Προσομοίωση Κυψελών Καυσίμου Με Το Πρόγραμμα Spice Και Σχεδίαση Μετατροπέων Ηλεκτρονικών Ισχύος Για Κυψέλες Καυσίμου.

Abstract

Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι διπλός. Αφ' ενός μεν να προσομοιώσει τη συμπεριφορά μιας συστοιχίας κυψελών καυσίμου με τη βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή, αφ' ετέρου δε να αναπτύξει ένα ολοκληρωμένο σύστημα ηλεκτρονικών ισχύος, το οποίο να μετατρέπει τη συνεχή τάση, που παράγει η συστοιχία κυψελών καυσίμου, σε εναλλασσόμενη τάση ικανή για οικιακή χρήση (220V/50Hz).Η εργασία αυτή, στο πρώτο μέρος της, εστιάζεται στην ανάλυση των κυψελών καυσίμου. Αρχικά περιγράφεται η αρχή λειτουργίας των κυψελών καυσίμου και στη συνέχεια παρατίθενται τα χαρακτηριστικά των διαφόρων τύπων κυψελών που υπάρχουν σήμερα και επισημαίνονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα του καθενός. Κατόπιν η εργασία εμβαθύνει στην ανάλυση των κυψελών τύπου Μεμβράνης Ανταλλαγής Πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC), οι οποίες είναι ιδανικές για χρήση σε εφαρμογές της καθημερινής ζωής (παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για οικιακή χρήση, αυτοκίνηση κ.α). Παράλληλα αναλύονται οι μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν τη λειτουργία των κυψελών αυτού του τύπου. Με τη βοήθεια των εξισώσεων αυτών και με τη χρήση του προγράμματος προσομοίωσης ηλεκτρικών κυκλωμάτων SPICE, δημιουργείται ένα μοντέλο που προσομοιώνει την ηλεκτρική συμπεριφορά της κυψέλης PEMFC.Αφού υπάρχει πλέον η δυνατότητα να μελετηθεί η συμπεριφορά της κυψέλης PEMFC στον ηλεκτρονικό υπολογιστή, προχωράμε στο δεύτερο μέρος της εργασίας, στο οποίο παρουσιάζεται και αναλύεται ένα σύστημα ηλεκτρονικών ισχύος, το οποίο μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεία που παράγει η κυψέλη σε μια εκμεταλλεύσιμη μορφή. Το σύστημα περιλαμβάνει ένα μετατροπέα ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή (DC-DC), που παράγει η συστοιχία κυψελών καυσίμου και ένα αντιστροφέα, ο οποίος μετατρέπει τη συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη. Στη συνέχεια ένας μετασχηματιστής ανυψώνει την εναλλασσόμενη τάση στα επιθυμητά επίπεδα, ενώ ένα φίλτρο στην έξοδο του συστήματος αναλαμβάνει να απομακρύνει τις ανεπιθύμητες αρμονικές συνιστώσες της εναλλασσόμενης τάσης που παράγει ο αντιστροφέας. Η εργασία ολοκληρώνεται με το συνδυασμό του μοντέλου που έχει αναπτυχθεί στο SPICE για την κυψέλη καυσίμου, με το σύστημα ηλεκτρονικών ισχύος που παρουσιάστηκε. Με τον τρόπο αυτό καθίσταται δυνατό να μελετηθεί η συμπεριφορά του συστήματος ηλεκτρονικών ισχύος κάτω από τις συνθήκες, τις οποίες σχεδιάστηκε να λειτουργεί. Τέλος, τα θεωρητικά αποτελέσματα του συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας επαληθεύονται, με τη βοήθεια των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης του συστήματος στον ηλεκτρονικό υπολογιστή.