制儲氫及氫氧燃料電池發(fā)電創(chuàng)新實訓系統(tǒng)

一、系統(tǒng)簡介

制儲氫及氫氧燃料電池發(fā)電創(chuàng)新實訓系統(tǒng)是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的制氫、氫氣儲存、氫能管理利用這幾個關鍵環(huán)節(jié)的有機組合和展現(xiàn)。制氫的能源采用清潔的光伏發(fā)電，這不僅解決了部分光伏發(fā)電就地消納的問題，還使資源得到有效的利用。

制氫裝置由電解裝置、電功率測量、產(chǎn)氫流量測量等幾個部分組成，可監(jiān)測產(chǎn)氫流量、電解裝置輸入的電功率等參數(shù)。

儲氫系統(tǒng)由奧氏體材料儲氫罐、氣體輸送管路、控制閥等組成，該儲氫系統(tǒng)可監(jiān)測儲氫壓力、溫度，并可智能化設定和控制儲氫壓力上下限。

上述過程，光伏發(fā)電經(jīng)過DC/DC變流，經(jīng)直流母線儲存于蓄電池組中（蓄電池僅做穩(wěn)定調(diào)控功能），然后蓄電池經(jīng)DC/AC逆變成交流電，給電解裝置供電以產(chǎn)生氫氣，氫氣儲存在儲氫系統(tǒng)中，需要時供給氫氧燃料電池裝置，產(chǎn)生電能，電池堆反應后的尾氣進入尾氣分析裝置，可進行氣體成分分析。

本系統(tǒng)表面繪制了制儲氫原理結(jié)構，各節(jié)點原理清晰直觀，采用安全接插座，操作安全。

本系統(tǒng)內(nèi)置了模擬氫氣泄露的仿真系統(tǒng)，可進一步模擬貼近真實的工業(yè)現(xiàn)場氣體泄露情況。

系統(tǒng)還內(nèi)置了氫能管理軟件，通過本系統(tǒng)還可以進一步對工業(yè)組態(tài)軟件和可編程邏輯控制器在氫產(chǎn)業(yè)中的應用做進深入的學習和延伸。制氫、儲氫、氫能利用過程的各項數(shù)據(jù)可通過上位機軟件實時監(jiān)測和記錄。通過該系統(tǒng)所驗證的方法原理、工藝標準可直接或稍加改動后移植到應用現(xiàn)場。大大提高氫氣利用領域的安全性和數(shù)據(jù)可驗證性。
二、制儲氫及氫氧燃料電池發(fā)電創(chuàng)新實訓系統(tǒng)主要單元參數(shù)
1、光伏組件
輸出功率：100W；
開路電壓：23.5V；
工作電壓：17.9V；
短路電流：6.78A；
工作電流：5.57A；
2、光伏控制裝置
額定系統(tǒng)電壓：24V；
空載損耗：≤1.2W；
光伏最大輸入電壓：150V；
最大充電電流：30A；
轉(zhuǎn)換效率：≤98%；
MPPT追蹤效率：>99%；
保護功能：接反保護，欠壓保護，過壓保護，過充保護，過載保護，短路保護，反充保護等；
3、穩(wěn)壓逆變系統(tǒng)
電池類型：鉛酸免維護；
電池容量：12V45AH；(用2節(jié)55AH代替) 227*137*207mm
電池連接方式：串聯(lián)；
電池保護：末端接保險絲；
4、離網(wǎng)逆變器
額定輸出容量：1000VA；1500W逆變外加1000VA隔離變壓器
額定輸入電壓：DC24V；
輸入電壓保護：DC34V；
輸入電壓恢復：DC33V；
輸入欠壓保護：DC21.6V；
輸入欠壓恢復：DC24V；
空載電流：≦0.5A；
額定輸出電壓：AC220V；
額定輸出頻率:50/60HZ±0.5HZ；
輸出波形：純正弦波；
波形畸變率：≦4%；
動態(tài)響應：5%；
功率因素：≧0.8；
過載能力：120%/1分鐘,150%/10秒鐘；
逆變效率：90%；
絕緣強度：1500VAC,1分鐘；
逆變器結(jié)構：工頻隔離；
設備保護：逆變器輸入過壓保護、蓄電池過放電保護、蓄電池反接保護、輸出過載保護、輸出短路保護、過熱保護等；
工作溫度：-25℃～60℃；
5、電解制氫系統(tǒng)
輸入220V/50Hz，120W，AK-H500
氫氣發(fā)生器采用去離子水（即純水）電解，流量可控；
氫氣純度：不低于99.99%；
輸出流量：不低于300ml/min；
輸出壓力：≤0.4MPa；
最大功率達160W；
6、氫緩沖穩(wěn)定系統(tǒng)（儲氫罐）
采用奧氏體不銹鋼材料，耐壓不低于1.25MPa，使用壽命不低于10年，可緩沖、穩(wěn)定氫氣流量；
配置精密壓力表，精密壓力傳感器，modbusRTU/RS485或模擬量4-20mA輸出；
氫能管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)自動監(jiān)測管理氫氣壓力，氫氣輸出，氫氣關斷等，增強氫氣使用的安全性和提高氫氣使用的效率。
7、氫氣泄露仿真系統(tǒng)
系統(tǒng)耐壓：不低于1MPa；
氣體控制閥：最小開合時間50ms；
氣體泄露仿真模型：可隨機設定組合不低于9種；
包括點泄露，長泄露，過壓泄露等
燃料電池堆
額定輸出：100W，14V/7.2A；
單電池數(shù)：24片；
反應物質(zhì)：氫氣、空氣；
供氫品質(zhì)：干燥，純度99.99%；
供氫壓力：5.8-6.5psi；
供氫流量：滿負荷運轉(zhuǎn)時1.4L/min；
起動時間：<30S；
輸出電壓：DC13-23V；
增濕類型：自增濕；
冷卻類型：空冷；
環(huán)境溫度：5-35℃；
電堆工作溫度：<65℃；
8、自動控制及監(jiān)測系統(tǒng)
環(huán)境檢測傳感器：
溫度檢測范圍：-40℃～85℃；
溫度檢測精度：±0.5℃；
壓力監(jiān)測范圍：0-1MPA；
傳感器供電：DC24V；
傳感器通訊接口：隔離RS485或模擬量輸出；
9、人機界面
1）內(nèi)置氫能管理軟件現(xiàn)場端
觸摸屏尺寸：7″；MCGS
屏幕類型：TFT液晶顯示屏；
分辨率：800×480；
內(nèi)存：128M；
串行接口：RS232/RS485；
供電電壓：24±20%VDC；
自動控制系統(tǒng)：
2）主控模塊
AC220V/50HZ輸入；
14數(shù)字量輸入，10數(shù)量輸出；
支持TCP/IP標準通信方式，可實現(xiàn)高速運算和復雜邏輯控制；
3）仿真軟件
基于Unity3D軟件，使用C#語言進行開發(fā)，采用My Sql作為后臺數(shù)據(jù)庫，通過FTP協(xié)議與數(shù)據(jù)庫進行通信。軟件使用者通過使用光伏、風力、地熱、生物質(zhì)4種能源設計多能互補方案，完成區(qū)域能源的供能結(jié)構改造方案設計，并結(jié)合區(qū)域的氣候數(shù)據(jù)，模擬區(qū)域內(nèi)實時能耗與供能數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化出合理的能源結(jié)構。
用戶管理功能：
注冊：支持學生或教師按照學校名稱和號碼注冊用戶
登錄：支持學生或教師根據(jù)號碼或用戶名登錄系統(tǒng)。
找回密碼：支持學生或教師根據(jù)號碼找回密碼
權限管理：支持主用戶添加或刪除子用戶
用戶信息管理：支持用戶信息查看，包括用戶名、學校、真實姓名、學號、上級用戶等
異地登錄：同一個賬號24小時內(nèi)只能在同一臺電腦上登錄，無法在其他電腦上登錄。
氣象數(shù)據(jù)庫
支持查看全國超過32個城市的模擬地圖氣候數(shù)據(jù)。支持查看2013-2016年的精確到天的模擬地圖氣候數(shù)據(jù)，可自由設置日期進行查看。每個城市的氣候數(shù)據(jù)均可查看：平均氣溫、最高低氣溫、濕度、降水量、輻照量、氣壓、風速、土地濕度攝氏度等。
3D地圖功能
支持教師通過3D地圖上的模擬能耗布置相應學習任務，同時可以修改多種參數(shù)以盡可能的適應不同實際情況，最后可以根據(jù)學生完成情況進行相應的評分。
根據(jù)項目及學習任務需要規(guī)劃設計的區(qū)域面積大小，選擇對應面積以及地形相似度高的區(qū)域，并定期更新可用的區(qū)域3d地圖、加載在3D地圖上的是真實的地形地貌，包含設計成虛擬的地形地貌、3D地圖模型、山川、河流與樹木；
支持修改光伏發(fā)電的相關評分參數(shù)：整機效率、最佳傾角、除組件和逆變器以外的其他成本參數(shù)等。
支持修改風力發(fā)電的相關評分參數(shù)：整機效率、風力波動（自定義風速的每小時波動數(shù)據(jù)以體現(xiàn)出風力發(fā)電機組隨著每小時風速數(shù)據(jù)的變化，發(fā)電量在1天24小時內(nèi)隨機波動的特點；）
支持修改地熱能的相關評分參數(shù)：換熱能力、熱協(xié)調(diào)參數(shù)、成本單價
支持修改生物質(zhì)能的相關評分參數(shù)：生物質(zhì)年供應、整機效率、生物質(zhì)殘余物平均能源折算系數(shù)、生物質(zhì)平均谷草比系數(shù)、生物質(zhì)殘余物能源利用可獲得系數(shù)、建設成本、燃料成本、運維成本等。同時可自動根據(jù)公司計算得出每年最大可建設的電站功率作為評分準則。
（最大生物質(zhì)電站功率=年供應量*1000*平均能源折算系數(shù)*谷草比系數(shù)*殘余物能源利用可獲得系數(shù)/ 3600/365/24）
設計區(qū)域內(nèi)的5種用能建筑模型（底層住宅、交通樞紐、酒店、小高層、寫字樓），通過設置每個建筑模型的最大功率、制冷制熱能耗占比、每小時實際用電系數(shù)、日能耗時長，可以獲得區(qū)域內(nèi)建筑每小時、每天、全年的耗電情況以及制冷制熱能耗需求；
可選擇全國任意地區(qū)（精確城市）、任意氣候時段作為區(qū)域能源模擬的目標區(qū)域，通過對比數(shù)據(jù)庫可以得出當?shù)亟?jīng)緯度、光伏組件全年最高、低工作溫度，并可以自動計算最大、最小電壓、最大開路電壓、最大直流電流等數(shù)據(jù)，可以自行比較同一模型不同規(guī)劃方案的優(yōu)劣，通過比較傾角偏差、組件逆變器功率比、間距誤差、逆變器數(shù)量、生物質(zhì)電站容量、淺層地熱容量、風力電站布局、外部電力輸入、外部電力波動、建設總成本等，可以對同一模型下的方案進行自動評分
命名：教師可以自行改變模型的名字
刪除：教師可以對模型進行刪除操作
10、尾氣分析系統(tǒng)
溫度檢測范圍：-40℃～85℃；
溫度檢測精度：±0.5℃；
濕度檢測范圍：0-99.9%RH；
濕度檢測精度：±3%RH；
氫氣濃度檢測范圍：0-40000PPM
傳感器通訊接口：隔離RS485或模擬量輸出；
11、上位機單元（內(nèi)置氫能管理軟件上位機端）
CPU：IntelCore i5；
內(nèi)存：DDR3 8G；
硬盤：7200轉(zhuǎn)/1TB；
顯卡：Intel HD Graphic；
屏幕：22英寸高清顯示器（1920*1080）。
12、柜體材質(zhì)與尺寸
板材：熱鍍鋅處理；
板材表面烤漆工藝；
鋼板厚度：2mm；
柜體精心設計，結(jié)構美觀新穎，方便操作和數(shù)據(jù)讀取。
三、可完成課題項目

1.光伏發(fā)電氫儲能系統(tǒng)的原理組成

2.燃料電池控制系統(tǒng)的組成和控制

3.電堆的IV極化特性曲線

4.電堆的功率特性曲線

5.環(huán)境改變對電堆性能的影響

6.電解制氫效率測量實驗

7.電解制氫流量計量控制實驗

8.氫儲能系統(tǒng)參數(shù)測量和控制

9.電堆輸出和尾氣分析實驗

10.人機界面設計和通訊控制