研究 | 光伏-PEM儲氧系統建模與仿真

光伏發電存在間歇性的缺點，需要一個可持續的儲能系統來滿足需求。介紹光伏-PEM (?質子交換膜)?儲氫系統，將電能轉化為氫氣儲存，后期再通過PEM燃料電池將氫氣轉化為電能。該系統包含光伏發電系統、PEM制氫電解槽以及燃料電池等，通過電解水產生氫氣，氫氣在高壓下儲存在壓縮儲罐中以備后用，后期系統有需要時，氫氣將通過PEM燃料電池重新轉化為電能。光伏發電系統的輸出電流由PI控制器控制，以穩定電解槽的輸入電流。對于光伏-PEM 儲氫系統，主要問題是對天氣條件的依賴。通過系統建模來模擬光伏-PEM 儲氫系統的運行過程，評估與太陽能光伏輸出電流相關的光照強度對氫氣生產、氫氣儲存以及后期氫氣再電氣化的影響，為后續有助于緩解與太陽能、風力發電和其他間歇性發電相關的儲能問題奠定基礎。

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PEM 電解槽的等效電路如圖 3 所示。

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式中: V( T，p) 為制氫電解槽的輸入電壓; ( T， p) 分別表示溫度和壓力; erev( T，p) 為反向電壓，即電解水反應需要的最小電壓; Ｒi ( T，p) 為初始 PEM 電解槽電阻; I 為輸入電流。電流直到電解電壓達到臨界值 ( V( T，p) ≥ erev( T，p) ) 才開始流動，可以表示為:

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、式中: Ｒ_i0為初始電阻; p₀和 T₀分別為參考壓力和溫度;d_Ｒt為電阻溫度系數; k 為曲線擬合參數。電解槽所需要的最小電壓可以表示為:

式中: F 為法拉第常數; p 為實際壓力。電解槽的理想電壓 Vi 可以表示為:

吉布斯自由能 ΔG 用下式表示:

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式中: Ｒ 為理想氣體常數。制氫速率 vH可以表示為:

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式 ( 11) 中，產氫速率以 mL /min 表示，它同時 可以用 L / s 表示，也可以表示為:

在穩態條件下，對于多個 PEM 電解槽，輸入電壓表示如下:

式中: ns、np 分別為 PEM 電解槽的串、并聯數。每秒產生的氫氣的化學能表示為：

電解槽實際獲得的功率表示為：

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1.3?儲氫罐建模

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式中: pt 和 pti 分別為儲罐的壓力和初始壓力; MH₂為氫氣的摩爾質量 ( kg / kmol) ; NH₂為電解槽產生 并輸送到儲罐的氫氣速率 ( mol/ s) ; Tt 為儲氫罐的工作溫度 ( K) ; Vt 為儲罐的體積 ( m³) ; z 為壓縮系數。

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其中: N 是串聯電池的數量; Ifc 和 Vfc 分別為每 個 PEM 燃料電池的電流和電壓。PEM 燃料電池每秒消耗的氫氣量為:

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PEM 燃料電池每秒產生的水量為:

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仿真結果與分析

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在 MATLAB 環境中仿真和模擬可再生氫的生產和儲存模型。光照強度在t=0.1s時發生變化，由1000W/m²下降到800W/m²，此時溫度保持連續。圖4模擬了光伏板功率。由于其依賴于光照強度和電流，光伏板功率在t=0.1s時降低。單個PEM電解槽的額定電流密度為 1 A/cm²，額定電壓為2V，研究的制氫電解槽由12個250cm²的電解槽串聯連接組成，所以此時其額定電壓為24V。因此電解槽必須由6kW 供電才能生產可再生氫氣。降壓控制器對電流進行了有效的控制，將電解槽的輸入電流固定在250A，該值隨著光照強度的減小在t=0.1s 時降低到200A，如圖5所示。圖6表示在 t =0.1s 時，隨著電流的減小，PEM 電解槽功率也減小。

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從圖7可以看出: 電壓從臨界電壓17.87V 開始變化，此時曲線的線性部分代表制氫電解槽的內阻。圖8提到了電解槽電壓的非線性部分，非線性和線性部分之間的過渡區域代表了制氫電解槽發生反應的激活區域。

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制氫速率隨電流和時間變化曲線如圖9所示。曲線表明產氫取決于電流的變化，而電流的變化直接取決于光照強度變化。從圖10和圖11可以看出: 電解 槽制氫量和燃料電池每秒耗氫量隨時間變化的曲線大致相同。

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結語

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儲氫是緩解光伏發電等可再生能源發電系統間歇性的主要解決方案。上述模擬結果表明，光照強度的變化影響PEM電解槽的輸入電流和后續氫氣的產生、 氫氣儲存以及后期氫氣的再電氣化。從該模擬中得出的最顯著結果是光照強度的減小導致氫燃料電池的輸出功率增加。可以將該系統納入微電網并與其他儲能系統一起運行。

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