浙江大学宁波理工学院-TW-FGQ01景物氢混淆系统实验台
一、项目概述
本系统为科研立异理念与实验、实训型相团结的集风力发电，光伏发电、制氢系统、氢燃料电池发电、数据收罗等多元化“风、光、氢混淆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、超等电容系统、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。其事情原理是风力、光伏发电系统发电，并由超等电容储能，DC/AC逆酿成交流电，驱动电解水装备制氢。氢气通过储氢系统贮存，并驱动燃料电池电堆发电。
别的，DC/AC�？樽源月饭π�，旁路端直接与市电毗连，实现市电和逆变间的自动切换，在超等电容所储电能不敷用时，自动切换至市电供电，确保一连制氢功效正常运行。在本计划设计中主要体现在氢燃料电池系统、超等电容系统、制氢系统、储氢系统的部分。
1.1系统拓扑图
?整套系统的各个�？樵ち袅薈AN\RS485\RS232\USB\TCPIP通讯接口，可以通过该通讯接口对系统中各个�？榫傩屑嗫�，便于未来项目开发使用。
?系统实验平台集成了室内温/湿度仪，风速丈量、光照度丈量系统，让使用者操作起来更直观；
?系统DC-AC并网同步电源，接纳高频脉冲调制手艺，具有小体积、高效率及高功率因数输出；
?系统面板上接纳直观的数字表和液晶显示，让用户相识目今系统事情状态；
?系统上的离网电源可以为用户提供交流110V/220V纯粹弦波交流电能；
?实训系统，可以让实训学生自行拆装移动，使用轻盈、无噪音、无污染；
?系统增添市电与景物互补发电切换�？�，让实验更具操作性；
?增添漫衍式供电原理与实验电路，让学生增添对新知识的明确；
?增设直流母线单位，利便系统各�？橹渑笆笛�；
?自力的超等电容储能系统治理单位；
?自力的后备胶体蓄电池及充放电治理单位；
?燃料电池运行历程中，只扫除水和热量，不会爆发任何有害物质及噪音；
?燃料电池较之古板电源计划，其运行清静可靠、寿命长，维护简朴，降低了维护本钱。
二、计划概述
2.1景物氢混淆系统的组成
1KW风力发电机与2.2KW交流拖动电机成水平方法牢靠与平台上，由变频器驱动交流拖动电机并发动风力发电机举行发电，可模拟差别风速情形下风速转变引起的风力发电机发电效率转变，抵达实验目的。
2.2光伏发电
2KW太阳能电池组件牢靠在专制钢件上，呈40度正面朝向正南方，整体支架系统安排在屋顶，经电缆运送至室内实验台，可实现漫衍式屋顶发电相关实验，所发电能与风力发电相团结，可供制氢系统使用。
2.3景物氢混淆系统的组成
系统主要部件的组成： 1000 W风力发电系统、 2000W光伏发电系统、1000W燃料电池发电系统、超等电容系统、DC/AC�？椤⒅魄庀低场⒋⑶庀低臣爸骺叵低�。
图2 景物互补系统拓扑图
三、各单位参数
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焦点部件，本次项目中接纳的光伏组件规格见下表：
单晶硅太阳能电池规格
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组件尺寸(L*W*H) |
1650*990*40mm |
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最佳功率 |
250W |
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最佳事情电压 |
32.05±0.5V |
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最佳事情电流 |
8.72±0.10A |
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短路电流 |
8.85±0.10A |
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开路电压 |
42±0.5V |
单块250Wp太阳能电池组件，经毗连组合成电池方阵，排列安排并牢靠在屋顶，如上图。
3.2风力发电系统
是使用风力发动风车叶片旋转，来促使发电机发电。将风能转换为机械功,机械功发动转子旋转，最终输出交流电的电力装备。也是发电系统中不可或缺的焦点部件。
风力发电机
本项目接纳风力发电系统规格如下：
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额定功率： |
1000(W) |
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额定电压： |
24(V) |
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额定电流： |
40（A） |
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风轮直径： |
2.5(m) |
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启动风速： |
2.5(m/s) |
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额定风速： |
9.6(m/s) |
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清静风速： |
35(m/s) |
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事情形式： |
永磁同步发电机 |
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风叶旋转偏向： |
顺时针 |
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风叶数目： |
3（片） |
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风叶质料： |
玻璃增强聚丙烯质料 |
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电机质料： |
铝合金&不锈钢 |
风力发电机规格
3.3景物互补控制系统
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举行高效的供电。景物互补系统焦点部件，素有景物互补系统“心脏”之称。
景物互补控制器规格参数如下：
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事情电压： |
24VDC |
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充电功率： |
750W |
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光伏功率： |
300W |
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风机功率： |
450W |
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充电方法： |
PWM脉宽调制 |
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充电最大电流 |
35A |
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过放�；さ缪� |
21.5V |
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过放恢复电压 |
26.2V |
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输出�；さ缪� |
28V |
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卸载最先电压（出厂值） |
26.5V |
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卸载最先电流（出厂值） |
15A |
景物互补控制器规格
注：控制器设有负载过电压�；ぁ⒁辜浞婪闯涞绫；ぁ⑹涑龆搪繁；ぁ⑶费购凸狗勒鸬幢；ぁ⑵胶獬涞纭⑽露扰獬ァ⒐饪乜毓π�。
3.4氢燃料电池发电系统
燃料电池接纳空冷自增湿的PEMFC电池，镌汰了水泵、水箱、增湿器、增压泵等隶属装备，使电堆控制更精练、可靠。燃料电池系统除了焦点部分质子交流膜燃料电池堆外，还需要一些辅助器件发电系统才华正常事情。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辖档徒大部分组成，如图2所示。其中，燃料电池发电系统主要由质子交流膜燃料电池堆、氢气供应单位、氧气或空气供应单位、DC/DC四部分组成。而控制单位部分属于控制系统。
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爆发电化学反应并释放电能，是整个系统的焦点。
2、氢气供应单位（H2）
本系统指由制氢装备，储氢系统及供氢管路组成。制氢装备制氢，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、空气供应单位：
不中止地向燃料电池提供电化学反应所需的氧气，以确保质子交流膜燃料电池实现一连稳固的运行发电。
4、DC/DC：
氢燃料电池所爆发的电能为直流电，其输出电压不但受内阻影响并且随着负载的转变而改变。因此，为包管供电性能的稳固，在燃料电池系统输出端，须设置功率变换单位DC/DC，主要包管负载一连转变时，将输出电压稳固在合适的规模。
5、控制单位：
控制单位是燃料电池发电系统的焦点，用来吸收数据收罗系统收罗的数据，并对它们举行剖析，凭证剖析的效果来控制执行机构完成响应的行动�？绽渥栽鍪剂系绯胤⒌缦低车目刂频ノ煌ü刂葡低场⒌缟取⒌绱欧Ъ纯砂苋剂系绯卣Ｊ虑�。
燃料电池系统事情示意图
图8 1000W燃料电池实物图
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类型 |
基于PASH手艺的空冷自增湿燃料电池 |
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性能 |
额定功率 |
1000W* |
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额定电压 |
36V |
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额定电流 |
27.8A |
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电压规模 |
30-58V |
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燃料效率 |
≥50％ |
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燃料 |
氢气纯度 |
≥99.95％ |
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氢气事情压力 |
0.5-0.6Bar |
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氢气消耗量 |
13.1L/min(额定功率) |
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氧化剂/冷却剂 |
空气 |
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空气压力 |
常压 |
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物流特征 |
质量 |
6600g |
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体积（长宽高） |
350mm×140mm×175mm |
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事情条件 |
情形温度 |
-5℃—40℃ |
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情形湿度（RH） |
10％－95％ |
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燃料电池规格
注：带*的数据是在15℃-30℃的情形温度规模和30 - 90%的情形湿度规模内取得的。
1000W燃料电池系统性能曲线图
3.5超等电容系统
超等电容系统概述
超等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。景物发电系统通过直流母线给超等电容充电，超等电容通过DC/AC给制氢系统供电。
超等电容�？槟诓考蒀AN通讯�？槭迪帜Ｗ槭虑樽刺氖凳笔章�，并把数据上传至主板，经由主板的处置惩罚，通过CPU隔离方法向储能变流器发送须要的模拟量及报警的状态量。确保系统实时稳固的运行。
本项目接纳的超等电容，知足500W/24V燃料电池5小时充满电的要求，规格如下：
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储能能量(72-36V) |
＞2.5KWH |
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充电电压 |
DC72V |
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放电电压 |
DC36V |
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额定功率 |
1000W |
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事情温度 |
-45℃~65℃ |
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湿度 |
Max95%（无结露） |
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IP防护品级 |
IP20 |
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冷却方法 |
风冷 |
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形状尺寸 |
800 x800 x2200 mm宽 x 深 x 高 |
表6 超等电容规格参数
图9 超等电容
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，并送入质料水箱，经补水泵输入碱液系统，增补被电解消耗的水。电解槽中的水，在直流电的作用下被剖析成H2与O2，并与循环电解液一起划分进入框架中的氢、氧疏散洗涤器后举行气液疏散、洗涤、冷却。疏散后的电解液与增补的纯水混淆后，经碱液冷却器、碱液循环泵、过滤器送回电解槽循环，电解。调理碱液冷却器冷却水流量，控制回流碱液的温度，来控制电解槽的事情温度，使系统清静运行。疏散后的氢气由调理阀控制输出，送入氢气储罐，再经缓冲减压后，供用户使用。
?本项目中接纳的制氢系统其详细规格如下：
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氢气产量 |
800L/h（1atm） |
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氢气纯度 |
≥99.8% |
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氧气纯度 |
≥99.3% |
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事情压力 |
0.8MPa |
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直流电耗 |
＜5KWh/m3 |
注：系统接入具备AC/DC�？�，具备AC交流接入能力。
电解水制氢流程图
3.7储氢系统
本次项目接纳金属储氢系统，做为氢气贮存的装置�？梢灾苯佑氲缃馑魄庀降低�，省去了氢气压缩机，降低了本钱，提高了系统的可靠性。
?储氢系统特征：
?接纳高性能AB5型氢合金，储氢量抵达1.4wt.%，吸放氢压力稳固。
?接纳304不锈钢罐体，具有优异的耐侵蚀性和结构强度。
?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。
?一样平常接纳空气对流举行热交流，水浴效果更理想。
?规格参数:
| 容量 |
≥5m? |
| 罐体尺寸（mm） |
直径300*长度800 |
| 罐体质料 | 不锈钢 |
| 储氢压力 |
≤3MPa |
| 充氢时间（25°） |
≤60min |
| 放氢速率（25°） |
≥20L/min |
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、控制焦点单位。通过内置的数据收罗、通讯传输等�？�，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，其主要功效体现在：
?系统的启动、�；刂�；
?直流母线的电压、电流监测，并纪录电压、电流曲线；
?风力、光伏发电系统的发电电压、电流监测，并纪录电压、电流曲线；风力、光伏发电系统的启动、�；刂�。
?燃料电池电堆温度监测；DC/DC�？槭涑龉亍⒐埂⑶费埂⒍搪返募嗖饧氨ň�；供氢单位的压力及压力传感器故障监测报警、氢气走漏关机报警等。监测供氢压力过载抵达设定值、氢气浓度抵达设定值主控系统自动切断系统电源控制。
?超等电容的电压、电流及温度监测，并纪录电压、电流、温度曲线；超等电容超压、超温抵达设定值系统报警。自带DC/DC�？槭涑龉亍⒐埂⑶费埂⒍搪返募嗖饧氨ň�。
?DC/AC单位的输入、输出电压监测，过载、短路、过温，反接（包管）、欠/过压的监测。监测DC/AC单位短路、反接或电压、温度抵达设定值，系统报警并自动关机。
?制氢系统的氢气爆发功率、纯化妆置输入功率监测，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、输出压力抵达设定值系统报警。
?储氢系统的储氢压力、储氢时间、放氢速率的监测。
氢气传输管路的压力监测、流量监测、氢气走漏监测等。
系统主要装备清单
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序号 |
项目 |
规格 |
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1 |
氢燃料电池 |
1000W空冷自增湿系统 |
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2 |
超等电容 |
＞5KWH |
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3 |
氢气爆发器 |
0.8 m?/h、 |
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4 |
金属储氢装置 |
≥5m? |
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5 |
光伏组件 |
开路电压DC42V，功率250W 单晶或多晶 |
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6 |
风力发电装置 |
AC48V/1000W三相永磁同步风力发电机 |
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7 |
DC/AC 逆变系统 |
输入DC48V，输出AC220V/2000W纯粹弦波逆变系统，带旁路功效 |
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主配件 |
去离子水爆发器 |
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注：1，去离子水爆发器用于制备并为制氢系统提供所必需的去离子水。
2，不包括装备毗连装置和配件
沪公网安备: 31011202011929号