浙江大學寧波理工學院-TW-FGQ01風光氫混合系統實驗臺

一、項目概述

   本系統為科研創新理念與實驗、實訓型相結合的集風力發電，光伏發電、制氫系統、氫燃料電池發電、數據采集等多元化“風、光、氫混合型新能源實驗實訓系統”。由風力發電機組、太陽能電池組件、風力及光伏控制系統、氫燃料電池發電系統、超級電容系統、制氫系統、儲氫系統、主控系統及管路搭建組成的微網發電系統。其工作原理是風力、光伏發電系統發電，并由超級電容儲能，DC/AC逆變成交流電，驅動電解水設備制氫。氫氣通過儲氫系統儲存，并驅動燃料電池電堆發電。

    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，確保持續制氫功能正常運行。在本方案設計中主要體現在氫燃料電池系統、超級電容系統、制氫系統、儲氫系統的部分。

1.1系統拓撲圖

二、方案概述

2.1風光氫混合系統的組成

  1KW風力發電機與2.2KW交流拖動電機成水平方式固定與平臺上，由變頻器驅動交流拖動電機并帶動風力發電機進行發電，可模擬不同風速情況下風速變化引起的風力發電機發電效率變化，達到實驗目的。

2.2光伏發電

  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，整體支架系統放置在屋頂，經電纜輸送至室內實驗臺，可實現分布式屋頂發電相關實驗，所發電能與風力發電相結合，可供制氫系統使用。

2.3風光氫混合系統的組成

   系統主要部件的構成： 1000 W風力發電系統、 2000W光伏發電系統、1000W燃料電池發電系統、超級電容系統、DC/AC模塊、制氫系統、儲氫系統及主控系統。

圖2 風光互補系統拓撲圖

三、各單元參數

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。是發電系統中不可或缺的核心部件，本次項目中采用的光伏組件規格見下表：

單晶硅太陽能電池規格

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

3.2風力發電系統

      是利用風力帶動風車葉片旋轉，來促使發電機發電。將風能轉換為機械功,機械功帶動轉子旋轉，最終輸出交流電的電力設備。也是發電系統中不可或缺的核心部件。

風力發電機

本項目采用風力發電系統規格如下：

風力發電機規格

3.3風光互補控制系統

   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。風光互補系統核心部件，素有風光互補系統“心臟”之稱。

風光互補控制器規格參數如下：

風光互補控制器規格

注：控制器設有負載過電壓保護、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、光控開關功能。

3.4氫燃料電池發電系統

  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、增壓泵等附屬設備，使電堆控制更簡潔、可靠。燃料電池系統除了核心部分質子交換膜燃料電池堆外，還需要一些輔助器件發電系統才能正常工作?？偟膩碚f，一個完整的燃料電池系統大致上由燃料電池發電系統和控制系統兩大部分組成，如圖2所示。其中，燃料電池發電系統主要由質子交換膜燃料電池堆、氫氣供應單元、氧氣或空氣供應單元、DC/DC四部分組成。而控制單元部分屬于控制系統。

圖7   燃料電池發電系統組成示意圖

燃料電池發電系統組成

1、燃料電池堆：

氫氣和氧氣在其內部發生電化學反應并釋放電能，是整個系統的核心。

2、氫氣供應單元（H2）

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

3、空氣供應單元：

不間斷地向燃料電池提供電化學反應所需的氧氣，以確保質子交換膜燃料電池實現連續穩定的運行發電。

4、DC/DC：

氫燃料電池所產生的電能為直流電，其輸出電壓不僅受內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定，在燃料電池系統輸出端，須配置功率變換單元DC/DC，主要保證負載連續變化時，將輸出電壓穩定在合適的范圍。

5、控制單元：

控制單元是燃料電池發電系統的核心，用來接收數據采集系統采集的數據，并對它們進行分析，根據分析的結果來控制執行機構完成相應的動作?？绽渥栽鰸袢剂想姵匕l電系統的控制單元通過控制系統、風扇、電磁閥即可保證燃料電池正常工作。

燃料電池系統工作示意圖

圖8   1000W燃料電池實物圖

燃料電池規格

注：帶*的數據是在15℃-30℃的環境溫度范圍和30 - 90%的環境濕度范圍內取得的。

1000W燃料電池系統性能曲線圖

3.5超級電容系統

超級電容系統概述

      超級電容儲能系統通過自帶的雙向DC/DC實現能量的吸收與釋放。風光發電系統通過直流母線給超級電容充電，超級電容通過DC/AC給制氫系統供電。

      超級電容模塊內部集成CAN通信模塊實現模組工作狀態的實時采集，并把數據上傳至主板，經過主板的處理，通過CPU隔離方式向儲能變流器發送必要的模擬量及報警的狀態量。確保系統實時穩定的運行。

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，規格如下：

表6 超級電容規格參數

3.6制氫系統

?制氫系統的原理

工業軟水經純水裝置制取純水，并送入原料水箱，經補水泵輸入堿液系統，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，經堿液冷卻器、堿液循環泵、過濾器送回電解槽循環，電解。調節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，使系統安全運行。分離后的氫氣由調節閥控制輸出，送入氫氣儲罐，再經緩沖減壓后，供用戶使用。

?本項目中采用的制氫系統其具體規格如下：

注：系統接入具備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

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

?儲氫系統特性：

?采用高性能AB5型氫合金，儲氫量達到1.4wt.%，吸放氫壓力穩定。

?采用304不銹鋼罐體，具有良好的耐腐蝕性和結構強度。

?具有優異的傳熱傳質性能，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。

?規格參數:

金屬儲氫規格參數

圖11 金屬儲氫系統

3.8主控系統

主控系統是整個微網的監測、控制核心單元。通過內置的數據采集、通訊傳輸等模塊，實現對微網系統的可視化監測及控制。針對本系統的各子系統，其主要功能體現在：

?系統的啟動、停機控制；

?直流母線的電壓、電流監測，并記錄電壓、電流曲線；

?風力、光伏發電系統的發電電壓、電流監測，并記錄電壓、電流曲線；風力、光伏發電系統的啟動、停機控制。

?燃料電池電堆溫度監測；DC/DC模塊輸出過載、過壓、欠壓、短路的監測及報警；供氫單元的壓力及壓力傳感器故障監測報警、氫氣泄漏關機報警等。監測供氫壓力過載達到設定值、氫氣濃度達到設定值主控系統自動切斷系統電源控制。

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

?DC/AC單元的輸入、輸出電壓監測，過載、短路、過溫，反接（保險）、欠/過壓的監測。監測DC/AC單元短路、反接或電壓、溫度達到設定值，系統報警并自動關機。

?制氫系統的氫氣發生功率、純化裝置輸入功率監測，氫氣輸出流量、氫氣純度、輸出壓力監測，輸入電壓監測；若氫氣輸出流量、輸出壓力達到設定值系統報警。

?儲氫系統的儲氫壓力、儲氫時間、放氫速度的監測。

氫氣傳輸管路的壓力監測、流量監測、氫氣泄漏監測等。

系統主要設備清單

注：1，去離子水發生器用于制備并為制氫系統提供所必需的去離子水。

   2，不包含設備連接裝置和配件