Τεχνικές Προσομοίωσης Συστημάτων Κυψελών Υδρογόνου

Abstract

Οι κυψέλες υδρογόνου αναμένεται ότι θα παίξουν σημαντικό ρόλο στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στον 21ο αιώνα. Η ανάγκη για απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα και για την εύρεση "καθαρών" πηγών ενέργειας γίνεται επιτακτική.Οι κυψέλες συγκεντρώνουν αρκετά επιθυμητά χαρακτηριστικά και έχουν μεγάλο φάσμα εφαρμογών. Η τεχνολογία τους αναπτύσσεται ραγδαία τα τελευταία χρόνια στην προσπάθεια να ξεπεραστούν τα διάφορα προβλήματα που τις συνοδεύουν.Κύριος σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παρουσίαση, η ανάλυση και η σύγκριση μοντέλων προσομοίωσης της κυψέλης καυσίμου. Με αυτό τον τρόπο θα μπορεί να μελετηθεί η συμπεριφορά της ως πηγή τάσης σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Η εργασία αποτελείται από έξι κεφάλαια, τα περιεχόμενα των οποίων παρουσιάζονται συνοπτικά στη συνέχεια.Το πρώτο κεφάλαιο αποτελεί την εισαγωγή της εργασίας. Σε αυτό παρατίθενται γενικές πληροφορίες για την παραγωγή ενέργειας, την ηλεκτρική ενέργεια και τις ανανεώσιμες πηγές, με τις οποίες σχετίζονται άμεσα οι κυψέλες καυσίμου.Το δεύτερο κεφάλαιο ασχολείται με τις κυψέλες καυσίμου. Επεξηγείται η λειτουργία τους, παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά τους, οι εφαρμογές τους και πολλές ακόμα πληροφορίες σχετικά με αυτές. Ιδιαίτερη σημασία δίνεται στην παρουσίαση των ηλεκτρικών τους χαρακτηριστικών, καθώς αυτά μας ενδιαφέρουν για τη μοντελοποίηση της κυψέλης.Στο τρίτο κεφάλαιο αρχικά παρουσιάζονται και συγκρίνονται μεταξύ τους τέσσερα μοντέλα της κυψέλης καυσίμου στο πρόγραμμα PSPICE για τη μόνιμη κατάσταση. Στη συνέχεια αυτά τροποποιούνται έτσι ώστε να προσομοιώνουν και τημεταβατική συμπεριφορά της κυψέλης. Τα μοντέλα αξιολογούνται και στο τέλος επιλέγονται δύο, που παρουσιάζουν ικανοποιητικά αποτελέσματα παρόμοια μεταξύ τους. Κατασκευάζεται ακόμα ένα επιπλέον δυναμικό μοντέλο στο Simulink.Στο τέταρτο κεφάλαιο εξετάζονται οι βασικές διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος που συμπληρώνουν ένα σύστημα κυψελών υδρογόνου. Μετατροπέας DC-DC χρειάζεται για την ανύψωση και τον έλεγχο της τάσης, καθώς και για την τροφοδότηση DC φορτίων αν υπάρχουν. Απαραίτητη είναι και η ύπαρξη βοηθητικών πηγών ενέργειας, όπως είναι οι μπαταρίες και οι υπερπυκνωτές, για την παροχή ενέργειας στο φορτίο για ένα χρονικό διάστημα μέχρι λίγα λεπτά κατά τις απότομες αυξήσεις σε ζήτηση ισχύος. Τέλος χρειάζεται ένας αντιστροφέας DC-AC για την τροφοδότηση των AC φορτίων και για να συνδεθεί το σύστημα των κυψελών στο δίκτυο.Στο πέμπτο κεφάλαιο σχεδιάζεται ένας μετατροπέας DC-DC για τη συστοιχία κυψελών που έχει μοντελοποιηθεί στο τρίτο κεφάλαιο. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στο σχεδιασμό του ελεγκτή PID για τον έλεγχο της τάσης εξόδου του μετατροπέα και στην υλοποίησή του στο PSPICE με τελεστικούς ενισχυτές.Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται συνοπτικά τα συμπεράσματα από την εργασία.