TW-SNY81制储氢及氢氧燃料电池发电创新实训系统

一、系统简介

制储氢及氢氧燃料电池发电创新实训系统是氢能产业链中的制氢、氢气储存、氢能管理利用这几个关键环节的有机组合和展现。制氢的能源采用清洁的光伏发电，这不仅解决了部分光伏发电就地消纳的问题，还使资源得到有效的利用。制氢装置由电解装置、电功率测量、产氢流量测量等几个部分组成，可监测产氢流量、电解装置输入的电功率等参数。储氢系统由奥氏体材料储氢罐、气体输送管路、控制阀等组成，该储氢系统可监测储氢压力、温度，并可智能化设定和控制储氢压力上下限。上述过程，光伏发电经过DC/DC变流，经直流母线储存于蓄电池组中（蓄电池仅做稳定调控功能），然后蓄电池经DC/AC逆变成交流电，给电解装置供电以产生氢气，氢气储存在储氢系统中，需要时供给氢氧燃料电池装置，产生电能，电池堆反应后的尾气进入尾气分析装置，可进行气体成分分析。

本实训系统表面绘制了制储氢原理结构，各测试节点原理清晰直观，采用安全接插座，操作安全。本系统内置了模拟氢气泄露的仿真系统，可进一步模拟贴近真实的工业现场气体泄露情况。系统还内置了氢能管理软件，通过本系统还可以进一步对工业组态软件和可编程逻辑控制器在氢产业中的应用做进深入的学习和延伸。制氢、储氢、氢能利用过程的各项数据可通过上位机软件实时监测和记录。通过该系统所验证的方法原理、工艺标准可直接或稍加改动后移植到应用现场。大大提高氢气利用领域的安全性和数据可验证性。

二、参考参数

光伏组件：

输出功率：100W；

开路电压：23.5V；

工作电压：17.9V；

短路电流：6.78A；

工作电流：5.57A；

2）光伏控制装置：

额定系统电压：24V；

空载损耗：≤1.2W；

光伏最大输入电压：150V；

最大充电电流：30A；

转换效率：≤98%；

MPPT追踪效率：>99%；

保护功能：接反保护，欠压保护，过压保护，过充保护，过载保护，短路保护，反充保护等；

3、仿真软件：

1） 新能源教学系统仿真软件（具有软件著作权，网络版）

A、多媒体教学软件概述

1、通过该软件可以系统性学习太阳能光伏硅材料、电池片、光伏组件、光伏组件附属材料、光伏应用产品等全部系列光伏知识内容。

2、配备文字与动画展示并介绍从原材料至成品包括中间环节加工工艺等与使用方法。

3、多媒体系统自带语音讲解，图、文、声并茂展示讲解、与系统所述文字同步播放，帮助教师对光伏发电课程教案的快速编写，提高学生对新能源专业知识快速掌握和快速学习。

4、多媒体软件组成

(1)太阳能光伏硅材料讲解与展示系统

主要功能

1、可以展示各种太阳能光伏电池使用的硅材料实物；

2、配备文字与动画展示各种材料的生产工艺与使用方法

3、目录（约11课时）

光伏硅产品基本情况介绍

硅单质性质：包括硅的物理性质、化学性质、硅的分类与应用

硅化合物性质：包括二氧化硅、一氧化硅、硅的卤化物、三氯氢硅、硅烷等

硅的生长原理及定型

硅的提纯方法：包括化学提纯与物理提纯方法

多晶硅的制备及其缺陷和杂质：包括冶金硅级制备、高纯多晶硅制备、铸造多晶硅制备

单晶硅的制备及其缺陷和杂质：包括单晶硅生长、单晶硅的杂质与缺陷

单晶硅与多晶硅加工方法

硅薄膜材料：包括非晶硅薄膜材料、多晶硅薄膜材料

硅材料的测试与分析方法：包括导电型号测量、电阻率测量、少子寿命测量、霍尔系数的测定、迁移率的测量、化学性能分析、晶体结构分析等

硅材料测试与分析依据标准（GB标准、UL标准、IEC标准、SEMI标准）

(2)太阳能光伏电池片讲解与展示系统

主要功能

1、可以展示各种太阳能光伏电池片；

2、配备文字与动画展示各种电池片的生产工艺与使用方法

3、目录（约9课时）

太阳能电池片基本情况介绍

太阳能电池片基本结构分析

太阳能电池片分类

晶体硅太阳能电池片生产工艺：包括生产方法与生产设备介绍

晶体硅太阳能电池片生产主要原材料

太阳能电池片测试技术与方法：包括测试方法与测试设备介绍

太阳能电池片测试依据标准

(3)太阳能光伏组件讲解与展示系统

1、可以展示各种太阳能光伏光伏组件；

2、配备文字与动画展示各种光伏组件的生产工艺与使用方法

3、目录（约10课时）

太阳能电池组件基本介绍

太阳能电池组件的分类及各种组件的优缺点

太阳能电池组件的生产工艺介绍及相关设备

太阳电池组件的评定标准

太阳能电池组件的测试方法与测试设备

太阳能电池组件的发展方向

(4)太阳能光伏组件附属材料讲解与展示系统

主要功能

1、可以展示各种太阳能光伏光伏组件附属材料；

2、配备文字与动画展示各种光伏组件附属材料的生产工艺与使用方法

3、目录（约7课时）

太阳能组件附属设施情况介绍

太阳能组件对钢化玻璃的具体要求

太阳能组件对支架铝型材的具体要求

太阳能组件对EVA封胶的具体要求

太阳能组件对TPT背板的具体要求

太阳能组件附属设施检测方法

太阳能组件附属设施测试标准

B、展示与讲解内容目录（图、文、声并茂）：

2.1 太阳能光伏应用产品讲解与展示系统（约5课时）

2.1.1 太阳能发电系统：

2.1.2 家用太阳能发电机直流系统多媒体电视机

2.1.3 太阳能便携电源：

2.1.4 太阳能杀虫灯

2.1.5 太阳能警示灯

2.1.6 太阳能野营灯

2.2 太阳能光伏发电基本原理

2.3 太阳能光伏发电系统组成部分介绍

2.4 太阳能光伏发电系统设计方法

2.5 太阳能光伏电站施工建设方法

2.5.1、项目前期考察 

2.5.2、项目建设前期资料及批复文件 

第一阶段：可研阶段 

第二阶段：获得省级/市级相关部门的批复文件

第三阶段：获得开工许可 

2.5.3、项目施工图设计 

2.5.4、项目实施建设 

2.5.5、带电前的必备条件 

2.6太阳能光伏并网电站介绍

2.6.1、光伏并网电站简要描述 

2.6.2、光伏并网电站设备组成 

2.6.2、光伏并网电站设备功能 

2.7 家用型太阳能电站建设方案

2.7.1、项目概述 

2.7.2、方案设计 （附详细方案设计）

（一）用户负载信息

（二）系统方案设计 

（三）效益计算：  

2.8 逆变器基本原理介绍

2.9 控制器基本原理介绍

主要作用：

在小型光伏系统中，用来保护蓄电池；在大中型系统中，起平衡光伏系统能量、保护蓄电池及整个系统正常运行等；

光伏控制器应具有以下功能：

①防止蓄电池过充电和过放电，延长蓄电池寿命；

②防 止太阳能电池板或电池方阵、蓄电池极性接反；

③防止负载、控制器、逆变器和其他设备内 部短路；

④具有防雷击引起的击穿保护；

⑤具有温度补偿的功能

⑥显示光伏发电系统的 各种工作状态，包括：蓄电池（组）电压、负载状态、电池方阵工作状态、辅助电源状态、 环境温度状态、故障报警等。

4、光伏控制器按电路方式的不同，可分为并联型、串联型、脉宽调制型、多路控制型等；

5、按组件输入功率分：小功率型、 中功率型、大功率型及专用控制器（如草坪灯控制器）等；

光伏控制器性能特点：

1.小功率光伏控制器

控制器的主要开关器件；

运用脉冲宽度调制（PWM)控制技术；

具有单路、双路负载输出和多种工作模式；

具有多种保护功能；

系统工作状况、蓄电池的剩余电量等的变化；

具有温度补偿功能

2、中功率光伏控制器

负载电流大于15A的控制器为中功率控制器。

系统状态显示；

可编程设定负载的控制方式；

多种保护功能；

浮充电压的温度补偿功能；

具有快速充电功能；

普通充放电工作模式、光控开/关、光控开/时控关工作模式

3、大功率光伏控制器

大功率光伏控制器采用微电脑芯片控制系统，控制功能更强，可实现复杂过程控制。

光伏控制器主要技术参数：

系统电压、最大充电电流、太阳电池方阵输入路数、电路自身损耗、充满断开或过压关断电压（HVD) 、欠压断开或欠压关断电压（LVD)、蓄电池充电浮充电压、温度补偿、使用或工作环境温度范围、其他保护功能

控制器的额定负载电流：

即控制器输出到直流负载或逆变器的直流输出电流。该数据要满足负载或逆变器的输入要求。

3）稳压逆变系统：

电池类型：铅酸免维护；

电池容量：12V45AH；

电池连接方式：串联；

电池保护：末端接保险丝；

离网逆变器：

额定输出容量：1000VA；

额定输入电压：DC24V；

输入电压保护：DC34V；

输入电压恢复：DC33V；

输入欠压保护：DC21.6V；

输入欠压恢复：DC24V；

空载电流：≦0.5A；

额定输出电压：AC220V；

额定输出频率:50/60HZ±0.5HZ；

输出波形：纯正弦波；

波形畸变率：≦4%；

动态响应：5%；

功率因素：≧0.8；

过载能力：120%/1分钟,150%/10秒钟；

逆变效率：90%；

绝缘强度：1500VAC,1分钟；

逆变器结构：工频隔离；

设备保护：逆变器输入过压保护、蓄电池过放电保护、蓄电池反接保护、输出过载保护、输出短路保护、过热保护等；

工作温度：-25℃～60℃；

4）电解制氢系统

输入220V/50Hz，120W，

氢气发生器采用去离子水（即纯水）电解，流量可控；

氢气纯度：不低于99.99%；

输出流量：不低于300ml/min；

输出压力：≤0.4MPa；

最大功率达160W；

5）氢缓冲稳定系统

储氢罐：

采用奥氏体不锈钢材料，耐压不低于1.25MPa，使用寿命不低于10年，可缓冲、稳定氢气流量，；

配置精密压力表，精密压力传感器，modbusRTU/RS485或模拟量4-20mA输出；

独特的氢能管理系统，可实现自动监测管理氢气压力，氢气输出，氢气关断等，增强氢气使用的安全性和提高氢气使用的效率。

6）氢气泄露仿真系统：

系统耐压：不低于1MPa；

气体控制阀：最小开合时间50ms；

气体泄露仿真模型：可随机设定组合不低于9种；

包括点泄露，长泄露，过压泄露等

燃料电池堆

额定输出：100W，14V/7.2A；

单电池数：24片；

反应物质：氢气、空气；

供氢品质：干燥，纯度99.99%；

供氢压力：5.8-6.5psi；

供氢流量：满负荷运转时1.4L/min；

起动时间：<30S；

输出电压：DC13-23V；

增湿类型：自增湿；

冷却类型：空冷；

环境温度：5-35℃；

电堆工作温度：<65℃；

8）自动控制及监测系统

环境检测传感器：

温度检测范围：-40℃～85℃；

温度检测精度：±0.5℃；

压力监测范围：0-1MPA；

传感器供电：DC24V；

传感器通讯接口：隔离RS485或模拟量输出；

人机界面：

内置氢能管理软件现场端

触摸屏尺寸：7″；

屏幕类型：TFT液晶显示屏；

分辨率：800×480；

内存：128M；

串行接口：RS232/RS485；

供电电压：24±20%VDC；

自动控制系统：

主控模块：

AC220V/50HZ输入；

14数字量输入，10数量输出；

支持TCP/IP标准通信方式，可实现高速运算和复杂逻辑控制；

9）尾气分析系统：

温度检测范围：-40℃～85℃；

温度检测精度：±0.5℃；

湿度检测范围：0-99.9%RH；

湿度检测精度：±3%RH；

氢气浓度检测范围：0-40000PPM

传感器通讯接口：隔离RS485或模拟量输出；

紧急停止开关和漏电保护器

为了保护本教学平台的重要部件，避免一些由于人为的操作失误而导致的重大事故的发生，我们在电源前端重要部件前加入了紧急停止开关和实验室智慧用电安全控制系统；

智能电源管理系统具有过温、短路、过流、过压、欠压、失压、功率限定7大保护功能；电源具有一键锁定功能，处理故障时，防止漏电保护器合闸，造成触电危险；电源具有故障锁定功能，发生故障导致跳闸时，不能人为上电，只能通过远程清除故障后，才能上电成功；能通过无线4G和有线以太网与手机APP和PC端云平台通讯，没有网络的情况下，教室整套智能电源管理系统可离线独立运行。

1、智能终端：智能电源管理系统以32位ARM为核心，采用4.3寸彩色触摸屏为人机交互界面，实时监控设备运行情况，提供Zigbee、CAN等多种通信模式，具备语音播报功能。能实时监测三相电压、电流、功率，功率因数、频率、电能等参数，液晶触摸屏监测数值。能监控实验室电源的故障类型和故障次数；设备时间管理包含年月日时间的显示；用户通过刷卡方式请求开启设备，PC端进行授权之后，设备可启动使用，PC端可分时预约设备的启动和停止！

2、手机APP：用电状态界面实时显示当前电压、电流、有无功功率、电能、设备温度、漏电电流值等；用电数据界面能智能查找近2年用电数据，设置界面能设置限定电能值、负载值、设备超温值、过欠压值、过欠压恢复时间值等。后台查看报警日志、操作日志、故障日志等。控制：可在微信小程序中远程控制智能开关的通断。

3、PC端软件：每个设备状态信息显示，具有多个子界面，具有故障分析，用电能效分析、集中管理、个人中心资料管理、用户报警定位跟踪与信息统计；具有管理员信息修改与权限管理等功能。可一键开启和关闭所有设备，可单独控制每台设备的开关！

4、后台系统：包含账号管理、设备管理、报修管理、用户管理，设备管理：①、包含监控管理：实时视频监控每个教室，可一键预览所有设备的在线和运行情况，分析设备使用率及运行时间！②、包含设备节点：可显示设备所在位置、编码名称、挂载情况、用户编辑、用户查询等。

5、报修管理：用户可进行远程报修，反应设备故障信息，编辑报修情况，后台可进行远程维护，及时跟进，以有效解决用户设备维护。

6、用户管理：可连通手机号，对账户进行一对一的安全加密，实名认证，防止账户泄密、防盗，现场数据连接云平台后台数据库管理。

现场需对功能逐一演示，提供有效、权威的证明文件，佐证该产品的可靠、安全、先进性。

提供实验室智慧用电安全控制系统的专利证明材料；

10）上位机单元：

内置氢能管理软件上位机端

CPU：IntelCore i5；

内存：DDR3 8G；

硬盘：7200转/1TB；

显卡：Intel HD Graphic；

屏幕：22英寸高清显示器（1920*1080）。

11）柜体材质与尺寸

板材：热镀锌处理；

板材表面烤漆工艺；

钢板厚度：2mm；

柜体精心设计，结构美观新颖，方便操作和数据读取。

三、可完成课题项目

光伏发电氢储能系统的原理组成

燃料电池控制系统的组成和控制

电堆的IV极化特性曲线

电堆的功率特性曲线

环境改变对电堆性能的影响

电解制氢效率测量实验

电解制氢流量计量控制实验

氢储能系统参数测量和控制

电堆输出和尾气分析实验

基于PLC的模拟量输入和控制

   人机界面和PLC的通讯控制