本發(fā)明涉及光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用氫燃料電池儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)水平與實(shí)用化程度有了顯著提高，其應(yīng)用范圍和規(guī)模不斷擴(kuò)大隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)，氫燃料電池逐漸被業(yè)界認(rèn)識(shí)到在后備電源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，節(jié)能環(huán)保，完全避免了鉛、硫酸以及其他酸性污染物的排放。但是氫燃料電池本身是一個(gè)非常復(fù)雜的非線(xiàn)性電源系統(tǒng)，其輸出電能特性不僅受到電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)也受溫度、氣體壓力、氣體流量以及負(fù)載等因素的制約，所以對(duì)于氫氣的利用顯得十分困難。能夠把光伏發(fā)電與燃料電池發(fā)電有效的結(jié)合在一起，成為一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)的不足，而提供一種利用氫燃料電池儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用以下技術(shù)方案：

一種利用氫燃料電池儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，包括光伏陣列、燃料電池、功率分配電路pd、功率合成電路ps、逆變器u、電壓控制電路v0、氫氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫裝置、氫氣進(jìn)氣壓力變送器p1、冷卻水進(jìn)口溫度變送器t1、氧氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氧裝置、氧氣進(jìn)氣壓力變送器p3、氫氣排氣壓力變送器p2、氧氣排氣壓力變送器p4、冷卻水出口溫度變送器t2、氫氣進(jìn)氣閥v1、氫氣側(cè)排水閥v2、氧氣進(jìn)氣閥v3、氧氣側(cè)排水閥v4；所述光伏陣列產(chǎn)生的電能通過(guò)所述功率分配電路pd分別傳送給所述功率合成電路ps以及電壓控制電路v0，所述功率合成電路ps通過(guò)所述逆變器u將電能傳送給負(fù)載；所述電壓控制電路v0控制所述電解池工作狀態(tài)，所述電解池分別與所述氫氣壓縮機(jī)、氧氣壓縮機(jī)以及冷卻水源連接，所述氫氣壓縮機(jī)的輸出端與所述儲(chǔ)氫裝置連接，所述儲(chǔ)氫裝置通過(guò)所述氫氣進(jìn)氣壓力變送器p1與所述氫氣進(jìn)氣閥v1的進(jìn)口連接，所述氫氣進(jìn)氣閥v1的出口與所述燃料電池連接；所述氧氣壓縮機(jī)的輸出端與所述儲(chǔ)氧裝置連接，所述儲(chǔ)氧裝置通過(guò)所述氧氣進(jìn)氣壓力變送器p3與所述氧氣進(jìn)氣閥v3的進(jìn)口連接，所述氧氣進(jìn)氣閥v3的出口與所述燃料電池連接；所述燃料電池與所述冷卻水源之間設(shè)有冷卻水進(jìn)口溫度變送器t1；所述燃料電池的輸出端與所述功率合成電路ps連接；所述燃料電池分別與第一汽水分離器和第二汽水分離器連接，其中第一汽水分離器用于回收氫氣和冷卻水，第一汽水分離器上安裝有氫氣排氣壓力變送器p2，所述第一汽水分離器通過(guò)氫氣側(cè)排水閥v2與冷卻水回收裝置連接；所述第二汽水分離器用于回收氧氣和冷卻水，第二汽水分離器上安裝有氧氣排氣壓力變送器p4，所述第二汽水分離器通過(guò)氧氣側(cè)排水閥v4與冷卻水回收裝置連接；所述冷卻水回收裝置與所述燃料電池之間連接有所述冷卻水出口溫度變送器t2。

一種利用氫燃料電池儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：包括主控芯片、光伏陣列、燃料電池、功率分配電路pd、功率合成電路ps、逆變器u、電壓控制電路v0、氫氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫裝置、氫氣進(jìn)氣壓力變送器p1、冷卻水進(jìn)口溫度變送器t1、氧氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氧裝置、氧氣進(jìn)氣壓力變送器p3、氫氣排氣壓力變送器p2、氧氣排氣壓力變送器p4、冷卻水出口溫度變送器t2、氫氣進(jìn)氣閥v1、氫氣側(cè)排水閥v2、氧氣進(jìn)氣閥v3、氧氣側(cè)排水閥v4；所述光伏陣列產(chǎn)生的電能通過(guò)所述功率分配電路pd分別傳送給所述功率合成電路ps以及電壓控制電路v0，所述功率合成電路ps通過(guò)所述逆變器u將電能傳送給負(fù)載；所述電壓控制電路v0控制所述電解池工作狀態(tài)，所述電解池分別與所述氫氣壓縮機(jī)、氧氣壓縮機(jī)以及冷卻水源連接，所述氫氣壓縮機(jī)的輸出端與所述儲(chǔ)氫裝置連接，所述儲(chǔ)氫裝置通過(guò)所述氫氣進(jìn)氣壓力變送器p1與所述氫氣進(jìn)氣閥v1的進(jìn)口連接，所述氫氣進(jìn)氣閥v1的出口與所述燃料電池連接；所述氧氣壓縮機(jī)的輸出端與所述儲(chǔ)氧裝置連接，所述儲(chǔ)氧裝置通過(guò)所述氧氣進(jìn)氣壓力變送器p3與所述氧氣進(jìn)氣閥v3的進(jìn)口連接，所述氧氣進(jìn)氣閥v3的出口與所述燃料電池連接；所述燃料電池與所述冷卻水源之間設(shè)有冷卻水進(jìn)口溫度變送器t1；所述燃料電池的輸出端與所述功率合成電路ps連接；所述燃料電池分別與第一汽水分離器和第二汽水分離器連接，其中第一汽水分離器用于回收氫氣和冷卻水，第一汽水分離器上安裝有氫氣排氣壓力變送器p2，所述第一汽水分離器通過(guò)氫氣側(cè)排水閥v2與冷卻水回收裝置連接；所述第二汽水分離器用于回收氧氣和冷卻水，第二汽水分離器上安裝有氧氣排氣壓力變送器p4，所述第二汽水分離器通過(guò)氧氣側(cè)排水閥v4與冷卻水回收裝置連接；所述冷卻水回收裝置與所述燃料電池之間連接有所述冷卻水出口溫度變送器t2；

所述主控芯片通過(guò)rs485總線(xiàn)控制設(shè)定參數(shù)，通過(guò)主控芯片的can總線(xiàn)模塊采集功率分配電路pd的參數(shù)和功率合成電路ps的參數(shù)，pd和ps分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的功率和負(fù)載消耗的功率，如果檢測(cè)到pd>ps，即光伏發(fā)電系統(tǒng)提供功率大于負(fù)載消耗功率，則將剩余功率提供給電解池，電解池開(kāi)始電解得到氫和氧，如果檢測(cè)到氫氣進(jìn)氣壓力變送器p1的數(shù)值、氧氣進(jìn)氣壓力變送器p3的數(shù)值大于儲(chǔ)存域值，系統(tǒng)將會(huì)通過(guò)電壓控制電路v0停止繼續(xù)電解；

如果檢測(cè)到pd<ps，系統(tǒng)將開(kāi)啟燃料電池發(fā)電用以補(bǔ)充光伏系統(tǒng)供電的不足：首先檢測(cè)氫氣進(jìn)氣壓力變送器p1的數(shù)值、氫氣排氣壓力變送器p2的數(shù)值，其次氧氣進(jìn)氣壓力變送器p3的數(shù)值、氧氣排氣壓力變送器p4的數(shù)值，如果檢測(cè)到p1、p2、p3和p4的值均在正常工作域值范圍內(nèi)，燃料電池開(kāi)始發(fā)電，并與光伏發(fā)電系統(tǒng)合成為負(fù)載供電；同時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)冷卻水進(jìn)口溫度變送器t1、冷卻水出口溫度變送器t2的值，如果檢測(cè)到t1、t2的值大于域值，散熱器將會(huì)啟動(dòng)進(jìn)行散熱；當(dāng)p1、p2、p3和p4的值不在正常工作閾值范圍時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)啟保護(hù)模式，燃料電池不能運(yùn)行發(fā)電。

本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明有效的將光伏發(fā)電與燃料電池有效的結(jié)合在一起。采用檢測(cè)氫氣進(jìn)氣壓力p1、氫氣排氣壓力p2、氧氣進(jìn)氣壓力p3、氧氣排氣壓力p4、冷卻水進(jìn)口溫度t1、冷卻水出口溫度t2等傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)值，通過(guò)控制電解池的電解制氫電壓v0狀態(tài)以及氫氣進(jìn)氣閥v1、氫氣側(cè)排水閥v2、氧氣進(jìn)氣閥v3、氧氣側(cè)排水閥v4等電磁閥的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫燃料電池的實(shí)際反應(yīng)溫度、氫氣有效分壓、氧氣有效分壓等自變量的精確控制，達(dá)到控制氫燃料電池堆內(nèi)的單體電池電壓輸出的目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)燃料電池發(fā)電與光伏系統(tǒng)發(fā)電有效合成。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明的主控芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的主控電路流程框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。如圖1所示，一種利用氫燃料電池儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，包括主控芯片、光伏陣列、燃料電池、功率分配電路pd、功率合成電路ps、逆變器u、電壓控制電路v0、氫氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫裝置、氫氣進(jìn)氣壓力變送器p1、冷卻水進(jìn)口溫度變送器t1、氧氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氧裝置、氧氣進(jìn)氣壓力變送器p3、氫氣排氣壓力變送器p2、氧氣排氣壓力變送器p4、冷卻水出口溫度變送器t2、氫氣進(jìn)氣閥v1、氫氣側(cè)排水閥v2、氧氣進(jìn)氣閥v3、氧氣側(cè)排水閥v4；所述光伏陣列產(chǎn)生的電能通過(guò)所述功率分配電路pd分別傳送給所述功率合成電路ps以及電壓控制電路v0，所述功率合成電路ps通過(guò)所述逆變器u將電能傳送給負(fù)載；所述電壓控制電路v0控制所述電解池工作狀態(tài)，所述電解池分別與所述氫氣壓縮機(jī)、氧氣壓縮機(jī)以及冷卻水源連接，所述氫氣壓縮機(jī)的輸出端與所述儲(chǔ)氫裝置連接，所述儲(chǔ)氫裝置通過(guò)所述氫氣進(jìn)氣壓力變送器p1與所述氫氣進(jìn)氣閥v1的進(jìn)口連接，所述氫氣進(jìn)氣閥v1的出口與所述燃料電池連接；所述氧氣壓縮機(jī)的輸出端與所述儲(chǔ)氧裝置連接，所述儲(chǔ)氧裝置通過(guò)所述氧氣進(jìn)氣壓力變送器p3與所述氧氣進(jìn)氣閥v3的進(jìn)口連接，所述氧氣進(jìn)氣閥v3的出口與所述燃料電池連接；所述燃料電池與所述冷卻水源之間設(shè)有冷卻水進(jìn)口溫度變送器t1；所述燃料電池的輸出端與所述功率合成電路ps連接；所述燃料電池分別與第一汽水分離器和第二汽水分離器連接，其中第一汽水分離器用于回收氫氣和冷卻水，第一汽水分離器上安裝有氫氣排氣壓力變送器p2，所述第一汽水分離器通過(guò)氫氣側(cè)排水閥v2與冷卻水回收裝置連接；所述第二汽水分離器用于回收氧氣和冷卻水，第二汽水分離器上安裝有氧氣排氣壓力變送器p4，所述第二汽水分離器通過(guò)氧氣側(cè)排水閥v4與冷卻水回收裝置連接；所述冷卻水回收裝置與所述燃料電池之間連接有所述冷卻水出口溫度變送器t2。

主控芯片控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)電能應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)先順序控制：光伏發(fā)電陣列產(chǎn)生的電能首先通過(guò)逆變器供給負(fù)載，多余的電能通過(guò)功率分配，啟動(dòng)電解槽電解氫和氧，并儲(chǔ)存起來(lái)；當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)電不足時(shí)，開(kāi)啟燃料電池供電系統(tǒng)，光伏發(fā)電陣列產(chǎn)生的電能和燃料電池產(chǎn)生的電能進(jìn)行功率合成，通過(guò)逆變器將電能輸送給負(fù)載。

本設(shè)計(jì)將氫氣進(jìn)氣壓力變送器p1、氫氣排氣壓力變送器p2、氧氣進(jìn)氣壓力變送器p3、氧氣排氣壓力變送器p4、冷卻水進(jìn)口溫度變送器t1、冷卻水出口溫度變送器t2等傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換接口電路送入主控芯片的不同的通道，再經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換模塊采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，作為控制程序的入口參數(shù)。

如圖1所示，主控芯片的輸出口主要用于控制冷卻水進(jìn)口溫度變送器t1、氫氣側(cè)排水閥v2、氧氣進(jìn)氣閥v3、氧氣側(cè)排水閥v4等電磁閥的工作狀態(tài)，除此之外，主控芯片的can總線(xiàn)模塊用于實(shí)現(xiàn)與功率分配和功率合成電路間的數(shù)據(jù)通訊，rs485總線(xiàn)用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口通訊功能。

如圖3所示，氫燃料電池理想狀態(tài)下，通過(guò)精確控制氫燃料電池的實(shí)際反應(yīng)溫度、氫氣有效分壓、氧氣有效分壓等變量的數(shù)值，就可以得到穩(wěn)定的氫燃料電池單體電壓輸出。在電池管理系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)中，采用檢測(cè)氫氣進(jìn)氣壓力變送器p1、氫氣排氣壓力變送器p2、氧氣進(jìn)氣壓力變送器p3、氧氣排氣壓力變送器p4、冷卻水進(jìn)口溫度變送器t1、冷卻水出口溫度變送器t2等傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)值，通過(guò)控制氫氣進(jìn)氣閥v1、氫氣側(cè)排水閥v2、氧氣進(jìn)氣閥v3、氧氣側(cè)排水閥v4等電磁閥的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫燃料電池的實(shí)際反應(yīng)溫度、氫氣有效分壓、氧氣有效分壓等自變量的精確控制，從而達(dá)到控制氫燃料電池堆內(nèi)的單體電池電壓輸出的目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)與光伏發(fā)電系統(tǒng)的有效合成。

如圖3所示，在氫燃料電池管理系統(tǒng)主控電路流程框圖中，所述主控芯片通過(guò)rs485總線(xiàn)控制設(shè)定參數(shù)，通過(guò)主控芯片的can總線(xiàn)模塊采集功率分配電路pd的參數(shù)和功率合成電路ps的參數(shù)，pd和ps分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的功率和負(fù)載消耗的功率，如果檢測(cè)到pd>ps，即光伏發(fā)電系統(tǒng)提供功率大于負(fù)載消耗功率，則將剩余功率提供給電解池，電解池開(kāi)始電解得到氫和氧，如果檢測(cè)到氫氣進(jìn)氣壓力變送器p1的數(shù)值、氧氣進(jìn)氣壓力變送器p3的數(shù)值大于儲(chǔ)存域值，系統(tǒng)將會(huì)通過(guò)電壓控制電路v0停止繼續(xù)電解；

如果檢測(cè)到pd<ps，系統(tǒng)將開(kāi)啟燃料電池發(fā)電用以補(bǔ)充光伏系統(tǒng)供電的不足：首先檢測(cè)氫氣進(jìn)氣壓力變送器p1的數(shù)值、氫氣排氣壓力變送器p2的數(shù)值，其次氧氣進(jìn)氣壓力變送器p3的數(shù)值、氧氣排氣壓力變送器p4的數(shù)值，如果檢測(cè)到p1、p2、p3和p4的值均在正常工作域值范圍內(nèi)，燃料電池開(kāi)始發(fā)電，并與光伏發(fā)電系統(tǒng)合成為負(fù)載供電；同時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)冷卻水進(jìn)口溫度變送器t1、冷卻水出口溫度變送器t2的值，如果檢測(cè)到t1、t2的值大于域值，散熱器將會(huì)啟動(dòng)進(jìn)行散熱；當(dāng)p1、p2、p3和p4的值不在正常工作閾值范圍時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)啟保護(hù)模式，燃料電池不能運(yùn)行發(fā)電。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。