太阳能再生氢燃料电池24h充电系统
摘要：由于使用化石燃料造成的空气污染日益严重，生产清洁的可再生能源已成为社会的优先事项。然而，像太阳能或风能这样的可再生能源只能间歇性地生产，而且经常与能源需求不一致。这已成为采用可再生能源的一个重大障碍。因此，需要额外的收集和储存在生产高峰期产生的多余能源，以满足非生产时期的能源需求。本研究的目的是设计一种太阳能再生氢燃料电池充电系统，该系统能够以氢的形式储存多余的能量，在没有可再生能源的情况下使用燃料电池发电。在本研究中，学生成功证明了太阳能和氢能都可以满足手机全年充电的能量需求。该系统提供了一个概念验证研究，以满足未来能源需求的可持续解决方案。
关键词：燃料电池；水电解槽；太阳能电池；氢可再生能源
Abstract: As air pollution caused by the use of fossil fuels becomes increasingly serious, the production of clean and renewable energy has become a social priority.However, renewable energy sources like solar or wind are produced intermittently and often at odds with energy needs.This has become a major obstacle to the adoption of renewable energy.Therefore, additional efforts are required to collect and store excess energy generated during peak production periods to meet energy demand during non-production periods.The purpose of this study is to design a solar renewable hydrogen fuel cell charging system that can store excess energy in the form of hydrogen and use the fuel cell to generate electricity in the absence of renewable energy.In this study, the students successfully demonstrated that both solar energy and hydrogen energy can meet the energy requirements of mobile phone charging throughout the year.The system provides a proof-of-concept study to meet future energy needs for sustainable solutions.
Key words: Fuel cell; Water electrolyzer; Solar cells;Renewable Hydrogen energy
1介绍
随着人口、新技术和基础设施的不断增长，对能源的需求也相应增加。目前，中国大部分能源是由化石燃料生产的。中国既是能源生产大国，也是能源消费大国。2005年中国一次能源生产总量达到18.5亿吨标准煤，增长15.2％，其中原煤产量19.6亿吨，原油产量1.75亿吨；2005年中国一次能源消费总量约为20亿吨标准煤，其中煤炭消费量18.7亿吨，石油消费量3.1亿吨。
风能和太阳能等可再生能源是许多企业和政府已经投资的化石燃料的潜在替代品。太阳能和风能的主要缺点之一是发电量会随着天气状况的变化而波动。要有可靠的能源来源并防止系统故障，能源生产必须达到或超过能源需求。由于这些限制，能源存储系统，如机械，化学，或电子设备，是必需的。例如，利用泵水或机械飞轮来储存机械能，或使用电池和电容器组来储存化学能。另一种储存方法是以燃料的形式储存能量，例如氢，它的能量密度比电池高。这可以通过电解来实现，利用光伏产生的多余能量或风能通过电解器将水分解成氢和氧。产生的氢气被储存起来，以备以后无法利用太阳能或风能时使用。燃料电池是一种能量转换装置，它能将氢直接高效地转化为电能。其工作原理是将氢和氧在电化学反应中结合，产生电、水和废热。整个系统产生零排放，因此被认为是一个可再生能源的解决方案。
在我们的研究中，通过集成光伏、水电解、储氢、燃料电池和电力电子元件，从零开始设计了整个系统。目前由于疫情原因，已经搭建完成部分装置，后期会继续完整个系统的搭建。项目完成后，可以把这个教育和创新的工程项目变成了一个低成本的可再生能源解决方案，可以为社会服务。
2组件与团队工作
这个项目是为本科生设计的一个研究项目，展示可再生能源及其潜在的应用，我们构建一个太阳能和氢气系统，以满足便携式电子设备(如手机)的能源需求。
该项目由三个阶段组成：第一阶段是系统的初步研究、设计和验证；第二阶段包括制造和测试每个组件的功能；第三阶段包括详细集成和系统优化。一共四名学生参与了项目的这三个阶段。在每个阶段中，都需要批判性思维来解决单个组件或集成过程中出现的问题。
3实验-系统设计
该系统的主要组成部分包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)、光伏板阵列、电解电池和重力辅助储罐。旁边还有各种辅助组件，用来支持上述系统。
通过实验室和公共资源的指导学习燃料电池、太阳能和电解的基础知识。通过调查以前发表的文献，了解了系统的基本组成部分以及技术的当前状态。同时，开始研究不同品牌手机充电的电压和电流需求。在收集了电源需求的基本信息后，对每个组件进行尺寸测量。燃料电池和电解槽选用厂家的极化曲线规格。太阳能电池板阵列的选择是根据电力电子和电解槽的功率要求。采用标准的性能指标，对关键部件进行单独测试，以确保它们能够满足系统中各自的能源需求。根据各部件的设计结果，提出了包括各部件间功率条件的系统设计终稿。最后，对整个系统进行了测试，看它是否有能力在一天中的任何时间为手机充电，在24小时内产生2.5W的可用电量。
图1 整个系统电路图的原理图设计
该设计在两种模式之间切换，即日照模式和夜间模式。日照模式在太阳辐照度充足时工作，夜间模式在太阳辐照度不足时工作。为了在这两种模式之间切换，安装了继电器和螺线管来检测PV输出的功率并使燃料电池工作。在任何一种模式下，手机都可以使用最常用的连接充电，USB 2.0端口(5v, 0.5A)。燃料电池组如图2 所示。这个堆栈额定功率为3w。当燃料电池组与升压器配对时，输出功率可满足USB 2.0接口的要求。六个由伏达克系统生产的光伏电池板额定功率为8瓦。该电解槽为小型PEM电解池。
图2 燃料电池组件示意图
我们内部设计的气体储存系统的详细情况如图3所示。它包含两个储气罐:一个储氢，另一个储氧。氢槽储存从电解槽阴极产生的氢，而氧气罐储存从阳极产生的氧。同时，从储氧罐底部向电解槽提供去离子水(DI)，其流量由针形阀控制。电解液流动产生的气体从上方进入相应的水箱，通过中心连接管将水排入顶部空气瓶。在夜间模式运行时，气体由空气瓶(顶部)中的水推动，并流向燃料电池发电。这种设计储存气体的压力略高于环境，没有添加组件。它还可以根据储气罐的水位，方便地监测气体的体积。
图3 内部设计的重力辅助储气罐系统的图纸。
在电子元件方面，系统选择了继电器，以实现光电和燃料电池电源之间的自动转换。电压助推器也必须在两个地方实施。第一个是提高燃料电池的输出电压到5v，第二个是提高PV电压来操作螺线管。
4测试
分别测试太阳电池板在一天不同时段的电压值，并算出太阳能电池板将光能转化为电能的效率为65%，测试了电解池在不同的输出电压下产生气泡的速率。当太阳能电池在日照条件下运行一整天后，6个太阳能电池并联产生的平均功率和最大功率分别为6.0 W和9.0 W。在日晒模式下，电解槽平均产氢功率为1.0 W，手机充电功率为0.8~1.4 W。总功率需求小于2.5 W，远小于太阳能电池所产生的功率。这一差异为进一步研究手机充电情况和系统优化提供了机会。
5结论
在导师的指导下，我们设计了一种可再生的手机充电系统，该系统由太阳能电池、电解水器和燃料电池提供动力。为了成功地将每个组件集成到系统中，我们学习并测试了每个组件。在太阳暴晒模式下，太阳能电池产生电能为手机充电，并为水电电解槽提供制氢动力。6个太阳能电池阵列最大输出功率为9w，足以满足电解槽(1.0 W)和手机(0.8 W)的功率需求。当太阳能不再可用时，继电器切换到燃料电池模式。燃料电池的设计发电功率为3.0 W。然而，目前的燃料电池只产生0.6 W。这为我们将来学习和优化这项技术提供了机会。进一步的研究将包括持续的电子数据收集，以便更好地进行优化。虽然这个集成系统还没有完全优化，但它展示了通过可再生能源在昼夜模式下给手机充电的能力，并提供了对大学生进行可再生技术实施教育的机会。
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