流堿液的溫度，來控制電解槽的工作溫度，使系統(tǒng)安全運(yùn)行。分離后的氫氣由調(diào)節(jié)閥控制輸出，送入氫氣儲罐，再經(jīng)緩沖減壓后，供用戶使用。

?本項(xiàng)目中采用的制氫系統(tǒng)其具體規(guī)格如下：

注：系統(tǒng)接入具備AC/DC模塊，具備AC交流接入能力。

電解水制氫流程圖

3.7儲氫系統(tǒng)

本次項(xiàng)目采用金屬儲氫系統(tǒng)，做為氫氣儲存的裝置?？梢灾苯优c電解水制氫系統(tǒng)連接，省去了氫氣壓縮機(jī)，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。

?儲氫系統(tǒng)特性：

?采用高性能AB5型氫合金，儲氫量達(dá)到1.4wt.%，吸放氫壓力穩(wěn)定。

?采用304不銹鋼罐體，具有良好的耐腐蝕性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

?具有優(yōu)異的傳熱傳質(zhì)性能，可在室溫下快速重放氫。

?放氫純度大于99.999%，是一種理想的高純度氫。

?一般采用空氣對流進(jìn)行熱交換，水浴效果更理想。

?規(guī)格參數(shù):

金屬儲氫規(guī)格參數(shù)

圖11 金屬儲氫系統(tǒng)

3.8主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)是整個微網(wǎng)的監(jiān)測、控制核心單元。通過內(nèi)置的數(shù)據(jù)采集、通訊傳輸?shù)饶K，實(shí)現(xiàn)對微網(wǎng)系統(tǒng)的可視化監(jiān)測及控制。針對本系統(tǒng)的各子系統(tǒng)，其主要功能體現(xiàn)在：

?系統(tǒng)的啟動、停機(jī)控制；

?直流母線的電壓、電流監(jiān)測，并記錄電壓、電流曲線；

?風(fēng)力、光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電電壓、電流監(jiān)測，并記錄電壓、電流曲線；風(fēng)力、光伏發(fā)電系統(tǒng)的啟動、停機(jī)控制。

?燃料電池電堆溫度監(jiān)測；DC/DC模塊輸出過載、過壓、欠壓、短路的監(jiān)測及報警；供氫單元的壓力及壓力傳感器故障監(jiān)測報警、氫氣泄漏關(guān)機(jī)報警等。監(jiān)測供氫壓力過載達(dá)到設(shè)定值、氫氣濃度達(dá)到設(shè)定值主控系統(tǒng)自動切斷系統(tǒng)電源控制。

?超級電容的電壓、電流及溫度監(jiān)測，并記錄電壓、電流、溫度曲線；超級電容超壓、超溫達(dá)到設(shè)定值系統(tǒng)報警。自帶DC/DC模塊輸出過載、過壓、欠壓、短路的監(jiān)測及報警。

?DC/AC單元的輸入、輸出電壓監(jiān)測，過載、短路、過溫，反接（保險）、欠/過壓的監(jiān)測。監(jiān)測DC/AC單元短路、反接或電壓、溫度達(dá)到設(shè)定值，系統(tǒng)報警并自動關(guān)機(jī)。

?制氫系統(tǒng)的氫氣發(fā)生功率、純化裝置輸入功率監(jiān)測，氫氣輸出流量、氫氣純度、輸出壓力監(jiān)測，輸入電壓監(jiān)測；若氫氣輸出流量、輸出壓力達(dá)到設(shè)定值系統(tǒng)報警。

?儲氫系統(tǒng)的儲氫壓力、儲氫時間、放氫速度的監(jiān)測。

氫氣傳輸管路的壓力監(jiān)測、流量監(jiān)測、氫氣泄漏監(jiān)測等。

系統(tǒng)主要設(shè)備清單

注：1，去離子水發(fā)生器用于制備并為制氫系統(tǒng)提供所必需的去離子水。

   2，不包含設(shè)備連接裝置和配件