光伏-氫發電聯合演示實驗裝置設計

汪義旺, 張　波, 吳思奎, 倪夢迪

(1. 蘇州市職業大學 電子信息工程學院, 江蘇 蘇州　215104；2. 江蘇省光伏發電工程技術研究開發中心, 江蘇 蘇州　215104)

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光伏-氫發電聯合演示實驗裝置設計

汪義旺1,2, 張波1,2, 吳思奎1, 倪夢迪1

(1. 蘇州市職業大學 電子信息工程學院, 江蘇 蘇州215104；2. 江蘇省光伏發電工程技術研究開發中心, 江蘇 蘇州215104)

將太陽能光伏發電用于制氫,具有節能環保的優勢。設計了一種太陽能光伏-氫氣發電的聯合演示實驗裝置,可以用于光伏發電的科普演示及相關實驗教學等。測試表明，所設計的裝置具有結構緊、演示性能好等優點。

太陽能光伏； 氫氣發電； 實驗裝置

隨著技術的發展,太陽能光伏發電和氫氣發電作為兩種重要的清潔能源獲得了越來越多的應用和發展[1-3]。太陽能光伏發電主要利用太陽能電池裝置實現光電轉換，氫能資源則可以通過不同的途徑來實現[4],電解水制氫具有資源豐富、可再生以及可與燃料電池相結合等優勢,是實現氫能經濟的重要途徑之一[5]。

將太陽能光伏發電應用于制氫,可以充分利用太陽能綠色能源,可以解決光伏發電的存儲難題[6]。由于光伏發電和氫氣發電都屬于新能源,為了加深人們對技術的掌握和學習,有必要設計開發相應的實驗裝置。為此,設計開發了一種太陽能光伏-氫氣發電的聯合演示實驗裝置,并進行測試實驗。

1　實驗裝置組成

太陽能制氫實驗裝置主要由太陽能電池組件、控制轉換電路、制氫電解槽、燃料電池發電演示模塊等組成[5-8]，系統組成框圖見圖1。

圖1　系統結構框圖

太陽能電池組件將太陽能轉換成電能,由充電控制電路將輸出的電能進行變換處理后給電解水制氫供電。電解水制氫產生氫氣,氫氣經燃料電池發電,帶動演示負載工作。控制器系統完成整個演示裝置的控制,包括充電、制氫、放電和顯示燈功能。

2　裝置設計

2.1光伏電池

太陽能光伏電池采用晶體硅電池組件(見圖2),實現光電轉換,為系統提供電能。在室內或者光照條件差進行演示實驗時,可以采用模擬的光照燈替代太陽光實現光電轉換的功能。

圖2　光伏發電示意圖

本實驗系統所選用的光伏電池為兩塊峰值功率為10W的多晶硅電池組件串聯,單塊組件的參數見表1。

表1　電池組件參數表

2.2發電控制電路

由于制氫系統采用DC12V供電,所以將光伏電池輸出的電壓轉換成穩定的DC12V輸出。選用LM2596開關降壓型DC變換器芯片實現對光伏輸出電壓的降壓變換和穩定的電壓輸出[7-8]。

2.3電解水制氫和燃料電池

電解水制氫主要有3種不同種類的電解槽,分別為堿性電解槽、交換膜電解槽和固體氧化物電解槽[5-6]。本設計采用質子交換膜(PEM)水電解池實現制氫。PEM水電解池具有安全、清潔、高效等優點,比較適合在小型實驗裝置中應用。PEM水電解水池結構示意圖見圖3。

圖3　PEM水電解池結構示意圖

質子交換膜燃料電池具有安靜、環保、高效和實用簡單等優點,目前在電源、汽車等領域獲得了廣泛的應用。燃料電池是將氫氣和氧氣反應的化學能直接轉換成為電能的裝置,反應原理如下[9-12]:

陽極反應H2-2e-→2H+

陰極反應1/2O2+2H++2e-→H2O

總反應1/2O2+H2→H2O(液態)

3　控制器系統電路設計

為了實現對整個演示裝置的控制和管理,開發了基于MCU的可以實現對發電電壓、電流的在線監測與處理,并具備LCD顯示功能等。控制器系統框圖見圖4。控制器系統采用STC15F2K60S2作為控制芯片。

圖4　控制器系統框圖

4　實驗及測試

設計開發的演示裝置實驗系統實物圖見圖5。

圖5　太陽能制氫發電演示實驗裝置實物圖

本系統采用太陽能供電,通過控制可以直觀地演

示太陽能光伏發電、電解水制氫和燃料電池發電等。上電進行實驗表明,可以正常運行,并取得了良好的實驗效果。裝置采用液晶顯示可以清楚看出實時發電情況,便于觀察和實驗。此外,本裝置可以通過改變光照(模擬光照條件)實現制氫速度快慢的變化等。

5　結語

針對太陽能光伏發電和氫氣新能源的應用普及教育需要,設計開發太陽能光伏-氫發電聯合演示實驗裝置,裝置將太陽能光伏新能源發電技術應用到電解水制氫中,并通過燃料電池實現氫氣發電。通過該實驗裝置,可以同時實現對太陽能光伏和氫氣發電的演示。所設計的裝置具有結構緊湊、演示度高等優點,適合在新能源發電技術科普和相關實驗教育教學領域推廣應用。

References)

[1] 王利珍,譚洪衛,莊智,等. 基于GIS平臺的我國太陽能光伏發電潛力研究[J]. 上海理工大學學報,2014,36(5):491-496.

[2] 李芬,陳正洪,何明瓊,等. 太陽能光伏發電的現狀及前景[J].水電能源科學,2011,29(12):188-192.

[3] 侯明,衣寶. 燃料電池技術發展現狀與展望[J].電化學,2012,18(1):1-13.

[4] 李慶勛,劉曉彤,劉克峰,等. 大規模工業制氫工藝技術及其經濟性比較[J]. 天然氣化工,2015(40):78-82.

[5] 劉蕓.綠色能源氫能及其電解水制氫技術進展[J].電源技術,2012,36(10):1579-1581.

[6] 劉金亞,張華,雷明鏡,等. 太陽能光伏電解水制氫的實驗研究[J]. 可再生能源,2014,32(11):1603-1608.

[7] 張京,張根燦.基于CN3705和LM2596的鋰電池充放電系統[J]. 電子技術與軟件工程,2013(17):167-168.

[8] 潘傳勇,丁國臣,陳世夏. 基于LM2596的不間斷直流電源設計[J]. 現代電子技術,2013，36(17):107-109.

[9] 郝德利,韓立明,薛金生,等. 質子交換膜燃料電池技術進展[J].電源技術,2001,25(6):436-440.

[10] 李奇,陳維榮,賈俊波,等.質子交換膜燃料電池建模及其PID控制[J].電源技術,2008,32(9):592-595.

[11] 梁靈威,方偉強,萬珍平,等. 微小型質子交換膜燃料電池性能測試分析[J].電源技術,2013,37(1):16-18.

[12] 睿麗教學儀器廠.氫燃料電池實驗器說明書[EB/OL].[2015-10-18].https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.3-c.w4002-1288818781.10.Qycsbh&id=9037390756.

Designofsolarphotovoltaic-hydrogenpowergenerationjointdemonstrationexperimentalequipment

WangYiwang1,2,ZhangBo1,2,WuSikui1,NiMengdi1

(1.SchoolofElectronicandInformationEngineering,SuzhouVocationalUniversity,Suzhou215104,China；2.JiangsuEngineeringResearchCenterforPVGeneration,Suzhou215104,China)

Solarphotovoltaicpowergenerationforhydrogenproductionhasenergysavingandenvironmentallyfriendlyadvantages.Therefore,asolarphotovoltaic-hydrogenpowergenerationjointdemonstrationexperimentalequipmentwasdesigned.Thedesignedequipmentcanbeusedtodemonstratescientificactivitiesandexperimentalteachingofphotovoltaicandhydrogenpowergeneration.Thisdesignhasacompactstructure,andgooddemonstrationperformance.

solarphotovoltaic；hydrogenpower；experimentalequipment

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.025

2015- 10- 21修改日期：2016- 02- 18

江蘇省“青藍工程”資助(蘇教師[2012]39號);蘇州市“高技能人才培養研發”市級課題“高技能人才品牌項目研發”(GJNP201431)；江蘇開放大學(江蘇城市職業學院)“十二五”規劃2015年度課題 (15SEW-Q-054);蘇州市職業大學校級教改項目“校企合作《太陽能光伏發電技術項目化實訓教程》教材建設”(SZDJG-13018)

汪義旺(1981—),男,安徽安慶,碩士,講師,主要從事電力電子新技術及應用的教育與研究.

E-mail：wyiwang@163.com

TK514；G484

A

1002-4956(2016)5- 0097- 02