浙江大学宁波理工学院-TW-FGQ01风光氢混合系统实验台

一、项目概述

   本系统为科研创新理念与实验、实训型相结合的集风力发电，光伏发电、制氢系统、氢燃料电池发电、数据采集等多元化“风、光、氢混合型新能源实验实训系统”。由风力发电机组、太阳能电池组件、风力及光伏控制系统、氢燃料电池发电系统、超级电容系统、制氢系统、储氢系统、主控系统及管路搭建组成的微网发电系统。其工作原理是风力、光伏发电系统发电，并由超级电容储能，DC/AC逆变成交流电，驱动电解水设备制氢。氢气通过储氢系统储存，并驱动燃料电池电堆发电。

    此外，DC/AC模块自带旁路功能，旁路端直接与市电连接，实现市电和逆变间的自动切换，在超级电容所储电能不够用时，自动切换至市电供电，确保持续制氢功能正常运行。在本方案设计中主要体现在氢燃料电池系统、超级电容系统、制氢系统、储氢系统的部分。

1.1系统拓扑图

二、方案概述

2.1风光氢混合系统的组成

  1KW风力发电机与2.2KW交流拖动电机成水平方式固定与平台上，由变频器驱动交流拖动电机并带动风力发电机进行发电，可模拟不同风速情况下风速变化引起的风力发电机发电效率变化，达到实验目的。

2.2光伏发电

  2KW太阳能电池组件固定在专制钢件上，呈40度正面朝向正南方，整体支架系统放置在屋顶，经电缆输送至室内实验台，可实现分布式屋顶发电相关实验，所发电能与风力发电相结合，可供制氢系统使用。

2.3风光氢混合系统的组成

   系统主要部件的构成： 1000 W风力发电系统、 2000W光伏发电系统、1000W燃料电池发电系统、超级电容系统、DC/AC模块、制氢系统、储氢系统及主控系统。

图2 风光互补系统拓扑图

三、各单元参数

3.1 太阳能电池组件

  太阳能电池组为多晶硅或单晶硅，是由高效晶体硅太阳能电池片、超白布纹钢化玻璃、EVA、透明TPT背板以及铝合金边框组成。是发电系统中不可或缺的核心部件，本次项目中采用的光伏组件规格见下表：

单晶硅太阳能电池规格

单块250Wp太阳能电池组件，经连接组合成电池方阵，排列放置并固定在屋顶，如上图。

3.2风力发电系统

      是利用风力带动风车叶片旋转，来促使发电机发电。将风能转换为机械功,机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。也是发电系统中不可或缺的核心部件。

风力发电机

本项目采用风力发电系统规格如下：

风力发电机规格

3.3风光互补控制系统

   集风能、太阳能控制于一体的智能控制器，能同时控制风力发电机和太阳能电池板对直流母线进行高效的供电。风光互补系统核心部件，素有风光互补系统“心脏”之称。

风光互补控制器规格参数如下：

风光互补控制器规格

注：控制器设有负载过电压保护、夜间防反充电保护、输出短路保护、欠压和过压防震荡保护、均衡充电、温度补偿、光控开关功能。

3.4氢燃料电池发电系统

  燃料电池采用空冷自增湿的PEMFC电池，减少了水泵、水箱、增湿器、增压泵等附属设备，使电堆控制更简洁、可靠。燃料电池系统除了核心部分质子交换膜燃料电池堆外，还需要一些辅助器件发电系统才能正常工作。总的来说，一个完整的燃料电池系统大致上由燃料电池发电系统和控制系统两大部分组成，如图2所示。其中，燃料电池发电系统主要由质子交换膜燃料电池堆、氢气供应单元、氧气或空气供应单元、DC/DC四部分组成。而控制单元部分属于控制系统。

图7   燃料电池发电系统组成示意图

燃料电池发电系统组成

1、燃料电池堆：

氢气和氧气在其内部发生电化学反应并释放电能，是整个系统的核心。

2、氢气供应单元（H2）

本系统指由制氢设备，储氢系统及供氢管路组成。制氢设备制氢，并由储氢系统通过管路向燃料电池堆提供特定压力的氢气。

3、空气供应单元：

不间断地向燃料电池提供电化学反应所需的氧气，以确保质子交换膜燃料电池实现连续稳定的运行发电。

4、DC/DC：

氢燃料电池所产生的电能为直流电，其输出电压不仅受内阻影响而且随着负载的变化而改变。因此，为保证供电性能的稳定，在燃料电池系统输出端，须配置功率变换单元DC/DC，主要保证负载连续变化时，将输出电压稳定在合适的范围。

5、控制单元：

控制单元是燃料电池发电系统的核心，用来接收数据采集系统采集的数据，并对它们进行分析，根据分析的结果来控制执行机构完成相应的动作。空冷自增湿燃料电池发电系统的控制单元通过控制系统、风扇、电磁阀即可保证燃料电池正常工作。

燃料电池系统工作示意图

图8   1000W燃料电池实物图

燃料电池规格

注：带*的数据是在15℃-30℃的环境温度范围和30 - 90%的环境湿度范围内取得的。

1000W燃料电池系统性能曲线图

3.5超级电容系统

超级电容系统概述

      超级电容储能系统通过自带的双向DC/DC实现能量的吸收与释放。风光发电系统通过直流母线给超级电容充电，超级电容通过DC/AC给制氢系统供电。

      超级电容模块内部集成CAN通信模块实现模组工作状态的实时采集，并把数据上传至主板，经过主板的处理，通过CPU隔离方式向储能变流器发送必要的模拟量及报警的状态量。确保系统实时稳定的运行。

本项目采用的超级电容，满足500W/24V燃料电池5小时充满电的要求，规格如下：

表6 超级电容规格参数

3.6制氢系统

制氢系统的原理

工业软水经纯水装置制取纯水，并送入原料水箱，经补水泵输入碱液系统，补充被电解消耗的水。电解槽中的水，在直流电的作用下被分解成H2与O2，并与循环电解液一起分别进入框架中的氢、氧分离洗涤器后进行气液分离、洗涤、冷却。分离后的电解液与补充的纯水混合后，经碱液冷却器、碱液循环泵、过滤器送回电解槽循环，电解。调节碱液冷却器冷却水流量，控制回流碱液的温度，来控制电解槽的工作温度，使系统安全运行。分离后的氢气由调节阀控制输出，送入氢气储罐，再经缓冲减压后，供用户使用。

本项目中采用的制氢系统其具体规格如下：

注：系统接入具备AC/DC模块，具备AC交流接入能力。

电解水制氢流程图

3.7储氢系统

本次项目采用金属储氢系统，做为氢气储存的装置。可以直接与电解水制氢系统连接，省去了氢气压缩机，降低了成本，提高了系统的可靠性。

储氢系统特性：

采用高性能AB5型氢合金，储氢量达到1.4wt.%，吸放氢压力稳定。

采用304不锈钢罐体，具有良好的耐腐蚀性和结构强度。

具有优异的传热传质性能，可在室温下快速重放氢。

放氢纯度大于99.999%，是一种理想的高纯度氢。

一般采用空气对流进行热交换，水浴效果更理想。

规格参数:

金属储氢规格参数

图11 金属储氢系统

3.8主控系统

主控系统是整个微网的监测、控制核心单元。通过内置的数据采集、通讯传输等模块，实现对微网系统的可视化监测及控制。针对本系统的各子系统，其主要功能体现在：

系统的启动、停机控制；

直流母线的电压、电流监测，并记录电压、电流曲线；

风力、光伏发电系统的发电电压、电流监测，并记录电压、电流曲线；风力、光伏发电系统的启动、停机控制。

燃料电池电堆温度监测；DC/DC模块输出过载、过压、欠压、短路的监测及报警；供氢单元的压力及压力传感器故障监测报警、氢气泄漏关机报警等。监测供氢压力过载达到设定值、氢气浓度达到设定值主控系统自动切断系统电源控制。

超级电容的电压、电流及温度监测，并记录电压、电流、温度曲线；超级电容超压、超温达到设定值系统报警。自带DC/DC模块输出过载、过压、欠压、短路的监测及报警。

DC/AC单元的输入、输出电压监测，过载、短路、过温，反接（保险）、欠/过压的监测。监测DC/AC单元短路、反接或电压、温度达到设定值，系统报警并自动关机。

制氢系统的氢气发生功率、纯化装置输入功率监测，氢气输出流量、氢气纯度、输出压力监测，输入电压监测；若氢气输出流量、输出压力达到设定值系统报警。

储氢系统的储氢压力、储氢时间、放氢速度的监测。

氢气传输管路的压力监测、流量监测、氢气泄漏监测等。

系统主要设备清单

注：1，去离子水发生器用于制备并为制氢系统提供所必需的去离子水。

   2，不包含设备连接装置和配件