CN105463498A - 直流-直流变换器与spe电解槽的耦合装置及其耦合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能源装置，具体为直流-直流变换器与SPE电解槽的耦合装置及其耦合方法，包括DC/DC变换器，将光伏组件的输出直流电压连接到DC/DC变换器的输入端，经过DC/DC变换器进行斩波调制，将电压调制为SPE电解槽的工作电压，使电解槽工作于安全工作点，从而提高电解槽的制氢效率。该方法和装置降低了设备成本；简化了系统结构，降低了故障率；DC/DC变换器可以找到最佳占空比(ρ)，使光伏组件工作于最大功率工作点，并保证电解槽工作于安全工作点上。
Description
技术领域
本发明涉及一种能源装置，具体为直流-直流变换器与SPE电解槽的耦合装置及其耦合方法。
背景技术
随着氢能研究日益深入及各国对氢能产业的逐渐重视，电解水制氢技术得到了迅速发展，现在发展到主要有三种电解法：碱性水溶液电解法、固体聚合物水电解法(SPE)和固体氧化物水电解法。其中固体聚合物水电解法被认为是最有发展前途的电解方法，但无论哪种方法，当前的制氢效率都较低，经统计，约5KW电可制取1m3氢气，同时要消耗约0.8m3超纯水,而用燃料电池将氢能转化为电能的效率约为45％左右，太阳能发电成本约为0.9元/KW，这就决定了用太阳能发电直接进行电解水制氢经济型非常差。
将光伏发电设备与电解水制氢设备同时设计并建设，在电能可以输送上网情况下，电解槽不工作，当电能不能上网，产生“弃光”时，将“弃电”通入电解槽制氢，将产生的氢气储存或运送出去，即可变废为宝。
太阳能电解水制氢系统中，光伏组件与电解槽的耦合方法主要有两种：间接耦合和直接耦合，目前绝大多数系统采用间接耦合连接方式，间接耦合连接方式将光伏组件与电解槽通过控制器、蓄电池及DC/DC变换器连接，直接耦合连接方式将光伏组件直接与电解槽相连，省去了蓄电池装置，该方法结构简单，经济性较好，增强了系统的可靠性，但对电解槽与光伏组件电压、电流的耦合跟踪性能要求较高，用于耦合光伏组件和电解槽的DC/DC变换器必须找到最佳占空比(ρ)，使光伏组件工作于最大功率工作点，并保证电解槽工作于安全工作点上，电解槽的电流大小必须处于最大限制电流和最小输入电流之间，电流过大会损坏电解槽，而电流过小时，产生氢气和氧气的速度回小于这两种气体在电解质内相互渗透化合的速度，在电解槽内产生氢氧混合气体从而造成事故。
公开号CN101154740A，专利名称电能制氢及氢能发电的联合装置，为实现电－氢－电能源转换，把直流电源、电解水制氢气装置及氢燃料电池进行组合使用，该专利没有对直流电源的形式进行具体设计，也没有对直流电源与电解槽的具体连接方式进行说明。如果用市电进行制氢，效率极低，制造的氢气产生的能量远小于用来电解水的电能产生的能量，经济效益非常差。
公开号CN1086586A，实用新型专利名称风能换成氢能的方法与设备，将风力发电设备、整流设备、电解水制氢气设备、氢气贮存设备组成了将风能转化成氢的设备。用昂贵的风力发电设备专门用来生产氢气，电解水制氢效率较低，经济性较差。应考虑在弃风时再进行电解水制氢，将弃电转换为氢气，变废为宝。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种直流-直流变换器与SPE电解槽的耦合装置及其耦合方法，解决现在光伏电站普遍存在的弃光问题，同时解决现在普遍采用的光伏组件与电解槽间接耦合连接方式的蓄电池寿命短、转换效率低等问题。
直流-直流变换器与SPE电解槽的耦合装置，包括DC/DC变换器即直流-直流变换器，将光伏组件的输出直流电压连接到DC/DC变换器的输入端，经过DC/DC变换器进行斩波调制，将电压调制为SPE电解槽的工作电压，使电解槽工作于安全工作点，从而提高电解槽的制氢效率。
直流-直流变换器与SPE电解槽的耦合方法，包括以下过程：
运算初始，根据测得的DC/DC变换器的输入电压Vi、输入电流Ii、输出电压Vo、输出电流Io，计算dVi、dIi、d2Vo、dIo；引入迭代次数k来计算外界条件变化后产生的系统误差；
若满足dVi＝0并且dIi＝0，则参考电压Vref＝输入电压Vi,迭代次数k＝1,程序结束；
若不满足dVi＝0并且dIi＝0，且迭代次数k＝1，则将Vref降至0.6Vi，从而假设一个新的最佳工作点从使电解池工作在安全区间，程序结束；
若k≠1，则需要调整参考电压值，若满足条件dIi/dVi＝-Ii/Vi，则参考电压Vref＝输入电压Vi，若dIi/dVi＞-Ii/Vi，说明参考电压偏小，则Vref＝Vi+Inc，若dIi/dVi＜-Ii/Vi，说明参考电压偏大，则Vref＝Vi-Inc，对参考电压初次调整完毕后，若迭代次数k＝5，且满足d2Vo/dIo≤0，说明参考电压选择恰当，程序结束；
若不满足d2Vo/dIo≤0，则Vref＝Vi；若参考电压初次调整完毕后，不满足迭代次数k＝5，则参考电压不再调整，但迭代次数k+1，程序结束。
本发明提供的直流-直流变换器与SPE电解槽的耦合装置及其耦合方法，利用太阳能电站的弃电进行电解水制氢，将本来要浪费的电能转化为氢气储存起来进行二次利用，减少了能源的浪费，太阳能电站一旦建成，发电成本极低，用来进行电解水制氢，氢气的制造成本接近零。
本发明提供的直流-直流变换器与SPE电解槽的耦合装置及其耦合方法，用智能DC/DC变换器连接光伏组件和电解槽，省去了间接耦合连接方法中的蓄电池和控制器，降低了设备成本；简化了系统结构，降低了故障率；DC/DC变换器可以找到最佳占空比(ρ)，使光伏组件工作于最大功率工作点，并保证电解槽工作于安全工作点上；省去了效率较低的蓄电池装置，大幅提高了制氢系统的能源转换效率。将本来要浪费的能源进行二次利用，并转化为易于大规模储存的氢能，可以就地储存或进行远距离输送，成本低，适合于大规模推广应用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的流程图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，将光伏组件1的输出直流电压连接到DC/DC变换器2的输入端，经过DC/DC变换器2进行斩波调制，将电压调制为SPE电解槽3的工作电压，使电解槽工作于安全工作点，从而提高电解槽的制氢效率。
如图2所示，直流-直流变换器与SPE电解槽的耦合方法，包括以下过程：
运算初始，根据测得的DC/DC变换器的输入电压Vi、输入电流Ii、输出电压Vo、输出电流Io，计算dVi、dIi、d2Vo、dIo；引入迭代次数k来计算外界条件变化后产生的系统误差；
若满足dVi＝0并且dIi＝0，则参考电压Vref＝输入电压Vi,迭代次数k＝1,程序结束；
若不满足dVi＝0并且dIi＝0，且迭代次数k＝1，则将Vref降至0.6Vi，从而假设一个新的最佳工作点从使电解池工作在安全区间，程序结束；
若k≠1，则需要调整参考电压值，若满足条件dIi/dVi＝-Ii/Vi，则参考电压Vref＝输入电压Vi，若dIi/dVi＞-Ii/Vi，说明参考电压偏小，则Vref＝Vi+Inc，若dIi/dVi＜-Ii/Vi，说明参考电压偏大，则Vref＝Vi-Inc，对参考电压初次调整完毕后，若迭代次数k＝5，且满足d2Vo/dIo≤0，说明参考电压选择恰当，程序结束；
若不满足d2Vo/dIo≤0，则Vref＝Vi；若参考电压初次调整完毕后，不满足迭代次数k＝5，则参考电压不再调整，但迭代次数k+1，程序结束。
Claims (2)
1.直流-直流变换器与SPE电解槽的耦合装置，其特征在于：包括DC/DC变换器，将光伏组件的输出直流电压连接到DC/DC变换器的输入端，经过DC/DC变换器进行斩波调制，将电压调制为SPE电解槽的工作电压。
2.根据权利要求1所述的直流-直流变换器与SPE电解槽的耦合装置的耦合方法，其特征在于，包括以下过程：
运算初始，根据测得的DC/DC变换器的输入电压Vi、输入电流Ii、输出电压Vo、输出电流Io，计算dVi、dIi、d2Vo、dIo；引入迭代次数k来计算外界条件变化后产生的系统误差；
若满足dVi＝0并且dIi＝0，则参考电压Vref＝输入电压Vi,迭代次数k＝1,程序结束；
若不满足dVi＝0并且dIi＝0，且迭代次数k＝1，则将Vref降至0.6Vi，从而假设一个新的最佳工作点从使电解池工作在安全区间，程序结束；
若k≠1，则需要调整参考电压值，若满足条件dIi/dVi＝-Ii/Vi，则参考电压Vref＝输入电压Vi，若dIi/dVi＞-Ii/Vi，说明参考电压偏小，则Vref＝Vi+Inc，若dIi/dVi＜-Ii/Vi，说明参考电压偏大，则Vref＝Vi-Inc，对参考电压初次调整完毕后，若迭代次数k＝5，且满足d2Vo/dIo≤0，说明参考电压选择恰当，程序结束；
若不满足d2Vo/dIo≤0，则Vref＝Vi；若参考电压初次调整完毕后，不满足迭代次数k＝5，则参考电压不再调整，但迭代次数k+1，程序结束。
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