風光氫及超級電容混合發(fā)電系統(tǒng)

一、風光氫及超級電容混合發(fā)電系統(tǒng)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、風力及光伏控制系統(tǒng)、氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、制氫系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、主控系統(tǒng)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，并由電池儲能，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，在蓄電池所儲電能不夠用時，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)、制氫系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)的部分。

1.1系統(tǒng)拓撲圖

1.2 功能特點

u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。

u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；

u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；

u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)；

u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；

u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；

u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；

u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；

u增設(shè)直流母線單元，方便系統(tǒng)各模塊之間連接及實驗；

u獨立的后備膠體蓄電池及充放電管理單元；

u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；

u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、風光氫及超級電容混合發(fā)電系統(tǒng)方案參數(shù)概述

2.1風力發(fā)電系統(tǒng)的組成

風力發(fā)電機是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)換為機械功，機械功帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，最終輸出交流電的電力設(shè)備，是風力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。

風力發(fā)電系統(tǒng)由一臺5KW垂直軸風力發(fā)電機組、尾翼、葉片、風機控制器塔架等組成。

安裝場地選擇

選擇土質(zhì)堅實的平地作為安裝場地，安裝風力發(fā)電機的組位置應(yīng)該至少遠離房屋及人員活動場所50米，務(wù)必在選定安裝場地時考慮到風葉的光影影響及風力發(fā)電機組運行時產(chǎn)生的噪音影響（正常工作時噪音約為65dbA）。同時避免周圍有高大的樹木、建筑物等影響風速風向的障礙物。

禁止安裝在松軟的沙地、高低不平的場地、有下陷或塌方可能的場地、洼地及其他容易受氣候影響而發(fā)生地質(zhì)變化的場地。同時需要考慮從風力發(fā)電機的電機部分到您的蓄電池組的距離，距離越短，所用傳輸電纜越短，因而傳輸過程中的耗能也越少，如果必須得有較長的距離,則盡量選用粗些的標準電纜。

風力發(fā)電控制器

專為風力發(fā)電機控制和蓄電池充電而設(shè)計， 能有效提升風力發(fā)電的效能。風能充電控制器，能有效防止風速過快時的失控，和發(fā)生強風時對風力發(fā)電機所產(chǎn)生的危險。

風力發(fā)電控制器是對風力發(fā)電機所發(fā)的電能進行調(diào)節(jié)和控制，一方面把調(diào)整后的能量送往直流負載或交流負載，另一方面把多余的能量按蓄電池的特性曲線對蓄電池組進行充電，當所發(fā)的電不能滿足負載需要時，控制器又把蓄電池的電能送往負載。蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過充。當蓄電池所儲存的電能放完時，控制器要控制蓄電池不被過放電，保護蓄電池。

控制器采用PWM無級卸載方式控制風機對蓄電池進行智能充電。在風力發(fā)電機所發(fā)出的電能超過蓄電池存儲量時，控制系統(tǒng)必須將多余的能量消耗掉。在正常卸載情況下，可確保蓄電池電壓始終穩(wěn)定在浮充電壓點，而只是將多余的電能釋放到卸荷器上。從而保證了最佳的蓄電池充電特性，使得電能得到充分利用。

風力發(fā)電控制器參數(shù)：

2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)

10KW太陽能電池組件分為兩部分，其中一個5KW采用標準鋼結(jié)構(gòu)件固定在C型定制鋼件上，呈40度正面朝向正南方，整體支架系統(tǒng)放置在在面或者屋頂；另一個5KW采用雙軸自動跟蹤，經(jīng)電纜輸送至室內(nèi)實驗設(shè)備，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，經(jīng)DC-AC逆變成正弦波220V交流電，可供制氫系統(tǒng)使用、多余電能經(jīng)儲能逆變器送入電網(wǎng)

所有系統(tǒng)的設(shè)計、安裝與實際工程一樣，可在老師的指導(dǎo)下做為學(xué)生練習(xí)拆卸、組裝實習(xí)樣機來用。

太陽能光電池組

太陽能電池組是本實訓(xùn)臺的核心組成部分亦是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，是將光能轉(zhuǎn)換為電能并通過光伏控制系統(tǒng)儲存在儲能電池當中做為直流總線電源供給DC-AC并網(wǎng)同步電源。

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。

單晶硅太陽能電池規(guī)格:

1、抗鹽霧和氨腐蝕等高級國際測試；

2、可承受風壓2400Pa,雪壓7200Pa；

3、優(yōu)秀的弱光環(huán)境發(fā)電性能，陰天也能發(fā)電；

4、輸出功率年衰減率小于0.7%，第25年不低于組件初始功率的80.70%

? 連接器

1)常規(guī)額定電流：30A

2)耐電壓：DC1000V

3)接觸電阻：<2mΩ

4)絕緣電阻：＞500MΩ

5)適用單芯電纜截面：2.5-6mm2

6)電纜外徑范圍：Φ5mm～Φ 7mm

7)環(huán)境溫度：-40℃～+ 105℃

8)防護等級：IP67

9)安全等級：Ⅱ

10)殼體：PC料，黑色

11)接觸件：紫銅CN，鍍錫SN

12)接線方式：壓接  MC4

20.電 纜

1)長度：450mm,

2)規(guī)格：1×4mm2

3)顏色：紅、黑

? 溫度范圍系數(shù)：-40°C to+85°C

? 抗冰雹系數(shù)：最大直徑25mm,撞擊速度23m/s(51.2mph)

? 最大表面負荷：7200pa

產(chǎn)品主電路采用雙向PWM逆變電路及相應(yīng)的控制電路、保護和監(jiān)控電路。直流側(cè)由緩沖電阻、防反二極管和直流接觸器組成了直流側(cè)緩沖電路，當初始連接各種電池時對直流母線電容進行緩沖。主電路電源可有交直兩用供電，以使系統(tǒng)在電池或電網(wǎng)有電時都可以工作。

產(chǎn)品特點

1）全面滿足電網(wǎng)或負荷的接入與控制要求

2 具有并網(wǎng)充放電、獨立逆變功能，適合各種應(yīng)用場合

2 具有并網(wǎng)和離網(wǎng)并聯(lián)功能，良好的擴容性

2 可與多種蓄電池接口，具有多種充放電工作模式

2 可以實時接受系統(tǒng)調(diào)度指令和BMS指令，通訊方式有RS485、CAN、以太網(wǎng)

2 無功功率可調(diào)，功率因數(shù)范圍超前0.9至滯后0.9

2 直流電壓范圍，支持低壓48V蓄電池輸入

2 110%額定輸出功率可實現(xiàn)長時間運行

2）高效節(jié)能，更集成，更好的客戶體驗

2 正面維護，可靠墻安裝，安裝維護更方便，降低維護成本

2 防護等級為IP21，具有防滴水功能，具備防凝露功能

2 高效PWM調(diào)制算法，降低開關(guān)損耗

3）更多優(yōu)點

2 雙電源冗余供電方案提升系統(tǒng)可靠性

2 完善的保護及故障告警系統(tǒng)，更加安全可靠

2 采用動態(tài)圖形液晶界面，提供友好的操作體驗

2 -25℃~+55℃可連續(xù)滿功率運行

2 適應(yīng)高海拔惡劣環(huán)境，可長期連續(xù)、可靠運行

2 支持離網(wǎng)主動運行功能

2 適合共直流母線系統(tǒng)和共交流母線系統(tǒng)

產(chǎn)品技術(shù)指標

a.——并網(wǎng)發(fā)電、離網(wǎng)備用功能

4)電網(wǎng)供電時，儲能逆變器并網(wǎng)工作在恒壓模式，維持蓄電池SOC在一定水平，光伏逆變器并網(wǎng)發(fā)電

5)微網(wǎng)供電時，儲能逆變器工作在獨立逆變模式建網(wǎng)，光伏逆變器并網(wǎng)工作，光伏發(fā)電大于負載時，光伏優(yōu)先供負載供電，剩余電力給電池充電；光伏發(fā)電小于負載時，儲能和光伏共同為負載供電。

6)可選擇電網(wǎng)優(yōu)先或微網(wǎng)優(yōu)先，根據(jù)選擇的模式進行供電邏輯切換

7)觸摸屏控制啟動、停止和參數(shù)設(shè)置

b. ——電網(wǎng)（或柴油機）、微網(wǎng)切換功能

8)電網(wǎng)供電時，當電池組SOC超過設(shè)定值時，儲能逆變器和光伏逆變器不工作；當電池組SOC不足時，儲能逆變器獨立逆變建網(wǎng)，光伏逆變器并網(wǎng)工作，給電池組充電。

9)微網(wǎng)供電時，儲能逆變器工作在獨立逆變模式建網(wǎng)，光伏逆變器并網(wǎng)工作，光伏發(fā)電大于負載時，光伏優(yōu)先供負載供電，剩余電力給電池充電；光伏發(fā)電小于負載時，儲能和光伏共同為負載供電。

10)可選擇電網(wǎng)優(yōu)先或微網(wǎng)優(yōu)先，根據(jù)選擇的模式進行供電邏輯切換

11)觸摸屏控制啟動、停止和參數(shù)設(shè)置

儲能蓄電池

蓄電池的作用主要是儲存能量，在晚上或多云等氣候情況下，光伏陣列不能提供足夠的能量時，蓄電池供給負載，保證系統(tǒng)的正常運行。

采用磷酸鐵鋰電池， 安全性高適合長期充放電循環(huán)模塊化設(shè)計， 電壓、容量按需配置。

系統(tǒng)由1個主控模塊和多個電池模塊組成，通過 48V電池模塊串聯(lián)組成不同電壓等級系統(tǒng)，通過多個機柜并聯(lián)， 可以在同一個電壓平臺上擴展容量定制化電池管理系統(tǒng) （BMS） ， 實時進行數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控及控制，保證系統(tǒng)安全可靠運行。

2.3 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)。

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。

3.6制氫系統(tǒng)

l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。

注：系統(tǒng)接入具備AC/DC模塊，具備AC交流接入能力。

高純氫氣發(fā)生器

u 輸出流量 0～1000ml

u 功率 510W

u 輸出壓力 0～1.1 MPa

u 電源電壓

u 交流220V±10%； 50Hz±5%

u 工作條件

u 溫度：5～42℃

u 相對濕度：≤85%；

3.7 雙向DC-DC電源模塊

雙向DC-DC變換器(Bi-directional?DC/DC?Converter,?BDC)是能夠根據(jù)能量的需要調(diào)節(jié)能量雙向傳輸、是可雙象限運行的直流-直流變換器。該變換器能夠根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)能量的流動方向，在功能上相當于兩個單向直流-直流變換器。

一．雙向DCDC變換器的工作模式

二．性能特點

? 全數(shù)字化，各種參數(shù)及信號全部數(shù)字化處理，由數(shù)字處理器智能靈活地管理。性能和可控性均遠優(yōu)于普通的模擬式雙向DC-DC變換器。

? 模塊化設(shè)計，單模塊額定輸出功率5KW，可多臺雙向DC-DC變換器并聯(lián)運行。

? 雙向變換都采用零電壓變換軟開關(guān)控制，使得轉(zhuǎn)換效率達到95%以上。

? 能工作于恒流、恒壓、MPPT和壓控電流源等多種工作模式，并可在線快速頻繁地切換工作模式。

? 運用多相交錯技術(shù)，有效地抑制了紋波，減弱了大電流了對器件的沖擊。

? 空載功耗低于20W，處于監(jiān)控待機狀態(tài)功耗低于12W。

? 雙向變換的電流大小和方向，既可用數(shù)字方式設(shè)定，也可用模擬量方式控制。

? 高低電壓側(cè)的工作電壓可單獨設(shè)定。

? 高低電壓側(cè)的過壓保護電壓可單獨設(shè)定，保護兩側(cè)的設(shè)備不至于過壓損壞。

? 高低電壓側(cè)的低限壓也可單獨設(shè)定，保護兩側(cè)的電壓不至于過放電。

? 高低電壓任何一側(cè)加電，均可使模塊啟動。

? 開機軟啟動，防止產(chǎn)生過強的電壓電流沖擊兩端的電源。

? 模塊帶有LED顯示面板，可實時顯示兩側(cè)電流，電壓，設(shè)定兩側(cè)工作電流，最高限壓。

? 帶RS485串口通信功能，遵循MODBUS-RTU協(xié)議，方便計算機或監(jiān)控終端遠程監(jiān)測和設(shè)置的參數(shù)和工作狀態(tài)。

? RS485串口利用光耦隔離，可以有效防止雷擊對遠程監(jiān)控計算機或者監(jiān)控終端的影響。

? 掉電狀態(tài)恢復(fù)功能：即使關(guān)斷雙向DC-DC變換器的供電，下次開機時也能恢復(fù)掉電前的設(shè)置和狀態(tài)。

? 輸入極性防反接功能，電源極性接反不會有電流流過。

? 各種異常情況保護功能：帶有過壓，過流，過熱，短路保護功能，故障撤銷后自動恢復(fù)工作。

? 小體積：外殼尺寸360mm X160mm X 94mm，模塊尺寸295mm X142mm X 85mm。

? 帶外殼整機重量3.8Kg，模塊重量為2.5Kg 。

2.5 顯示單元

系統(tǒng)配置有方陣電壓、電流；逆變電壓、電流、功率；實驗室溫度和濕度、實驗記時時鐘、逆向電量計量表等。方便在沒有與PC機聯(lián)機狀況下查看系統(tǒng)工作狀態(tài)和各項參數(shù)。

可以通過教師機進行信息共享至大屏幕，實現(xiàn)教室內(nèi)局域網(wǎng)計算機數(shù)據(jù)交換與共享。

2.6 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。