浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院-TW-FGQ01風光氫混合系統(tǒng)實驗臺
一、項目概述
本系統(tǒng)為科研創(chuàng)新理念與實驗、實訓(xùn)型相結(jié)合的集風力發(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、光、氫混合型新能源實驗實訓(xùn)系統(tǒng)”。由風力發(fā)電機組、太陽能電池組件、風力及光伏控制系統(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)制氫功能正常運行。在本方案設(shè)計中主要體現(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)拓撲圖
?整套系統(tǒng)的各個模塊預(yù)留了CAN\RS485\RS232\USB\TCPIP通訊接口，可以通過該通訊接口對系統(tǒng)中各個模塊進行監(jiān)控，便于未來項目開發(fā)使用。
?系統(tǒng)實驗平臺集成了室內(nèi)溫/濕度儀，風速測量、光照度測量系統(tǒng)，讓使用者操作起來更直觀；
?系統(tǒng)DC-AC并網(wǎng)同步電源，采用高頻脈沖調(diào)制技術(shù)，具有小體積、高效率及高功率因數(shù)輸出；
?系統(tǒng)面板上采用直觀的數(shù)字表和液晶顯示，讓用戶了解當前系統(tǒng)工作狀態(tài)；
?系統(tǒng)上的離網(wǎng)電源可以為用戶提供交流110V/220V純正弦波交流電能；
?實訓(xùn)系統(tǒng)，可以讓實訓(xùn)學(xué)生自行拆裝移動，使用簡便、無噪音、無污染；
?系統(tǒng)增加市電與風光互補發(fā)電切換模塊，讓實驗更具操作性；
?增加分布式供電原理與實驗電路，讓學(xué)生增加對新知識的理解；
?增設(shè)直流母線單元，方便系統(tǒng)各模塊之間連接及實驗；
?獨立的超級電容儲能系統(tǒng)管理單元；
?獨立的后備膠體蓄電池及充放電管理單元；
?燃料電池運行過程中，只排除水和熱量，不會產(chǎn)生任何有害物質(zhì)及噪音；
?燃料電池較之傳統(tǒng)電源方案，其運行安全可靠、壽命長，維護簡單，降低了維護成本。
二、方案概述
2.1風光氫混合系統(tǒng)的組成
1KW風力發(fā)電機與2.2KW交流拖動電機成水平方式固定與平臺上，由變頻器驅(qū)動交流拖動電機并帶動風力發(fā)電機進行發(fā)電，可模擬不同風速情況下風速變化引起的風力發(fā)電機發(fā)電效率變化，達到實驗?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)實驗臺，可實現(xiàn)分布式屋頂發(fā)電相關(guān)實驗，所發(fā)電能與風力發(fā)電相結(jié)合，可供制氫系統(tǒng)使用。
2.3風光氫混合系統(tǒng)的組成
系統(tǒng)主要部件的構(gòu)成： 1000 W風力發(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 風光互補系統(tǒng)拓撲圖
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
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組件尺寸(L*W*H) |
1650*990*40mm |
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最佳功率 |
250W |
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最佳工作電壓 |
32.05±0.5V |
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最佳工作電流 |
8.72±0.10A |
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短路電流 |
8.85±0.10A |
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開路電壓 |
42±0.5V |
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風力發(fā)電系統(tǒng)
是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，來促使發(fā)電機發(fā)電。將風能轉(zhuǎn)換為機械功,機械功帶動轉(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。
風力發(fā)電機
本項目采用風力發(fā)電系統(tǒng)規(guī)格如下：
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額定功率： |
1000(W) |
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額定電壓： |
24(V) |
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額定電流： |
40（A） |
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風輪直徑： |
2.5(m) |
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啟動風速： |
2.5(m/s) |
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額定風速： |
9.6(m/s) |
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安全風速： |
35(m/s) |
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工作形式： |
永磁同步發(fā)電機 |
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風葉旋轉(zhuǎn)方向： |
順時針 |
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風葉數(shù)量： |
3（片） |
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風葉材料： |
玻璃增強聚丙烯材料 |
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電機材料： |
鋁合金&不銹鋼 |
風力發(fā)電機規(guī)格
3.3風光互補控制系統(tǒng)
集風能、太陽能控制于一體的智能控制器，能同時控制風力發(fā)電機和太陽能電池板對直流母線進行高效的供電。風光互補系統(tǒng)核心部件，素有風光互補系統(tǒng)“心臟”之稱。
風光互補控制器規(guī)格參數(shù)如下：
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工作電壓： |
24VDC |
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充電功率： |
750W |
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光伏功率： |
300W |
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風機功率： |
450W |
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充電方式： |
PWM脈寬調(diào)制 |
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充電最大電流 |
35A |
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過放保護電壓 |
21.5V |
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過放恢復(fù)電壓 |
26.2V |
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輸出保護電壓 |
28V |
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卸載開始電壓（出廠值） |
26.5V |
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卸載開始電流（出廠值） |
15A |
風光互補控制器規(guī)格
注：控制器設(shè)有負載過電壓保護、夜間防反充電保護、輸出短路保護、欠壓和過壓防震蕩保護、均衡充電、溫度補償、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現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的運行發(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)，并對它們進行分析，根據(jù)分析的結(jié)果來控制執(zhí)行機構(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燃料電池實物圖
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類型 |
基于PASH技術(shù)的空冷自增濕燃料電池 |
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性能 |
額定功率 |
1000W* |
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額定電壓 |
36V |
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額定電流 |
27.8A |
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電壓范圍 |
30-58V |
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燃料效率 |
≥50％ |
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燃料 |
氫氣純度 |
≥99.95％ |
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氫氣工作壓力 |
0.5-0.6Bar |
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氫氣消耗量 |
13.1L/min(額定功率) |
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氧化劑/冷卻劑 |
空氣 |
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空氣壓力 |
常壓 |
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物流特性 |
質(zhì)量 |
6600g |
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體積（長寬高） |
350mm×140mm×175mm |
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工作條件 |
環(huán)境溫度 |
-5℃—40℃ |
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環(huán)境濕度（RH） |
10％－95％ |
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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實現(xiàn)能量的吸收與釋放。風光發(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通信模塊實現(xiàn)模組工作狀態(tài)的實時采集，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)實時穩(wěn)定的運行。
本項目采用的超級電容，滿足500W/24V燃料電池5小時充滿電的要求，規(guī)格如下：
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儲能能量(72-36V) |
＞2.5KWH |
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充電電壓 |
DC72V |
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放電電壓 |
DC36V |
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額定功率 |
1000W |
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工作溫度 |
-45℃~65℃ |
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濕度 |
Max95%（無結(jié)露） |
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IP防護等級 |
IP20 |
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冷卻方式 |
風冷 |
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外形尺寸 |
800 x800 x2200 mm寬 x 深 x 高 |
表6 超級電容規(guī)格參數(shù)
圖9 超級電容
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)補水泵輸入堿液系統(tǒng)，補充被電解消耗的水。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)電解液一起分別進入框架中的氫、氧分離洗滌器后進行氣液分離、洗滌、冷卻。分離后的電解液與補充的純水混合后，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。
?本項目中采用的制氫系統(tǒng)其具體規(guī)格如下：
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氫氣產(chǎn)量 |
800L/h（1atm） |
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氫氣純度 |
≥99.8% |
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氧氣純度 |
≥99.3% |
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工作壓力 |
0.8MPa |
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直流電耗 |
＜5KWh/m3 |
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，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行熱交換，水浴效果更理想。
?規(guī)格參數(shù):
| 容量 |
≥5m3 |
| 罐體尺寸（mm） |
直徑300*長度800 |
| 罐體材料 | 不銹鋼 |
| 儲氫壓力 |
≤3MPa |
| 充氫時間（25°） |
≤60min |
| 放氫速度（25°） |
≥20L/min |
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、停機控制；
?直流母線的電壓、電流監(jiān)測，并記錄電壓、電流曲線；
?風力、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；風力、光伏發(fā)電系統(tǒng)的啟動、停機控制。
?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)機報警等。監(jiān)測供氫壓力過載達到設(shè)定值、氫氣濃度達到設(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、溫度達到設(shè)定值，系統(tǒng)報警并自動關(guān)機。
?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
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序號 |
項目 |
規(guī)格 |
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1 |
氫燃料電池 |
1000W空冷自增濕系統(tǒng) |
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2 |
超級電容 |
＞5KWH |
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3 |
氫氣發(fā)生器 |
0.8 m3/h、 |
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4 |
金屬儲氫裝置 |
≥5m3 |
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5 |
光伏組件 |
開路電壓DC42V，功率250W 單晶或多晶 |
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6 |
風力發(fā)電裝置 |
AC48V/1000W三相永磁同步風力發(fā)電機 |
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7 |
DC/AC 逆變系統(tǒng) |
輸入DC48V，輸出AC220V/2000W純正弦波逆變系統(tǒng)，帶旁路功能 |
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主配件 |
去離子水發(fā)生器 |
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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
