太阳能燃料电池分布式能源系统设计与研究

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3.0 高德中 2024-11-19 8 4 1.42MB 67 页 15积分
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摘要
随着社会经济发展和生活水平的提高，能源的消耗量日趋增加。石油、煤炭、
天然气等不可再生能源被大量开采，这不仅破坏生态污染环境，而且加剧了一次
性能源的枯竭。因而，风能、太阳能等可再生能源的开发和利用，越来越受到各
国能源研究机构的关注。太阳能作为当前最受青睐的可再生能源之一，围绕其开
发利用的能源技术研究是目前各研究机构竞争的焦点之一。太阳能燃料电池分布
能源系统作为极具发展前景的可再生能源利用途径而备受人们的重视，对缓解能
源危机有着重要意义。
太阳能燃料电池分布式能源系统实际上是太阳能—氢能—燃料电池—用户负
载的能量转化利用系统，其中涉及到主要设备有光伏阵列、电解槽、储氢罐、燃
料电池。本文在分析分布能源系统中光伏电池、电解槽、燃料电池的工作原理、
特点基础上，参考国内外相关项目研究经验，针对上海地区功率为 200w 的负载设
备，设计了一套能量匹配合理的太阳能燃料电池分布式能源系统。
在对设备的选型确定中，充分考虑了设备的安全性和可行性，针对影响光伏
电池、SPE 电解槽的工作因素进行了分析。研究了光伏电池输出特性，及环境温
度、光照条件和寄生电阻对光伏电池性能的影响。结合电解的水分解理论，测试
了不同电解温度下（25℃，55℃）电解槽的工作状况，根据实验数据，分析了电
解温度，工作电流、电压对电解槽性能的影响，结果表明在相同的功率条件下，
电解温度越高，则电解槽的工作电压越低，电解槽的工作电流越大，电解槽的产
氢速率越大。
为了改善系统的性能，本文针对光伏阵列与 SPE 电解槽进行了直接优化连接，
根据厂商提供的光伏电池组件片参数，理论推导出了光伏阵列的 I-V 输出特性，通
过实验测试求得了 SPE 电解槽的 I-V 工作特性，通过对两设备 I-V 特性曲线比较，
从而确定改善两者直接优化连接的方法。结果表明 10 个SPE 电解池小池构成的电
解槽对系统中采用光伏阵列的利用率最高，当光谱辐照度 550~1000w/m2时，超过
94%的来自光伏阵列最大功率运行的能量被 SPE 电解槽直接利用。
关键词：太阳能 光伏阵列 电解槽 燃料电池 优化连接
I
ABSTRACT
With the development of social economy and the improvement of living standards,
the consumption of energy is increased day by day. These conventional energy sources,
such as oil, coal and natural gas, are exploited largely, it not only destroys the ecology
of environment, but also exacerbates disposable energy exhausted. Then, the
exploitation of renewable energy sources, such as wind, solar and tidal, is attracting
more attention by energy research institutes all over the world. Solar is one of the most
popular renewable energy, the development of solar is also one of focus that current
energy science technique foundation studies in international competition. Solar fuel cell
hybrid distribution system is received people’s concerned for the most development in
the future, and it also has a great significance to alleviate the energy crisis.
The solar fuel cell hybrid distribution system is actually an energy converted chain
as solar-hydrogen-fuel cell-user’s load, which involves solar array, electrolyser,
hydrogen storage tank, fuel cell. Based on an analysis of the principle and
characteristics of devices in the system, according to some related project experiences in
China and foreign countries, a solar fuel cell hybrid distribution system of proper
energy matched has been designed to meet user’s electric capacity 200w in Shanghai.
During the choosing of kinds of the devices, the security and viability of the
devices are gotten full consideration. To master the running characteristics of the system,
the effect elements of solar array, SPE electrolyser have been analyzed. The output
characteristic of solar cell and the effect elements such as environmental temperature,
solar radiation and resistance have been studied. Combining with the theory of water
electrolysis, the operating state of electrolyser has been tested in different electrolyte
temperature (25℃,55℃), according to experimental data, the affect of operating
conditions such as electrolyte temperature, operating current and voltage to the SPE
electrolyser performance have been analyzed, the result shows that in the same power,
the higher temperature of electrolyte causes the lower voltage, the higher current of the
SPE electrolyser, then, the rate of hydrogen has been elevated.
To improve the performance of the system, the paper has studied the direct
coupling of solar array and SPE electrolyser. According to the parameters of the solar
cell provided by factory, the I-V characteristics curve of solar array has been deduced in
II
III
theoretical way. Based on the experimental test, the I-V characteristics curve of SPE
electrolyser has been acquired. The way of improving the direct coupling connection
between solar array and SPE electrolyser has been found by comparing the two I-V
characteristics curves. The results show that the SPE electrolyser consisted of 10 SPE
eletrolysis cells is the most efficiency to direct coupling with the solar array, when the
solar irradiance is at 550~1000w/m2, more than 94% of the maximum power from solar
array has been used by SEP eletrolyser.
Keywords: Solar, Solar array, Electrolyser, Fuel cell, Direct coupling
目录
中文 摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................. 1
§1.1 课题背景 .......................................................................................................... 1
§1.2 太阳能燃料电池分布式能源系统研究现状 .................................................. 2
§1.3 课题意义 .......................................................................................................... 4
§1.4 本课题研究内容和工作 .................................................................................. 5
第二章 分布式能源系统介绍及各组件原理 ................................................................ 6
§2.1 分布式能源系统介绍 ...................................................................................... 6
§2.2 太阳能电池 ...................................................................................................... 7
§2.2.1 光伏电池工作原理 ............................................................................... 7
§2.2.2 光伏电池电学特性 ............................................................................... 8
§2.2.3 光伏电池主要技术参数 ....................................................................... 9
§2.2.4 光照、温度以及寄生电阻对光伏电池性能影响 ............................. 10
§2.3 电解槽 ............................................................................................................ 13
§2.3.1 SPE电解槽工作原理及其主要结构 .................................................. 13
§2.3.2 SPE电解槽技术特点 .......................................................................... 14
§2.4 燃料电池 ........................................................................................................ 15
§2.4.1 PEMFC工作原理及其主要结构 ........................................................ 16
§2.4.2 PEMFC技术特点 ................................................................................ 17
§2.5 储氢罐 ............................................................................................................ 18
§2.5.1 储氢合金的特征 ................................................................................. 18
§2.5.2 实用储氢要求 ..................................................................................... 19
§2.6 本章小结 ........................................................................................................ 20
第三章 太阳能燃料电池分布式能源系统设计 .......................................................... 21
§3.1 设计原则及步骤 ............................................................................................ 21
§3.1.1 设计原则 ............................................................................................. 21
§3.1.2 设计步骤 ............................................................................................. 22
§3.2 系统中各组件类型确定 ................................................................................ 22
§3.2.1 光伏电池类型选择 ............................................................................. 22
IV
V
§3.2.2 电解槽类型选择 ................................................................................. 23
§3.2.3 氢气储存方案选择 ............................................................................. 24
§3.2.4 燃料电池类型选择 ............................................................................. 25
§3.3 系统中各组件容量设计 ................................................................................ 26
§3.3.1 光伏阵列容量设计 ............................................................................. 27
§3.3.2 电解槽容量设计 ................................................................................. 28
§3.3.3 燃料电池容量设计 ............................................................................. 28
§3.3.4 储氢罐容量设计 ................................................................................. 29
§3.4 系统中各组件设备选型 ................................................................................ 29
§3.4.1 光伏阵列选型 ..................................................................................... 29
§3.4.2 电解槽选型 ......................................................................................... 29
§3.4.3 燃料电池选型 ..................................................................................... 32
§3.4.4 储氢罐选型 ......................................................................................... 33
§3.5 本章小结 ....................................................................................................... 33
第四章 光伏阵列与电解槽优化连接 .......................................................................... 36
§4.1 光伏阵列 ........................................................................................................ 36
§4.1.1 光伏阵列的I-V特性 ............................................................................ 36
§4.1.2 光伏阵列I-V特性曲线工程计算法 .................................................... 36
§4.1.3 系统中光伏组件电池片及光伏阵列特性 ......................................... 39
§4.2 SPE电解槽 ..................................................................................................... 43
§4.2.1 SPE电解槽热力学理论 ...................................................................... 43
§4.2.2 SPE电解槽工作特性 .......................................................................... 45
§4.3 光伏阵列与电解槽连接方式 ........................................................................ 47
§4.3.1 光伏阵列与电解槽常用连接方式 ..................................................... 47
§4.3.2 光伏阵列与电解槽直接连接方式 ..................................................... 48
§4.4 光伏阵列与电解槽优化连接 ........................................................................ 49
§4.5 本章小结 ........................................................................................................ 54
第五章 总结与展望 ...................................................................................................... 56
符号表 ............................................................................................................................ 58
参考文献 ........................................................................................................................ 59
在读期间公开发表的论文和参加科研项目 ................................................................ 63
致 谢 ............................................................................................................................ 64
第一章 绪论
第一章 绪 论
§1.1 课题背景
随着人类社会生产的发展和生活水平的提高，人们对能源消费量在大幅度的
增长，全球范围内的能源危机也日益突出。在过去 200 多年里，建立在煤炭、石
油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地丰富了人们的物质生活，推动了
社会的发展、进步。当人们陶醉于当前繁荣的物质文明时，却发现化石能源不多
了，且化石能源带来的环境问题已严重威胁到人类的生存与发展。化石能源的大
量使用对大气和环境造成了严重污染，诸如地球温暖化、酸雨、臭氧层破坏等环
境问题，对生态系统和人类本身带来了损害。
进入 20 世纪 90 年代，随着人们对环境问题认识的逐步加深，各国政府都在
积极讨论、参与对环境问题的对策。在这样的情况下，联合国于 1992 年6月在巴
西召开了“世界环境与发展大会”，会议通过了《气候变化框架公约》、《里约
热内卢环境与发展宣言》、《关于森林问题原则声明》和《21 世纪议程》等一系
列重要文件，把环境与发展紧密结合，确立了走经济社会可持续发展之路。会议
之后，世界各国都加强了对清洁、可再生能源的研究开发。世界环境与发展大会
以后，我国积极参与行动，响应号召，对环境与发展高度重视，十分重视太阳能、
风能等新能源和可再生能源的发展，1992 年8月，国务院批准了《中国环境发展
十大对策》，明确提出要“因地制宜的开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐
能、生物质能等清洁能源”；1994 年3月发布了《中国 21 世纪议程—中国 21 世
纪人口、环境与发展白皮书》等一系列的政策与措施，极大地推动了新能能源技
术发展，使其进入了一个快速发展的新阶段[1]。
根据“BP 世界能源统计评论 2003”的统计[2]，2002 年世界一次能源消费量为
94.05 亿吨石油当量。截至 2002 年底，全球石油储量可采储量为 1427 亿吨，可供
生产 40.6 年，天然气和煤炭分别为 155.78×104亿立方米、9844.5 亿吨，可以供应
60.7 年和 204 年。我国人口众多，人均能源占有量底，能源结构以煤炭为主题，
其探明储量将在 81 年内采光，石油资源将在 15 年内枯竭，天然气资源也将在 30
年内用尽，其时间表均早于全球化石能源枯竭速度。由于煤炭的燃烧利用，排放
出大量的 NOX、SOX、CO2和粉尘颗粒物等有害物质，致使全国有 82%的城市出现
过酸雨，面积已达国土面积的 30%，SOX和酸雨造成的经济损失已约占全国 GDP
的2%。我国正处于工业化飞速发展阶段，1990 以来一直处于高速增长阶段，这一
趋势有往持续至 2020 年，GDP 年均增长率 7.8%左右。2020~2050 年为稳定增长阶
1
太阳能燃料电池分布式能源系统设计与研究
段，GDP 年均增长 3.5%左右，则 21 世界中叶，我国可以达到中等发达国家的水
平。根据中国科学院数经所构建的投入产出模型和系统动力学，预测至 2050 年，
我国一次能源需要将达 34.4~41.5 亿吨标煤；其中天然气、石油缺口急剧扩大。2010
年、2020 年、2050 年石油需求低限分别为 2.5 亿吨、3.0 亿吨、4.0 亿吨。这样我
国未来能源供应面临着巨大挑战。因此，大力开发利用新能源和可再生能源，减
少对化石能源的依赖，是保护生态环境、走经济社会可持续发展之路的重要措施，
且对构建我国未来的能源安全体系具有重大的战略意义。
§1.2 太阳能燃料电池分布式能源系统研究现状
太阳能燃料电池分布式能源系统是一种包含太阳能光伏发电，氢能制取、储
存和燃料电池发电的新型太阳能利用方式。此联合发电概念最早由 Kwa-sur Tam
和Salfur Rahman 于1988 年提出[3]。提出将燃料电池作为光伏发电后备电源，探讨
了使用光伏阵列与燃料电池协调发电的可行性，同时阐述了联合发电系统结构和
控制方法。
美国 H Power 公司、Sun Pirates 公司、Fully Independent Residential Solar
Technology 公司以及 Solar Depot 公司联合于 1999 年6月安装了太阳能燃料电池联
合发电系统。系统位于加利福尼亚州，从 1999 年6月到 2001 年6月系统可靠的
运行了两年。在 2001 年9月2日到 9月15 日的 13 天内，太阳能光伏系统效率达
到8.9%，燃料电池效率为 42%，光伏阵列功率为 1080W，24V 直流电。光伏阵列
由9个Solarex MSX120 组件构成，每个组件长 1108mm，宽 991mm，面积为 1.09m2，
光伏阵列总面积为 6.59m2。标准工况条件下，每个组件功率为 120W。蓄电池充放
电压为 24V，存储量为 18kwh。质子交换膜燃料电池(PEMFC)由H Power 公司提供
的PS250 PEMFC，额定功率为 250W。土耳其研究人员 Ozan Atlam 搭建了一个光
伏-质子交换膜电解槽系统试验台，基于实验数据对每个部件进行建模，对比实验
测试和模型模拟结果相对误差比值，在辐照强度 90~460W/m2测得实验测试值与模
拟值的误差比值范围在 0.1~0.8%之间[4]。1986 年德国巴伐利亚电力公司于、Siemens
公司、INTEC 公司、BMW 公司以及 Linde 公司联合实施了为期 15 年的太阳-氢技
术示范工程，该工程位于纳恩堡市，光伏阵列总功率为 276.6kw，工程采用了两种
燃料电池：一种是磷酸燃料电池，热功率为 60kw，最大输出功率为 80kw；另一
种是碱性燃料电池，效率大于 60％，输出功率为 7kw，耗氢量为 3.5m3/h[5]。Daniel
Shapiro,John Duffy[6] 等提出一个为偏远地区供电的基于氢能的可再生能源系统，
其主要分析了如何维持系统中的压力平衡，保持系统容量匹配和提高系统运行效
率。P.A.Lehman,C.E.Chamberlin[7] 等通过对于洪堡州立大学 Telonicer Marine 实验
2
摘要：

摘要随着社会经济发展和生活水平的提高，能源的消耗量日趋增加。石油、煤炭、天然气等不可再生能源被大量开采，这不仅破坏生态污染环境，而且加剧了一次性能源的枯竭。因而，风能、太阳能等可再生能源的开发和利用，越来越受到各国能源研究机构的关注。太阳能作为当前最受青睐的可再生能源之一，围绕其开发利用的能源技术研究是目前各研究机构竞争的焦点之一。太阳能燃料电池分布能源系统作为极具发展前景的可再生能源利用途径而备受人们的重视，对缓解能源危机有着重要意义。太阳能燃料电池分布式能源系统实际上是太阳能—氢能—燃料电池—用户负载的能量转化利用系统，其中涉及到主要设备有光伏阵列、电解槽、储氢罐、燃料电池。本文在分析分布...

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