光伏-氢发电联合演示实验装置设计

汪义旺, 张　波, 吴思奎, 倪梦迪

(1. 苏州市职业大学 电子信息工程学院, 江苏 苏州　215104；2. 江苏省光伏发电工程技术研究开发中心, 江苏 苏州　215104)



光伏-氢发电联合演示实验装置设计

汪义旺1,2, 张波1,2, 吴思奎1, 倪梦迪1

(1. 苏州市职业大学 电子信息工程学院, 江苏 苏州215104；2. 江苏省光伏发电工程技术研究开发中心, 江苏 苏州215104)

将太阳能光伏发电用于制氢,具有节能环保的优势。设计了一种太阳能光伏-氢气发电的联合演示实验装置,可以用于光伏发电的科普演示及相关实验教学等。测试表明，所设计的装置具有结构紧、演示性能好等优点。

太阳能光伏； 氢气发电； 实验装置

随着技术的发展,太阳能光伏发电和氢气发电作为两种重要的清洁能源获得了越来越多的应用和发展[1-3]。太阳能光伏发电主要利用太阳能电池装置实现光电转换，氢能资源则可以通过不同的途径来实现[4],电解水制氢具有资源丰富、可再生以及可与燃料电池相结合等优势,是实现氢能经济的重要途径之一[5]。

将太阳能光伏发电应用于制氢,可以充分利用太阳能绿色能源,可以解决光伏发电的存储难题[6]。由于光伏发电和氢气发电都属于新能源,为了加深人们对技术的掌握和学习,有必要设计开发相应的实验装置。为此,设计开发了一种太阳能光伏-氢气发电的联合演示实验装置,并进行测试实验。

1　实验装置组成

太阳能制氢实验装置主要由太阳能电池组件、控制转换电路、制氢电解槽、燃料电池发电演示模块等组成[5-8]，系统组成框图见图1。

图1　系统结构框图

太阳能电池组件将太阳能转换成电能,由充电控制电路将输出的电能进行变换处理后给电解水制氢供电。电解水制氢产生氢气,氢气经燃料电池发电,带动演示负载工作。控制器系统完成整个演示装置的控制,包括充电、制氢、放电和显示灯功能。

2　装置设计

2.1光伏电池

太阳能光伏电池采用晶体硅电池组件(见图2),实现光电转换,为系统提供电能。在室内或者光照条件差进行演示实验时,可以采用模拟的光照灯替代太阳光实现光电转换的功能。

图2　光伏发电示意图

本实验系统所选用的光伏电池为两块峰值功率为10W的多晶硅电池组件串联,单块组件的参数见表1。

表1　电池组件参数表

2.2发电控制电路

由于制氢系统采用DC12V供电,所以将光伏电池输出的电压转换成稳定的DC12V输出。选用LM2596开关降压型DC变换器芯片实现对光伏输出电压的降压变换和稳定的电压输出[7-8]。

2.3电解水制氢和燃料电池

电解水制氢主要有3种不同种类的电解槽,分别为碱性电解槽、交换膜电解槽和固体氧化物电解槽[5-6]。本设计采用质子交换膜(PEM)水电解池实现制氢。PEM水电解池具有安全、清洁、高效等优点,比较适合在小型实验装置中应用。PEM水电解水池结构示意图见图3。

图3　PEM水电解池结构示意图

质子交换膜燃料电池具有安静、环保、高效和实用简单等优点,目前在电源、汽车等领域获得了广泛的应用。燃料电池是将氢气和氧气反应的化学能直接转换成为电能的装置,反应原理如下[9-12]:

阳极反应H2-2e-→2H+

阴极反应1/2O2+2H++2e-→H2O

总反应1/2O2+H2→H2O(液态)

3　控制器系统电路设计

为了实现对整个演示装置的控制和管理,开发了基于MCU的可以实现对发电电压、电流的在线监测与处理,并具备LCD显示功能等。控制器系统框图见图4。控制器系统采用STC15F2K60S2作为控制芯片。

图4　控制器系统框图

4　实验及测试

设计开发的演示装置实验系统实物图见图5。

图5　太阳能制氢发电演示实验装置实物图

本系统采用太阳能供电,通过控制可以直观地演

示太阳能光伏发电、电解水制氢和燃料电池发电等。上电进行实验表明,可以正常运行,并取得了良好的实验效果。装置采用液晶显示可以清楚看出实时发电情况,便于观察和实验。此外,本装置可以通过改变光照(模拟光照条件)实现制氢速度快慢的变化等。

5　结语

针对太阳能光伏发电和氢气新能源的应用普及教育需要,设计开发太阳能光伏-氢发电联合演示实验装置,装置将太阳能光伏新能源发电技术应用到电解水制氢中,并通过燃料电池实现氢气发电。通过该实验装置,可以同时实现对太阳能光伏和氢气发电的演示。所设计的装置具有结构紧凑、演示度高等优点,适合在新能源发电技术科普和相关实验教育教学领域推广应用。

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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

江苏省“青蓝工程”资助(苏教师[2012]39号);苏州市“高技能人才培养研发”市级课题“高技能人才品牌项目研发”(GJNP201431)；江苏开放大学(江苏城市职业学院)“十二五”规划2015年度课题 (15SEW-Q-054);苏州市职业大学校级教改项目“校企合作《太阳能光伏发电技术项目化实训教程》教材建设”(SZDJG-13018)

汪义旺(1981—),男,安徽安庆,硕士,讲师,主要从事电力电子新技术及应用的教育与研究.

E-mail：wyiwang@163.com

TK514；G484

A

1002-4956(2016)5- 0097- 02