و 1 98-F-PRE-7 مدلسازي و شبيهسازي ديناميكي سيستم پيل سوختي جهت كاربردهاي توليد پراكنده نيما فرخزاد ارشاد سيد علي پورموسوي كاني. دانشگاه صنعتي اميركبير(پلي تكنيك تهران) دانشكده مهندسي برق قطب علمي قدرت آزمايشگاه انرژيهاي تجديدپذير. تهران ايران واژههاي كليدي: الكترولايزر توليد پراكنده پيل سوختي ابرخازن سيستم مجزا از شبكه SIMULINK چكيده در اين مطالعه مدل ديناميكي جامع سيستم پيل سوختي از نوع PEM با ذخيره ساز هيدروژن جهت كاربردهاي توليد پراكنده اراي ه شده است. با شبيه سازيهاي صورت گرفته امكانسنجي فني استفاده از مولد پيل سوختي جهت استفاده در مصارف خانگي مورد بررسي قرار گرفته است. در مدلسازي صورت گرفته براي پيل سوختي اثرات تغييرات دما و اثر خازني لايه دوگان لحاظ شده است. از يك اينورتر 4 پالسه تكفاز براي تبديل ولتاژ D خروجي سيستم به A استفاده گرديد. همچنين كنترلر PID براي كنترل دبي جرمي هيدروژن و اكسيژن ورودي پيل سوختي جهت بهبود پاسخ حالت گذرا و ماندگار ولتاژ خروجي در پاسخ به اغتشاشات اعمالي به بار به كارگرفته شده است. براي تثبيت ولتاژ پيل سوختي از ابرخازن بهره گرفته شده است. شبيهسازيها در محيط MATLAB/SIMULINK صورت گرفته است. بررسي نتايج نشان ميدهد كه تعقيب بار و تثبيت ولتاژ به نحو مطلوبي صورت گرفته است. سيستم پيشنهادي از يك الكترولايزر جهت توليد هيدروژن استفاده ميكند و با ذخيره هيدروژن توليدي نيازي به استفاده از باتري براي ذخيرهسازي ندارد. بنابراين در كاربردهاي دور از شبكه مناسب ميباشد. 1- مقدمه با توجه به گسترش مصرف انرژي و گرايش جهاني به توليد انرژي به صورت غيرمتمركز در محل مصرف ابزارهاي مختلف توليد پراكنده و ساخت نمونههاي تجاري-صنعتي آنها جايگاه ويژهاي يافته است. در واقع منابع توليد پراكنده منابع توليد توان الكتريكي هستند كه مستقيما به شبكه توزيع يا به مصرفكننده متصلاند. سطح ولتاژ منابع توليد پراكنده از 400 ولت تا حداكثر 33 كيلوولت بوده و ظرفيت آنها در محدوده چند وات تا حداكثر 100 مگاوات قرار ميگيرد. ] [ با توجه به گسترش مصرف انرژي و گرايش جهاني به توليد انرژي به صورت غيرمتمركز در محل مصرف ابزارهاي بسيار متنوعي مبتني بر انرژيهاي فسيلي و تجديدپذير و ابزارهاي ذخيرهسازي انرژي براي توليد پراكنده وجود دارند كه در اين ميان ميتوان به موتورهاي احتراقي ميكروتوربينها پيلهاي سوختي ديزل ژنراتورها توربينهاي بادي سلولهاي خورشيدي و... اشاره نمود. پيلهاي سوختي ابزارهايي هستند كه انرژي شيميايي را مستقيما به انرژي الكتريكي و گرما تبديل مينمايند. امروزه پيلهاي سوختي پس از گسترش تكنولوژي ساخت كاربردهاي بسيار وسيعي در صنايع مختلف از جمله ميكروالكترونيك خودروهاي الكتريكي 1
و 1 مدلسازي و شبيهسازي ديناميكي سيستم پيل سوختي جهت كاربردهاي توليد پراكنده كشتيهاي كوچك هواپيماهاي جاسوسي اتوبوسها مصارف خانگي و تجاري توليد مركب حرارت و توان Power) (ombned Het nd و... يافتهاند. طرح اوليه پيل سوختي توسطGrove Wllm در سال 1839 اراي ه شد اما نخستين نمونه عملي پيل سوختي توسط سازمان تحقيقات فضايي آمريكا (ناسا) در سال 1955 با ظرفيت 5 كيلووات ساخته شد. بي صدا بودن و نداشتن هيچ گونه ارتعاش نامطلوب سبب توسعه پيل سوختي در كاربردهاي نظامي شده است. همچنين از اين ابزار در سفينه هاي فضايي جهت توليد آب مورد نياز سرنشينان نيز استفاده ميشود.[ [ از جمله مزاياي پيل سوختي ميتوان به موارد زير اشاره كرد: الف- راندمان بالا از ديدگاه سيستمهاي انرژي: پيلهاي سوختي PEM هنگام توليد الكتريسيته راندماني بين 40 تا 60 درصد دارند و در توليد همزمان برق و حرارت (HP) اين راندمان تا مقدار 85 درصد نيز افزايش مييابد. ب- تنظيم راحت از ديدگاه كنترل توان: با كنترل ميزان مواد واكنش دهنده (هيدروژن و اكسيژن) ميتوان توان خروجي پيل سوختي را كنترل كرد. ج- سازگاري با محيط زيست: در صورت استفاده از هيدروژن به عنوان سوخت اوليه خروجي آن تنها آب است و با توجه به عدم حضور قسمتهاي مكانيكي هيچگونه آلودگي صوتي ندارند. د- انعطاف پذيري سوخت: ميتوان هيدروژن را از منابع گوناگوني مانند آب گاز طبيعي ذغالسنگ متانول سوختهاي هيدروكربني تهيه كرد. ه- قابل حمل و سبك بودن به ازاي واحد توليد انرژي: همانطور كه در شكل 1 ملاحظه ميشود پيلهاي سوختي بيشترين ميزان چگالي ذخيره انرژي را در مقايسه با باتري خازنهاي الكتروشيميايي و ابر خازنها دارند. پيلهاي سوختي بر حسب نوع الكتروليت مورد استفاده به 5 گروه مختلف تقسيم ميشوند كه عبارتند از: 1 -پيل سوختي اكسيد جامد (SOF) -پيل سوختي كربنات مذاب (MF) 3- پيل سوختي اسيد فسفريك (PAF) 4 -پيل سوختي قليايي (AF) 5 -پيل سوختي پليمري.(PEMF) شكل : 1 مقايسه چگالي توان و انرژي پيلهاي سوختي با باتري و خازن. پيل سوختي نوع PEM داراي امتيازاتي از قبيل راهاندازي سريع قابليت استفاده در تامين بارهاي جزي ي Lod) (Prtl نسبت به ساير انواع پيلهاي سوختي است. از طرفي هدف اين مطالعه بررسي استفاده از ابزار پيل سوختي جهت اصلاح منحني بار خانگي است. بنابراين مناسبترين گزينه از ديدگاه فني نوع پيل سوختي PEM ميباشد. براي تامين سوخت مصرفي پيل سوختي از يك دستگاه الكترولايزر استفاده ميكنيم. استراتژي مورد نظر در استفاده از الكترولايزر بدينگونه است كه در ساعات نيمه شب با توجه به كم بودن تقاضاي بار انرژي الكتريكي شبكه سراسري به دستگاه الكترولايزر تغذيه شده تا هيدروژن مورد نياز براي عملكرد پيل سوختي در ساعات اوج مصرف توليد و در تانك هيدروژن ذخيره گردد. لازم به ذكر است كه ذخيرهسازي هيدروژن به سادگي ميسر نبوده و مشكلات فني و هزينههاي زيادي را به همراه دارد. به عبارت ديگر روشهاي ساده ذخيرهسازي سيستمها Storge) (Smple در مورد هيدروژن به سبب تامين فشار بالا مشكلات انفجار و... قابل اجرا نيست و فنĤوري ذخيرهسازي هيدروژن در زمره فنĤوريهاي پيچيده توام با فنĤوريهاي نانو هيبريدهاي فلزي و... قرار گرفته است. با اين استراتژي هر يك از مصرف كنندگان در بخش خانگي ميتوانند بخشي از بار مورد نياز خود را در ساعات اوج مصرف توليد كرده و بخشي از پيك بار را از شبكه سراسري حذف كنند. لذا اين راهبرد منجر به هموار شدن منحني بار روزانه شبكه سراسري خواهد شد.
- مشخصات كلي سيستم در سيستم پيشنهادي از 65 عدد پيل سوختي نوع PEMF الكترولايزر (sturtenergy) مبدل توان D/D مبدل توان D/A ابرخازن و چند كنترلر استفاده شده است. سيستم پيل سوختي شامل 65 عدد پيل سوختي مجزاست كه بهصورت سري به يكديگر متصل شدهاند. جريان خروجي پيل سوختي ميتواند بين 0 تا 5 آمپر تغيير كند. دبي جرمي اكسيژن و هيدروژن ورودي به پيل سوختي توسط كنترلرهاي PID به گونهاي تنظيم ميشوند كه ولتاژ خروجي مجموعه پيل سوختي در مقدار 48 ولت تثبيت شود. 3- مدل ديناميكي اجزاء سيستم 1-3- مدل پيل سوختي پيل سوختي مدلسازي شده در اين مطالعه از نوع PEMF است كه داراي دماي كاري حدود 80 درجه سانتيگراد ميباشد. ساختار ساده يك پيل سوختي شامل يك لايه الكتروليت در تماس با يك آند و كاتد متخلخل در هر طرف ميباشد. نمايش شماتيك يك پيل سوختي با گازهاي واكنشي/توليدي و هدايت يونها از ميان سلول در شكل نشان داده شده است. الكتريكي در مدار خارجي توليد خواهد شد. رويكردهاي مختلفي براي مدلسازي PEMF وجود دارد[ 8 ]. مدل پارامتري پيل سوختي PEM توسط Amphlett با استفاده از يك روش مكانيكي و تعدادي از پارامترهاي گروهي مدلسازي شده كه در اينجا از اين مدل استفاده خواهد شد.[ 9 ] پتانسيل استاندارد ايدهآل (پتانسيل (Nernst يك فيولسل H/O را با E0 نشان داده و برابر 1,9 ولت با توليد آب ميباشد. پتانسيل واقعي سلول از پتانسيل مرجع آن كمتر است زيرا كه تلفات بازگشتناپذيري در سيستم وجود دارد. تمامي روابط در اين بخش از مراجع [5] و [9] استخراج شدهاند. پتانسيل ترموديناميكي E از طريق معادله توسعه يافته Nernst به صورت زير محاسبه ميشود: ( T 98.15) 3 E 1.9 0.85 10 (1) 5 + 4.3085 10 T ( ln P H + 0.5ln P ) O كه در اين معادله P برابر فشار موثر برحسب اتمسفر و T برابر دما در واحد كلوين است. غلظت اكسيژن حل نشده در واسط گازي/مايع ميتواند بهوسيله قانون هانري به صورت زير محاسبه شود: PO co () 6 498 5.08 10 exp T معادله پارامتري براي اضافه ولتاژ ناشي از فعاليت و مقاومت داخلي كه از طريق آناليزهاي تجربي به دست آمده برابر است با: η ct 0.9514 + 0.0031T 0.000187T ln() 5 + 7.4 10 T ln c (3) ( ) O 5 5 R n 0.01605 3.5 10 T + 8 10 (4) شكل : ساختار تصويري پيل سوختي. در يك پيل سوختي معمولي سوختهاي گازي به طور پيوسته به آند تغذيه شده و ماده اكسيد كننده (اكسيژن هوا) به طور پيوسته به كاتد تزريق ميگردد. واكنشهاي شيميايي با حضور كاتاليست در الكترودها رخ داده و يك جريان كه برابر جريان در پيل سوختي است و مقاومت فعاليت برابر است با: (علامت منفي براي داشتن مقاومت با علامت مثبت لازم است) η R ct (5) 3
V dp H. m& H n ρ H RT dt (. UA) out F (10) ) اثرات همزمان ترموديناميكي انتقال جرم انرژي جنبشي و مقاومت اهمي مقدار ولتاژ خروجي از پيل سوختي را تعيين ميكنند كه به صورت زير ميباشد: V E v ct + η ohmc (6) مدل حالت پايدار پيل سوختي كه در معادلات بالا به آن اشاره شد نشان ميدهد كه جريان پيوسته دماي سلول فشار هيدروژن و فشار اكسيژن بر مقدار ولتاژ خروجي سلول اثرگذار خواهند بود. افت ولتاژ در پيل سوختي به وسيله افزايش فشار سلول جبران ميشود. رفتار ديناميكي ولتاژ پيل سوختي ميتواند به وسيله اضافه كردن يك خازن به مدل حالت پايدار شبيه سازي شود. اثر لايه دوگانه بار الكتريكي به وسيله يك خازن كه به صورت موازي با مقاومت قرار گرفته مدلسازي ميشود. معادله ديفرانسيل توصيف كننده ولتاژ پيل سوختي برابر است با: dv dt ct vct R (7) تلفات ولتاژ اهمي در پيل سوختي برابر است با: ηohmc R n (8) سيستم پيل سوختي در اين مطالعه متشكل از 130 سلول است كه به صورت سري به يكديگر متصل شدهاند. بنابراين ولتاژ كل بسته برابر خواهد بود با: Vstck 130V cell (9) مقدار هيدروژن و اكسيژن مصرفي در پيل سوختي بستگي به نرخ شار ورودي و خروجي و جريان الكتريكي خروجي از پيل سوختي دارد. اين مسي له نيز بستگي به حجم الكترودها دارد. اگر نرخهاي شار ورودي و خروجي برحسب مول بر ثانيه مشخص باشند سپس فشار گاز داخل رطوبت ساز پيل سوختي را ميتوان با استفاده از اصل تساوي مولها به دست آورد. براي آند پيل سوختي ميتوان نوشت: كه در اين رابطه &m حجم آند به ليتر R T ( 0.081 tm mol.k چگالي مولي سطح مقطع عبوري شار و F نرخ شار مولي به رطوبت ساز V برابر برابر ثابت جهاني گازها دماي پيل سوختي به كلوين ρ U برابر سرعت مصرف سوخت A.( 96500 ) با: (11) كه مساحت برابر ثابت فارادي ميباشد به طور مشابه معادله مربوط به كاتد برابر است V dp c O. m& O n ρ O RT dt (. UA) out 4F V c برابر حجم كاتد بر حسب ليتراست. حجم آند و كاتد در اين مطالعه ليتر فرض شده است. موازنه كل انرژي حرارتي در يك بسته پيل سوختي خنك شونده با هوا به صورت زير است: Q Q + Q I S L Q I (1) كه در اين معادله برابر انرژي گرمايي توليد شده برابر تلفات برابر انرژي گرمايي ذخيره شده و Q L داخلي Q S حرارتي به محيط پيرامون است. جريان پيل سوختي و مقاومت داخلي آن براي محاسبه تلفات حرارتي داخلي مورد استفاده قرار ميگيرند: ( R + ) 130 Rnt (13) حرارت توليد شده داخلي ضرب عدد 130 در معادله بالا به خاطر داشتن 130 سلول سري ميباشد. انرژي حرارتي ذخيره شده در پيل سوختي برابر است با: dt t انرژي حرارتي ذخيره شده dt (14) T كه برابر ظرفيت حرارتي پيل سوختي است كه در اينجا J ο 10000 در نظر گرفته ميشود و T برابر دماي پيل سوختي ميباشد. 4
( T T ) R t (15) تلفات حرارتي به محيط با جايگزيني معادلات (13) تا (15) در معادله (1) و ساده سازي آن خواهيم داشت: dt dt 130 ( R + R ) ( T T ) t nt R t t (16) دماي هواي محيط و تا T برابر 5 درجه سلسيوس فرض شده ο R t برابر 0,04 در نظر گرفته شده است. معادلات (1) W (16) رفتار ديناميكي پيل سوختي را نشان ميدهد.در اينجا از مطالعه رفتار ديناميكي سيستمهاي جانبي پيل سوختي نظير كمپرسور شيرها و غيره صرفنظر شده است. -3 مدل خازن با ظرفيت بالا يك خازن ظرفيت بالا يك ابزار ذخيره ساز انرژي با ساختاري مشابه به باتري است. اين خازنها داراي دو الكترود است كه در داخل الكتروليتي غوطهور شده است و توسط يك جداكننده از هم جدا شدهاند. الكترودها از يك ماده با سطح مقطع بسيار متخلل ساخته ميشوند. سطح مقطع الكترودهاي مورد استفاده در اين خازنها برابر 500-000 m است g كه بزرگتر از سطح مقطع الكترودهاي مورد استفاده در باتريهاست. خازنهاي با ظرفيت بالا در جاهايي كه نياز به توان بالا در يك فاصله زماني كوتاه دارند استفاده ميشوند. استفاده از اين خازنها در ماشينهاي استفاده كننده از پيل سوختي توصيه شده است. اين خازنها ابزارهاي ولتاژ پايين محسوب ميشوند. معمولا ولتاژ آنها در حدود,5 ولت ميباشد. اما ظرفيت خازنهاي با ظرفين بالاي در دسترس از 10 تا 700 فاراد تغيير ميكند. بانكهاي خازني با اندازه ولتاژ 4 ولت و بالاتر را ميتوان با اين خازنها تهيه كرد. ماژولهاي با ظرفيت بالا و ولتاژ بالاتر را ميتوان با سري كردن بانكهاي خازني بزرگ و با قرار دادن يك سلول متعادل كننده اكتيو يا پسيو به وجود آورد. سلول متعادل كننده اين اطمينان را ميدهد كه ولتاژ دو سر هر خازن تنها در يك بانك خازني از محدوده مجاز خود تجاوز نميكند. هر چند به كار گرفتن اين طرح باعث ايجاد نشتي جرياني حدود 10 تا 50 ميلي آمپر خواهد شد. براي سيستم ذكر شده يك ماژول خازني 435 فارادي و 14 ولتي از شركت ماكسول (www.mxwell.com) انتخاب شده است. براي دسترسي به ولتاژ مورد نظر در خروجي پيل سوختي 4 ماژول از اين دست بايد به طور سري به يكديگر متصل شوند. ماژول خازني انتخاب شده داراي مقاومت سري 4 ميلي اهمي و جريان نشتي 10 ميلي آمپري است. براي اهداف شبيه سازي جريان نشتي بانك خازني ثابت فرض ميشود. از جريان مورد نياز فن خنك كننده بانك خازني در اينجا صرفنظر ميگردد. لذا ميتوان خازن با ظرفيت بالا را به وسيله يك خازن سري با يك مقاومت شبيه سازي كرد. 4 ماژول خازني با ظرفيت بالا كه به صورت سري به يكديگر متصل شدهاند در مجموع ظرفيتي برابر 108,75 فاراد و مقاومت سري برابر 16 ميلي اهم دارد. ماژول خازني با اين ويژگيها به صورت موازي با پيل سوختي كار ميكند تا نوسانات ولتاژ را كه بر اثر تغييرات ناگهاني بار شكل ميگيرد را كاهش دهد (شكل 3). شكل 3: بانك خازني موازي با پيل سوختي خازن با ظرفيت بالا به صورت يك فيلتر پايين گذر با تابع انتقال زير مدل شده است: V s + 1 ucp Rs. (17) Vstck R s 1 s + 1 R + c Rs. كه در اين مطالعه 108.75μF مقاومت سري. R s 0. 01Ω و مقاومت هرزگرد R c 4mΩ 5
(18) 3-3- مدل ديناميكي الكترولايزر تجزيه آب به هيدروژن و اكسيژن ميتواند با استفاده از عبور جريان الكتريكي از ميان دو الكترود كه به وسيله يك الكتروليت آبي جدا شدهاند حاصل شود. كل فرآيند الكترولايزر به صورت زير است: H انرژي الكتريكي l)+ O( 1 ( g) + O ( g) H يك سيستم الكترولايزر متشكل از چندين سلول الكترولايزر است كه به صورت سري به يكديگر متصل شدهاند. مشخصه جريان-ولتاژ الكترولايزر وابسته به دمايي است كه در آن كار ميكند. اين مشخصه بسيار غيرخطي است و معمولا با برازش منحني Fttng) (urve به دست ميآيد. با توجه به قانون فارادي نرخ توليد هيدروژن در يك سلول الكترولايزر به طور مستقيم متناسب با نرخ انتقال الكترونها در الكترودهاست كه در واقع برابر جريان الكتريكي در مدار خارجي است: η F. nn. e nh mol F s برابر تعداد سلولهاي (19) e كه برابر جريان الكترولايزر سري الكترولايزر و n c η F برابر راندمان فارادي ميباشد. راندمان فارادي نسبت ميان ماكزيمم هيدروژن توليدي عملي به تي وري در الكترولايزر است. با فرض اينكه الكترولايزر در دماي 40 درجه سلسيوس كار ميكند راندمان فارادي (به درصد) برابر است با: 0.09 75.5 η (0) F 96.5 exp e e دو معادله بالا يك مدل ساده از الكترولايزر با فرض اينكه الكترولايزر داراي يك سيستم خنك كننده مستقل براي نگهداري دما در 40 درجه سلسيوس ميباشد. 4-3- مدل مبدل توان D/D سيستم انرژي هايبريد براي استفاده مجزا از شبكه طراحي ميشود و ماژول مبدل دو مرحلهاي براي تنظيم ولتاژ و فركانس خروجي در مقدار استاندارد مورد نظر قرار ميگيرد. مرحله اول شامل مبدل بالابرنده onverter) (Boost است كه مقدار D متغير از پيل سوختي را (در وضعيت موازي شده با بانك خازني با ظرفيت بالا) به مقدار ولتاژ D ثابت بالاتري تبديل ميكند. در اينجا اين مبدل توسط يك كنترلر PID كنترل ميشود تا ولتاژ در باس ولتاژ بالا در مقدار 00 ولت ثابت باقي بماند. اين مسي له با تنظيم نسبت وظيفه ) Duty D (Rto كه از رابطه زير به دست ميآيد قابل دسترسي است: V V boost ucp 1 1 D (1) 5-3- مدل مبدل توان D/A از آنجا كه طرح پيشنهادي يك سيستم مجزا از شبكه است يك اينورتر در وضعيت كنترل ولتاژ مورد نظر قرار ميگيرد برخلاف روش كنترل جريان كه معمولا به اينورترهاي متصل به شبكه اعمال ميگردد. از اينورتر PWM منبع ولتاژ تك فاز (VSI) براي كار در كنترلر PID استفاده ميشود كه ماژول را براي دسترسي به ولتاژ 10 ولت و 50 هرتز تنظيم ميكند. فركانس موج حامل مثلثي برابر 8 كيلوهرتز ميباشد. 6-3- كنترلرها با توجه به ماهيت غير خطي سيستم و طولاني بودن زمان پاسخ به تغييرات بار و وجود خطاي ماندگار قابل توجه نياز به استفاده از كنترلر احساس ميشود. تابع انتقال كلي يك كنترلر PID به صورت زير نوشته ميشود: G () s s + T s 1 T r d +. K s P () كنترلر پيل سوختي وظيفه كنترل ولتاژ پيل سوختي را با تغيير ميزان ورود هيدروژن و اكسيژن برعهده دارد. محدودكنندهها در خروجي هر كنترلر استفاده ميشوند تا فشار گاز را در پيل سوختي محدود كنند. براي تعيين پارامترهاي حلقه باز سيستم كنترلي PID از روش Zegler-Ncols استفاده شده است. 6
K p T T d جدول 1: مقادير ضرايب كنترلرهاي دبي جرمي هيدروژن و اكسيژن. كنترلر جريانهاي ورودي پيل سوختي جريان هيدروژن جريان اكسيژن,17 5,00 0,5 0,5 0 0 4- شبيه سازي و بررسي نتايج مدل رياضي سيستم شرح داده شده در محيط SIMULINK در نرم افزار MATLAB با تغيير مقدار بار متصل به سيستم در نرم افزار MATLAB شبيه سازي شد و نتايج آن در ادامه اراي ه ميشود. سيستم مورد نظر شامل 8 زير سيستم اصلي است: پيل سوختي الكترولايزر ابرخازن اينورتر بوستر ذخيره ساز هيدروژن و كنترلر دبيهاي جرمي هيدروژن و اكسيژن. هر يك از اين زيرسيستمها شامل بلوكهاي مختلفي هستند كه نمايش رياضي معادلات اراي ه شده ميباشند. در ابتدا براي يافتن پاسخ پيل سوختي به اغتشاش پلهاي بار جريان بار در زمان t 15s از مقدار پايه 15 آمپر به 1 آمپر به صورت پلهاي افزايش يافته است. پاسخ سيستم عملكرد مطلوب كنترلرها و ابرخازن را نشان ميدهد. در شكل منحنيهاي ولتاژ بار در دو حالت استفاده از ابرخازن و بدون استفاده از آن نشان داده شده است. افت ولتاژ در لحظات اوليه در خروجي پيل سوختي با ابرخازن به اين دليل است كه در اين بازه زماني ابرخازن نياز به جريان اوليه جهت شارژ خود دارد. اما پس از گذشت لحظات اوليه شرايط پايداري در ولتاژ دو سر آن ايجاد ميشود. سپس پاسخ پيل سوختي به نوسانات پريوديك بار مورد مطالعه قرار گرفت. در اين حالت بار ثابت 10 آمپري به همراه بار نوساني با دامنه 5 آمپر و فاصله زماني ثانيه به پيل سوختي اعمال گرديد. شكل 4 نمايش شكل موج ولتاژ خروجي پيل سوختي با ابر خازن و بدون آن ميباشد. پاسخ پيل سوختي به اين بار داراي نوساناتي با دامنه 3 ولت ميباشد در حالي كه اثر ابرخازن باعث كاهش دامنه اين نوسانات به حدود 0,5 ولت شده است. شكل 4: ولتاژ پيل سوختي در پاسخ به اغتشاش پلهاي بار. شكل 5: ولتاژ پيل سوختي در پاسخ به اغتشاشات پريوديك بار. چون ولتاژ اعمالي به بار از نوع A است بايد از يك اينورتر تكفاز براي تبديل ولتاژ D خروجي پيل سوختي به A استفاده شود. براي اين منظور از يك اينورتر 4 پالسه بعد از بوستر استفاده شده است. شكلهاي 7 6 و 8 به ترتيب ولتاژ خروجي اينورتر ولتاژ فيلتر شده اعمالي به بار و جريان بار را نشان ميدهند. شكل 6: ولتاژ خروجي اينورتر بدون فيلترينگ. 7
5- مراجع [1] Anne-Mre Borbely, Dstrbuted Generton: The power prdgm for the new Mllenum, 001. [] N. Jnkns, Embeded Generton, IEE Seres, 004. [3] ostmgn P, Srnvsn S. Quntum jumps n the PEMF scence nd technology from the 1960s to the yer 000. Prt II. Engneerng, technology development nd pplcton spects Journl of Power Sources 001; 0:53 69. [4] Agbossuo K, hhne R, Hmeln J, Lurencelle, Hmeln J. Renewble energy systems bsed on hydrogen for remote pplctons, Journl of Power Sources 001;96:168 7. [5] M. Trq Iqbl, Dynmcs of wnd fuel cell hybrd energy system, NF, nd, 004. [6] E.Muljd,. Wng, M.H. Nehrr, Prllel Operton of Wnd Turbne, Fuel ell, nd Desel Generton Sources, IEEE Power Engn`eerng Socety, Denver, olordo, 004. [7] Kuo B. Automtc control systems, 7thed. Prentce Hll Inc; 1995. [8] Rowe A, L X, Mthemtcl modelng of proton exchnge membrne fuel cells, Journl of Power Sources 001; 10:8 96. [9] Mnn RF, Amphlett J, Hooper M, Jensen HM, Peppley BA, Roberge PR, Development nd pplcton of generlzed stedy stte electrochemcl model of PEM fuel cell, Journl of Power Sources 000; 86:173 80. [10] Spru K, Stetson NT, Ovshnsky SR, Development of smll scle hydrogen producton storge system for hydrogen pplctons, Proceedngs of the Intersocety Energy onverson Engneerng onference, vols. 3 4. 1997. [11] Southwest Wndpower Inc., 131 North Frst treet, Flgstff, AZ 86004, USA. URL: http://www.wndenergy.com. Power(Wtts) 100 1100 1000 900 800 700 600 500 شكل 7: ولتاژ خروجي اينورتر بعد از فيلترينگ. شكل 8: جريان بار. Output D Power Wthout Ultrp Wth Ultrp 400 300 00 0 5 10 15 0 5 Tme(sec) شكل 9: توان خروجي پيل سوختي با اغتشاش بار. 8 ميتوان از اين مطالعه نتيجه گرفت كه سيستمهاي توليد انرژي هايبريد بهترين گزينه براي مناطق دوراز شبكه (توليد پراكنده) هستند. سيستم پيل سوختي براي عملكرد جدا از شبكه در اين مطالعه پيشنهاد شده است. مدلسازي و شبيه سازي ديناميكي سيستم مورد نظر در اينجا مورد بررسي قرار گرفت. روابط اراي ه شده در محيط /SIMULINK MATLAB شبيه سازي شده است. در نتايج شبيه سازي اراي ه شده تعقيب بار و تثبيت ولتاژ مشهود است.