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CN107196418A - 独立光伏‑燃料电池‑回收动力电池联合发电储能系统 - Google Patents

独立光伏‑燃料电池‑回收动力电池联合发电储能系统 Download PDF

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CN107196418A
CN107196418A CN201710524834.6A CN201710524834A CN107196418A CN 107196418 A CN107196418 A CN 107196418A CN 201710524834 A CN201710524834 A CN 201710524834A CN 107196418 A CN107196418 A CN 107196418A
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China
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power
pem
fuel cell
battery
photovoltaic
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Application number
CN201710524834.6A
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张财志
黄志宇
谢志龙
刘明涛
周俊
石浩楠
许振宇
张效民
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Chongqing University
Original Assignee
Chongqing University
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Abstract

本发明涉及一种独立光伏‑燃料电池‑回收动力电池联合发电储能系统，属于发电储能领域。该系统包括光伏电池模块、PEM电解模块、PEM燃料电池模块、蓄电池、数据采集和能量管理系统、四个DC/DC变换器、直流母线、导线；所述光伏电池模块包括光伏电池阵列、MPPT控制器；所述光伏电池模块通过所述MPPT控制器使所述光伏电池阵列始终处于最大功率输出状态；所述PEM电解模块包括PEM电解槽、储氢装置；所述储氢装置用于存储所述PEM电解槽电解水产生的氢气，并装有压力传感器检测装置内的压力；本发明结构简单、效率高，解决了内燃机发电的污染和噪音问题，常规离网式光伏发电系统蓄电池占用体积过大、成本高和氢气蓄能式发电系统效率较低、单位成本高的问题。

Description

独立光伏-燃料电池-回收动力电池联合发电储能系统
技术领域
本发明属于发电储能领域，涉及一种独立光伏-燃料电池-回收动力电池联合发电储能系统。
背景技术
我国有漫长的海岸线、岛、孤立山峰和沙漠地带，从地理和自然条件看，这些独特的环境大部分都远离电网覆盖区，其孤立的地理位置，很难实现电网覆盖。缺少电力、淡水和燃料供应，严重影响了其生活和生产。若在这些地区采用传统的柴油机发电方式，就会存在噪音大、污染环境、油料补给困难、补给时间长、补给成本高等诸多问题。而对于采取输电线路的方式，则存在输电距离远，输电成本高、电能消耗大等缺点，同时电缆监测和维修困难。
为了解决以上问题，利用当地的可再生能源是最好的解决方案。若建立光伏发电站，采用大容量蓄电池组储能，由于蓄电池组的工作环境恶劣，寿命较短，需要频繁地更换蓄电池组。若采用光伏/燃料电池/蓄电池联合装置，其中光伏发电除供负荷和蓄电池外，多余电能还能用来电解水制氢气并储存；当光伏蓄电池不能提供电能时，再利用储存的氢气供燃料电池发电。这样一种联合发电系统不仅可以提高能源利用率，减少化石燃料消耗，降低大气污染，而且可以提供有全天候不间断的电力供应。此外，我国电动汽车的高速发展，形成了成熟的动力电池产业群，但是如何回收废旧的动力电池成为急需解决的重大问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种独立光伏-燃料电池-回收动力电池联合发电储能系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
独立光伏-燃料电池-回收动力电池联合发电储能系统，包括光伏电池模块、质子交换膜(Proton Exchange Membrane,PEM)电解模块、PEM燃料电池模块、蓄电池、数据采集和能量管理系统、四个DC/DC变换器、直流母线、导线；
所述光伏电池模块包括光伏电池阵列、最大功率点跟踪太阳能(Maximum PowerPoint Tracking,MPPT)控制器；所述光伏电池模块通过所述MPPT控制器使所述光伏电池阵列始终处于最大功率输出状态；
所述PEM电解模块包括PEM电解槽、储氢装置；所述储氢装置用于存储所述PEM电解槽电解水产生的氢气，并装有压力传感器检测装置内的压力；
所述PEM燃料电池模块利用所述储氢装置中提供的氢气和外界的空气，将化学能转化为电能；
所述蓄电池用于存储光伏电能或者提供负载电能；
所述光伏电池模块、PEM电解模块、PEM燃料电池模块、蓄电池分别通过一所述DC/DC变换器连接在所述直流母线上，将不稳定的直流电提升或降低为稳定的直流电，用于稳定直流母线上的电压，并通过继电器控制电源模块的接入和断开；所述PEM电解槽将所述光伏电池阵列，除供给负载以外剩余的电能用于电解水制氢储能于所述储氢装置中；
所述数据采集和能量管理系统采用单片机或可编程逻辑控制器(ProgrammableLogic Controller,PLC)实现智能控制，通过接收电压传感器和电流传感器的实时数据，实现不同工作模式，用于检测系统各功能单元运行参数，并通过显示系统实时显示工作状态。
进一步，所述工作模式包括日间模式、夜间模式、连续阴雨天模式；
所述日间模式为采用所述光伏电池模块供电；在光照强度足够强的白天，所述联合发电储能系统的输出功率大于负载功率，所述光伏电池模块输出功率向负载供电，剩余电能向所述蓄电池充电，当充电电流足够或蓄电池充满，所述PEM电解模块利用多余电流进行电解制氢，若所述储氢装置中的压力达到上限，则停止电解制氢；
所述夜间模式为采用所述光伏电池模块和所述蓄电池协同供电；在光照不足的白天和夜间，太阳能供应不足，由在日间模式下充满电能的蓄电池协同光伏电池模块向负载提供电能，此时不制氢；
所述连续阴雨天模式为采用所述PEM燃料电池模块供电；在连续阴雨的天气，太阳能和蓄电池均供应不足，无法为负载提供足够电能，此时釆用所述PEM燃料电池模块完全供电的方式向负载提供电能；一旦有微弱光能，则蓄电池进行充电。
进一步，所述光伏电池模块、PEM电解模块、PEM燃料电池模块、蓄电池线路上都安装有一电压传感器和一电流传感器，所述电压传感器和电流传感器的信号通过通信总线传输给所述单片机或PLC，经过处理运算后根据所设计的控制逻辑通过继电器来控制电源模块的接入和断开，并通过LCD显示屏实时显示工作状态。
进一步，所述工作模式判断方法为：
设置电压传感器和电流传感器的刷新频率为2Hz，光伏电池最低工作电流为IO，蓄电池充电最大电压为UMAX，蓄电池放电最小电压为UMIN，采样光伏电流IPV，光伏电压UPV，电池电流IBAT，电池电压UBAT，燃料电池电流IFC，燃料电池电压UFC，电解槽电流IE，电解槽电压UE，负载电流IL，负载电压UL，计算出光伏功率PPV，电池功率PBAT，燃料电池功率PFC，负载功率PL，电解槽功率PE；
当IPV>IL，采用所述光伏电池模块供电，同时，当UBAT≥UMIN，PPV≥PL+PE，所述PEM电解模块电解制氢；当UBAT<UMIN，PPV≥PL+PE+PBAT，所述PEM电解模块电解制氢，所述蓄电池充电；当UBAT<UMIN，PPV<PL+PE+PBAT，PPV≥PL+PBAT，所述蓄电池充电；
当IPV≤IL，IPV>IO，UBAT≥UMIN，所述蓄电池供电，同时当PPV≥PE，所述PEM电解模块电解制氢；当IPV≤IL，IPV>IO，UBAT<UMIN，所述蓄电池供电，所述PEM燃料电池模块供电；当IPV≤IL，IPV≤IO，UBAT≥UMIN，所述蓄电池供电；当IPV≤IL，IPV≤IO，UBAT<UMIN，所述PEM燃料电池模块供电。
进一步，所述PEM电解槽还包括一个供水装置，使去离子水充满质子交换膜；所述供水装置包括储水器、支架、向上输送导管、向下输送导管，所述支架将所述储水器抬高至所述储水器底部高于所述PEM电解槽；所述向上输送导管出水口处设置一滴壶，用于分离去离子水和氧气；
所述储水器利用重力势能形成的液压通过所述向下输送导管将去离子水输入所述PEM电解槽，当去离子水充满所述PEM电解槽的质子交换膜，生成的氧气所述PEM电解槽将氧气和去离子水通过所述向上输送导管输入所述储水器，经过所述滴壶实现去离子水和氧气的分离，实现去离子水的循环。
进一步，所述PEM电解槽连接至两位三通电磁阀的口1，所述储氢装置连接至两位三通电磁阀的抠2，所述PEM燃料电池模块连接至两位三通电磁阀的口3；当所述PEM电解槽工作时，两位三通电磁阀处于断电状态，口1与口2连通，氢气从所述PEM电解槽流入所述储氢装置；当所述燃料电池模块工作时，所述PEM电解槽停止工作，两位三通电磁阀通电，口1与口2断开，口2与口3连通，氢气从所述储氢装置流入所述燃料电池模块。
进一步，所述联合发电储能系统集成在一箱体中，所述箱体开口用于散热，所述箱体设置有负载与所述光伏电池阵列的接口。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明结构简单、效率高、无污染，解决了内燃机发电的污染和噪音问题，常规离网式光伏发电系统蓄电池占用体积过大、成本高和氢气蓄能式发电系统效率较低、单位成本高的问题。
(2)本发明提很好地实现了动力电池的梯级利用，降低了污染，达到了节能减排、保护环境的目的。
(3)本发明提供了一套智能控制系统，通过单片机实现了系统的自动化运行与实时监控，可以作为家庭的小型电站，为家用电器提供电力，可以最大化利用能源。若将该套系统的推广到更大功率及更大规模后，可以建成大型的离网式光伏/燃料电池/回收动力电池发电站，为电网难以覆盖的偏远地区提供全天候不间断的电力供应，也提高了动力电池利用价值，提高了能源的利用率并减少了能源损耗，并且该套系统对环境无污染，具有很高的利用价值和环保价值。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明原理图；
图2为本发明电路示意图；
图3为工作模式判断流程图；
图4为供水装置示意图；
图5为储氢装置示意图；
图6为集成箱示意图；
图7为系统工作状态示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1、图2所示，独立光伏-燃料电池-回收动力电池联合发电储能系统，包括光伏电池模块、质子交换膜(Proton Exchange Membrane,PEM)电解模块、PEM燃料电池模块、蓄电池、数据采集和能量管理系统、四个DC/DC变换器、直流母线、导线；
所述光伏电池模块包括光伏电池阵列、最大功率点跟踪太阳能(Maximum PowerPoint Tracking,MPPT)控制器；所述光伏电池模块通过所述MPPT控制器使所述光伏电池阵列始终处于最大功率输出状态；
所述PEM电解模块包括PEM电解槽、储氢装置；所述储氢装置用于存储所述PEM电解槽电解水产生的氢气，并装有压力传感器检测装置内的压力；
所述PEM燃料电池模块利用所述储氢装置中提供的氢气和外界的空气，将化学能转化为电能；
所述蓄电池用于存储光伏电能或者提供负载电能；
所述光伏电池模块、PEM电解模块、PEM燃料电池模块、蓄电池分别通过一所述DC/DC变换器连接在所述直流母线上，将不稳定的直流电提升或降低为稳定的直流电，用于稳定直流母线上的电压，并通过继电器控制电源模块的接入和断开；所述PEM电解槽将所述光伏电池阵列，除供给负载以外剩余的电能用于电解水制氢储能于所述储氢装置中；
所述数据采集和能量管理系统采用单片机或可编程逻辑控制器(ProgrammableLogic Controller,PLC)实现智能控制，通过接收电压传感器和电流传感器的实时数据，实现不同工作模式，用于检测系统各功能单元运行参数，并通过显示系统实时显示工作状态。
进一步，所述工作模式包括日间模式、夜间模式、连续阴雨天模式；
所述日间模式为采用所述光伏电池模块供电；在光照强度足够强的白天，所述联合发电储能系统的输出功率大于负载功率，所述光伏电池模块输出功率向负载供电，剩余电能向所述蓄电池充电，当充电电流足够或蓄电池充满，所述PEM电解模块利用多余电流进行电解制氢，若所述储氢装置中的压力达到上限，则停止电解制氢；
所述夜间模式为采用所述光伏电池模块和所述蓄电池协同供电；在光照不足的白天和夜间，太阳能供应不足，由在日间模式下充满电能的蓄电池协同光伏电池模块向负载提供电能，此时不制氢；
所述连续阴雨天模式为采用所述PEM燃料电池模块供电；在连续阴雨的天气，太阳能和蓄电池均供应不足，无法为负载提供足够电能，此时釆用所述PEM燃料电池模块完全供电的方式向负载提供电能；一旦有微弱光能，则蓄电池进行充电。
进一步，所述直流母线的电压为12V；
所述光伏电池阵列的峰值电压为18V，功率为50W，连接一个二极管防止电流反灌，通过一带有MPPT功能的BUCK电压变换器连接到所述直流母线上；
所述PEM电解槽采用质子交换膜电解槽，输入电压为2.5V，功率为2W，通过一BUCK电压变换器从直流母线中获取功率；
所述PEM燃料电池模块采用四块质子交换膜燃料电池串联方式供电；
所述蓄电池为18650锂电池，采用三块串联的方式连接，电压为11.1V，容量为0.67Ah，通过BUCK/BOOST电压变换器连接到所述直流母线；
5V直流负载通过一个BUCK电压转换器连接在直流母线上；
所述Arduino单片机额定电压为5V，由所述直流母线提供功率；所述光伏电池模块、PEM电解模块、PEM燃料电池模块、蓄电池线路上都安装有一电压传感器和一电流传感器，所述电压传感器和电流传感器的信号通过通信总线传输给所述单片机，经过处理运算后根据所设计的控制逻辑通过继电器来控制电源模块的接入和断开，并通过LCD显示屏实时显示工作状态。
如图3所示，所述工作模式判断方法为：
设置电压传感器和电流传感器的刷新频率为2Hz，光伏电池最低工作电流为IO，蓄电池充电最大电压为UMAX，蓄电池放电最小电压为UMIN，采样IPV，UPV，IBAT，UBAT，IFC，UFC，IE，UE，IL，UL，计算出PPV，PBAT，PFC，PL，PE；(其中IPV：光伏电流，UPV：光伏电压，IBAT：电池电流，UBAT：电池电压，IFC：燃料电池电流，UFC，燃料电池电压IE：电解槽电流，UE：电解槽电压，IL：负载电流，UL：负载电压，计算出PPV：光伏功率，PBAT电池功率，PFC燃料电池功率，PL负载功率，PE电解槽功率)。
当IPV>IL，采用所述光伏电池模块供电，同时，当UBAT≥UMIN，PPV≥PL+PE，所述PEM电解模块电解制氢；当UBAT<UMIN，PPV≥PL+PE+PBAT，所述PEM电解模块电解制氢，所述蓄电池充电；当UBAT<UMIN，PPV<PL+PE+PBAT，PPV≥PL+PBAT，所述蓄电池充电；
当IPV≤IL，IPV>IO，UBAT≥UMIN，所述蓄电池供电，同时当PPV≥PE，所述PEM电解模块电解制氢；当IPV≤IL，IPV>IO，UBAT<UMIN，所述蓄电池供电，所述PEM燃料电池模块供电；当IPV≤IL，IPV≤IO，UBAT≥UMIN，所述蓄电池供电；当IPV≤IL，IPV≤IO，UBAT<UMIN，所述PEM燃料电池模块供电。
如图4所示，所述PEM电解槽还包括一个供水装置，使去离子水充满质子交换膜；所述供水装置包括储水器、支架、向上输送导管、向下输送导管，所述支架将所述储水器抬高至所述储水器底部高于所述PEM电解槽；所述向上输送导管出水口处设置一滴壶，用于分离去离子水和氧气；
所述储水器利用重力势能形成的液压通过所述向下输送导管将去离子水输入所述PEM电解槽，当去离子水充满所述PEM电解槽的质子交换膜，生成的氧气所述PEM电解槽将氧气和去离子水通过所述向上输送导管输入所述储水器，经过所述滴壶实现去离子水和氧气的分离，实现去离子水的循环。
如图5所示，所述PEM电解槽连接至两位三通电磁阀的口1，所述储氢装置连接至两位三通电磁阀的抠2，所述PEM燃料电池模块连接至两位三通电磁阀的口3；当所述PEM电解槽工作时，两位三通电磁阀处于断电状态，口1与口2连通，氢气从所述PEM电解槽流入所述储氢装置；当所述燃料电池模块工作时，所述PEM电解槽停止工作，两位三通电磁阀通电，口1与口2断开，口2与口3连通，氢气从所述储氢装置流入所述燃料电池模块。
如图6所示，所述联合发电储能系统集成在一箱体中，所述箱体开口用于散热，所述箱体设置有负载与所述光伏电池阵列的接口。
性能测试：测试装置时，采用直流稳压电源代替光伏电池板。由于单片机从直流母线中获取功率，所以光伏输入或蓄电池提供的功率大于负载功率，但是系统的总功率保持守恒。当开启。由于PEM燃料电池功率较小，无法提供负载所需功率，故将其从母线分离，接入单独的小功率负载，设定在电池供电后一分钟后开启。
测试过程如下：(1)开启直流电源输出电压，它开始为电池和负载供电，电解槽处于关闭状态；(2)增大电源的输出功率，PEM电解槽开启；(3)断开电源后，由电池向负载供电，PEM电解槽关闭；(4)一分钟后，开启PEM燃料电池，向小功率负载供电。
测试结果如图7所示，结果显示，该套装置可以通过智能控制系统可以有效地实现工作模式之间的切换以及系统稳定的运行。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.独立光伏-燃料电池-回收动力电池联合发电储能系统，其特征在于：包括光伏电池模块、质子交换膜(Proton Exchange Membrane,PEM)电解模块、PEM燃料电池模块、蓄电池、数据采集和能量管理系统、四个DC/DC变换器、直流母线、导线；
所述光伏电池模块包括光伏电池阵列、最大功率点跟踪太阳能(Maximum Power PointTracking,MPPT)控制器；所述光伏电池模块通过所述MPPT控制器使所述光伏电池阵列始终处于最大功率输出状态；
所述PEM电解模块包括PEM电解槽、储氢装置；所述储氢装置用于存储所述PEM电解槽电解水产生的氢气，并装有压力传感器检测装置内的压力；
所述PEM燃料电池模块利用所述储氢装置中提供的氢气和外界的空气，将化学能转化为电能；
所述蓄电池用于存储光伏电能或者提供负载电能；
所述光伏电池模块、PEM电解模块、PEM燃料电池模块、蓄电池分别通过一所述DC/DC变换器连接在所述直流母线上，将不稳定的直流电提升或降低为稳定的直流电，用于稳定直流母线上的电压，并通过继电器控制电源模块的接入和断开；所述PEM电解槽将所述光伏电池阵列，除供给负载以外剩余的电能用于电解水制氢储能于所述储氢装置中；
所述数据采集和能量管理系统采用单片机或可编程逻辑控制器(Programmable LogicController,PLC)实现智能控制，通过接收电压传感器和电流传感器的实时数据，实现不同工作模式，用于检测系统各功能单元运行参数，并通过显示系统实时显示工作状态。
2.如权利要求1所述的独立光伏-燃料电池-回收动力电池联合发电储能系统，其特征在于：所述工作模式包括日间模式、夜间模式、连续阴雨天模式；
所述日间模式为采用所述光伏电池模块供电；在光照强度足够强的白天，所述联合发电储能系统的输出功率大于负载功率，所述光伏电池模块输出功率向负载供电，剩余电能向所述蓄电池充电，当充电电流足够或蓄电池充满，所述PEM电解模块利用多余电流进行电解制氢，若所述储氢装置中的压力达到上限，则停止电解制氢；
所述夜间模式为采用所述光伏电池模块和所述蓄电池协同供电；在光照不足的白天和夜间，太阳能供应不足，由在日间模式下充满电能的蓄电池协同光伏电池模块向负载提供电能，此时不制氢；
所述连续阴雨天模式为采用所述PEM燃料电池模块供电；在连续阴雨的天气，太阳能和蓄电池均供应不足，无法为负载提供足够电能，此时釆用所述PEM燃料电池模块完全供电的方式向负载提供电能；一旦有微弱光能，则蓄电池进行充电。
3.如权利要求1所述的独立光伏-燃料电池-回收动力电池联合发电储能系统，其特征在于：所述光伏电池模块、PEM电解模块、PEM燃料电池模块、蓄电池线路上都安装有一电压传感器和一电流传感器，所述电压传感器和电流传感器的信号通过通信总线传输给所述单片机或PLC，经过处理运算后根据所设计的控制逻辑通过继电器来控制电源模块的接入和断开，并通过LCD显示屏实时显示工作状态。
4.如权利要求2所述的独立光伏-燃料电池-回收动力电池联合发电储能系统，其特征在于：所述工作模式判断方法为：
设置电压传感器和电流传感器的刷新频率为2Hz，光伏电池最低工作电流为IO，蓄电池充电最大电压为UMAX，蓄电池放电最小电压为UMIN，采样光伏电流IPV，光伏电压UPV，电池电流IBAT，电池电压UBAT，燃料电池电流IFC，燃料电池电压UFC，电解槽电流IE，电解槽电压UE，负载电流IL，负载电压UL，计算出光伏功率PPV，电池功率PBAT，燃料电池功率PFC，负载功率PL，电解槽功率PE；
当IPV>IL，采用所述光伏电池模块供电，同时，当UBAT≥UMIN，PPV≥PL+PE，所述PEM电解模块电解制氢；当UBAT<UMIN，PPV≥PL+PE+PBAT，所述PEM电解模块电解制氢，所述蓄电池充电；当UBAT<UMIN，PPV<PL+PE+PBAT，PPV≥PL+PBAT，所述蓄电池充电；
当IPV≤IL，IPV>IO，UBAT≥UMIN，所述蓄电池供电，同时当PPV≥PE，所述PEM电解模块电解制氢；当IPV≤IL，IPV>IO，UBAT<UMIN，所述蓄电池供电，所述PEM燃料电池模块供电；当IPV≤IL，IPV≤IO，UBAT≥UMIN，所述蓄电池供电；当IPV≤IL，IPV≤IO，UBAT<UMIN，所述PEM燃料电池模块供电。
5.如权利要求1所述的独立光伏-燃料电池-回收动力电池联合发电储能系统，其特征在于：所述PEM电解槽还包括一个供水装置，使去离子水充满质子交换膜；所述供水装置包括储水器、支架、向上输送导管、向下输送导管，所述支架将所述储水器抬高至所述储水器底部高于所述PEM电解槽；所述向上输送导管出水口处设置一滴壶，用于分离去离子水和氧气；
所述储水器利用重力势能形成的液压通过所述向下输送导管将去离子水输入所述PEM电解槽，当去离子水充满所述PEM电解槽的质子交换膜，生成的氧气所述PEM电解槽将氧气和去离子水通过所述向上输送导管输入所述储水器，经过所述滴壶实现去离子水和氧气的分离，实现去离子水的循环。
6.如权利要求1所述的独立光伏-燃料电池-回收动力电池联合发电储能系统，其特征在于：所述PEM电解槽连接至两位三通电磁阀的口1，所述储氢装置连接至两位三通电磁阀的抠2，所述PEM燃料电池模块连接至两位三通电磁阀的口3；当所述PEM电解槽工作时，两位三通电磁阀处于断电状态，口1与口2连通，氢气从所述PEM电解槽流入所述储氢装置；当所述燃料电池模块工作时，所述PEM电解槽停止工作，两位三通电磁阀通电，口1与口2断开，口2与口3连通，氢气从所述储氢装置流入所述燃料电池模块。
7.如权利要求1所述的独立光伏-燃料电池-回收动力电池联合发电储能系统，其特征在于：所述联合发电储能系统集成在一箱体中，所述箱体开口用于散热，所述箱体设置有负载与所述光伏电池阵列的接口。
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