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• 本文标题：100KW光伏燃料复合发电系统设计.doc
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• 内容摘要：100KW光伏燃料复合发电系统设计 学院， 专业， 姓名， 指导老师， 材料与环境学院 应用化学 黄佳欣 学号， 职称， 160505105244 李冲 讲师 中国珠海 二二年五月 诚信承诺书 本人郑重承诺，我所呈交的毕业设计100KW光伏燃料电池复合发电系统设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，论文使用的数据真实可靠。 承诺人签名，黄佳欣 日期，2020年5月15日 100KW光伏燃料电池复合发电系统设计 摘要 随着社会的快速发展和化石能源的储存量逐渐减少，能源危机愈加严重，因此利用新能源发电是未来的趋势。目前，光伏发电技术在我国已日趋成熟。对于独立太阳能光伏能源系统，由于蓄电池具有污染大寿命短以及太阳光具有间歇性等问题，使光伏发电系统的使用受到限制。合理地将燃料电池和光伏电池组合使用，可以在光照强度连续低于平均值的时候，使光伏电池的输出曲线不会出现较大的波动。 本设计通过参考国内外的光伏燃料电池复合发电系统的成功案列，以光伏发电系统为主，燃料电池为辅，结合电解系统和储氢系统，设计一套满足工厂用电的中型光伏燃料复合发电系统。 本设计通过比较不同类型太阳能板和燃料电池的优缺点，对材料和设备进行选型。然后对整套系统的结构和供电模式进行设计，采用优先级发电，剩余的电能通过并网的运行形式出售给国家电网，最后对有关数据进行计算，为建立厂房光伏燃料电池复合发电系统提供理论参考。 关键词，光伏发电，燃料电池，光伏燃料复合发电系统，电解槽，储氢装置  Designof100KWphotovoltaicfuelcellcompositepowergenerationsystem Abstract Withtherapiddevelopmentofsocietyandthereductionoffossilenergystoragetheenergycrisisisbecomingmoreandmoreserioussotheuseofnewenergypowergenerationiteadoffossilenergypowergenerationisthefuturetrend。AtpresentphotovoltaicpowergenerationtechnologyhasbecomeincreasinglymatureinChina。Forindependentsolarphotovoltaicenergysystemstheuseofphotovoltaicpowergenerationsystemsisrestrictedduetotheproblemsoflargepollutionshortlifeandintermittentsunlight。Thecombinationoffuelcellsandphotovoltaiccellscanbeusedreasonablysothatwhenthelightinteityiscontinuouslylowerthantheaveragevaluetheoutputcurveofthephotovoltaiccellwillnotfluctuategreatly。 ThisdesignrefetothesuccessfulcasesofphotovoltaicfuelcellcompositepowergenerationsystemsathomeandabroadfocusingonphotovoltaicpowergenerationsystemsfuelcellsassupplementscombinedwithelectrolyticsystemsandhydrogenstoragesystemstodesignasetofmediumsizedphotovoltaicfuelsthataresuitableforfactoryelectricityCompoundpowergenerationsystem。 Thisdesignselectsmaterialsandequipmentbycomparingtheadvantagesanddisadvantagesofdifferenttypesofsolarpanelsandfuelcells。Thenthestructureandpowersupplymodeoftheentiresystemaredesignedprioritygenerationisusedandtheremainingenergyissoldtothenationalgridthroughgridconnectedoperation。Finallytherelevantdataiscalculatedtoprovideatheoryfortheestablishmentofaplantphotovoltaicfuelcellcompositepowergenerationsystemreference。 Keywords:Photovoltaicpowergenerationfuelcellphotovoltaicfuelhybridpowergenerationsystemelectrolyzerhydrogenstoragedevice 目录 1。1课题研究背景 过去几十年，传统的化石能源是人类发电使用的主要能源。而随着人口的快速增长和受当前全球极端气候的影响，作为不可再生能源的传统化石能源，其储蓄量越来越少，因而化石能源的使用成本也越来越高。再者，传统化石能源受卡诺循环和现代材料的限制，发电效率仅有35%左右。因而，全球都在通过开发新能源发电，来减少二氧化碳等有害气体对空气的污染，缓解化石能源的使用压力。根据国家统计局发布的中华人民共和国2019年国民经济和社会发展统计公报[1]中，可以看出我国20152019年清洁能源消费占能源消费总量的比重是逐年增加的，从2015年18%增加至2019年的23。4%。 图1。120152019年清洁能源消费占能源消费总量的比重 现阶段，光伏发电在新能源发电领域中是较为成熟的发电形式。在我国，通过政策扶持和示范项目建设下，光热产业链不断发展，其中光伏发电的发电量预计将由2010年的35万KW增加到2050年的6亿KW。 除了光伏发电之外，燃料电池发电是目前研究的重点且有很好的发展前途。燃料电池的发电原理是将化学能直接转化为电能，其优点为转化效率较高对环境污染小。不同的新能源发电方式都有其自身的优缺点，而单一的新能源发电会因其自身的缺点导致应用过程中有比较多的限制，例如，对于光伏发电而言，独立的光伏能源系统中，必须有蓄电池作为储电装置，但蓄电池对环境的污染较大，使用寿命较短等缺点。若将两种或两种以上优缺点可以互补的新能源复合发电，可以减少限制，使其应用更广泛。 1。2太阳能光伏发电国内外概况 1。2。1太阳能光伏发电国外研究概况 光生伏特效应这种现象最开始是由法国科学家Becquerel[2]在1839年发现的，他通过实验发现半导体材料中的不同部位在太阳光的照射下会有电位差产生。 第一块单晶硅太阳能电池是由美国科学家Charbin在1954年制成的，其转换效率为6%，这也意味着太阳能发电技术的诞生。而第一块薄膜太阳电池是由Wieckel发现的，通过实验发现砷化镓有光伏效应，且在玻璃片上有薄膜沉积。 20世纪90年代，光伏发电技术得到快速发展，到2006年，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统和6座兆瓦级的联网光伏电站。2016年全球新增光伏发电装机容量就已经约为66。7GW。 1990年，德国为了鼓励每个家庭使用光伏发电的形式发电，发布了2000个光伏屋顶计划的政策，在屋顶装35KWp的光伏电池。目前，在德国已经有50%的家庭使用光伏发电。 1。2。2太阳能光伏发电国内研究概况 2010年，马胜红等人[3]对我国光伏发电产业的现状进行分析，对光伏发电的成本和化石能源发电的成本进行测算和对比，并且分析影响成本的因素。 2012年，上海普罗新能源有限公司[4]对我国现阶段光伏发电形式的投资成本和效益进行分析，系统地提出了实现光伏发电平价上网对各种因素的要求。 2014年，马翠萍等人[5]设计了不同规模的光伏系统，并且对其发电成本进行测算和分析影响成本的因素。 2010年，符慧德等人[6]对屋顶的光伏发电系统的构成进行介绍，分析了某地区家庭式光伏发电项目的经济和社会效益。 2007年，施钰川等人[7]对比了光伏发电和光热发电两种发电形式的特点，并阐述了三种不同的光热发电的原理，并对其提出建议。 光伏发电技术在我国已经趋于成熟，但还存在以下两个问题， 太阳能电池的转化率还较低，最高只能达到31。1%，且还处于试验阶段， 世界上80%的多晶硅原料来自我国，但由于没有自主核心技术，无法消耗如此大产量，其余只能全部出口，且制造的产品质量无法得到保证。 1。3燃料电池的国内外概况 1。3。1燃料电池国外研究概况 英国科学家Grove在做Pt电极电解硫酸的实验时，发现析出的氢气和氧气有电化学活性且有电势差，之后经过改进实验，把几个相同的装置串联在一起后，发现电势差变高了。 1889年，化学家LudwigMond和其助手CharlesLanger发现了增大膜电极中电极电解质反应气的三相接触面积的重要性。 1932年，英国工程师FrancisThomsBacon对LudwigMond和CharlesLanger[8] 1。3。2燃料电池国内研究概况 燃料电池在我国开始得到研究是在1958年，而第一次研究高峰是在20世纪70年代，主要研究的是如何在航天领域里运用。 2006年，沈国桥等人[10]对用于楼宇供电的燃料电池系统进行设计，该系统既可以并网运行，也可以离网运行，且在两种运行模式的切换过程中电压和电流的过冲都比较小。 2004年，刘呈则朱新坚[11]等将smith预估和PID控制结合，并在PEMFC输出控制时运用，通过仿真模拟发现此方法在小功率运用中可以得到快速响应。 2009年，严流进等[12]在现有模型的基础上对能够控制研究的质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池的系统进行改进，建立稳态模型并用VisualC++仿真模拟。 燃料电池发电技术已经越来越成熟，但还存在以下问题， 燃料电池使用的燃料剂为氢气，加氢站的建设成本高，储氢装置的安全性很难保障， 反应系统的耐久性技术还未成熟，有待提高， 国内没有较成熟的技术可以批量生产燃料电池的关键材料 燃料电池的检测体系还不健全不完善。 1。4光伏燃料电池复合发电系统国内外的研究现状 1。4。1光伏燃料电池复合发电系统国外的研究现状 光伏发电与燃料电池联合发电的概念是由SalfurRahman和KwasurTam在1988年提出的，并且讨论了将燃料电池作为光伏系统的后备电源时，两者协调发电的可行性并且描述了整个系统的结构和控制方法。 美国FullyIndependentResidentialSolarTechnology公司与HPower公司solarDepot公司以及SunPairates公司共同合作了一个项目，该项目为在科尔比中心的野营地安装光伏燃料联合发电系统，该系统稳定地运行了两年。 SophiaAntipolis[13]对位于法国南部的光伏燃料联合发电系统进行试验，得出了在800℃下，工作电压为24V，电流为120A和效率为85%的结论。 EngineCetin等[14]对在土耳其代尼兹利的一处用于建筑的光伏氢燃料电池能源系统从电压电流能效等方面进行研究。 D。B。Nelson等[15]设计了一个将风能光伏燃料电池联合发电的家庭式供电系统，该系统将蓄电池换成了电解槽储氢罐，并从成本的角度进行对比分析。 AbdellatifMiraoui等[16]用matlabSimulink模拟了光伏燃料联合系统在一年中的能量变化，并且对各子系统中的费用进行最优配置。 MassimoSantarelli[17]等人将太阳能风能水能分别与氢能联合进行实验。通过实验发现水氢联合系统的发电效率高于风氢发电系统高于太阳能与氢能结合发电系统。 O。C。Onar[18]等将风能燃料电池和超级电容器进行联合发电，通过能量优先管理原则，先利用风能，如果风能不满足负载发电时，利用燃料电池发电进行补充，而超级电容器在电能超过燃料电池最大功率时短期使用。 S。M。Pietruszko[19]等对位于波兰的一套光伏发电系统进行实时监测，结果表明该系统运行稳定，为系统的推广起了示范作用。 现阶段，国外以光伏燃料复合发电系统为研究对象所建立的数学模型研究不断增加，但由于重点关注某些设备而对其他相关设备简化，因而所建立的系统模型都不完整。 1。4。2光伏燃料电池复合发电系统国内的研究现状 李炜[20]深入研究了光伏燃料复合发电系统，设计了太阳能氢能燃料电池电能用户的能量输送链，并且对各个系统进行仿真模拟。 李春华[21]等人设计了太阳能燃料联合发电系统，并用matlabSimulink软件中进行仿真模拟，从经济和实用的角度，对系统的输出性能进行分析。经分析发现，光伏燃料电池复合发电系统与独立的光伏发电系统相比，前者的经济性能更强。 史君海等[22]提出了将光伏电池蓄电池以及燃料电池相结合，建立光伏氢能发电系统仿真模型，研究其输出特性。仿真结果发现两个系统联合发电比三个系统联合发电的成本高效率低，但前者的结构较简单，没有蓄电池可以减少对环境的污染。 卢继平等[23]提出了将风能氢能太阳能三种可持续的能源相结合，建立风光氢联合发电系统，主要通过控住功率来协调系统的稳定性。且通过将西藏作为系统的运行地点，运用软件对系统进行仿真，发现风速较大以及光照强度变化较大时，风光氢联合发电系统的发电效率较高。 张金琳[24]对光伏燃料复合发电系统进行技术开发研究采用工程优化技术建立了光伏发电系统燃料电池等数学模型形成了以光伏发电为主燃料电池为辅的复合发电系统，并且对该系统进行优化设计。 张谦等[25]利用蓄电池超级电容弥补光伏发电系统的不足，建立了联合发电的微电网系统，并为了能实现蓄电池，超级电容的快速响应，提出了基于直流母线电压平衡的控制策略。 张洁[26]设计了光伏燃料复合发电系统，分别建立各系统的数学模型且通过MatlabSimulink对各个模块进行仿真，对其影响发电的因素和特性进行分析。 毛军科[27]设计了由光伏阵列PEMFC电解槽储氢罐微型燃气轮机超级电容所构成的光伏燃料复合发电系统，并建立了复合发电系统的仿真模拟平台，并且根据系统所设计的容量对各模块进行简单的容量匹配和对系统进行能量管理。 目前我国的光伏燃料复合发电系统由于技术还不成熟结构较复杂投资成本还比较高等原因，而处于仿真模拟阶段，还未正式投入设计生活的使用。目前，国内外正致力于研究一套相对简单的光伏燃料电池复合发电系统，并且降低成本。 1。5设计的目的及意义 随着人口的增长，能源的需求量也随之增长。利用传统能源发电是当今各个国家发电的主要形式，但其不可再生的特性，使其储蓄量越来越少，因而化石能源的使用成本也越来越高。中国是化石能源最大的进口国和消费国，传统能源价格主要由国外主导，而能源价格对稳定工业竞争力十分重要，同时也影响了能源的消费结构。因此，新能源发电方式的研究迫不及待。 当前较为成熟的新能源发电技术为光伏发电，而太阳能发电的主要缺点是能量密度低，且受天气和时间等因素的影响能量不稳定。因此给人类利用太阳能带来了很多限制和很大的困难。而燃料电池发电发电效率高，燃料范围广，易取得，与光伏发电相结合，可以弥补其缺点。光伏燃料电池发电系统在国内还处于模拟阶段，但随着技术的不断成熟，其会成为未来发电方式的主流。这种复合发电系统符合当今社会对能源发电的要求，因此具有可持续发展的深远意义，主要体现在:(1)光伏燃料复合发电系统效率高，单独的光伏发电系统，由于其资源不集中，受日照的影响导致电能损耗较大，无法满足用户的用电需求。而燃料电池受气候等因素的限制较小，不考虑极化损耗，其发电效率可达50%以上。，2，减轻能源紧缺的压力，环境友好，降低大气污染。由此可见，此研究具有深远的意义。 1。6设计的主要内容 本设计将以广东省汕头市南澳县的一间厂房为载体，厂房一共有三层，每层的建筑面积为1000m2，共3000m2设计一套发电容量为100KW的中型光伏燃料复合发电系统。此复合发电系统作用为协调各子系统，实现全年的能源供需平衡。设计的内容如下， 光伏发电系统中，对比不同的材料，选择符合该发电系统的材料。结合系统的设计容量，对组件中的设备进行选型， 燃料电池系统中，对比五种不同的燃料电池类型，选择符合该发电系统的燃料电池类型，以及对该类型的燃料电池中的材料进行选择， 设计系统中各组件的连接方式和供电模式， 根据地理位置和气象信息，对系统的摆放角度进行计算， 根据系统工作寿命为20年计算需要的投资费用和经济效益。 2光伏发电系统 光伏发电是当今新能源发电形式中技术较为成熟的一种发电形式，主要有两种发电方式，其中一种是将光能转换为热能再转换为电能，另一种是直接把光能转换为电能。光热电转换的形式由太阳辐射的光能经由集热器转换成热能，再由驱动汽轮机转换成电能供给负载发电。而光电直接转换的形式由太阳辐射的光能经光伏系统后利用光伏发电的原理直接转换成电能，也称为光伏发电。 2。1光伏电池工作原理 光伏电池的发电原理是利用半导体的光电效应。当光子照射到太阳能板上，其能量被电子全部吸收。当电子所吸收的能量到达一定程度，可克服内部引力做功，之后电子离开金属表面出来，成为光电子。太阳光照在半导体PN结上，形成新的空穴电子对，在PN结内建电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流[28]。 图2。1光伏发电原理图解 2。2光伏发电的特性 2。2。1光伏发电的优点 光伏发电是目前研究的重点，有以下优点， 能源分布广，易得到， 光伏发电系统安全可靠，发电清洁，对环境友好，没有噪声和污染物排放， 整套系统的结构比较简单，体积较小，适合家庭式发电， 系统不需...
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