超级电容和燃料电池系统在太阳能贮存中的应用

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太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源, 也是人类可利用的最丰富的能源。在我国广阔的土地 上,太阳能资源非常丰富,理论储量达每年 1 00 亿 7 0 吨标准煤, 太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。 与其它形式的能源相比,太阳能有很多其他能 源无法比拟的优点: 太阳能取之不尽,用之不竭; 使用方便,分布广泛; 清洁,无污染; 是可再生的 能源 。但太阳能利用在技术上存在一些问题 ,太阳 能的能量密度低, 天气也会造成接收徒量的不稳定。 因此发展还比较缓慢, 不能得到广泛、 普遍的使用。 为此,收集阳光充足、强烈时的太阳能,并贮 存起来, 使太阳能同其它常规能源一样, 成为连续、 均匀、稳定的能源,是促进太阳能应用的关键。本 文阐述的超级电容和燃料电池系统在这一方面起到 了重要作用。
4 超级电容器原理及优点
超级电 容器 (Super c 即acitor), 又称双电 层电 容
器。 其电极材料由碳材料构成, 并使用有机电解液作 为介质, 活性炭与电解液之间形成离子双电层, 通过 极化电解液来储能, 其原理如图 2 所示。 超级电容器 是一种电化学元件, 在其储能过程中并不发生化学反 应, 且储能过程是可逆的, 因此超级电容器反复充放 电可以达到数十万次,且不会造成环境污染。 超级电容器具有非常高的功率密度,为电池的 0 0 1 ~1 0 倍, 可以在短时间内放出几十到几百安培的 电流,这个特点使得电容器非常适合用于短时间高 功率输出的场合。充电速度快且模式简单,其充电 是双电层充放电的物理过程或电极物质表面的快速 可逆的电化学过程,可以采用大电流充电,能在几 十秒到 分钟内完成充电过程,是真正意义上的快
路接通时,燃料 电池就对负载供以直流电。
速充电; 而且无需检测是否充满, 过充无危险; 使用 寿命长,超级电容器充放电过程中发生的电化学反 应具有很好的可逆性,实际可达到十万次以上,比 电池高 10~100 倍; 低温性能优越, 超级电容充放 电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质 表面进行,所以容量随温度的衰减非常小。鉴于其 优 良特性,超级电容非常适合在太阳能一 燃料电池超级电容系统中应用。
3 电 玻 。年 , 4} , 琳2。 第 。 2期
研 究 与开 发
3
燃料电池原理及优点
燃料电池 ( Fu 1Ce l 发电是一种新型发电技 e l ) 术,是以电化学反应把燃料的化学能直接转变为电 能的高效发电装置, 1 是燃料电池的工作原理图。 图 氢气在燃料极分解为电子与质子,质子能通过电解 质到达氧气极,电子经外电路到达氧气极,然后反 应生成水。只要让氢、氧源源不断地送入,在外电
APPlication of SuPer CaPacitor and Fuel Cell System in the s tock of s olar Energy
Liu s himei Huang y nqian u
( Shanghai Mar time University Shangha i i
作者简介
于伟庆( 97 .1 , 辽宁省大连市, 1 9 ) 男, 大连理工大学电 信学院自 动化
系研究生, 研究 向: 基于TMS320LF2407 DSP的电力机车四象限整流研究
20Ol35)
Abstr act The solar ener y is a kind of reProducible ener y which has great Potential f r g g o exPloitation, its low density make it not suit f r daily use. The aPPlication of SuPer CaPacitor and but o Fuel Cell System discussed in this PaPer can make the solar energy continuum、 equality、 tranquilization and be suit f r daily use. o Key wor ds: stock of solar ener y; SuPer CaPacitor ; Fuel Cell g
( 上接第 2 页 ) 9
中国 科技产业. 2 0 , 062
[10 孙进旭.燃料电池在建筑热电冷三联供中的应用分 ] 析.制冷空调与电力机械. 200 , 1 6一 5 6 0 2 : 6 [11 王殿华.储存能源的疑难 百科知识. 2006 7 ] ,
作者简介
刘世梅 ( 1 83一 上海海事大学 “ 9 ) 电力电子与电力传动” 学科硕士生。
存在的空间矢量定向、矢量作用时间计算、矢量位 置判断等困难, 本文采用直接计算合成参考 电压矢 量的方法, 大大简化了计算过程, 便于数字实现, 实验 结果验证了控制算法的科学性。 参考文献
王兆安、黄俊. 电力电子技术. 「 第 4 版二 M]. 北京: 机械工业出版社,20 0 0 . 浦志勇等.三相 PWM 整流器空间矢量控制简化算法 的研究[J].电1 电能新技术, 2002, 21(2):56一 61.
电解液界面
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未反应 的氢气

图1
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未反应的氧 气、水蒸气
超级 电容原理图
5
太阳能一燃料电池一超级电容系统联合
使用
研 究与开发
ห้องสมุดไป่ตู้
超级 电容和燃料 电池系统 在 太 阳能贮存 中的应用
刘世梅
黄允千
(上海海事大学 上海 200135) 摘要 太阳能是可再生资源,具有很大的开发潜能,但其能量密度低,不稳定。本文阐述 了
在太阳能中应用超级电容和燃料电池系统,能使太阳能同其它常规能源一样,成为连续、均匀、
稳定的能源。 关键词: 太阳能贮存; 超级电容; 燃料电池
1
引言
2 太阳能的新贮存形式
由于太阳能使用的对象及条件的不同,太阳能 贮存的方式也不同,主要有热能、机械能、电能、 化学能等贮存方式。 热能贮存是太阳能的一种主要贮存方式,是直 接用集热器把太阳光的能量收集起来,以备后用。 把太阳能转换为电能是贮存太阳能的另一主要 方式。在发电系统中,蓄电池必不可少。但蓄电池 具有污染大,使用寿命短等无法解决的问题,为此 提出了新的电能贮存系统— 超级电容和燃料 电池 相结合的贮存系统。 超级电容和燃料电池系统可以把太阳能光电池 产生的电能分别以氢能和电能的形式储存,具有使 用寿命长、储能量大、无污染、效率高、维护方便 等优点,而且在用户需要电力时,可以及时满足要 求,解决了以前的储能系统无法解决的问题。
燃料 电池工作原理图
燃料电池能量转换效率高,与热机不同,它直 接将化学能转变为电能,不受卡诺循环的限制,目
前热机带动发电机发电的效率仅为3 %一 5 40%, 而燃
料电池理论上能量转换效率在 60%左右,在实际应 用时,综合利用热能后,其总效率能达到 8 %。以 0 氢为原料时,其产物是水,不污染环境,是绿色能 源。 燃料电池工作时其内部构件一般处于静止状态, 这使得燃料 电池高度可靠、工作寿命长。燃料电池 的发电装置是模块结构,操作和维修十分方便。 燃料电池被认为是未来的发电技术之一,发达 国家已对燃料电池进行了深入的研究和开发。
置和提高可靠性也是不可忽视的问题。超级电容和 燃料电池在太阳能贮存中的应用只是在试验阶段, 费用较高,但是随着技术的不断发展和完善,会相 对比较经济,联合系统的性能也将不断提高。
参考文献
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鉴于在能量转换效率高、低温性能好、使用寿 命长、没有环境污染等方面的优点,超级电容和燃 料电池很适合应用于太阳能能的贮存。 太阳能一燃料电池一超级电容系统中由太阳能 光电池发电,产生的电能一部分给超级电容充电,以 电能的形式存储起来; 另一部分用来电解水,制出氢 和氧并储存起来。虽然超级电容过充无危险,但是为 了随时都能满足用户的需要,仍旧需要在超级电容两 端并联电压表,用以显示超级电容的贮能状态。在超 级电容器与用户之间串连一个 DC心C 变换器,这样 一来允许超级电容深度放电,且可以对用户提供较为 稳定的电压。系统的简单流程如图 3 所示。
2。 第2期 气 甫35 。年 , 电 玻 】 。
研 究 与开发
染等特点, 特别适用于一些特殊应用领域和边远无电 地区民用生活的用电需求。 在能量的传递过程中, 各 个环节的转换效率的提高很重要, 由于燃料电池和超 级电容的转换效率都是由生产厂家的工艺参数决定, 即已为确定的值, 所以DC/DC 变换器中 IGBT 管子 的功耗很可观, 如何将管子的容许值降到最低, 对于 提高整个系统的效率具有很大的作用。 在系统的实际 运行过程中, 如何有效的将电解产生的氢气、 氧气压 缩储存,也需要认真的考虑。 由德国于利希 (Ju i h 研究中心所开发的太阳能 l c) 一燃料电池系统中,一座数千平方米的建筑物完全由
太阳能光电 池供电,光电 池的总面积为 32 m“ 3 ,能提 供30kw 电 力。多余的电力用来电 解水制氢和氧并储
存起来,电解槽为 7O 压力、2 kw 。产生的氢气和 Pa 6 氧气分别压缩至 1120Pa 和 7O 储存。 Pa 当需要电力时, 由一台碱性燃料电池利用已储存的氢和氧发电。燃料 电池为西门子公司产品,功率 6kw ,输出 45~6O 。 v 超级电容应用于贮能的实例还没有投入运行,但是该 系统的优越性会使其有大的发展。
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小结
太阳能高容量的贮存克服了太阳能本身的缺陷, 使它成为连续和稳定的独立能源,在开发新能源和节 约常规能源两方面都能做出贡献。贮能问题的解决, 将是今后太阳能时代到来的必不可少的先决条件。 太阳能光伏发电内在的间歇问题会使电压有较 大的波动,电压的波动会对超级电容的充电以及电 解水的稳定性造成影响。因此如何有效地将超级电 容、燃料电池与光伏系统结合,消除光伏系统所产 生的波动影响成为该联合系统的关键所在。提高系 统各部分的能量转换效率和系统的经济性, 简化装
吕丽红、刘志强.电压空间矢量三相整流器系统的仿
真研究[J].计算机仿真, 2003, 19(3):36一 39.
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一一 太阳 能光 电池
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系统应用的流程图
当需要电力时, 由燃料电池堆利用已储存的氢和 氧发电或者由超级电容直接供电。 太阳能发电一燃料 电池一超级电容联合使用, 实际上是太阳能一氢能一 燃料电池一电能一用户、 以及太阳能一电能一用户的 能量输送链, 其中燃料电池和超级电容在能量转换过 程中起关键的作用。 太阳能一燃料电池一超级电容联 合发电系统具有储能密度高, 使用寿命长以及没有污
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