【《基于燃料电池的热电联供系统仿真案例分析》4400字】

基于燃料电池的热电联供系统仿真案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u22114基于燃料电池的热电联供系统仿真案例分析 133291.1引言 1176841.2基于燃料电池的热电联供系统的仿真模型 1320601.2.1基于燃料电池的热电联供系统家庭住宅逐时热电负荷 159001.2.2基于燃料电池的热电联供系统仿真设置 362571.3基于燃料电池的热电联供系统运行特性分析 399121.1.1热电联供系统采用以热定电方式的运行仿真结果分析 319651.1.2热电联供系统采用以电定热方式的运行仿真结果分析 5143021.4小型分布式热电联供系统在两种能量策略下的热力性能 727651.4.1热电联供系统在不同能量策略下的氢气消耗流量 744601.4.2基于燃料电池的热电联供系统的效率 81.1引言首先基于家庭住宅建筑的热电负荷，对热电联供系统进行动态模拟，输出热电联供系统在冬季典型日工况下的运行情况，从而分析系统的运行性能。然后分别对比有储能装置的热电联供系统和无储能装置的热电联供系统之间的运行状况，并在两种能量跟随策略下，计算并对比两种方式下的系统供热效率、发电效率以及系统总效率，再对用户端的热需求、电需求分别进行积分，然后进一步评价该热电联供系统的节能比例和热力学性能。1.2基于燃料电池的热电联供系统的仿真模型1.2.1基于燃料电池的热电联供系统家庭住宅逐时热电负荷当热电联供系统在冬季典型日工况下运行时，考虑家庭住宅的用热需求和用电需求。利用TRNBuild软件，结合北京冬季的天气及气温，模拟并输出选定的家庭住宅建筑在一周期内的逐时电负荷数据、逐时热负荷数据。家庭住宅在冬季典型日中的逐时电负荷如图3-1所示，逐时热负荷图像见下图3-2所示。观察给出的两幅图可以看出：家庭用户端在一天中的最大用电量和最大用热量会出现在上午8点和晚上19点。读取最大用量的峰值可知：一天内热负荷的最大值为1.52kW，电负荷最大值为1.42kW，本文中设计的燃料电池输出的功率可以满足建筑负荷需求。图3-1北京冬季典型日工况下家庭逐时电负荷图3-2北京冬季典型日工况下家庭逐时热负荷1.2.2基于燃料电池的热电联供系统仿真设置为了对该热电联供系统进行全天24h仿真计算，分析系统的运行性能，并对比系统采用以热定电和以电定热两种能量跟随策略的热力学性能，现在对用到的模拟软件设置相关的参数：仿真时间和仿真步长。先将仿真运行时间设置为24h（86400s），尽可能小的仿真步长可以提高系统运行仿真的精确度，因此将仿真步长值设置为0.1s。具体的仿真设置参数如表3-1所示。表3-1热电联供系统仿真模型的运行参数设置仿真运行时间仿真运行步长仿真运行形式仿真运行求解器24h(86400s)0.1s运行步长固定Ode41.3基于燃料电池的热电联供系统运行特性分析热电联供系统在冬季典型日工况下的家庭逐时热、电负荷已经在前一节中给出，在该基础上进行系统仿真。首先研究热电联供系统采用以热定电的能量跟随策略时的运行性能，之后研究热电联供系统采用以电定热的能量跟随策略时的运行性能。1.1.1热电联供系统采用以热定电方式的运行仿真结果分析热电联供系统采用以热定电的能量跟随策略，在冬季典型日工况运行时的仿真结果为：基于质子交换膜燃料电池的热电联供系统，在未添加辅助储能装置时，系统输出的热功率与建筑热负荷需求之间的关系图如图3-3所示，系统输出的电功率与建筑电负荷需求之间的关系如下图3-4所示。首先观察第一幅图（联供系统的热功率与建筑热负荷之间的对比关系图），在无储能装置时，可以看出，小型分布式热电联供系统输出的热功率与家庭建筑用户端热负荷的变化走势相同。因此，未添加锂离子电池作为辅助储能装置的联供系统，其输出的热功率可以满足家庭住宅的热负荷需求。再观察系统输出的电功率与建筑电负荷需求之间的关系，可以看出热电联供系统输出的电功率与建筑电负荷的变化并不一致。原因是家庭住宅的热负荷和电负荷的变化不同步，当系统采用热负荷跟随原则时，输出的热功率会与建筑热负荷在数值和变化趋势上趋于一致，而输出的电功率就无法满足家庭的电负荷需求，从而导致用户端出现用电低谷和用电高峰状态。所以，需要在热电联供系统中添加锂离子电池作为辅助储能装置，从而对系统进行电功率补偿。图3-3未添加储能装置时系统输出的热功率图3-4未添加储能装置时系统输出的电功率锂离子电池输出的电功率及其SOC值的变化如下图3-5所示。当锂离子电池输出的电功率为正值时，表示锂电池处于放电状态；当锂离子电池输出的电功率为负值时，表示锂电池处于充电状态。基于未添加储能装置的联供系统输出的电功率来看，当家庭用户端建筑的电负荷小于热电联供系统输出的电功率，此时锂电池储存电能；当家庭住宅建筑的电需求大于热电联供系统输出的电功率时，则这时锂离子电池释放电能。结合锂离子电池在不同时刻的SOC值来看，当锂离子电池充电时，电池的电量增加，SOC值增大；当锂离子电池放电时，电池的电量减少，SOC值减小。系统在一个完整的周期内运行时，锂离子电池的SOC值最小不低于0.25，最大不高于0.50。因为对锂电池进行了PID控制，所以在小范围内的电负荷需求发生波动，引起联供系统输出的电功率发生变化时，锂离子电池仍然可以实现对联供系统的电功率进行补偿，从而保证系统稳定运行。图3-5锂电池输出的电功率及SOC值当系统添加锂离子电池作为辅助装置时，热电联供系统输出的总电功率与建筑电负荷需求之间的变化关系如图3-6所示。由图可以看出，联供系统在经过锂离子电池通过充、放电进行的电能补偿之后，质子交换膜燃料电池与锂离子电池共同输出的电功率变化情况与家庭建筑用户端的电负荷变化情况趋于一致，可以说明此时联供系统具有良好的动态响应特性与调节精度。图3-6添加锂电池后系统输出的总电功率结合上述联供系统输出的热功率和电功率与建筑热、电负荷之间的变化关系，可以得出：该系统中的质子交换膜燃料电池作为主要的能源输出，并在系统中加入一个辅助储电装置进行PID控制，热电联供系统输出的能量就既可以满足家庭用户端的热量需要，也可以满足用户端的电量需求，同时引入PID控制器后的系统也就具备了良好的动态响应性能。1.1.2热电联供系统采用以电定热方式的运行仿真结果分析热电联供系统采用以电定热的能量跟随策略，在冬季典型日工况运行时的仿真结果为：基于质子交换膜燃料电池的热电联供系统，在未添加储热水箱作为辅助储能装置时，系统输出的电功率与建筑电负荷需求之间的关系图如图3-7所示，系统输出的热功率与建筑热负荷需求之间的关系图如图3-8所示。观察系统输出的电功率与建筑电负荷需求之间的关系可以看出，热电联供系统输出的电功率与建筑电负荷的变化基本一致，仅存在较小的系统响应时间。因此，未添加储热水箱作为辅助储能装置的联供系统，其输出的电功率可以满足家庭住宅的电负荷需求。再观察系统输出的热功率与建筑热负荷需求之间的关系，可以看出热电联供系统输出的热功率与建筑热负荷的变化并不一致。原因是家庭住宅的热负荷和电负荷的变化不同步，当系统采用电负荷跟随原则时，输出的电功率会与建筑电负荷在数值和变化趋势上趋于一致，而输出的热功率就无法满足家庭的电负荷需求，从而导致用户端出现用热波谷和用热波峰的情况。因此，非常有必要在该热电联供系统中添加辅助储热装置，比如储热水箱（经积分计算，一周期内的剩余热功率足够满足用热波峰时的热需求，无需添加壁挂炉），从而实现对用户端的热功率补偿。图3-7未添加储热水箱时系统输出的电功率图3-8未添加储热水箱时系统输出的热功率在系统中加入储热水箱作为辅助储能装置，储热水箱输出的热功率的变化如下图3-9所示。基于未添加储能装置的联供系统输出的热功率来看，当联供系统中燃料电池输出的热功率高于建筑热负荷时，多余的热量储存在储热水箱中；当系统中燃料电池输出的热功率低于建筑热负荷时，储热水箱放出之前储存好的热量。结合图3-9储热水箱输出的热功率，正号表示储热水箱向系统内释放热量，负号表示储热水箱储存系统中多余的热量。图3-9储热水箱输出的热功率经积分计算可知，在整个运行周期内，储热水箱储存的热量足够满足燃料电池输出热功率不足时的热需求，无需添加壁挂炉等辅助加热装置。当热负荷需求在小范围内波动，引起联供系统中燃料电池输出的热功率发生变化时，储热水箱仍然可以实现对联供系统的热功率进行补偿，从而保证系统稳定运行。当系统添加储热水箱作为辅助储能装置时，热电联供系统输出的总热功率与建筑热负荷需求之间的变化关系如图3-10所示。由图可以看出，联供系统在经过储能水箱通过储热、放热进行的热功率补偿之后，质子交换膜燃料电池与储热水箱一起输出的热功率变化情况与家庭建筑用户端的热负荷变化情况趋势相同，也就说明：利用储热水箱回收热能后，很大程度上提高了余热的回收利用效率，避免热功率的浪费，而且系统也有着较高的控制响应精度。图3-10添加储热水箱后系统输出的总热功率1.4小型分布式热电联供系统在两种能量策略下的热力性能1.4.1热电联供系统在不同能量策略下的氢气消耗流量联供系统在冬季典型日工况下，采用以热定电的能源策略时，结合锂离子电池作为蓄电装置的小型分布式热电联供系统，与未结合蓄电技术的单一燃料电池热电联供系统，在一周期内的逐时氢气消耗流量对比图如图3-11所示。联供系统采用以电定热的能量跟随策略时，添加储热水箱作为储能装置的系统逐时氢气消耗流量如下图3-12所示。图3-11系统采用以热定电方式时的逐时氢气消耗流量图3-12系统采用以电定热方式时的逐时氢气消耗流量通过对图3-12的氢气消耗流量曲线积分，得到一周期内的氢气日消耗量，如下表3-2所示。观察表格可以得出以下结论：在一个周期内，对比单一燃料电池系统的氢气日消耗量，结合储能设备的联供系统一天内可以节约氢气量3121.2L，且相比于单一燃料电池系统，结合储能的联供系统可节约19.96%的氢气燃料。表3-2系统的氢气日消耗量类别氢气日消耗量添加锂电池的联供系统12515.4L未添加锂电池的联供系统15636.6L节能比例19.96％1.4.2基于燃料电池的热电联供系统的效率采用质子交换膜燃料电池作为主要能源输出的热电联供系统，当采用以热定电的能量管理方式时，考虑实际运行时的用电、用热损失，计算得到系统的制热效率为34.47％，系统的发电效率为46.07％，系统总效率为80.54％；采用以电定热的方式时，系统的制热效率为21.67％，系统的发电效率为28.77％，系统总效率为50.44％。实际运行时的各项效率如下表3-3所示。表3-3实际运行时的各项效率类别效率值联供系统采用以热定电时的制热效率34.47％联供系统采用以热定电时的发电效率46.07％联供系统采用以热定电时的总效率80.54％联供系统采用以电定热时的制热效率21.67％联供系统采用以电定热时的制热效率28.77％联供系统采用以电定热时的总效率50.44％将两种能量跟随策略下的热电联供系统的各项效率对比可知：当系统采用以热定电的方式时，系统的制热效率、发电效率以及总效率都更高，因此选定热跟随策略作为该热电联供系统的能量