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100KW光伏燃料复合发电系统设计.doc
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100KW光伏燃料复合发电系统设计.doc
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100KW 光伏-燃料电池复合发电系统设计
摘 要
随着社会的快速发展和化石能源的储存量逐渐减少,能源危机愈加严重,因
此利用新能源发电是未来的趋势。目前,光伏发电技术在我国已日趋成熟。对于
独立太阳能光伏能源系统,由于蓄电池具有污染大、寿命短以及太阳光具有间歇
性等问题,使光伏发电系统的使用受到限制。合理地将燃料电池和光伏电池组合
使用,可以在光照强度连续低于平均值的时候,使光伏电池的输出曲线不会出现
较大的波动。
本设计通过参考国内外的光伏燃料电池复合发电系统的成功案列,以光伏发
电系统为主,燃料电池为辅,结合电解系统和储氢系统,设计一套满足工厂用电
的中型光伏燃料复合发电系统。
本设计通过比较不同类型太阳能板和燃料电池的优缺点,对材料和设备进行
选型。然后对整套系统的结构和供电模式进行设计,采用优先级发电,剩余的电
能通过并网的运行形式出售给国家电网,最后对有关数据进行计算,为建立厂房
光伏-燃料电池复合发电系统提供理论参考。
关键词:光伏发电;燃料电池;光伏-燃料复合发电系统;电解槽;储氢装置
北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业设计
Design of 100KW photovoltaic-fuel cell composite power generation
system
Abstract
With the rapid development of society and the reduction of fossil energy storage, the
energy crisis is becoming more and more serious, so the use of new energy power generation
instead of fossil energy power generation is the future trend. At present, photovoltaic power
generation technology has become increasingly mature in China. For independent solar
photovoltaic energy systems, the use of photovoltaic power generation systems is restricted
due to the problems of large pollution, short life, and intermittent sunlight. The combination
of fuel cells and photovoltaic cells can be used reasonably, so that when the light intensity is
continuously lower than the average value, the output curve of the photovoltaic cell will not
fluctuate greatly.
This design refers to the successful cases of photovoltaic fuel cell composite power
generation systems at home and abroad, focusing on photovoltaic power generation systems,
fuel cells as supplements, combined with electrolytic systems and hydrogen storage systems,
to design a set of medium-sized photovoltaic fuels that are suitable for factory electricity
Compound power generation system.
This design selects materials and equipment by comparing the advantages and
disadvantages of different types of solar panels and fuel cells. Then, the structure and power
supply mode of the entire system are designed, priority generation is used, and the remaining
energy is sold to the national grid through grid-connected operation. Finally, the relevant data
is calculated to provide a theory for the establishment of a plant photovoltaic-fuel cell
composite power generation system reference.
Keywords:Photovoltaic power generation;fuel cell; photovoltaic-fuel hybrid power
generation system; electrolyzer; hydrogen storage device
北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业设计
目录
1 绪论 ...............................................................................1
1.1 课题研究背景 .................................................................1
1.2 太阳能光伏发电国内外概况 .....................................................1
1.2.1 太阳能光伏发电国外研究概况 ............................................2
1.2.2 太阳能光伏发电国内研究概况 ............................................2
1.3 燃料电池的国内外概况 ........................................................2
1.3.1 燃料电池国外研究概况 ..................................................2
1.3.2 燃料电池国内研究概况 ..................................................3
1.4 光伏燃料电池复合发电系统国内外的研究现状 .....................................3
1.4.1 光伏燃料电池复合发电系统国外的研究现状 ................................3
1.4.2 光伏燃料电池复合发电系统国内的研究现状 ................................4
1.5 设计的目的及意义 .............................................................5
1.6 设计的主要内容 ..............................................................5
2 光伏发电系统 .......................................................................7
2.1 光伏电池工作原理 .............................................................7
2.2 光伏发电的特性 ...............................................................7
2.2.1 光伏发电的优点 ........................................................7
2.2.2 光伏发电的缺点 ........................................................7
2.3 光伏组件 ....................................................................8
2.3.1 光伏组件的主要部件 ....................................................8
2.3.2 光伏组件的制备 .......................................................11
2.3.3 光伏组件的选择 .......................................................12
2.4 光伏发电系统运行方式 ........................................................13
2.5 光伏逆变器 ..................................................................13
2.6 光伏控制器 ..................................................................14
2.7 光伏阵列最佳安装角 .........................................................15
2.8 光伏发电系统发电流程 ........................................................16
2.9 光伏发电系统维护 ............................................................16
2.9.1 光伏组件的维护 .......................................................16
2.9.2 控制器和逆变器的维护 .................................................17
2.10 本章小结 ...................................................................17
3 燃料电池和其他系统 ................................................................18
3.1 燃料电池工作原理 ............................................................18
3.2 燃料电池的特性 .............................................................18
3.3 燃料电池种类及材料选择 .....................................................18
3.3.1 燃料电池分类 .........................................................18
3.3.2 燃料电池的选择 .......................................................20
3.4 质子交换膜燃料电池 .........................................................21
3.4.1 质子交换膜燃料电池的工作原理 .........................................21
3.4.2 质子交换膜燃料电池的主要部件 .........................................21
3.4.3 质子交换膜燃料电池的发电系统 .........................................22
3.5 电解装置 ....................................................................23
3.6 储氢装置 ...................................................................25
北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业设计
3.7 逆变器 .....................................................................25
3.8 燃料电池系统的维护 .........................................................25
3.9 本章小结 ...................................................................26
4 光伏燃料电池复合发电系统的结构设计 ................................................27
4.1 系统结构 ...................................................................27
4.2 供电系统工作模式 ...........................................................27
4.3 系统安全防护 ...............................................................28
4.4 系统的维护 .................................................................28
4.5 本章小结 ...................................................................28
5 光伏燃料电池复合发电系统的容量设计 ................................................29
5.1 系统配置条件 ...............................................................29
5.1.1 气候条件 .............................................................29
5.1.2 负载情况 .............................................................29
5.2 光伏阵列 ....................................................................30
5.2.1 光伏组件设计 .........................................................30
5.2.2 斜面辐射量的计算 .....................................................31
5.2.3 光伏阵列间距计算 .....................................................32
5.3 燃料电池的计算 .............................................................32
5.3.1 工作压力 .............................................................33
5.3.2 反应气的消耗量 .......................................................33
5.4 发电成本计算 ...............................................................33
5.5 本章小结 ...................................................................35
6 结论与展望 ........................................................................36
6.1 结论 .......................................................................36
6.2 展望 .......................................................................36
参考文献 ............................................................................38
谢 辞 ..............................................................................40
附 录 ...............................................................................41
北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业设计
1
1 绪论
1.1 课题研究背景
过去几十年,传统的化石能源是人类发电使用的主要能源。而随着人口的快速增长
和受当前全球极端气候的影响,作为不可再生能源的传统化石能源,其储蓄量越来越少,
因而化石能源的使用成本也越来越高。再者,传统化石能源受卡诺循环和现代材料的限
制,发电效率仅有 35%左右。因而,全球都在通过开发新能源发电,来减少二氧化碳等
有害气体对空气的污染,缓解化石能源的使用压力。根据国家统计局发布的《中华人民
共和国 2019 年国民经济和社会发展统计公报》
[1]
中,可以看出我国 2015-2019 年清洁
能源消费占能源消费总量的比重是逐年增加的,从 2015 年 18%增加至 2019 年的 23.4%。
图 1.1 2015-2019 年清洁能源消费占能源消费总量的比重
现阶段,光伏发电在新能源发电领域中是较为成熟的发电形式。在我国,通过政策
扶持和示范项目建设下,光热产业链不断发展,其中光伏发电的发电量预计将由 2010
年的 35 万 KW 增加到 2050 年的 6 亿 KW。
除了光伏发电之外,燃料电池发电是目前研究的重点且有很好的发展前途。燃料电池的
发电原理是将化学能直接转化为电能,其优点为转化效率较高、对环境污染小。不同的
新能源发电方式都有其自身的优缺点,而单一的新能源发电会因其自身的缺点导致应用
过程中有比较多的限制,例如,对于光伏发电而言,独立的光伏能源系统中,必须有蓄
电池作为储电装置,但蓄电池对环境的污染较大,使用寿命较短等缺点。若将两种或两
种以上优缺点可以互补的新能源复合发电,可以减少限制,使其应用更广泛。
1.2 太阳能光伏发电国内外概况
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