第1章緒論1.1論文研究背景當今的環(huán)境十分惡劣，隨著我國快速的發(fā)展，我們的能源消耗量十分巨大，尤其是電力方面，在我們的生活之中燃燒礦物貨的電能是發(fā)電的主要方式。燃煤發(fā)電在消耗大量能源的同時，還會排放大量的有害氣體，與此同時由于過度開采資源所帶來的水土流失，土地沙漠，霧霾等環(huán)境問題不容忽視。因此，我國現(xiàn)如今發(fā)展的目標已經(jīng)成為用可再生的清潔能源去替代不可再生能源，逐漸優(yōu)化環(huán)境，實現(xiàn)人與自然的和諧共生。眾所周知，風能和太陽能是目前新能源研究的重要方向，從風力發(fā)電的概念提出至今，一代又一代的電氣工程師前赴后繼，不斷為新能源發(fā)電的藍圖奉獻著自己的力量。因此風力發(fā)電技術日趨成熟，在整個發(fā)電系統(tǒng)中所占的比重不斷地提高，預計到2030年可以達到22.1%一24.8%。截止到2017年底，全球太陽能發(fā)電的總裝機容量大約到達了全球裝機容量的十分之一，隨著科技的不斷發(fā)展，人們日益發(fā)現(xiàn)太陽能的偉大地位，生活之中許多需要能源來提供動力的產(chǎn)品逐漸向太陽能供電方向靠攏。在電力行業(yè)太陽能發(fā)電是當前的一個熱點問題。通過太陽能發(fā)電可以廣泛的獲得所需的電能并且不會對環(huán)境帶來污染。在某些日照充足的地區(qū)，太陽能發(fā)電更是具有著不可替代的優(yōu)越性，因此人們對太陽能發(fā)電的重視程度日益提高。太陽能發(fā)電的裝機容量和總發(fā)電量也在不斷的提高。1.2國內外研究現(xiàn)狀風光互補風力發(fā)電系統(tǒng)的研究是從丹麥的N.E.Busch和Kllebach通過將光伏組件和風力組件簡單的組合在一起并不斷對系統(tǒng)進行優(yōu)化開始的。加拿大eshKarki等人通過對小型的風光互補發(fā)電系統(tǒng)進行實驗研究REF_Ref18590\w\h[1]，不斷優(yōu)化系統(tǒng)中所出現(xiàn)的問題，得到了經(jīng)濟性較好的結果并推測該系統(tǒng)具有擴展的可行性。德國的H.Barthels對于系統(tǒng)中光伏板，風力發(fā)電機等硬件的材料優(yōu)化進行了分析并給出了改進的措施。挪威的Kullberg對系統(tǒng)的控制策略進行了研究，并給出了研究的結果，為系統(tǒng)的進一步升級打下了基礎REF_Ref18590\w\h[1]。在國內，上世紀90年代末，余華揚等人提出并研究了新能源發(fā)電的問題，這是我國太陽能和風能混合發(fā)電的開始REF_Ref18645\w\h[2]。華東電力集團王凡解決了風能和太陽能的控制問題REF_Ref18645\w\h[2]。重慶大學白樹華對風光互補系統(tǒng)進行了仿真研究，并且與我國現(xiàn)有的風光互補發(fā)電系統(tǒng)進行了對比REF_Ref19259\w\h[3]，證明了系統(tǒng)的可行性。1.3本文研究的內容太陽能和風力發(fā)電目前已經(jīng)成為了研究的重點，因為在發(fā)電的過程之中，不會使用不可再生能源，幾乎不會產(chǎn)生有害的物質，因此風光互補發(fā)電系統(tǒng)也成為了當前研究的重點。本文主要研究風光互補發(fā)電系統(tǒng)制氫的離網(wǎng)運行REF_Ref19416\w\h[4]，目的在于提高制氫的效率，具體的步驟如下：1.通過閱讀已有的論文學習各個模塊的公式，通過所獲得的公式進行搭建仿真的模型。2.搭建過模型之后需要對搭建的模型根據(jù)環(huán)境進行仿真實驗。3.根據(jù)仿真的結果進行分析影響制氫效率的因素。1.4研究方法本文擬采用以下研究方法和技術路線對課題進行研究:1.首先應該大量閱讀國內外相關的文獻，了解太陽能發(fā)電系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)的組成部分，了解制氫、儲氫技術。翻閱本科學習的課本，學習電力電子相關的知識。對于風力發(fā)電部分比較各種電機的特點，選擇合適的電機。學習電機的結構和運行特點。2.通過網(wǎng)絡學習掌握MATLAB的使用方法，將系統(tǒng)之中各個模塊的數(shù)學公式分別整理出來。分清楚公式中各符號所代表的含義，然后搭建系統(tǒng)的仿真模型。3.通過搜集相關地點的自然環(huán)境對仿真中系統(tǒng)中的輸入量進行設置，從而可以得到相應的仿真結果。對仿真的結果進行分析，從而得到想要的結果。讀論文→學習MATLAB→建立系統(tǒng)中的各個模型→進行仿真實驗→分析影響氫氣制造速率的因素第2章風光互補聯(lián)合制氫系統(tǒng)簡介2.1光伏發(fā)電部分2.1.1光伏電池的分類近些年來由于新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，光伏電池的也蓬勃的發(fā)展了起來，目前光伏電池主要分為以下幾類：單/多晶硅光伏電池、非晶硅光伏電池、碲化鎘光伏電池、聚合物光伏電池等。2.1.2光伏電池的工作特性開路電壓UOC：當把光伏板放到所設計的固定環(huán)境之中，如果將輸出端開路，那么此時的輸出端電壓也就是開路電壓。短路電流ISC：把太陽能板放到所設計的固定環(huán)境之中，流過短路的輸出端的電流就是短路電流。最大輸出功率：太陽能電池的輸出功率并不是簡單的常量，而是根據(jù)環(huán)境的變化而隨之變化，在環(huán)境變化的過程之中，光伏電池的輸出量也會與之一起變化，而光伏電池的輸出功率為輸出電壓乘輸出電流，在輸出量變化的過程中電壓和電流的乘積會有一個最大值，這個最大值就是最大輸出功率REF_Ref19641\w\h[5]。填充因子：填充因子是最大功率與光伏電池的開路電壓和短路電流乘積之比REF_Ref19641\w\h[5]。2.2風力發(fā)電部分2.2.1風力發(fā)電系統(tǒng)風力發(fā)電系統(tǒng)一般情況下由四部分所組成，包括風輪轉軸，發(fā)電艙，發(fā)電系統(tǒng)基礎以及塔架。風機啟動后，風輪捕獲風能從而帶動風輪轉動，產(chǎn)生所需要的機械能，定子測在旋轉磁場的作用下會產(chǎn)生相應的電流，向外輸出電流，從而完成了從風能向電能的轉換。2.2.2風力發(fā)電機的主要部分在發(fā)電系統(tǒng)中我們通常會使用同步發(fā)電機和異步發(fā)電機這兩種電機。這兩種發(fā)電機在發(fā)電系統(tǒng)中使用的時候都有自己的特點，應用都十分的廣泛。同步發(fā)電機可以通過勵磁來改變電壓，同時還可以向電網(wǎng)測輸出無功功率從而改善電網(wǎng)測的功率因數(shù)。但是，想要使用同步風力發(fā)電機，就必須額外的增加控制裝置，從而保持轉子的轉速不變，也就是始終保持在額定空載狀態(tài)下運行。除此之外，同步發(fā)電機并網(wǎng)的設備是非常多的，因此除考慮上述問題還應考慮電網(wǎng)的暫態(tài)運行。而異步風力發(fā)電機與同步風力發(fā)電機相比較，它的構造比較單一，工程上若使用異步發(fā)電機還會減少維修的費用，與普通的異步發(fā)電機沒有太大的區(qū)別。另外，異步發(fā)電機并網(wǎng)的設備相對較少，因此其出現(xiàn)故障的可能性也就更小。電機有許多種種類，按照電機的結構來分，風力發(fā)電機大致可以分為以下三種:恒速恒頻感應發(fā)電機、變速恒頻雙饋異步發(fā)電機、變速恒頻直驅永磁同步發(fā)電機。變速恒頻風力發(fā)電機的操作比較的容易，調速方便與其余兩種發(fā)電機相比具有突出的優(yōu)勢REF_Ref20027\w\h[6]，因此變速恒頻風力發(fā)電機已經(jīng)成為了當前研究的熱點。2.2.3風機工作特點使得風機啟動的最小的轉矩被稱為起動轉矩。風機如果想啟動，那么它就需要一個最小的風速，這個風速的大小大概是2m/s或3m/s,而當風速過快時，風力發(fā)電機的控制系統(tǒng)就會起作用，減小風速至合適的風速，避免風機組的設備遭到破壞，此時這個臨界風速為切出風速。風機的工作風速是風機可以安全工作時的風速。當風機輸出的功率與銘牌的值一樣時，這時候風機的輸出功率就是額定發(fā)功率REF_Ref20232\w\h[7]。而額定風速的大小直接影響著風機的效率。因此，為了使風機工作效率得到最大程度的利用，應當根據(jù)風機設置點的自然情況來設置相應的額定風速。2.3直流變換器直流變換裝置是將一種直流電變換成另一種直流電，根據(jù)變換裝置中變壓器的有無，可以將變換裝置分為隔離型和非隔離型兩種?，F(xiàn)在，電力電子技術的使用十分的廣泛，在生活與研究之中我們常見的變換電路有降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路REF_Ref20383\w\h[8]、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。在這些斬波電路之中升壓斬波電路是最基本的一種，在本文的研究中，我們選用升壓斬波電路。升壓斬波電路（Boost型變換器）的結構如圖2.1所示：圖2.1Boost型DC/DC電路圖2.4電解水制氫裝置將發(fā)電裝置通過逆變器轉換成交流電然后和電解槽連接從而電解水制氫。目前電解水制氫技術有堿性電解水制氫、高溫固體氧化物電解水制氫以及固體聚合物電解水制氫三種。當今最成熟且利用范圍最廣的方法是堿性電解水制氫REF_Ref20552\w\h[9]，它是當下電解水制氫的的熱點，但是這種方法存在著消耗能量大成本高的缺點。高溫固體氧化物電解水制氫是在高溫環(huán)境下進行的，減少了能量的損耗降低了成本。但是在高溫環(huán)境中進行電解水制氫需要增加額外的加熱系統(tǒng)和控制器，就系統(tǒng)整體而言增加了能量的損耗，不利于電解水制氫效率的提高。固體聚合物電解水制氫(SPE)是當今使用較為廣泛的一種制氫方式，因為在制氫的過程中并不存在堿溶液的流失，所以其經(jīng)濟性比較好并且對環(huán)境的污染也比較小。這種制氫的方式可以工作在高密度的電流環(huán)境中，增加了制氫的效率，是當今電解水制氫方向的熱點。2.5儲能裝置在氫氣的儲存方面，主要有兩種方式，一種是物理儲氫方式，一種是化學儲氫方式。其中物理儲氫方式包括高壓儲氫，活性炭儲氫等REF_Ref20801\w\h[10]?；瘜W儲氫包括有機物儲氫和氫氧化物儲氫氣等。在商業(yè)之中所應用最廣泛的儲氫方式時高壓儲氫。在當今，最常見的儲氫方式是高壓儲氫方式，高壓儲氫方式有許多的優(yōu)點REF_Ref20931\w\h[11]，例如沖放氫氣的速度迅速，成本較低，但是高壓儲氫也有缺點，例如儲氫的密度低;在高壓儲能的過程中壓縮氫氣需要消耗大量的能量，并且安全性能也比較差;液化儲氫方式的密度比較大并且體積小，是一種不錯的儲氫方式。但是液化儲氫方式對容器的絕熱性能要求比較高，而且成本高，安全技術不夠成熟REF_Ref21094\w\h[12]。金屬氫化物儲氫具有儲氫密度大，安全，經(jīng)濟性能好等優(yōu)點因此也成為了儲氫方式發(fā)展的熱點。隨著新能源發(fā)電技術的發(fā)展，制氫儲能的重要性也越來越突出，這些年來國內外的科研人員不斷改善著儲氫技術，發(fā)展新的儲氫材料，現(xiàn)如今世界上儲氫技術最成熟的國家是日本。擁有著成熟的儲氫技術。近些年來，我國的科技不斷地發(fā)展，在儲氫材料上不斷做出突破，其中的許多技術在當今世界已經(jīng)達到了先進水平。第3章風光互補聯(lián)合制氫系統(tǒng)仿真模型3.1光伏發(fā)電模型3.1.1光伏發(fā)電模型等效電路光伏電池主要由四部分組成，包括理想的電流源Iph,與電流源反向并聯(lián)的二極管D，與電流源并聯(lián)的電阻Rsh以及與開路電壓串聯(lián)的電阻Rs。Iph在數(shù)值上等于電池的短路電流REF_Ref22646\w\h，它可以看作是一個常數(shù)REF_Ref21268\w\h[13]，它的大小與光伏板本身的情況有關例如光伏電池的面積，此外Iph還與當時的光照強度有關。光伏電池在接入負載后與Rs串聯(lián)的開路部分從而流過了導通電流，因此產(chǎn)生了輸出電壓U。在接入負載后產(chǎn)生的輸出電壓U反作用于反向并聯(lián)二極管上從而產(chǎn)生了電流Id。光伏電池的各個部分的材料都對電流有阻礙的作用，可以將它們統(tǒng)一起來歸算為與負載串聯(lián)的電阻Rs。由于工藝上的原因光伏電池在接入負載后不僅產(chǎn)生了負載電流還會存在著漏電現(xiàn)象，我們將漏電理想化歸結為并聯(lián)電阻Rsh，從而產(chǎn)生了光生漏電流Ish。光伏發(fā)電模型等效電路圖如圖3.1所示。圖3.1光伏發(fā)電模型等效電路圖3.1.2光伏電池模型仿真搭建根據(jù)已有的研究可以知道光伏電池各個參數(shù)的計算公式，通過已有的實驗可以建立光伏電池的仿真模型。其中：Iph--光伏電池經(jīng)光照射后產(chǎn)生的電流Rsh--材料內部等效并聯(lián)電阻Rs--材料內部等效串聯(lián)電阻I--光伏電池輸出電流Uoc--光伏電池輸出電壓ID--暗電流根據(jù)基爾霍夫電流定律可以推導出光伏電池輸出特性方程式:(3.1)上式中:（3.2）（3.3）（3.4）（3.5）其中：Ish--標準條件下電池的短路電流ID--二極管暗電流Io--光伏電池反向飽和電流Ior--二極管反向飽和電流Kt--短路電流溫度系數(shù)，一般取值2.6X10-3T--光伏電池溫度，T=t+273Tr--參考溫度K，取值為298EG--半導體材料禁帶寬度eV，一般取值在1~3G--光照強度A--二極管品質因子，取值范圍在1~2K--玻爾茲曼常數(shù)，一般取值為1.38×10-23q--電子電荷，一般取值為1.6X10-19C根據(jù)對上面的光伏電池等效電路分析，可以得出在固定的日照和溫度下光伏電池的I-U輸出特性方程為：（3.6）在實際工程中由于材料經(jīng)過了風吹日曬，特性發(fā)生了一些改變，Rs可能會非常的大，當陽光充足的時候，光電流Iph遠大于流過并聯(lián)電阻Rsh的電流Ish,忽略Rsh,得到簡化后的I-U輸出特性方程為REF_Ref22943\w\h[7]：（3.7）當光伏電路發(fā)生特殊故障——負載端口短路的時候，輸出端的電壓也就是0，在這是負載端的電流與光照電流相等:（3.8）要是我們把光伏電池中的串聯(lián)電阻不計入計算，那么光伏電池的輸出電流：（3.9）將式(3.3)帶入式(3.7)整理可獲得開路電壓：（3.10）結合工程實際，光伏電池輸出特性方程可表示為:（3.11）其中:（3.12）（3.13）其中：Um--最大功率點電壓Im--最大功率點電流根據(jù)以上光伏模型的建立，應用Simulink軟件，建立光伏陣列發(fā)電模型REF_Ref19416\w\h[4]，見圖3.2所示：圖3.2光伏陣列發(fā)電模型3.1.3光伏發(fā)電整體模型仿真搭建將光伏電池與boost電路相連接通過改變IGBT的高低電平的比例可以控制輸出功率的大小，光伏發(fā)電的整體模型如圖3.3所示：圖3.3光伏發(fā)電整體模型3.2風力發(fā)電模型3.2.1風速模型的仿真搭建風速是一個隨時間而變化的量，由于季節(jié)、地形、日照時間等因素的變化而有所變化，風速可以看作由兩部分所組成，一部分是快速變化的部分，一部分是風速穩(wěn)定的部分。（3.14）其中:Vwind--風速Vturb--紊流速度Vavg--平均風速關于紊流速度Vturb的模型如下，其中模型中存在一個重要參數(shù)為標準分布白噪聲發(fā)生器:（3.15）（3.16）其中：mwind(t)--白噪聲Z--風輪輪毅高度Tv--時間常數(shù)Vo--中等風速相關的風輪及風速模型系列典型參數(shù)見表3.1表3.1相關的風輪及風速模型系列典型參數(shù)風輪轉子的轉動的快慢與實際的風速并不是完全相同的，為了消除大的誤差，更好的模擬實際的情況，我們在搭建仿真模型的時候可以將下面兩個濾波器加入系統(tǒng)之中。1.空間濾波器槳葉上一個點受到風的影響與分布在槳葉上各點所受風速影響的累計是有差別的，因此我們應當將一個點所受風速平均到整個葉片上，用下面的空間濾波器表示:（3.17）其中：Vfit--濾波器輸出風速S--復頻率α--經(jīng)驗參數(shù)β--經(jīng)驗參數(shù)，可由下式確定。（3.18）其中：Vwf--觀察周期內風場平均風速Rwl--風輪半徑--延遲因子。2.進氣滯后濾波器在捕獲風能的時候，風速不一定就維持在穩(wěn)定的值不變化，如果風速發(fā)生了很大的變化，這時捕獲部分是不能夠立馬得知的，而是有一個滯后的時間，因此輸出的有效風速與實際輸入的風速之間就會存在一定的偏差，我們可以用下式描述:（3.19）其中：Veff--有效風速αi--經(jīng)驗參數(shù)--進氣滯后時間常數(shù)基于公式（3.15）至（3.19）可以搭建風速模型如圖3.4所示：圖3.4風速模型3.2.2風力發(fā)電機模型貝茲理論解釋說如果是在理想的環(huán)境中，風輪沒有任何形式的阻力影響的情況下，那么流過風輪的氣流在整個的風輪界面上是連續(xù)和均勻流動的。通過查閱風力機文獻，我們知道風力機的輸出機械轉矩為：（3.20）其中：--為空氣密度R--是風輪的半徑V--是風速--是風力機的角速度Cp--為風能利用系數(shù)但是在風輪實際工作的過程中，只能捕獲到一部分風能，并且風輪還存在著各種損耗，所以將這些問題考慮進去，我們可以得到被風力機所得到的風能為：（3.21）其中：Pm--風力機的機械功率S--風力機的手縫面積并且，如果我們將葉尖速比和葉片節(jié)距角的值給確定后，我們就可以得到風能利用系數(shù)關于葉尖速比和葉片節(jié)距角的表達式：（3.22）（3.23）在上述的公式中，c1~c6是風力機特性常數(shù)，其中從c1到c6的值分別是0.5176，116，0.4，5，21，0.0068。通過以上的公式我們可以建立風能利用系數(shù)的仿真模型如圖3.5所示：圖3.5風能利用系數(shù)仿真模型3.2.3風力發(fā)電整體模型永磁同步發(fā)電機我們采用Simulink中已經(jīng)有的模型，將永磁同步發(fā)電機與風機相連接，風機的轉速設置為3，節(jié)距角設置為0。輸出端與不可控橋型整流器相連接，輸出的直流電經(jīng)過Boost電路后向外輸出功率。Boost電路中的IGBT的控制可以用脈沖信號來代替，通過改變高低脈沖的占空比從而控制輸出功率的大小。風力發(fā)電的整體模型如圖3.8所示：圖3.8風力發(fā)電整體模型3.3電解槽模型的仿真建模如果我們將電解槽從我們所學過的電路的角度去分析，那么我們可以將電解槽看作是一個對電壓比較靈敏的非線性的直流負載。在我們的實際生活當中，電解槽的輸出電壓其實與輸入的電流，電解槽所處的溫度還有電解槽中的壓強有關。為了調節(jié)制氫量，我們可以通過改變電解槽的輸入電流。電解槽的電壓與電流之間關系的特性方程如下所示：（3.24）（3.25）其中：Uelec,cell--電解槽輸出電壓Urev--電解槽的可逆電壓Ielec--電解槽的工作電流r1、r2--歐姆電阻參數(shù)Telec--電解槽溫度Kelec、KT1、KT2、KT3--電解槽的過壓參數(shù)nc--電解槽的串聯(lián)個數(shù)S代表的是電解槽電極的表面積可逆電壓的表達式如下所示：（3.26）其中：--標準情況下的可逆電壓Krev--可逆電壓的經(jīng)驗溫度系數(shù)根據(jù)上述的公式，可以搭建電解槽的U-I的模型如圖3.6所示：圖3.6電解槽的U-I模型在制氫系統(tǒng)中我們不僅需要觀察電解槽的U-I特性，還需要測量電解槽的制氫效率。電解槽的制氫效率與電流有關，但是在電解水制氫的過程中會有電流的損耗，所以電解槽電解水制氫的實際速率可以用以下公式表示：（3.27）其中：qH2--電解槽制氫的速率nF--電解槽的電流效率，其經(jīng)驗公式如下所示：（3.28）根據(jù)以上公式我們可以搭建電解槽制氫速率的計算模型，如圖3.7所示：圖3.7電解槽制氫速率模型3.4儲氫罐模型在本文的研究中，我們將高壓儲氫罐看作是一個理想的模型來研究。在將氫氣存儲到高壓罐的過程中不是簡單的連接，而是要通過壓縮機將氫氣存儲到高壓罐中，因此我們還應該研究壓縮機對氫氣進行壓縮的過程中所消耗的能量。經(jīng)過查閱資料我們可以得到其消耗功率的公式為：（3.29）其中：Cp,H2--氫氣的比熱容Tcp--壓縮機入口處的氣體的溫度--壓縮機的效率--氫氣在標準情況下的比熱容，通常取值為1.4P1、P2--壓縮機入口和出口處的壓強Wcp--壓縮機出口的氣體流速根據(jù)上述公式我們可以得到氫氣壓縮機能耗計算模型如圖3.9所示：圖3.9氫氣壓縮機能耗計算模型3.5系統(tǒng)整體模型在上述工作中已經(jīng)將系統(tǒng)各個部分的仿真模型搭建了出來，現(xiàn)將各部分綜合起來，搭建系統(tǒng)的整體模型如圖3.10所示：圖3.10風光互補制氫儲能系統(tǒng)整體模型第4章風光互補聯(lián)合制氫系統(tǒng)仿真與分析4.1光伏電池的仿真與分析在3.1的部分我們已經(jīng)將光伏電池的模型搭建了出來，現(xiàn)在我們分別來研究光照強度和溫度對光伏電池電壓、電流和功率的影響REF_Ref21872\w\h[14]。首先我們來研究光照強度對光伏電池的影響。我們選定光伏電池處于25℃的溫度之中，然后研究光伏電池在光照強度為1000W/m2、700W/m2、400W/m2時的內部特性?，F(xiàn)在我們來研究光伏電池的I-U特性和P-U特性REF_Ref22038\w\h[15]。光伏電池在不同光照強度下的I-U特性如圖4.1所示：光照強度為1000W/m2光照強度為700W/m2光照強度400W/m2圖4.1不同光照強度下光伏電池的I-U特性從上述波形圖中我們可以看出，在溫度一定的情況下光伏電池的電流和電壓與光照強度是成正比例關系的。但是光照強度對光伏電池的電壓和電流影響并不是太大。光伏電池在不同光照強度下的P-U特性如圖4.2所示：光照強度為1000W/m2光照強度為700W/m2光照強度400W/m2圖4.2不同光照強度下的P-U特性從上述波形中我們可以分析出在一定溫度下，光伏電池的功率與光照強度是成正比例關系的，但是其受光照強度影響的程度并不大?，F(xiàn)在我們來研究溫度對光伏電池的影響。我們選定光伏電池處于光照強度為1000W/m2的環(huán)境之中，然后研究光伏電池在溫度為-10℃、15℃、40℃時的內部特性?，F(xiàn)在我們來研究光伏電池的I-U特性和P-U特性。光伏電池在不同溫度下的I-U特性如圖4.3所示REF_Ref22404\w\h[16]：溫度為-10℃溫度為15℃溫度為40℃圖4.3不同溫度下光伏電池的I-U特性從上述的波形中我們可以分析出光伏電池的電流與溫度成正比例關系，隨著溫度的升高光伏電池的電流不斷的增大，但增大的幅度不太大。而光伏電池的電壓與溫度成反比例關系，隨著溫度的升高光伏電池的電壓不斷的減小，但減小的程度也不太大。光伏電池在不同溫度下的P-U特性如圖4.4所示：溫度為-10℃溫度為15℃溫度為40℃圖4.4不同溫度下光伏電池的P-U特性從上述的波形我們可以分析出，光伏電池的功率與溫度是成反比例的，隨著溫度的升高光伏電池的功率不斷的減小，但減小的程度不大。綜上所述，我們可以得知光伏電池電流、電壓、功率不僅僅與其內部的參數(shù)有關，還與外部的環(huán)境有關。但是其隨著外邊環(huán)境變化而變化的幅度并不大。4.2風力發(fā)電的仿真與分析4.2.1風速的仿真與分析在3.2.1中我們已經(jīng)將風速的模型搭建了出來，現(xiàn)在我們來研究風速的波形，我們分別模擬風速為3m/s和8m/s時的風速。仿真結果如圖4.5所示：風速為3m/s風速為8m/s圖4.5風速的仿真從上述的波形中我們可以分析出當風速為3m/s時風速在2m/s以下的部分大約為三分之一，而我們知道風輪機轉動需要一個最小的風速，這個風速大約就是2~3m/s，所以我們可以知道風力發(fā)電系統(tǒng)在風速為3m/s的環(huán)境中運行的經(jīng)濟性并不會太好。再來看風速為8m/s時的波形我們可以發(fā)現(xiàn)其可以滿足風輪運轉的條件。所以當我們架設風力發(fā)電系統(tǒng)時應該調研清楚當?shù)氐娘L力情況，避免不必要的浪費。4.2.2風力機的仿真與分析在3.2.2中我們已經(jīng)將風機的模型搭建了出來，現(xiàn)在我們來研究風機的特性。首先我們先來研究風機的風能利用系數(shù)。我們將風機的葉尖速比REF_Ref22737\w\h[17]設置為斜坡信號，研究在不同的節(jié)距角的情況下風機的風能利用系數(shù)。依次選定節(jié)距角為0°、5°、10°，波形如圖4.6所示：節(jié)距角為0°節(jié)距角為5°節(jié)距角為10°圖4.6不同節(jié)距角下風機的風能利用系數(shù)從上述的波形中我們可以分析出隨著節(jié)距角的增加風能的最大利用系數(shù)是不斷減小的，但是無論節(jié)距角是多少，在其對應的風能利用系數(shù)曲線上總會有一點是最大值，這一點我們稱之為最佳風能利用系數(shù)點。當節(jié)距角為0時，風能利用系數(shù)可以取到最大值0.502，此時的葉尖速比為11.4?，F(xiàn)在我們來研究風機的輸出功率與風速之間的關系。先將節(jié)距角設置為0然后在不同的風速下研究風機的輸出功率與轉速之間的關系，我們選取風速為6m/s、8m/s、10m/s。波形如圖4.7所示：風速為6m/s風速為8m/s風速為10m/s圖4.7不同風速下風機的輸出功率與轉速之間的關系從上述的波形中可以分析出隨著風速的不斷增大風機的最大輸出功率是不斷增大的。若是風速恒定，那么隨著轉速的變化風機的輸出功率也是不斷變化著的，并且會出現(xiàn)一個最大功率輸出點REF_Ref22877\w\h[18]。不同風速下的最大功率輸出點所對應的轉速是不同的。4.3電解槽的仿真與分析在3.3中我們已經(jīng)將電解槽模型搭建了出來。本部分將研究溫度對電解槽U-I特性的影響。選定電解槽的溫度為20℃、30℃、40℃，波形如圖4.8所示：溫度為20°溫度為30°溫度為40°圖4.8不同溫度下電解槽的U-I特性從上述的波形中我們可以看出隨著電解槽溫度的升高電解槽的輸出電壓是不斷下降的，電流和電壓之間呈現(xiàn)非線性的關系?，F(xiàn)在研究輸入電流與制氫速率之間的關系，在計算制氫速率的模型之中我們給輸入電流一個斜坡信號，觀察氫氣的制造速率。波形如圖4.9所示：圖4.9氫氣的制造速率從上述的波形中我們可以看出電解槽的輸出速率與輸出電流之間是成正比例的關系。4.4系統(tǒng)整體的仿真與分析在上述3.5中我們已經(jīng)將風光互補制氫儲能系統(tǒng)整體的模型搭建了出來，現(xiàn)在我們來研究對系統(tǒng)制氫速率的因素影響程度的關系問題。通過上述仿真分析我們了解到影響系統(tǒng)制氫速率的因素除了與內部參數(shù)有關，最主要的還與三個因素有關，分別是光照強度、溫度、風速。我們分別來研究這三個因素對制氫速率影響程度的大小。首先我們來研究光照強度對制氫速率的影響。將溫度設置為25℃，風速設置為6m/s，分別研究光照強度在1000W/m2、700W/m2、400W/m2時的制氫速率，波形如圖4.10所示：光照強度在1000W/m2光照強度在700W/m2光照強度在400W/m2圖4.10不同光照強度下的制氫速率然后我們來研究溫度對制氫速率的影響。將風速設置為6m/s，光照強度設置為1000W/m2，分別研究溫度在-10℃、15℃、40℃時的制氫速率，波形如圖4.11所示：溫度在-10℃溫度在15℃溫度在40℃圖4.11不同溫度下的制氫速率最后我們來研究風速對制氫速率的影響。將溫度設置為25℃，光照強度設置為1000W/m2，分別研究風速在5m/s、5.5m/s、6m/s時的制氫速率，波形如圖4.12所示：風速為5m/s風速為5.5m/s風速為6m/s圖4.12不同風速下的制氫速率從上述波形中我們可以很清晰的看出溫度對制氫速率的影響程度是最小的，光照強度和風速對制氫速率的影響程度都比較大。但是風速能夠達到6m/s的時間在一年之中所占的比例并不是很大，而與之相比較太陽能則是更穩(wěn)定的，所以說從長期來看光照強度是影響制氫速率最重要的因素，其次是風速，最后是溫度。第5章總結與展望5.1總結研究風能、太陽能混合發(fā)電是當前新能源利用的熱點問題。在本文中我們通過分析國內外風光互補制氫儲能系統(tǒng)的現(xiàn)狀和技術分別搭建了風光互補制氫儲能系統(tǒng)的各個模塊的模型并對各個模塊的性能進行了仿真分析。仿真結果發(fā)現(xiàn)影響制氫效率的因素與影響風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的因素是密切相關的。在整體的系統(tǒng)中影響制氫速率的外界因素主要有三個，分別是光照強度、風速和溫度。通過本文的實驗分析我們可以得知在這三個因素之中對制氫速率影響程度最大的是光照強度其次是風速最后是溫度。所以在我們實際的工程中應該充分的考慮系統(tǒng)建設點的自然條件，避免不必要的經(jīng)濟損失。5.2展望由于時間比較緊簇并且個人的能力有限所以搭建的系統(tǒng)中還存在許多的不足，在以后的學習生活中還可以做以下的改進：1.在搭建風速模型時沒有將風速突變