[发明专利]基于㶲的光伏电解水制氢系统的异质能流同质表征方法

权利要求书

1.一种基于的光伏电解水制氢系统异质能流同质表征方法，所述的光伏电解水制氢系统包括光伏电池板、DC-DC直流变换器和PEM电解槽；光伏电池板连接DC-DC直流变换器，DC-DC直流变换器和PEM电解槽连接，光伏电池板发出的电能经过DC-DC直流变换器后供给PEM电解槽，

其特征在于，所述光伏电解水制氢系统异质能流同质表征方法包括以下步骤：

步骤一、定性描述光伏电解水制氢系统能量形式及其传递关系，得到系统能流图；

步骤二、定量描述光伏电解水制氢系统各设备之间的能量物质转换关系；

步骤三、根据热力学原理，引入热力学中的概念，结合物质能量流向与转换关系，建立系统同质表征模型，具体为：

(1)建立光伏电解水制氢系统平衡方程；

(2)建立光伏电解水制氢系统各设备输入与输出关系表达式；

所述的步骤三中建立的光伏电解水制氢系统平衡方程如下：

式中，E_D为破坏，为输出为输入EQ为系统损耗；

所述的步骤三建立光伏电解水制氢系统各设备输入与输出关系表达式的方法如下：

描述光伏制氢系统中的光伏电池板、PEM电解槽和DC-DC直流变换器的入与输出关系如下：

①光伏电池板输入输出组成：

利用基于统计结果的简单线性模型预测光伏电池的温度，基于假设提出光伏电池温度、光照强度与环境温度三者之间的关系，如式(23)-(24)所示：

T＝mT_a+nS_θ-kV_wind+h (23)

T_a＝T₀+η_pvS_θ (24)

式中，T为光伏电池温度，m、n、k、h为常数，T_a环境温度，S_θ为光伏电池板接收的光照强度，V_wind为环境风速，T₀为基础环境温度，假设为25℃，η_pv为光照强度转化系数；

Q＝GA_pv(T-T_a) (28)

将步骤二中物质能量转化关系，即光伏电池板输入输出模型与光伏电池板输入输出组成结合，化简后得到与光伏设备参数相关的光伏电池板的输入与输出模型，即光伏电池板同质表征模型，如式(30)-(33)所示：

式中，I_sc为短路电流，U_oc为开路电压，I_sc,pv和U_oc,pv为I_sc和U_oc在不同环境中的修正值m_pv、n_pv、a_pv、b_pv、c_pv、d_pv、e_pv为常数，无特殊含义，C₁，C₂为步骤二，光伏电池板输入输出模型中的常数；为光伏电池板输入A_pv为光伏电池板有效面积，为光伏电池板输出中的热能为光伏电池板输出中的电能U为单位光伏电池板输出电压，I为单位光伏电池板输出电流；S_θ为光伏电池板接收的光照强度，T_a环境温度，T为光伏电池温度，Q为散发到周围的最大热量；A_cell为光伏单元的面积，G为总的热损失系数；

②DC-DC直流变换器输入输出组成：

式中，为DC-DC直流变换器输入为DC-DC直流变换器输出U₀为变换器输入电压，I₀为变换器输入电流，U_oc为变换器输出电压，I_oc为变换器输出电流，η为功率转化效率；

将步骤二中物质能量转化关系，即DC-DC直流变换器输入输出模型与DC-DC直流变换器输入输出组成结合，化简后得到与变流器设备参数相关的DC-DC直流变换器的输入与输出模型，即DC-DC直流变换器同质表征模型，如式(36)所示：

③PEM电解槽输入输出组成：

a、输入的为电能、热能

输入的电能的表示如下：

E_electric＝JV (37)

V＝V₀+η_act,a+η_act,c+η_ohm (38)

η_ohm＝JR_ohm (39)

η_act,a+η_act,c＝a_eleln(b_eleJ+1) (40)

式中，J为电流密度，V为电解槽电压，V₀为电解槽可逆电压，η_act,a为阳极的活化过电位，η_act,c为阴极的活化过电位，η_ohm为电解液的欧姆过电位，R_ohm为电解槽的总欧姆电阻，a_ele、b_ele为常数，输入的热能的表示如下：

式中，F为法拉第常数，T₀为电解槽环境温度，T_source为热源的温度，为水在电解槽温度时的焓，为水在环境温度时的焓；

PEM电解槽由于过电位产生的热量超过热能需求，通常以放热方式运行，E_heat,PEM＝0，E_heat,PEM为电解槽热能需求；

b、输出的为氢能、氧气：

物理和化学如下所示：

式中J为电流密度，F为法拉第常数，Ex^ph为输出氢气的物理为输出氧气的物理h为特定温度下氢气的比焓，所述比焓是指单位质量物质的焓，h_o为特定温度下氧气的比焓，h₀为环境中氢气的比焓，为环境中氧气的比焓，s为特定温度下氢气的比熵，s_o为特定温度下氧气的比熵，s₀为环境温度下氢气的熵，为环境温度下氧气的熵，为氢气的标准化学Ex^ch为氢气的化学为氢气的标准化学为氧气的化学

将步骤二中物质能量转化关系，即PEM电解槽输入输出模型与PEM电解槽输入输出组成结合，化简后得到与电解槽设备参数相关的PEM电解槽的输入与输出模型，即PEM电解槽同质表征模型，如式(46)-(47)所示：

式中，J为电流密度，R_ohm为电解槽的总欧姆电阻，为电解槽的输入为电解槽的输出a_ele，b_ele、c_ele、d_ele为常数，无特殊含义。