研究 | 光伏-PEM储氧系统建模与仿真

光伏发电存在间歇性的缺点，需要一个可持续的储能系统来满足需求。介绍光伏-PEM ( 质子交换膜) 储氢系统，将电能转化为氢气储存，后期再通过PEM燃料电池将氢气转化为电能。该系统包含光伏发电系统、PEM制氢电解槽以及燃料电池等，通过电解水产生氢气，氢气在高压下储存在压缩储罐中以备后用，后期系统有需要时，氢气将通过PEM燃料电池重新转化为电能。光伏发电系统的输出电流由PI控制器控制，以稳定电解槽的输入电流。对于光伏-PEM 储氢系统，主要问题是对天气条件的依赖。通过系统建模来模拟光伏-PEM 储氢系统的运行过程，评估与太阳能光伏输出电流相关的光照强度对氢气生产、氢气储存以及后期氢气再电气化的影响，为后续有助于缓解与太阳能、风力发电和其他间歇性发电相关的储能问题奠定基础。

PEM 电解槽的等效电路如图 3 所示。

式中: V( T，p) 为制氢电解槽的输入电压; ( T， p) 分别表示温度和压力; erev( T，p) 为反向电压，即电解水反应需要的最小电压; Ｒi ( T，p) 为初始 PEM 电解槽电阻; I 为输入电流。电流直到电解电压达到临界值 ( V( T，p) ≥ erev( T，p) ) 才开始流动，可以表示为:

、式中: Ｒ_i0为初始电阻; p₀和 T₀分别为参考压力和温度;d_Ｒt为电阻温度系数; k 为曲线拟合参数。电解槽所需要的最小电压可以表示为:

式中: F 为法拉第常数; p 为实际压力。电解槽的理想电压 Vi 可以表示为:

吉布斯自由能 ΔG 用下式表示:

                           

式中: Ｒ 为理想气体常数。制氢速率 vH可以表示为:

式 ( 11) 中，产氢速率以 mL /min 表示，它同时 可以用 L / s 表示，也可以表示为:

在稳态条件下，对于多个 PEM 电解槽，输入电压表示如下:

式中: ns、np 分别为 PEM 电解槽的串、并联数。每秒产生的氢气的化学能表示为：

电解槽实际获得的功率表示为：

1.3 储氢罐建模

式中: pt 和 pti 分别为储罐的压力和初始压力; MH₂为氢气的摩尔质量 ( kg / kmol) ; NH₂为电解槽产生 并输送到储罐的氢气速率 ( mol/ s) ; Tt 为储氢罐的工作温度 ( K) ; Vt 为储罐的体积 ( m³) ; z 为压缩系数。

其中: N 是串联电池的数量; Ifc 和 Vfc 分别为每 个 PEM 燃料电池的电流和电压。PEM 燃料电池每秒消耗的氢气量为:

PEM 燃料电池每秒产生的水量为:

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仿真结果与分析

在 MATLAB 环境中仿真和模拟可再生氢的生产和储存模型。光照强度在t=0.1s时发生变化，由1000W/m²下降到800W/m²，此时温度保持连续。图4模拟了光伏板功率。由于其依赖于光照强度和电流，光伏板功率在t=0.1s时降低。单个PEM电解槽的额定电流密度为 1 A/cm²，额定电压为2V，研究的制氢电解槽由12个250cm²的电解槽串联连接组成，所以此时其额定电压为24V。因此电解槽必须由6kW 供电才能生产可再生氢气。降压控制器对电流进行了有效的控制，将电解槽的输入电流固定在250A，该值随着光照强度的减小在t=0.1s 时降低到200A，如图5所示。图6表示在 t =0.1s 时，随着电流的减小，PEM 电解槽功率也减小。

从图7可以看出: 电压从临界电压17.87V 开始变化，此时曲线的线性部分代表制氢电解槽的内阻。图8提到了电解槽电压的非线性部分，非线性和线性部分之间的过渡区域代表了制氢电解槽发生反应的激活区域。

制氢速率随电流和时间变化曲线如图9所示。曲线表明产氢取决于电流的变化，而电流的变化直接取决于光照强度变化。从图10和图11可以看出: 电解 槽制氢量和燃料电池每秒耗氢量随时间变化的曲线大致相同。

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结语

储氢是缓解光伏发电等可再生能源发电系统间歇性的主要解决方案。上述模拟结果表明，光照强度的变化影响PEM电解槽的输入电流和后续氢气的产生、 氢气储存以及后期氢气的再电气化。从该模拟中得出的最显著结果是光照强度的减小导致氢燃料电池的输出功率增加。可以将该系统纳入微电网并与其他储能系统一起运行。

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