性能的混合光伏/组合再生燃料电池系统在热带地区gydF4y2Ba

文摘gydF4y2Ba

太阳能氢系统是一个独特的电力系统,能够满足未来能源需求的功率要求。这样一个系统使用氢作为能源载体,通过电解槽生产能源光伏电源的协助下在阳光充足的时间,然后使用存储氢通过燃料电池产生能量日落之后或阴天。目前的研究已经使用任何组合再生燃料电池的电解槽和燃料电池功能在一个细胞在不同的模式。系统组件的建模和为期一天的实际操作和模拟数据和比较。测量结果显示系统的能力,以满足提出的负载,和总效率为4.5%。gydF4y2Ba

1。介绍gydF4y2Ba

光伏发电,直接将太阳辐射转换为电能,包含很多显著的优势,比如取之不尽的,无污染,沉默和无旋转部件,其size-independent电力转换效率。一个积极的环境影响的光伏发电正在取代更多的污染物,或提供电力,没有可用的。同时增加太阳能光伏设备的普及率,各种反污染可以由太阳能光伏发电设备,例如,通过电化学水净化处理或阻止沙漠扩张通过光伏抽水树植入(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

混合光伏/氢生产系统单位称为电解槽,用于产生氢气的协助下光伏作为能源。这个氢将保存在合适的存储介质之前转换为直流电源通过一个叫做燃料电池单元。燃料电池电化学转换成化学能的装置,通常从氢,直接转化为电能。燃料电池系统的引入到发电市场不仅将成千上万的用户提供高质量的清洁可再生能源,但它会帮助减少对石油的依赖gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

这样一个系统包括一个电源(PV模块),氢发生器(电解槽),存储介质存储氢和氢利用单位(燃料电池),能够使一个连续的,和self-dependant或不间断的能源。PV的大小应该设计得当,为了有多余功率的负载要求。这个多余的电力将用于生成氢生成单元,它将利用日落之后或在低太阳能照射。负载在这个系统将在短期内推动光伏模块和氢系统将作为长期供应商。短期和长期供应的一个例子是图所示gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

PV-powered氢一代系统的建模需要解决电气方程PV和DC / DC转换器(如果存在的话)和电化学方程电解槽。费舍尔(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)组成的一个小系统的实验结果相比太阳能电池发电机,水的电解,和功率调节系统仿真模型的计算结果,而Vidueira et al。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)检查太阳能氢系统的性能通过电解生产氢气发生器,以满足前两个燃料电池汽车的氢消费在马德里。其他一些研究人员使用各种软件来模拟系统的性能,如公园等。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba7gydF4y2Ba),利用PSCAD / EMTDC软件模拟一个氢生产系统的性能。gydF4y2Ba

加利和StefanonigydF4y2Ba8gydF4y2Ba)调查和测试一些商业太阳能氢技术,初步性能结果,以及控制系统的太阳能再生燃料电池系统在意大利,虽然Hedstrom et al。gydF4y2Ba9gydF4y2Ba)在瑞典、Abaoud和Steeb [gydF4y2Ba10gydF4y2Ba在HYSOLAR German-Saudi双边项目,沃斯等。gydF4y2Ba11gydF4y2Ba在德国,Lutfi和Veziroǧlu [gydF4y2Ba12gydF4y2Ba在巴基斯坦,查et al。gydF4y2Ba13gydF4y2Ba在西班牙,和小et al。gydF4y2Ba14gydF4y2Ba在英国。托雷斯et al。gydF4y2Ba15gydF4y2Ba在墨西哥]也模拟PV-hydrogen-fuel-cell混合系统。gydF4y2Ba

本文的主要目的是展示性能的混合光伏/组合在马来西亚的天气条件下再生燃料电池系统。构建PV /组合再生燃料电池系统的实验室太阳能研究所(institute) /马来西亚Kebangsaan大学。本文给出的结果是基于真实的操作条件。操作和模拟数据之间的比较也提出了。gydF4y2Ba

2。系统描述gydF4y2Ba

拟议的系统主要包含两个主要的子系统,是光伏模块(Kyosera KC85T)位于室外和氢系统位于实验室。这项工作中使用的系统的主要组件是面向3相同的光伏模块(Markvart所使用的方法gydF4y2Ba16gydF4y2Ba基于最大操作电流,太阳能辐射最低的是用来预测有多少模块需要使用)87 W最大功率和0.65米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba活跃区域,成组的再生燃料电池(URFC)、气体存储和水箱,增湿器,水陷阱,直流/直流转换器(wd150 - 400),最大功率点跟踪器翻译(MPPT)(1010年STECA公关)确保最大光伏功率输出,和母线传输当前从光伏到负载和电解槽的阳光小时或从燃料电池负载在日落。系统开始在早晨,当光伏电流是足够高的功率负载,而多余的电流发送功率URFC堆栈,这在电解工作模式,接收水从小型水泵。生成的气体然后发送到储罐。光伏电流不能功率负载时,系统将切换到燃料电池模式与氮清洗线后。用于燃料电池的增湿器模式是长期(纯MH系列增湿器的壳管之间的水分交换,使水蒸气的转移液体供水和流动的气流。水是吸收电解质管的墙壁和转移到干燥的气体流。这种转移是由水蒸气分压差的对立。去离子水中弥漫的坦克配备加热器(2 kW)水加热到所需的温度通过温度控制器。氮对清洗时使用从电解槽模式切换到燃料电池模式,在系统关闭时间氮供应对氢气和氧气管道线使用电磁阀。电磁阀将打开并允许氮流燃料和氧化剂。 A schematic of the hydrogen system is shown in Figure2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

实验室配备了能够测量堆栈的燃料电池测试站温度、氢气和空气流量测量,和堆栈操作电流和电压。子系统包含燃料电池模式,使湿润的加湿瓶反应物气体。加湿可以绕过如果干气注入堆栈。气体流速控制由一组阀门手动为每个堆栈。此外,数据采集系统是结合产生极化曲线和时间的历史堆栈的性能,系统中不同位置的温度和太阳辐射。gydF4y2Ba

3所示。系统建模gydF4y2Ba

3.1。光伏模块gydF4y2Ba

达菲的模型和贝克曼gydF4y2Ba17gydF4y2Ba)是用来模拟光伏模块的电流和电压输出。在固定的温度和太阳辐射,光伏模块的电流电压特性可以建模使用gydF4y2Ba 的权力gydF4y2Ba

在大多数情况下,并联电流可以忽略,因为分流电阻很高,趋于零,尤其是对单晶硅太阳能电池,(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)成为gydF4y2Ba 和电压gydF4y2Ba 的值gydF4y2Ba,gydF4y2Ba,gydF4y2Ba,参数gydF4y2Ba温度是细胞的功能。达菲的模型和贝克曼gydF4y2Ba17gydF4y2Ba)是用于查找这些参数,因此在任何负载电流操作电压。gydF4y2Ba

3.2。电解槽模式gydF4y2Ba

电解槽的电极动力学建模使用半经验的电流电压关系提出了Ulleberg [gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]。的基本形式gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba曲线是由(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba),曲线变化对于一个给定的温度:gydF4y2Ba Ulleberg和MørnergydF4y2Ba19gydF4y2Ba)使用了下列方程计算的温度依赖性的欧姆电阻(gydF4y2Ba)和过电压系数(gydF4y2Ba和gydF4y2Ba):gydF4y2Ba 在这项研究中使用的电解槽不同操作温度下测试,和有无欧姆损失预测的欧姆损失(以及其他的损失)。然后绘制结果,通过曲线拟合,可以找到参数。表gydF4y2Ba2gydF4y2Ba电解槽的过电压参数列出。一旦电解槽的八个参数模式被发现,(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba可以用来描述)gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba堆栈。表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba列出了电解槽模式参数。gydF4y2Ba


参数gydF4y2Ba	价值gydF4y2Ba	单位gydF4y2Ba

	9.5×10gydF4y2Ba^{−5gydF4y2Ba}	Ω·米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba
	−4.7×10gydF4y2Ba^{−7gydF4y2Ba}	Ω·米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba·°CgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}
	0.1689gydF4y2Ba	VgydF4y2Ba
	0.0008gydF4y2Ba	V·°CgydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}
	−1.33×10gydF4y2Ba^{−5gydF4y2Ba}	V·°CgydF4y2Ba^{−2gydF4y2Ba}
	0.33gydF4y2Ba	米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba·一个gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}
	5.48gydF4y2Ba	米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba·一个gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}·°CgydF4y2Ba
	242年gydF4y2Ba	米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba·一个gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}·°CgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba


T,gydF4y2Ba^ogydF4y2BaCgydF4y2Ba	氧气gydF4y2Ba				空气gydF4y2Ba
T,gydF4y2Ba^ogydF4y2BaCgydF4y2Ba	VgydF4y2Ba	VgydF4y2Ba	,gydF4y2Ba	,gydF4y2Ba	VgydF4y2Ba	VgydF4y2Ba	,gydF4y2Ba mV / 12月gydF4y2Ba	,gydF4y2Ba

30.gydF4y2Ba	1.18gydF4y2Ba	1.028gydF4y2Ba	86.6gydF4y2Ba	0.0016gydF4y2Ba	1.17gydF4y2Ba	0.972gydF4y2Ba	91.1gydF4y2Ba	0.0012gydF4y2Ba
70年gydF4y2Ba	1.17gydF4y2Ba	0.999gydF4y2Ba	71.8gydF4y2Ba	0.0035gydF4y2Ba	1.16gydF4y2Ba	0.962gydF4y2Ba	79年gydF4y2Ba	0.0028gydF4y2Ba

3.3。燃料电池模式gydF4y2Ba

使用PEM燃料电池的电流电压特性在这项研究中所使用的是一个经验方程Ulleberg [gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba考虑由于激活过电压。然而,浓度损失以来被忽视的操作电流密度低于200 mA /厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba。下面的方程被用来预测燃料电池模式电压电流密度的函数:gydF4y2Ba 开路电压可以测量或计算gydF4y2Ba 表gydF4y2Ba2gydF4y2Ba上市的实际操作结果URFC致力于燃料电池模式在两个不同的细胞的温度和1酒吧压力氢和氧化剂充分湿润。gydF4y2Ba

为了模拟系统的性能,电和热电方程系统的每个部分的解决了使用MATLAB代码。输入参数是太阳辐照和位置参数(数据),提出了负载概要、再生燃料电池规格,氢气和氧气坦克规格。直流/直流控制器效率是95%。gydF4y2Ba

4所示。结果与讨论gydF4y2Ba

在测试天,太阳辐射相对较低的一天被选,每日总辐射的约4.1千瓦时(参考图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba)。系统首先打开电解槽模式榆树生成氢气。图gydF4y2Ba4gydF4y2Ba显示当前测量和模拟光伏的输出和当前的负载。的清楚地看到,当前光伏在阳光明媚的时间远远高于负载电流,因此多余的当前堆栈生成氢气。模拟和测量数据几乎是相对较低的错误,尤其是在较低的操作电流、和略增加电流增加时由于nonconsiderable欧姆损失仿真数据。gydF4y2Ba

电解槽电流不断增加随着光伏电流的增加,然后降低到接近零在下午4点左右。当时,堆栈后切换到燃料电池模式FCM和惰性氮清除堆栈。燃料电池模式下电流高于负载电流和负载电压12 V直流,而燃料电池电压小于6 V模式。因为这个堆栈应该生成一个高电流满足负载所需的功率DC / DC控制电压后所需的负载。图gydF4y2Ba5gydF4y2Ba显示了电解槽和燃料电池堆栈当前模式。gydF4y2Ba

燃料电池和电解槽模式电压如图gydF4y2Ba6gydF4y2Ba。栈在燃料电池的电压模式6 V(7细胞堆栈)。测量了电解槽电压略高于模拟值,因为光伏输出电压略高于所需的电解槽电压。母线电流可以在系统的光伏电流或通过燃料电池堆栈模式。图gydF4y2Ba7gydF4y2Ba显示了所选的母线电流分布。gydF4y2Ba

氢槽内的存储氢的变化如图gydF4y2Ba8gydF4y2Ba。初始压力值被设定为1条。仿真结果显示接受的可预测的值比较真实的数据,均方根误差为0.07条。这主要是因为气体被认为像理想气体和实际数量的氢的生产和消费金额不一样的模拟值。gydF4y2Ba

完整的测量结果的总结如图所选的一天gydF4y2Ba9gydF4y2Ba结果列在表gydF4y2Ba3gydF4y2Ba。gydF4y2Ba


系统gydF4y2Ba	模拟gydF4y2Ba	测量gydF4y2Ba

太阳能输入gydF4y2Ba	4.08gydF4y2Ba	4.08gydF4y2Ba	千瓦时/ mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba
光伏输出gydF4y2Ba	0.83gydF4y2Ba	0.78gydF4y2Ba	千瓦时gydF4y2Ba
光伏效率gydF4y2Ba^{一个gydF4y2Ba}	10.3gydF4y2Ba	9.7gydF4y2Ba	%gydF4y2Ba
用户负载gydF4y2Ba	0.37gydF4y2Ba	0.37gydF4y2Ba	千瓦时gydF4y2Ba
PV加载gydF4y2Ba^bgydF4y2Ba	28.85gydF4y2Ba	31.43gydF4y2Ba	%gydF4y2Ba
负载的光伏gydF4y2Ba^cgydF4y2Ba	65.26gydF4y2Ba	66.94gydF4y2Ba	%gydF4y2Ba
FCM的权力gydF4y2Ba	0.13gydF4y2Ba	0.12gydF4y2Ba	千瓦时gydF4y2Ba
FCM操作时间gydF4y2Ba	7gydF4y2Ba	7gydF4y2Ba	人力资源gydF4y2Ba
总HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba消耗gydF4y2Ba^dgydF4y2Ba	0.25gydF4y2Ba	0.27gydF4y2Ba	千瓦时gydF4y2Ba
FCM能源效率gydF4y2Ba^egydF4y2Ba	50.1gydF4y2Ba	45.35gydF4y2Ba	%gydF4y2Ba
榆树的权力gydF4y2Ba	0.46gydF4y2Ba	0.51gydF4y2Ba	千瓦时gydF4y2Ba
榆树操作时间gydF4y2Ba	9gydF4y2Ba	9gydF4y2Ba	人力资源gydF4y2Ba
总HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba生产gydF4y2Ba	0.39gydF4y2Ba	0.35gydF4y2Ba	千瓦时gydF4y2Ba
榆树能源效率gydF4y2Ba^fgydF4y2Ba	84.48gydF4y2Ba	68.98gydF4y2Ba	%gydF4y2Ba
整个系统的效率gydF4y2Ba^ggydF4y2Ba	4.55gydF4y2Ba	4.55gydF4y2Ba	%gydF4y2Ba
往返效率gydF4y2Ba^hgydF4y2Ba	42.31gydF4y2Ba	31.28gydF4y2Ba	%gydF4y2Ba

^{一个gydF4y2Ba}光伏太阳能输入输出。gydF4y2Ba
^bgydF4y2Ba(加载−燃料电池模式功率)/光伏输出。gydF4y2Ba
^cgydF4y2Ba(加载−燃料电池模式功率)/负载。gydF4y2Ba
^dgydF4y2Ba基于它的氢。gydF4y2Ba
^egydF4y2Ba燃料电池氢消耗模式权力。gydF4y2Ba
^fgydF4y2Ba氢气的电解槽模式次方。gydF4y2Ba
^ggydF4y2Ba加载到太阳能输入。gydF4y2Ba
^hgydF4y2Ba燃料电池模式效率和电解槽模式效率。gydF4y2Ba

5。结论gydF4y2Ba

以下可以从当前的研究得出的结论。gydF4y2Ba(1)gydF4y2Ba负载将采用太阳能光伏阵列的时间,和额外的力量将电解槽生产氢。日落之后,或低辐照时,将使用这个存储氢通过燃料电池电力负载。gydF4y2Ba(2)gydF4y2Ba比较模拟结果与测量数据显示细胞的能力建模预测错误的电池性能与一个可接受的水平。测量和模拟数据之间的差异随着动作电流的增加增加。gydF4y2Ba(3)gydF4y2Ba协议栈的性能适用于电解槽或燃料电池模式略低与离散电解器和燃料电池相比,这是一个预期的结果自组装膜电极催化剂选择基于燃料电池和电解槽模式性能之间的妥协。gydF4y2Ba

缩写gydF4y2Ba

:gydF4y2Ba	曲线拟合参数伏gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	塔菲尔常数mV / 12月gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	电压VgydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	法拉第常数,96485gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	太阳辐照度W /gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	电流安培gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	二极管反向饱和电流放大器gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	电流密度Amp /gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	摩尔流量摩尔/秒gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	不。细胞的堆栈gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	不。电子的反应(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	功率WgydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	分压自动取款机gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	欧姆电阻gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	气体常数gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	参数与欧姆电阻有关gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	对于过电压V系数gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	系数过电压gydF4y2Ba/ AmpgydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	温度KgydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	燃料电池或电解槽电压VgydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	PV电压V。gydF4y2Ba

下标gydF4y2Ba

:gydF4y2Ba	细胞gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	二极管gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	电解槽gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	燃料电池gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	氢gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	光gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	氧气gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	交换电流密度gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	开路gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	系列gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	分流器gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	短路gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	参考gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	可逆的gydF4y2Ba
:gydF4y2Ba	倾斜。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

作者要感谢太阳能研究所(Institute), Kebangsaan大学,马来西亚、宝贵的支持。诚挚的感谢应该发送到科学,技术和创新(MOSTI),马来西亚政府提供资金IRPA下的研究项目。03-01-02-SF0329。gydF4y2Ba

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