太阳能光伏-燃料电池联合发电系统蓄电池和燃料电池的配置研究

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1、太阳能光伏－燃料电池联合发电系统蓄电池和燃料电池的配置研究王侃宏1，侯佳松1，肖静静1，戚高启2，胡翠华1，白华夏1，刘少亮1    ( 1． 河北工程大学，河北 邯郸 056038; 2． 中海油服，天津 304500)    摘 要: 建立了联合系统的太阳能光伏阵列、燃料电池、电解槽、蓄电池等模块的数学模型，并对每个模块进行matlab / simulink 仿真模拟，重点模拟了在 1 kW 光伏条件下，蓄电池、燃料电池以不同功率( 0 W /1000 W，200 W /800W，500 W /500 W，800 W /200 W

2、，1000 W /0 W) 分配时，输出功率特性以及各个情况下的费用问题，并通过实验进行验证，可知蓄电池、燃料电池按照 200 W/800 W 功率分配时，其效率、费用总体优于其他方案。    关键词: 联合系统; matlab/simulink 模拟; 经济性分析    中图分类号: TK514   文献标志码: A  文章编号: 1673-159X( 2011) 06-0043-05    我国水力资源丰富，电解水制氢具有良好的发展前景，而且，我国的太阳能资源也比较丰富，太阳能取之不尽，但其本身存在着内在间歇性和不稳定性问题; 因

3、此，利用光电制氢方法( 即太阳能光伏发电) 电解水制氢系统具有良好的发展前景。随着光伏电池转换效率的提高、成本的降低及使用寿命的延长，其用于制氢的前景不可估量。同时，太阳能、风能及海洋能等也可通过电制得氢气并用氢作为中间载能体来调节、贮存、转化能量，使得对用户的能量供应更为灵活方便。    “电”具有容易从各种一次能源中制取，转换到其他各种形式能量的效率高，以及使用方便等特性，但它也存在难以大量储存和远距离输送的问题，而氢弥补了这些缺点，起到了与电互补的作用。传统的太阳能光伏发电系统用的是蓄电池，蓄电池具有效率高、能量密度低、自放电效

4、率高、不宜长期储存等特点。而氢能具有能量密度高、易长期储存、无泄漏等优点，但电解氢装置和燃料电池效率较低。因此，氢能和蓄电池共同作用，有利于效率的提高和经济性要求。    本文基于上述思想，对 1 kW 的光伏，通过模拟和实验，进行各个情况下蓄电池和燃料电池的配置研究，以及各个情况下的费用问题的研究。    1 联合系统的模拟过程    本文主要研究蓄电池、燃料电池之间的配比关系。假定光伏电量按某一定值 1 kW 计算，蓄电池、燃料电池按不同的电量分配，通过 matlab / simulink模拟出各种情况下输出功率的情况。    1

5、. 1 联合系统的原理图    联合系统的原理图如图 1 所示。本文主要研究不同功率分配下通过蓄电池和燃料电池两路的情况。         1. 2 联合系统模拟方案    1) 1 kW 的光伏，完全通过蓄电池时，模拟出蓄电池的输出功率;    2) 1 kW 的光伏，按照 20% ，80% 分配电量通过蓄电池、燃料电池时，模拟出此种情况下蓄电池、燃料电池的输出功率情况;    3) 1 kW 的光伏，按照 50% ，50% 分配电量通过蓄电池、燃料电池时，模拟出此种情况下蓄电池、燃料电池的输出功率情况;    4) 1 kW 的光

6、伏，按照 80% ，20% 分配电量通过蓄电池、燃料电池时，模拟出此种情况下蓄电池、燃料电池的输出功率情况;    5) 1 kW 的光伏，完全通过燃料电池时，模拟出燃料电池的输出功率情况;        1. 3 联合系统模拟结果    本文建立了联合系统各模块的数学模型，包括光伏阵列数学模型、蓄电池数学模型、燃料电池数学模型、电解池数学模型，并进行了各模块的 matlab/simulink 模拟。    假定蓄电池、燃料电池在相同的外界温度、压力条件下，燃料电池流以相同的电流，每块单电池的特性相同( 包括单电池的活化面积 50. 

7、6 cm2，膜厚度17. 8 mm) ; 电解槽也类似，不同的只是电解槽中每块单电池的面积为 50 cm2，膜厚度为 5. 1 mm; 则各情况下，模拟的输出功率结果如图 2 ～5 所示。             从蓄电池充、放电输出功率的模拟，以及电解池、燃料电池输出功率的模拟，可以比较出在各种不同功率分配情况下的输出功率，即 1 kW/0 W，800W /200 W，0 W /500 W，200 W /800 W，0 W /1 kW时，输出功率如表 1 所示。         按每天使用 8 h 计算，以方案 1 的 1 kW 蓄

8、电池计算为例，20 a 的输出电量为:         由分析可以看出，蓄电池的转化效率比燃料电池高，因此，蓄电池、燃料电池联合系统中，蓄电池容量越大，其输出功率值必定越大; 但蓄电池一般容量较大，工作寿命较短，一般就3