Технология с низким энергопотреблением обеспечивает непрерывную подачу «зеленого» водорода в автономные фотоэлектрические электролизеры

Аккумуляторная батарея Challenger EVG12-110

Исследовательская группа под руководством Университета Нового Южного Уэльса предложила две стратегии автономного использования фотоэлектрических систем с электролизерами для поддержания стабильности при резких колебаниях солнечной энергии без использования аккумуляторных батарей.

Схема управления LPRT II

Исследовательская группа под руководством Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее, Австралия, предложила две новые конфигурации автономных фотоэлектрических систем с электролизерами (PVEC) для маломощных транспортных средств (LPRT).

LPRT — это функция управления электрооборудованием, которая позволяет ему оставаться подключенным и продолжать работать с пониженной мощностью во время кратковременных сбоев в работе сети, таких как провалы напряжения, отклонения частоты или частичная потеря мощности. При использовании в электролизерах с фотоэлектрическими элементами эта функция может поддерживать стабильность системы при снижении выработки солнечной энергии, подстраивая энергопотребление электролизера под сниженную подачу электроэнергии.

«Новизна этого исследования заключается в систематическом сравнении одноступенчатых и двухступенчатых преобразователей для автономных фотоэлектрических систем с электролизерами, — рассказал автор исследования Кайвэнь Сунь. — Кроме того, мы предложили и экспериментально подтвердили две стратегии LPRT, такие как снижение опорного тока и переключение режимов управления, которые предотвращают обрыв цепи постоянного тока при резком снижении солнечной энергии без использования аккумуляторных батарей».

Исследование началось со сравнительного анализа одно- и двухступенчатых архитектур силовых интерфейсов. Поскольку фотоэлектрические модули и электролизеры работают в существенно различающихся диапазонах напряжения и силы тока, для согласования этих двух систем требовался силовой интерфейс (преобразователь постоянного тока в постоянный). В одноступенчатой конфигурации один преобразователь напрямую соединял фотоэлектрическую батарею с электролизером, что обеспечивало простоту, но ограничивало гибкость управления. В двухступенчатой архитектуре, напротив, использовался промежуточный канал постоянного тока с двумя преобразователями, что позволяло более независимо управлять фотоэлектрической батареей и электролизером и повышало гибкость и стабильность системы при изменении интенсивности солнечного света.

Двухступенчатая система работала в двух режимах. В режиме 1 фотоэлектрическая батарея работала в режиме отслеживания точки максимальной мощности (Maximum Power Point Tracking, MPPT), а звено постоянного тока регулировалось, что позволяло электролизеру подстраиваться под доступную солнечную энергию. В режиме 2 звено постоянного тока регулировалось, а ток электролизера поддерживался постоянным, что обеспечивало точный контроль производства водорода. Однако в этом режиме внезапное снижение солнечной энергии может привести к несоответствию между выработкой и потреблением, что потенциально может вызвать нестабильность напряжения в звене постоянного тока. Технология Low-power ride-through (LPRT) решает эту проблему, либо снижая силу тока в электролизере до уровня доступной мощности фотоэлектрических элементов, либо возвращаясь к первому режиму, тем самым обеспечивая стабильную работу.

Предложенный подход был протестирован с помощью моделирования и экспериментальной проверки. В ходе моделирования была разработана подробная модель системы мощностью 5 кВт, включающая фотоэлектрическую батарею, электролизер и силовые электронные преобразователи. Система была протестирована в динамических условиях эксплуатации, в том числе при резком снижении интенсивности солнечного излучения. Экспериментальная проверка была проведена с использованием лабораторного прототипа мощностью 200 Вт на основе преобразователя на нитриде галлия (GaN), что подтвердило результаты моделирования в реальных условиях эксплуатации.

“Наиболее неожиданные результаты включают двухступенчатый преобразователь, поддерживающий выработку водорода на уровне 0,58–1,01 Нм3 / ч при КПД системы электролизера на уровне 96,75- 97,12% при снижении освещенности на 50%, стратегию переключения режимов управления, стабилизирующую систему менее чем за 0,5 секунды, и нелогичный вывод о том, что КПД электролизера увеличивается по мере снижения входной мощности (например, с 81,42% при 5 кВт до 97,18% при 2,04 кВт)”, - сказал сан.

В заключение исследователи отметили, что их результаты ясно показывают: если для небольших систем достаточно одноступенчатого преобразователя, то для масштабирования фотоэлектрических систем с электролизерами (PVEC) до промышленного уровня необходима двухступенчатая архитектура. В таких крупных системах значительные расхождения в напряжении делают ступенчатое преобразование энергии и усовершенствованные функции управления критически важными для надежной и эффективной работы.

«Мы сосредоточимся на совместной разработке и оптимальном управлении энергопотреблением гибридных систем хранения энергии, интегрированных в промежуточный канал постоянного тока, а также на усовершенствованных алгоритмах управления, которые позволят полностью автоматизировать производство экологически чистого водорода по требованию. Кроме того, мы будем изучать изолированные топологии преобразователей, такие как DAB и TAB, для повышения отказоустойчивости и масштабируемости систем мощностью в сотни киловатт», — сказал Сан, обозначив перспективное направление работы команды.