風光氫及超級電容混合發電系統

一、項目概述

風光氫及超級電容混合發電系統為科研創新理念與實驗、實訓型相結合的集風力發電，光伏發電、制氫系統、氫燃料電池發電、數據采集等多元化“風、光、氫混合型新能源實驗實訓系統"。

風光氫及超級電容混合發電系統由風力發電機組、太陽能電池組、風力及光伏控制系統、氫燃料電池發電系統、制氫系統、儲氫系統、主控系統組成的微網發電系統。其工作原理是風力、光伏發電系統發電，并由電池儲能，DC/AC逆變成交流電，驅動電解水設備制氫。氫氣通過儲氫系統儲存，并驅動燃料電池電堆發電。

此外，DC/AC模塊自帶旁路功能，旁路端直接與市電連接，實現市電和逆變間的自動切換，在蓄電池所儲電能不夠用時，自動切換至市電供電，確保持續制氫功能正常運行。在本方案設計中主要體現在氫燃料電池系統、制氫系統、儲氫系統的部分。  

1.1系統拓撲圖

圖1系統拓撲圖

1.2功能特點

①整套系統的各個模塊預留了CANRS485RS232USBTCPIP通訊接口，可以通過該通訊接口對系統中各個模塊進行監控，便于未來項目開發使用。

②系統實驗平臺集成了室內溫/濕度儀，風速測量、光照度測量系統，讓使用者操作起來更直觀；

③系統DC-AC并網同步電源，采用高頻脈沖調制技術，具有小體積、高效率及高功率因數輸出；

④系統面板上采用直觀的數字表和液晶顯示，讓用戶了解當前系統工作狀態；

⑤系統上的離網電源可以為用戶提供交流110V/220V純正弦波交流電能；

⑥實訓系統，可以讓實訓學生自行拆裝移動，使用簡便、無噪音、無污染；

⑦系統增加市電與風光互補發電切換模塊，讓實驗更具操作性；

⑧增加分布式供電原理與實驗電路，讓學生增加對新知識的理解；

⑨增設直流母線單元，方便系統各模塊之間連接及實驗；

⑩獨立的后備膠體蓄電池及充放電管理單元；

?燃料電池運行過程中，只排除水和熱量，不會產生任何有害物質及噪音；

?燃料電池較之傳統電源方案，其運行安全可靠、壽命長，維護簡單，降低了維護成本。
二、方案參數概述
2.1風力發電系統的組成

風力發電機是利用風力帶動風車葉片旋轉、轉換為機械功，機械功帶動發電機轉子旋轉，最終輸出交流電的電力設備，是風力發電系統中的核心部件。
風力發電系統由一臺5KW垂直軸風力發電機組、尾翼、葉片、風機控制器塔架等組成。

廣義地說，風能也是太陽能，所以也可以說風力發電機，是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質的熱能利用發電機。
風力發電機參數：

安裝場地選擇

選擇土質堅實的平地作為安裝場地，安裝風力發電機的組位置應該至少遠離房屋及人員活動場所50米，務必在選定安裝場地時考慮到風葉的光影影響及風力發電機組運行時產生的噪音影響（正常工作時噪音約為65dbA）。同時避免周圍有高大的樹木、建筑物等影響風速風向的障礙物。

禁止安裝在松軟的沙地、高低不平的場地、有下陷或塌方可能的場地、洼地及其他容易受氣候影響而發生地質變化的場地。同時需要考慮從風力發電機的電機部分到您的蓄電池組的距離，距離越短，所用傳輸電纜越短，因而傳輸過程中的耗能也越少，如果必須得有較長的距離,則盡量選用粗些的標準電纜。
風力發電控制器

專為風力發電機控制和蓄電池充電而設計， 能有效提升風力發電的效能。風能充電控制器，能有效防止風速過快時的失控，和發生強風時對風力發電機所產生的危險。

風力發電控制器是對風力發電機所發的電能進行調節和控制，一方面把調整后的能量送往直流負載或交流負載，另一方面把多余的能量按蓄電池的特性曲線對蓄電池組進行充電，當所發的電不能滿足負載需要時，控制器又把蓄電池的電能送往負載。蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過充。當蓄電池所儲存的電能放完時，控制器要控制蓄電池不被過放電，保護蓄電池。

控制器采用PWM無級卸載方式控制風機對蓄電池進行智能充電。在風力發電機所發出的電能超過蓄電池存儲量時，控制系統必須將多余的能量消耗掉。在正常卸載情況下，可確保蓄電池電壓始終穩定在浮充電壓點，而只是將多余的電能釋放到卸荷器上。從而保證了最佳的蓄電池充電特性，使得電能得到充分利用。
風力發電控制器參數：

2.2光伏發電系統

10KW太陽能電池組件分為兩部分，其中一個5KW采用標準鋼結構件固定在C型鋼件上，呈40度正面朝向正南方，整體支架系統放置在在面或者屋頂；另一個5KW采用雙軸自動跟蹤，經電纜輸送至室內實驗設備，可實現分布式屋頂發電相關實驗，所發電能與風力發電相結合，經DC-AC逆變成正弦波220V交流電，可供制氫系統使用、多余電能經儲能逆變器送入電網。

所有系統的設計、安裝與實際工程一樣，可在老師的指導下做為學生練習拆卸、組裝實習樣機來用。

太陽能光電池組

太陽能電池組是本實訓臺的核心組成部分亦是光伏發電系統的核心部件，是將光能轉換為電能并通過光伏控制系統儲存在儲能電池當中做為直流總線電源供給DC-AC并網同步電源。

太陽能電池組為多晶硅或單晶硅，是由高效晶體硅太陽能電池片、超白布紋鋼化玻璃、EVA、透明TPT背板以及鋁合金邊框組成。
其規格如下：

單晶硅太陽能電池規格

1、抗鹽霧和氨腐蝕等國際測試；
2、可承受風壓2400Pa,雪壓7200Pa；
3、優秀的弱光環境發電性能，陰天也能發電；
4、輸出功率年衰減率小于0.7%，第25年不低于組件初始功率的80.70%
1.組件型號：BY260P-29b  多晶
2.最大功率（W）：260
3.開路電壓（V）：35.9
4.短路電流（A）：7.27
5.最大功率點的工作電壓（V）：28.1
6.最大功率點的工作電流（Ａ）：6.7
7.轉化效率：17.12%
8.開路電壓溫度系數：-0.292%/K
9.短路電流溫度系數：+0.045%/K
10.功率溫度系統：-0.408%/K
11.最大系統電壓（V）：1000
12.組件尺寸（長×寬×高）：1640×992×40mm
13.重量：19.1kg
14.框架：陽極氧化鋁
15.玻璃：白色鋼化安全玻璃3.2mm
16.電池片封裝：EVA
17.背板：復合薄膜
18.太陽能電池片：6×10片多晶硅太陽能電池片（156mm×156mm）
19.接線盒
1)6個旁路二極管
2)絕緣材料：PPO
3)防水等級：IP65
?連接器
1)常規額定電流：30A
2)耐電壓：DC1000V
3)接觸電阻：<2mΩ
4)絕緣電阻：＞500MΩ
5)適用單芯電纜截面：2.5-6mm2
6)電纜外徑范圍：Φ5mm～Φ 7mm
7)環境溫度：-40℃～+ 105℃
8)防護等級：IP67
9)安全等級：Ⅱ
10)殼體：PC料，黑色
11)接觸件：紫銅CN，鍍錫SN
12)接線方式：壓接  MC4
20.電纜
1)長度：450mm,
2)規格：1×4mm2
3)顏色：紅、黑
?溫度范圍系數：-40°C to+85°C
?抗冰雹系數：最大直徑25mm,撞擊速度23m/s(51.2mph)
?最大表面負荷：7200pa
5KW光伏儲能逆變器介紹

產品主電路采用雙向PWM逆變電路及相應的控制電路、保護和監控電路。直流側由緩沖電阻、防反二極管和直流接觸器組成了直流側緩沖電路，當初始連接各種電池時對直流母線電容進行緩沖。主電路電源可有交直兩用供電，以使系統在電池或電網有電時都可以工作。

產品特點

1）技術*，全面滿足電網或負荷的接入與控制要求

①具有并網充放電、獨立逆變功能，適合各種應用場合

②具有并網和離網并聯功能，良好的擴容性

③可與多種蓄電池接口，具有多種充放電工作模式

④可以實時接受系統調度指令和BMS指令，通訊方式有RS485、CAN、以太網

⑤無功功率可調，功率因數范圍超前0.9至滯后0.9

⑥直流電壓范圍，支持低壓48V蓄電池輸入

⑦110%額定輸出功率可實現長時間運行
2）高效節能，更集成，更好的客戶體驗

①正面維護，可靠墻安裝，安裝維護更方便，降低維護成本

②防護等級為IP21，具有防滴水功能，具備防凝露功能

③高效PWM調制算法，降低開關損耗
3）更多優點

①雙電源冗余供電方案提升系統可靠性

②完善的保護及故障告警系統，更加安全可靠

③采用動態圖形液晶界面，提供友好的操作體驗

④-25℃~+55℃可連續滿功率運行

⑤適應高海拔惡劣環境，可長期連續、可靠運行

⑥支持離網主動運行功能

⑦適合共直流母線系統和共交流母線系統

產品技術指標

工作邏輯架構

a.并網發電、離網備用功能

4)電網供電時，儲能逆變器并網工作在恒壓模式，維持蓄電池SOC在一定水平，光伏逆變器并網發電
5)微網供電時，儲能逆變器工作在獨立逆變模式建網，光伏逆變器并網工作，光伏發電大于負載時，光伏優先供負載供電，剩余電力給電池充電；光伏發電小于負載時，儲能和光伏共同為負載供電。
6)可選擇電網優先或微網優先，根據選擇的模式進行供電邏輯切換
7)觸摸屏控制啟動、停止和參數設置

b. 電網（或柴油機）、微網切換功能

8)電網供電時，當電池組SOC超過設定值時，儲能逆變器和光伏逆變器不工作；當電池組SOC不足時，儲能逆變器獨立逆變建網，光伏逆變器并網工作，給電池組充電。
9)微網供電時，儲能逆變器工作在獨立逆變模式建網，光伏逆變器并網工作，光伏發電大于負載時，光伏優先供負載供電，剩余電力給電池充電；光伏發電小于負載時，儲能和光伏共同為負載供電。
10)可選擇電網優先或微網優先，根據選擇的模式進行供電邏輯切換
11)觸摸屏控制啟動、停止和參數設置
儲能蓄電池

蓄電池的作用主要是儲存能量，在晚上或多云等氣候情況下，光伏陣列不能提供足夠的能量時，蓄電池供給負載，保證系統的正常運行。

采用磷酸鐵鋰電池，安全性高適合長期充放電循環模塊化設計，電壓、容量按需配置。

系統由1個主控模塊和多個電池模塊組成，通過 48V電池模塊串聯組成不同電壓等級系統，通過多個機柜并聯，可以在同一個電壓平臺上擴展容量定制化電池管理系統（BMS） ，實時進行數據采集、狀態監控及控制，保證系統安全可靠運行。
規格參數：

2.3 氫燃料電池發電系統

燃料電池采用空冷自增濕的PEMFC電池，減少了水泵、水箱、增濕器、增壓泵等附屬設備，使電堆控制更簡潔、可靠。燃料電池系統除了核心部分質子交換膜燃料電池堆外，還需要一些輔助器件發電系統才能正常工作。總的來說，一個完整的燃料電池系統大致上由燃料電池發電系統和控制系統兩大部分組成，如圖2所示。其中，燃料電池發電系統主要由質子交換膜燃料電池堆、氫氣供應單元、氧氣或空氣供應單元、DC/DC四部分組成。而控制單元部分屬于控制系統。
燃料電池發電系統組成示意圖
燃料電池發電系統組成
1、燃料電池堆：
氫氣和氧氣在其內部發生電化學反應并釋放電能，是整個系統的核心。
2、氫氣供應單元（H2）
本系統指由制氫設備，儲氫系統及供氫管路組成。制氫設備制氫，并由儲氫系統通過管路向燃料電池堆提供特定壓力的氫氣。
3、空氣供應單元：
不間斷地向燃料電池提供電化學反應所需的氧氣，以確保質子交換膜燃料電池實現連續穩定的運行發電。
4、DC/DC：
氫燃料電池所產生的電能為直流電，其輸出電壓不僅受內阻影響而且隨著負載的變化而改變。因此，為保證供電性能的穩定，在燃料電池系統輸出端，須配置功率變換單元DC/DC，主要保證負載連續變化時，將輸出電壓穩定在合適的范圍。
5、控制單元：
控制單元是燃料電池發電系統的核心，用來接收數據采集系統采集的數據，并對它們進行分析，根據分析的結果來控制執行機構完成相應的動作。空冷自增濕燃料電池發電系統的控制單元通過控制系統、風扇、電磁閥即可保證燃料電池正常工作。
燃料電池系統工作示意圖

注：帶*的數據是在15℃-30℃的環境溫度范圍和30 - 90%的環境濕度范圍內取得的。
3.6制氫系統
制氫系統的原理

工業軟水經純水裝置制取純水，并送入原料水箱，經補水泵輸入堿液系統，補充被電解消耗的水。電解槽中的水，在直流電的作用下被分解成H2與O2，并與循環電解液一起分別進入框架中的氫、氧分離洗滌器后進行氣液分離、洗滌、冷卻。分離后的電解液與補充的純水混合后，經堿液冷卻器、堿液循環泵、過濾器送回電解槽循環，電解。調節堿液冷卻器冷卻水流量，控制回流堿液的溫度，來控制電解槽的工作溫度，使系統安全運行。分離后的氫氣由調節閥控制輸出，送入氫氣儲罐，再經緩沖減壓后，供用戶使用。
本項目中采用的制氫系統其具體規格如下：

制氫系統設備規格
注：系統接入具備AC/DC模塊，具備AC交流接入能力。
高純氫氣發生器

①輸出流量 0～1000ml

②功率 510W

③輸出壓力 0～1.1 MPa

④電源電壓

⑤交流220V±10%； 50Hz±5%

⑥工作條件

⑦溫度：5～42℃

⑧相對濕度：≤85%；
2.4 超級電容及控制系統
此超級電容系統以48V165F模組為基礎單元，采用3串的連接方式配組，配備有iCMS管理系統。系統由超級電容模組、BMS管理系統、5KW雙向DC-DC模塊、信息顯示終端組成。
1）48V165F模組參數
1、容量：165F(0～20%)；
2、額定工作電壓：48V；
3、等效直流內阻（25℃）：不大于5mΩ；
4、最大持續電流(ΔC=40℃)：150A；
5、漏電流：不大于5.2mA(25℃，72小時后)；
6、最大存儲能量：52.8Wh；
7、工作溫度：-40℃~+65℃
8、儲存溫度：-40℃~+70℃
2）整體系統主要技術性能
1、總電容量：55F(0～20%)；
2、電壓范圍：120V-135V;
3、最大持續電流(ΔT=40℃)：150A；
4、瞬時電流(1s內)：2000A
5、等效直流內阻：不大于18mΩ；
6、通訊：采用MODBUS_RS485；
7、CMS功能：檢測單個模組電壓、整體電壓、單個模組溫度、工作電流，并通過協議上傳及接受上位機命令；實現過壓報警、過溫報警、過流報警；系統過壓、過溫、過流達到設定值時，管理系統可控制系統斷開，實現對系統的保護。
3）超級電容使用環境及要求
1、環境溫度:-10℃至45℃；
2、最大濕度：90%(無凝露)；
3、防潮/防塵：符合SAE J2380技術規范；
4、使用海拔高度(m)：0～4000。
4）信息顯示終端
通過該信息終端與BMS系統、雙向DC-DC系統的結合，可以快速、方便的開發各種用于現場采集、數據處理和控制的設備。具有可顯示、可配置系統的各種參數以及通過對設備間數據采集的同時實現對超級電容系統的有效管理。
5）雙向DC-DC電源模塊
雙向DC-DC變換器(Bi-directional?DC/DC?Converter,?BDC)是能夠根據能量的需要調節能量雙向傳輸、是可雙象限運行的直流-直流變換器。該變換器能夠根據實際需要調節能量的流動方向，在功能上相當于兩個單向直流-直流變換器。
一、雙向DCDC變換器的工作模式

二、性能特點

①全數字化，各種參數及信號全部數字化處理，由數字處理器智能靈活地管理。性能和可控性均遠優于普通的模擬式雙向DC-DC變換器。

②模塊化設計，單模塊額定輸出功率5KW，可多臺雙向DC-DC變換器并聯運行。

③雙向變換都采用零電壓變換軟開關控制，使得轉換效率達到95%以上。

④能工作于恒流、恒壓、MPPT和壓控電流源等多種工作模式，并可在線快速頻繁地切換工作模式。

⑤運用多相交錯技術，有效地抑制了紋波，減弱了大電流了對器件的沖擊。

⑥空載功耗低于20W，處于監控待機狀態功耗低于12W。

⑦雙向變換的電流大小和方向，既可用數字方式設定，也可用模擬量方式控制。

⑧高低電壓側的工作電壓可單獨設定。

⑨高低電壓側的過壓保護電壓可單獨設定，保護兩側的設備不至于過壓損壞。

⑩高低電壓側的限壓也可單獨設定，保護兩側的電壓不至于過放電。

?高低電壓任何一側加電，均可使模塊啟動。

?開機軟啟動，防止產生過強的電壓電流沖擊兩端的電源。

?模塊帶有LED顯示面板，可實時顯示兩側電流，電壓，設定兩側工作電流，最高限壓。

?帶RS485串口通信功能，遵循MODBUS-RTU協議，方便計算機或監控終端遠程監測和設置的參數和工作狀態。

?RS485串口利用光耦隔離，可以有效防止雷擊對遠程監控計算機或者監控終端的影響。

?掉電狀態恢復功能：即使關斷雙向DC-DC變換器的供電，下次開機時也能恢復掉電前的設置和狀態。

?輸入極性防反接功能，電源極性接反不會有電流流過。

?各種異常情況保護功能：帶有過壓，過流，過熱，短路保護功能，故障撤銷后自動恢復工作。

?小體積：外殼尺寸360mm X160mm X 94mm，模塊尺寸295mm X142mm X 85mm。

?帶外殼整機重量3.8Kg，模塊重量為2.5Kg 。
三、電特性參數

2.5 顯示單元

系統配置有方陣電壓、電流；逆變電壓、電流、功率；實驗室溫度和濕度、實驗記時時鐘、逆向電量計量表等。方便在沒有與PC機聯機狀況下查看系統工作狀態和各項參數。
可以通過教師機進行信息共享至大屏幕，實現教室內局域網計算機數據交換與共享。
2.6 主控系統

主控系統是整個微網的監測、控制核心單元。通過內置的數據采集、通訊傳輸等模塊，實現對微網系統的可視化監測及控制。
主要功能特點
1、教師機：廣播教學、語音教學、語音對講、學生演示、監控轉播、文件分發、電子教鞭、班級模型、系統設置、遠程命令、遠程設置、遠程消息、分組教學、語音討論、文件收集、查看學生屬性。
2、學生機：電子舉手、遠程消息、窗口接收廣播、可選窗口顯示模式。
3、實驗室功能特點
(1)本實驗室風光互補上位機軟件在一臺計算機或教師機上進行操作。
(2)教師廣播教學：將教師機的電腦屏幕畫面和語音等多媒體信息實時廣播給全體、群體或單個學生。并同時提供電子教鞭等功能。語音教學時：通過話筒和耳機進行語音傳播，實現教師與學生之間的自由的語音交談和討論。允許學生發言，并可方便地切換發言學生；可隨時方便地使一組學生加入或退出教學行列。
(3)文件分發功能強大且界面相當易用，可以定義宏目錄，如教師把采集數據可以同時分發給教室里的所有學生。您可以將一個或多個文件一次性的傳輸到設定的學生機上。這樣就可以做到網上分發試卷或演示文件等。您真的可以體會網絡教學的輕松與寫意。
(4)文件提交功能可以收集學生所做的作業、程序文件等提交給老師，方便老師操作。
(5)電子點名功能方便老師統計學生上課考勤情況。
* 一、多媒體教學軟件及主要功能
1、通過該軟件可以學習太陽能光伏硅材料、電池片、光伏組件、光伏組件附屬材料、光伏應用產品等全部系列光伏知識內容。
2、配備文字與動畫展示并介紹從原材料至成品包括中間環節加工工藝等與使用方法。
3、多媒體系統自帶語音講解，圖、文、聲并茂展示講解、與系統所述文字同步播放，提高學生對新能源專業知識快速掌握和快速學習。
* 二、展示與講解內容目錄（圖、文、聲并茂）：
2.1 太陽能光伏發電產品介紹
2.1.1 太陽能發電系統：
2.1.2 家用太陽能發電機直流系統多媒體電視機
2.1.3 太陽能便攜電源：
2.1.4 太陽能殺蟲燈
2.1.5 太陽能警示燈
2.1.6 太陽能野營燈
2.2 太陽能光伏發電基本原理
2.3 太陽能光伏發電系統組成部分介紹
2.4 太陽能光伏發電系統設計方法
2.5 太陽能光伏電站施工建設方法
2.5.1、項目前期考察
2.5.2、項目建設前期資料及批復文件
第一階段：可研階段
第二階段：獲得省級/市級相關部門的批復文件
第三階段：獲得開工許可
2.5.3、項目施工圖設計
2.5.4、項目實施建設
2.5.5、帶電前的必須條件
2.6太陽能光伏并網電站介紹
2.6.1、光伏并網電站簡要描述
2.6.2、光伏并網電站設備組成
2.6.2、光伏并網電站設備功能
2.7 家用型太陽能電站建設方案
2.7.1、項目概述
2.7.2、方案設計 （附詳細方案設計）
（一）用戶負載信息
（二）系統方案設計
（三）效益計算：  
2.8 逆變器基本原理介紹
2.9 控制器基本原理介紹