一种光-蓄-燃互补发电系统的制作方法

本实用新型属于光伏发电技术领域，尤其是涉及一种光-蓄-燃互补发电系统。

背景技术：

太阳能光伏是极具潜力的清洁发电技术，截至2018年底，我国光伏发电装机容量达1.74亿千瓦，年发电总量为1775亿千瓦时，占2018年全国总发电量的2.5％[1-3]。然而，由于受日照和温度的影响，光伏发电具有随机性、间歇性和供电不足的缺点，限制了其在一些特定环境，尤其是离网、且需不间断供电场景下的应用。

储能是解决光伏发电不连续性的有效技术路径。蓄电池作为常规储能元件，具有能量密度适中、功率响应速度较快的特点，能够快速响应功率瞬时变化。但实际应用中，由于存在夜间以及连续阴雨天等环境条件，具体工况对蓄电池的体积、重量也有一定的限值，单一的“光伏-蓄电池”供电系统往往不能持续满足电力需求。燃料电池作为一种新型的绿色能源，可使用甲醇、氨水等液态燃料，具有能量密度大，转换效率高、稳定无噪音等特点，将燃料电池作为补充电源，与光伏、蓄电池联合，构成“光伏-蓄电池-燃料电池”“光-蓄-燃”互补发电系统，能够有效平抑光伏发电的功率波动，并弥补蓄电池容量不足的问题，近年来在国内外已有不少成功的示范应用。

但是，现有的“光-蓄-燃”互补发电系统采用的是质子交换膜燃料电池(proton-exchangemembranefuelcell,pemfc)，该燃料电池存在发电效率低、耐受性弱且需要贵金属作催化剂等缺点。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种光-蓄-燃互补发电系统。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：

一种光-蓄-燃互补发电系统，包括光伏阵列和高温固体氧化物燃料电池，所述光伏阵列和高温固体氧化物燃料电池的输出端分别通过第一电能转换电路和第二电能转换电路连接于直流母线，所述直流母线通过第三电能转换电路连接于直流负载，所述直流母线通过第一双向电能转换电路和第二双向电能转换电路分别连接于光伏蓄电池和燃蓄电池，所述光伏阵列、高温固体氧化物燃料电池、光伏蓄电池、燃蓄电池和直流负载均连接于控制器。

在上述的光-蓄-燃互补发电系统中，所述第一电能转换电路第二电能转换电路和第三电能转换电路均为dc/dc转换电路，所述第一双向电能转换电路和第二三双向电能转换电路均为双向dc/dc转换电路。

在上述的光-蓄-燃互补发电系统中，所述第一电能转换电路为boost型dc/dc转换电路。

在上述的光-蓄-燃互补发电系统中，所述控制器还连接有触摸显示屏。

在上述的光-蓄-燃互补发电系统中，所述控制器包括主控制器、扩展控制器和充放电控制器，且所述主控制器采用台达dvp系列plc的dvp16es200t规格，扩展控制器采用dvp04ad-e2规格，所述充放电控制器采用tk600控制器。

在上述的光-蓄-燃互补发电系统中，所述光伏阵列、高温固体氧化物燃料电池、光伏蓄电池、燃蓄电池和直流负载均通过检测回路连接于所述控制器。

在上述的光-蓄-燃互补发电系统中，所述检测回路包括光-蓄回路，所述光-蓄回路连接于所述充放电控制器、主控制器和扩展控制器。

在上述的光-蓄-燃互补发电系统中，所述光-蓄回路包括均连接于所述主控制器和扩展控制器的光伏电流变送器、光伏电压变送器、两个光伏蓄电池电流变送器和光伏蓄电池电压变送器，所述光伏电流变送器的检测端串联在光伏阵列的输出回路中，所述光伏电压变送器的检测端并联在所述光伏阵列的输出回路中，两个光伏蓄电池电流变送器检测端相互反向串联在光伏蓄电池的充放电回路中，所述光伏蓄电池电压变送器检测端并联在所述光伏蓄电池的充放电回路中。

在上述的光-蓄-燃互补发电系统中，所述检测回路包括燃-蓄回路，所述燃-蓄回路连接于所述充放电控制器、主控制器和扩展控制器。

在上述的光-蓄-燃互补发电系统中，所述燃-蓄回路包括均连接于所述主控制器和扩展控制器的燃料电池电流变送器、燃料电池电压变送器、两个燃蓄电池电流变送器和燃蓄电池电压变送器，所述燃料电池电流变送器的检测端串联在所述高温固体氧化物燃料电池的输出回路中，所述燃料电池电压变送器检测端并联在所述高温固体氧化物燃料电池的输出回路中，两个燃蓄电池电流变送器检测端相互反向串联在所述燃蓄电池的充放电回路中，所述燃蓄电池电压变送器检测端并联在所述燃蓄电池的充放电回路中。

本实用新型的优点在于，使用燃料电池作为补充电源，能够有效平抑光伏发电的功率波动；使用高温固体氧化物燃料电池代替传统质子交换膜燃料电池，具有发电效率高、耐受性强，且环保清洁等优点；使用台达dvp系列的plc作为控制器，同时使用触摸显示屏连接于控制器，实现人机交互界面的可视化和智能化；预留多个接口，便于系统后续扩展。

附图说明

图1是本实用新型的发电系统结构图；

图2是本实用新型plc控制原理图；

图3是本实用新型光-蓄回路检测原理图；

图4是本实用新型燃-蓄回路检测原理图。

附图标记：光伏阵列1；高温固体氧化物燃料电池2；第一电能转换电路31；第二电能转换电路32；直流母线33；第三电能转换电路34；第一双向电能转换电路35；第二双向电能转换电路36；光伏蓄电池41；燃蓄电池42；直流负载5；控制器6；触摸显示屏7；主控制器plc1；扩展控制器plc2～plc4；充放电控制器tk；光伏电流变送器bs1；光伏电压变送器bs2；光伏蓄电池电流变送器bs3、bs4；光伏蓄电池电压变送器bs5；燃料电池电压变送器bs7；燃料电池电流变送器bs6；燃蓄电池电流变送器bs8、bs9；燃蓄电池电压变送器bs10。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例公开了一种光-蓄-燃互补发电系统，包括光伏阵列1和高温固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell，sofc)2，所述光伏阵列1和高温固体氧化物燃料电池2的输出端分别通过第一电能转换电路31和第二电能转换电路32连接于直流母线33，所述直流母线33通过第三电能转换电路34连接于直流负载5，所述直流母线33通过第一双向电能转换电路35和第二双向电能转换电路36分别连接于光伏蓄电池41和燃蓄电池42，所述光伏蓄电池41和燃蓄电池42分别连接于光伏阵列1和高温固体氧化物燃料电池2，光伏蓄电池41用于存储光伏阵列1传输过来的电能，所述燃蓄电池42用于存储高温固体氧化物燃料电池2传输过来的电能，采用两组蓄电池分别连接于光伏阵列1和高温固体氧化物燃料电池2，不但有效减少隔离器的使用，简化控制系统，同时能够明显提高控制效率。所述直流负载5由所述光伏蓄电池41和/或燃蓄电池42供电，且所述光伏阵列1、高温固体氧化物燃料电池2、光伏蓄电池41、燃蓄电池42和直流负载5均连接于控制器6。

由于单个光伏电池输出的电压和电流较小，为增大功率，本实施例将多个光伏电池通过特定形式串并联组成光伏阵列阵列用以发电。多个光伏电池通过串并联的方式组成光伏阵列属于现有技术，在此不进行赘述，本领域技术人员可以根据需要选择相应的串并联形式。

本实施例采用高温固体氧化物燃料电池作为燃料电池，高温固体氧化物燃料电池具有发电效率高、炭耐受性强和清洁环保等优点。高温固体氧化物燃料电池主要由阳极、电解质和阴极构成。高温(600～1000℃)下，阴/阳电极具有高电子、离子电导率和良好催化活性等优点，此外所采用的多孔结构能进一步提升电极电化学性能。电解质采用钇稳定氧化锆(yttriastabilizedzirconia，ysz)陶瓷材料，拥有高离子电导率、可以忽略不计的电子电导率、以及良好的致密性和良好的抗氧化还原性能等优点。不仅避免电池在工作中内部短路导致的电压降，还可消除氧化气体和燃料气体内部泄露混合导致电压损失，维持高输出功率密度，燃料可选择范围宽，如氢气(h2)，甲醇(ch4o)、甲烷(ch4)和氨(nh3)等。

其中，第一电能转换电路31、第二电能转换电路32和第三电能转换电路34均为dc/dc转换电路，第一双向电能转换电路35和第二三双向电能转换电路36均为双向dc/dc转换电路。

且第一电能转换电路31为boost型dc/dc转换电路，第一电能转换电路31对光伏阵列输出电压进行升压，并进行最大功率跟踪，电能汇入直流母线33，然后经过第一双向电能转换电路35给光伏蓄电池41充电。高温固体氧化物燃料电池2作为补充电源，使用第二电能转换电路32将电能充入燃蓄电池42，第二电能转换电路32用来保持高温固体氧化物燃料电池输入直流母线3电压的稳定。

优选地，控制器6还连接有触摸显示屏8。通过触摸显示屏8和控制器6实现人机交互及界面可视化，实时采集、显示和存储系统运行数据。

进一步地，如图2所示，控制器6包括相互信号连接的主控制器plc1、扩展控制器plc2～plc4和充放电控制器tk，这里采用三个扩展控制器，分别为plc2、pc3和plc4，且所述主控制器plc1采用台达dvp系列plc的dvp16es200t规格，扩展控制器plc2～plc4采用dvp04ad-e2规格，主控制器plc1具有8个输入个8个晶体管输出，晶体管k1、k2分别用于控制光伏蓄电池和燃料蓄电池的使用切换，晶体管k3、k4作为备用控制开关。每台扩展控制器具有多个模拟量输入通道用于采集检测二回路中各变送器输出的光伏阵列1、高温固体氧化物燃料电池2、光伏蓄电池41和燃蓄电池42的电流电压信号，并预留了接口by1+、by1-、by2+、by2-作为备用。充放电控制器tk采用tk600控制器，用于控制燃蓄电池42和光伏蓄电池41的充放电。

具体地，光伏阵列1、高温固体氧化物燃料电池2、光伏蓄电池41、燃蓄电池42和直流负载5均通过检测回路连接于所述控制器6，以将检测回路信息发送给控制器6，同时控制器6将控制信号发送给检测回路中相应转换电路与相应蓄电池之间的开关来控制蓄电池的充放电。

进一步地，检测回路包括光-蓄回路，所述光-蓄回路连接于所述充放电控制器tk、主控制器plc1和扩展控制器plc2～plc4。

具体地，如图3所示，光-蓄回路包括均连接于所述主控制器plc1和扩展控制器plc2～plc4的光伏电流变送器bs1、光伏电压变送器bs2、两个光伏蓄电池电流变送器bs3、bs4和光伏蓄电池电压变送器bs5，所述光伏电流变送器bs1的检测端串联在光伏阵列1的输出回路中以检测光伏阵列的电流，所述光伏电压变送器bs2的检测端并联在所述光伏阵列1的输出回路中以检测光伏阵列的电压，两个光伏蓄电池电流变送器bs3、bs4检测端反向串联在所述光伏蓄电池41的充放电回路中以检测光伏蓄电池41的充放电压，所述光伏蓄电池电压变送器bs5检测端并联在所述光伏蓄电池41的充放电回路中以检测光伏蓄电池41的充放电压，然后将检测到的信号送入主控制器plc1和plc2、plc3、plc4进行反馈。光伏阵列1的输出回路和光伏蓄电池41的充放电回路均连接于充放电控制器tk。

进一步地，所述检测回路还包括燃-蓄回路，所述燃-蓄回路连接于所述充放电控制器tk、主控制器plc1和扩展控制器plc2～plc4。

同样地，如图4所示，燃-蓄回路包括均连接于所述主控制器plc1和扩展控制器plc2～plc4的燃料电池电流变送器bs6、燃料电池电压变送器bs7、两个燃蓄电池电流变送器bs8、bs9和燃蓄电池电压变送器bs10，所述燃料电池电流变送器bs6的检测端串联在所述高温固体氧化物燃料电池2的输出回路中以用于检测高温固体氧化物燃料电池2的电流，所述燃料电池电压变送器bs7检测端并联在所述高温固体氧化物燃料电池2的输出回路中以用于检测高温固体氧化物燃料电池2的电压，两个燃蓄电池电流变送器bs8、bs9检测端相互反向串联在燃蓄电池42的充放电回路中以用于检测燃蓄电池42的充放电流，所述燃蓄电池电压变送器bs10检测端并联在燃蓄电池42的充放电回路中以用于检测燃蓄电池42的充放电压。同样地，高温固体氧化物燃料电池2的输出回路和燃蓄电池42的充放电回路均连接于充放电控制器tk1。

需要说明的是本实施例说明书附图中具有相同标号的端口相互连接。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了光伏阵列1；高温固体氧化物燃料电池2；第一电能转换电路31；第二电能转换电路32；直流母线33；第三电能转换电路34；第一双向电能转换电路35；第二双向电能转换电路36；光伏蓄电池41；燃蓄电池42；直流负载5；控制器6；触摸显示屏7；主控制器plc1；扩展控制器plc2～plc4；充放电控制器tk；光伏电流变送器bs1；光伏电压变送器bs2；光伏蓄电池电流变送器bs3、bs4；光伏蓄电池电压变送器bs5；燃料电池电压变送器bs7；燃料电池电流变送器bs6；燃蓄电池电流变送器bs8、bs9；燃蓄电池电压变送器bs10等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。