Thiết kế hệ thống cấp điện cho tải địa phương sử dụng 2 nguồn fuel cell công suất khác nhau

Trong thời đại công nghệ phát triển như hiện nay, con người đang dần nhận thức được việc các nguồn năng lượng khai thác từ thiên nhiên phổ biến như than đá, dầu mỏ,… đang dần cạn kiệt. Khác với những nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt thì gió, ánh sáng mặt trời,… là những nguồn năng lượng vô tận nếu như chúng ta biết cách khai thác chúng. Nhận thức được điều này, một ngành công nghệ mới đã ra đời và đang dần trở nên phát triển mang tên “Ngành công nghiệp năng lượng tái tạo”. Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của năng lượng tái tạo là pin nhiên liệu Fuel Cell. Trên cơ sở đó, chúng em xin trình bày đề tài: “Thiết kế hệ thống cấp điện cho tải địa phương sử dụng 2 nguồn fuel cell công suất khác nhau”

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ KHOA TỰ ĐỘNG HÓA 🙥 🙥 🙥 HỌC PHẦN: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Đề tài: Thiết kế hệ thống cấp điện cho tải địa phương sử dụng nguồn fuel cell công suất khác GVHD: Ts Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 12 Hà Nội, 2023 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ FUEL CELL 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Cấu tạo 1.3 Nguyên lý hoạt động 1.4 Phân loại .4 1.5 Ưu, nhược điểm 1.6 Ứng dụng CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN 2.1 Cấu trúc toàn mạch 2.2 Điều khiển lưu lượng vào Fuel Cell .5 2.3 Điều khiển mạch Boost 2.4 Tạo tín hiệu điều khiển cho Inverter .7 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH TỐN HỌC 10 3.1 Mơ hình tốn học Fuel Cell 10 3.2 Mô hình tốn học mạch Boost Converter .11 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 14 4.1 Điều khiển bảo vệ công suất đầu cho sofc 14 4.2 Điều khiển nối nguồn với tải 14 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG 19 5.1 Sơ đồ mô 19 5.2 Kết mô 20 5.3 Đánh giá kết .22 KẾT LUẬN 23 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .24 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại công nghệ phát triển nay, người dần nhận thức việc nguồn lượng khai thác từ thiên nhiên phổ biến than đá, dầu mỏ, … dần cạn kiệt Khác với nguồn lượng dần cạn kiệt gió, ánh sáng mặt trời,… nguồn lượng vô tận biết cách khai thác chúng Nhận thức điều này, ngành công nghệ đời dần trở nên phát triển mang tên “Ngành công nghiệp lượng tái tạo” Một ứng dụng phổ biến lượng tái tạo pin nhiên liệu Fuel Cell Trên sở đó, chúng em xin trình bày đề tài: “Thiết kế hệ thống cấp điện cho tải địa phương sử dụng nguồn fuel cell công suất khác nhau” Nội dung gồm có chương: Chương 1: Tổng quan Fuel Cell Chương 2: Phân tích tốn điều khiển Chương 3: Mơ hình tốn học Chương 4: Thiết kế điều khiển Chương 5: Mô Trong trình nghiên cứu đề tài, chúng em củng cố tiếp thu thêm kiến thức thuật toán điều khiển cho đối tượng ứng dụng lượng tái tạo Hơn chúng em học tập rèn luyện phương pháp làm việc, nghiên cứu cách chủ động hơn, linh hoạt hơn, đặc biệt phương pháp làm việc theo nhóm Chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn chúng em suốt trình xây dựng hoàn thành đề tài Do thời gian thực ngắn kiến thức thân hạn chế nội dung đề tài không tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận đóng góp thầy cô Chúng em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ FUEL CELL 1.1 Giới thiệu chung Fuel Cell (hay pin nhiên liệu) loại pin biến đổi lượng hóa học nhiên liệu, thí dụ hiđrơ, trực tiếp thành lượng điện Không giống pin ắc quy, tế bào nhiên liệu khơng bị điện khơng có khả tích điện, hoạt động liên tục nhiên liệu chất oxy hóa đưa từ ngồi vào Pin nhiên liệu loại thiết bị lượng có mức thải ô nhiễm gần 0, thân thiện với mơi trường nhiên giá thành khơng nhỏ 1.2 Cấu tạo Một Fuel Cell có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp: - Lớp thứ điện cực nhiên liệu (cực dương) - Lớp thứ hai chất điện phân dẫn ion - Lớp thứ ba điện cực khí oxy (cực âm) Hai điện cực làm chất dẫn điện (kim loại than chì ) Ngồi ra, hệ thống đầy đủ cần có thiết bị phụ trợ máy nén, máy bơm, để cung cấp khí đầu vào, máy trao đổi nhiệt, hệ thống kiểm tra yêu cầu, chắn vận hành máy, hệ thống dự trữ điều chế nhiên liệu 1.3 Nguyên lý hoạt động Về phương diện hóa học Fuel Cell phản ứng ngược lại điện phân Trong trình điện phân nước bị tách thành khí hiđrơ khí oxy nhờ vào lượng điện, Fuel Cell lấy hai chất biến đổi chúng thành nước Qua đó, lý thuyết, phần lượng điện đưa vào giải phóng thật thất qua q trình hóa học vật lý lượng thu Các loại tế bào nhiên liệu chung nguyên tắc mô tả sau: Ở bề mặt cực dương khí hiđrơ bị oxy hóa hóa điện: H  H   4e  Các điện tử giải phóng từ cực dương qua mạch điện bên cực âm Các proton H+ di chuyển chất điện phân xuyên qua màng có khả cho proton qua cực âm kết hợp với khí oxy có sẵn khơng khí (nồng độ 21%) điện tử tạo thành nước: O2  H   4e   H 2O Tổng hợp lại: H  O2  H 2O  lượng (điện, nhiệt) 1.4 Phân loại Các hệ thống tế bào nhiên liệu phân loại theo nhiều cách khác tùy theo cách nhìn: - Phân loại theo nhiệt độ hoạt động - Phân theo loại chất tham gia phản ứng - Phân loại theo điện cực - Phân theo loại chất điện phân cách phân loại thông dụng ngày 1.5 Ưu, nhược điểm Ưu điểm Hiệu suất cao: 40~60% tính hiệu suất nhiệt lên đến 85% (wind turbine: 20~40%, Solar cells : 5~15%) Sử dụng nhiều loại khí: Natural gas, Methanol, Coal gas, etc Khí thải: NOx, SOx rác gần không, CO2 thải 20~40% so với nhiệt điện than Khơng gây tiếng ồn Ít tổn thất điện lắp đặt gần khu cư Phản ứng nhanh với thay đổi tải Nhược điểm Giá thành cao Cần công nghệ cao để đảm bảo độ tin cậy tuổi thọ thiết bị 1.6 Ứng dụng Fuel Cell sử dụng lĩnh vực mà phí tổn khơng đóng vai trị quan trọng Fuel Cell nhẹ hiệu ắc quy đồng thời đáng tin cậy ồn động Diesel Những điều giải thích giới quân ngành du hành vũ trụ quan tâm đến công nghệ sớm Một số tàu thuyền biển dùng Fuel Cell Các Fuel Cell sử dụng khí đốt chuẩn bị đẩy lùi thiết bị kết hợp phát điện sưởi (combined heat and power plant) Ở hệ thống khí đốt biến đổi thành hiđrô đưa vào Fuel Cell Một số vật dụng cầm tay điện thoại di động, máy vi tính xách tay, máy quay phim, vật liệu cắm trại hay quân tiến tới ứng dụng loại nguồn cung cấp lượng CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN 2.1 Cấu trúc tồn mạch Cấu trúc hệ thống Fuel Cell cung cấp cho tải gồm: Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống Fuel Cell cung cấp cho tải - Reformer: Thiết bị tạo hydro từ loại khí thiên nhiên, methanol,… - Cell Stack: Thiết bị tạo điện từ phản ứng điện hóa hydro oxi - PCU: Thiết bị biến đổi điện chiều thành xoay chiều Vì đầu Fuel Cell có điện áp khơng ổn định nên hệ thống cần có lọc điện áp sau Fuel Cell để đảm bảo điện áp đầu ổn định, đồng thời cần có thêm Boots để khuếch đại điện áp đủ lớp đáp ứng trước đưa vào Inverter Ở cần hai điều khiển: cho Boots cho Inverter 2.2 Điều khiển lưu lượng vào Fuel Cell Một biến trung gian quan trọng định đến điện áp cơng suất đầu u Fuel Cell hệ số sử dụng nhiên liệu f : cho thấy mối quan hệ lưu lượng H2 Cell lưu lượng H2 đưa vào, thể công thức: qH in  qH o qH r K f I fc uf   in  qH in qH qH in qH in qH out , qH r Trong dó , lưu lượng dịng chảy vào, phản ứng Dựa vào lượng nhiên liệu đầu vào khác cung cấp công suất, điện áp hệ số u u sử dụng nhiên liệu f thể tính phi tuyến hệ thống Với f >0.9, rơi vào u trạng thai nguy hiểm, điện áp cơng suất giảm xuống đáng kể Cịn f