制储氢及氢氧燃料电池发电创新实训系统 JGXNY-QY01 型 光伏发电实验室设备
一、系统简介
制储氢及氢氧燃料电池发电创新实训系统是氢能产业链中的制氢、氢气储存、氢能管理利用这几个关键环节的有机组合和展现。制氢的能源采用清洁的光伏发电，这不仅解决了部分光伏发电就地消纳的问题，还使资源得到有效的利用。制氢装置由电解装置、电功率测量、产氢流量测量等几个部分组成，可监测产氢流量、电解装置输入的电功率等参数。储氢系统由奥氏体材料储氢罐、气体输送管路、控制阀等组成，该储氢系统可监测储氢压力、温度，并可智能化设定和控制储氢压力上下限。上述过程，光伏发电经过 DC/DC 变流，经直流母线储存于蓄电池组中（蓄电池仅做稳定调控功能），然后蓄电池经 DC/AC 逆变成交流电，给电解装置供电以产生氢气，氢气储存在储氢系统中，需要时供给氢氧燃料电池装置，产生电能，电池堆反应后的尾气进入尾气分析装置，可进行气体成分分析。
本创新实训系统表面绘制了制储氢原理结构，各测试节点原理清晰直观，采用安全接插座，操作安全。
本系统内置了模拟氢气泄露的仿真系统，可进一步模拟贴近真实的工业现场气体泄露情况。系统还内置了氢能管理软件，通过本系统还可以进一步对工业组态软件和可编程逻辑控制器在氢产业中的应用做进深入的学习和延伸。制氢、储氢、氢能利用过程的各项数据可通过上位机软件实时监测和记录。通过该系统所验证的方法原理、工艺标准可直接或稍加改动后移植到应用现场。大大提高氢气利用领域的安全性和数据可验证性。
二、主要单元参数
2.1 光伏组件
Ø 输出功率： 100W ；
Ø 开路电压： 23.5V ；
Ø 工作电压： 17.9V ；
Ø 短路电流： 6.78A ；
Ø 工作电流： 5.57A ；
2.2 光伏控制装置
Ø 额定系统电压： 24V ；
Ø 空载损耗：≤ 1.2W ；
Ø 光伏最大输入电压： 150V ；
Ø 最大充电电流： 30A ；
Ø 转换效率：≤ 98% ；
Ø MPPT 追踪效率： >99% ；
Ø 保护功能：接反保护，欠压保护，过压保护，过充保护，过载保护，短路保护，反充保护等；
2.3 稳压逆变系统
Ø 电池类型：铅酸免维护；
Ø 电池容量： 12V45AH ； ( 用 2 节 55AH 代替 ) 227*137*207mm
Ø 电池连接方式：串联；
Ø 电池保护：末端接保险丝；
2.4 离网逆变器
Ø 额定输出容量： 1000VA ； 1500W 逆变外加 1000VA 隔离变压器
Ø 额定输入电压： DC24V ；
Ø 输入电压保护： DC34V ；
Ø 输入电压恢复： DC33V ；
Ø 输入欠压保护： DC21.6V ；
Ø 输入欠压恢复： DC24V ；
Ø 空载电流：≦ 0.5A ；
Ø 额定输出电压： AC220V ；
Ø 额定输出频率 :50/60HZ±0.5HZ ；
Ø 输出波形：纯正弦波；
Ø 波形畸变率：≦ 4% ；
Ø 动态响应： 5% ；
Ø 功率因素：≧ 0.8 ；
Ø 过载能力： 120%/1 分钟 ,150%/10 秒钟；
Ø 逆变效率： 90% ；
Ø 绝缘强度： 1500VAC,1 分钟；
Ø 逆变器结构：工频隔离；
Ø 设备保护：逆变器输入过压保护、蓄电池过放电保护、蓄电池反接保护、输出过载保护、输出短路保护、过热保护等；
Ø 工作温度： -25℃ ～ 60℃ ；
2.5 电解制氢系统
Ø 输入 220V/50Hz ， 120W ， AK-H500
Ø 氢气发生器采用去离子水（即纯水）电解，流量可控；
Ø 氢气纯度：不低于 99.99% ；
Ø 输出流量：不低于 300ml/min ；
Ø 输出压力：≤ 0.4MPa ；
Ø 最大功率达 160W ；
2.6 氢缓冲稳定系统（储氢罐）
Ø 采用奥氏体不锈钢材料，耐压不低于 1.25MPa ，使用寿命不低于 10 年，可缓冲、稳定氢气流量；
Ø 配置精密压力表，精密压力传感器， modbusRTU/RS485 或模拟量 4-20mA 输出；
Ø 独特的氢能管理系统，可实现自动监测管理氢气压力，氢气输出，氢气关断等，增强氢气使用的安全性和提高氢气使用的效率。
2.7 氢气泄露仿真系统
Ø 系统耐压：不低于 1MPa ；
Ø 气体控制阀：最小开合时间 50ms ；
Ø 气体泄露仿真模型：可随机设定组合不低于 9 种；
Ø 包括点泄露，长泄露，过压泄露等
Ø 燃料电池堆
Ø 额定输出： 100W ， 14V/7.2A ；
Ø 单电池数： 24 片；
Ø 反应物质：氢气、空气；
Ø 供氢品质：干燥，纯度 99.99% ；
Ø 供氢流量：满负荷运转时 1.4L/min ；
Ø 起动时间： <30S ；
Ø 输出电压： DC13-23V ；
Ø 增湿类型：自增湿；
Ø 冷却类型：空冷；
Ø 环境温度： 5-35℃ ；
Ø 电堆工作温度： <65℃ ；
2.8 自动控制及监测系统
Ø 环境检测传感器：
Ø 温度检测范围： -40℃ ～ 85℃ ；
Ø 温度检测精度： ±0.5℃ ；
Ø 压力监测范围： 0-1MPA ；
Ø 传感器供电： DC24V ；
Ø 传感器通讯接口：隔离 RS485 或模拟量输出；
2.9 人机界面
1 ）内置氢能管理软件现场端
Ø 触摸屏尺寸： 7″ ； MCGS
Ø 屏幕类型： TFT 液晶显示屏；
Ø 分辨率： 800×480 ；
Ø 内存： 128M ；
Ø 串行接口： RS232/RS485 ；
Ø 供电电压： 24±20%VDC ；
Ø 自动控制系统：
2 ）主控模块
Ø AC220V/50HZ 输入；
Ø 14 数字量输入， 10 数量输出；
Ø 支持 TCP/IP 标准通信方式，可实现高速运算和复杂逻辑控制；
3 ）仿真软件
基于 Unity3D 软件，使用 C# 语言进行开发，采用 My Sql 作为后台数据库，通过 FTP 协议与数据库进行通信。软件使用者通过使用光伏、风力、地热、生物质 4 种能源设计多能互补方案，完成区域能源的供能结构改造方案设计，并结合区域的气候数据，模拟区域内实时能耗与供能数据，从而优化出合理的能源结构。
Ø 用户管理功能：
注册：支持学生或教师按照学校名称和手机号码注册用户
登录：支持学生或教师根据手机号码或用户名登录系统。
找回密码：支持学生或教师根据手机号码找回密码
权限管理：支持主用户添加或删除子用户
用户信息管理：支持用户信息查看，包括用户名、学校、真实姓名、学号、上级用户等
异地登录：同一个账号 24 小时内只能在同一台电脑上登录，无法在其他电脑上登录。
Ø 气象数据库
支持查看全国超过 32 个城市的模拟地图气候数据。支持查看 2013-2016 年的精确到天的模拟地图气候数据，可自由设置日期进行查看。每个城市的气候数据均可查看：平均气温、最高最低气温、湿度、降水量、辐照量、气压、风速、土地湿度摄氏度等。
Ø 3D 地图功能
支持教师通过 3D 地图上的模拟能耗布置相应学习任务，同时可以修改多种参数以最大化的适应不同实际情况，最后可以根据学生完成情况进行相应的评分。
根据项目及学习任务需要规划设计的区域面积大小，选择对应面积以及地形相似度高的区域，并定期更新可用的区域 3d 地图、加载在 3D 地图上的是真实的地形地貌，包含设计成虚拟的地形地貌、 3D 地图模型、山川、河流与树木；
支持修改光伏发电的相关评分参数：整机效率、最佳倾角、除组件和逆变器以外的其他成本参数等。
支持修改风力发电的相关评分参数：整机效率、风力波动（自定义风速的每小时波动数据以体现出风力发电机组随着每小时风速数据的变化，发电量在 1 天 24 小时内随机波动的特点；）
支持修改地热能的相关评分参数：换热能力、热协调参数、成本单价
支持修改生物质能的相关评分参数：生物质年供应、整机效率、生物质残余物平均能源折算系数、生物质平均谷草比系数、生物质残余物能源利用可获得系数、建设成本、燃料成本、运维成本等。同时可自动根据公司计算得出每年最大可建设的电站功率作为评分准则。
（最大生物质电站功率 = 年供应量 *1000* 平均能源折算系数 * 谷草比系数 * 残余物能源利用可获得系数 / 3600/365/24 ）
设计区域内的 5 种用能建筑模型（底层住宅、交通枢纽、酒店、小高层、写字楼），通过设置每个建筑模型的最大功率、制冷制热能耗占比、每小时实际用电系数、日能耗时长，可以获得区域内建筑每小时、每天、全年的耗电情况以及制冷制热能耗需求；
可选择全国任意地区（精确城市）、任意气候时段作为区域能源模拟的目标区域，通过对比数据库可以得出当地经纬度、光伏组件全年最高、最低工作温度，并可以自动计算最大、最小电压、最大开路电压、最大直流电流等数据，可以自行比较同一模型不同规划方案的优劣，通过比较倾角偏差、组件逆变器功率比、间距误差、逆变器数量、生物质电站容量、浅层地热容量、风力电站布局、外部电力输入、外部电力波动、建设总成本等，可以对同一模型下的方案进行自动评分
命名：教师可以自行命名模型的名字
删除：教师可以对模型进行删除操作
4 ）基于物联网实验室安全用电智能控制系统（实验用电智能安全调控装置）
1 、特点
当智能控制系统检测到有漏电或触电情景出现时，智能控制系统在 0.1 秒断开连接，保证人身和财产安全；智能控制系统本身有故障指示灯，用户可根据智能控制系统故障指示灯显示判断出当前故障状态，便于处理；智能控制系统有挂锁功能，需要检修时，在挂锁位置上锁，★防止他人上电，检修更安全。可以采集现场输出型装置数据，通过多种物联网通信方式上传至云端，实现本地设备的远程监控。
2 、功能
基于物联网实验室安全用电智能控制系统，可进行用电数据采集、统计、存储、分析、查询等。运用前端数据可视化技术将实时的用电数据展示在平台上，并以图表的形式提供可视化的用电信息查询功能；运用数据库技术实时监测用电设备和线路运行状况，对异常状况及时告警，从而预防电气火灾；运用用电系统故障定位技术及时发现并精准定位用电故障点，自动生成故障报告，协助用户第一时间修复用电系统故障；运用电能质量监测技术实时分析和评估电能质量问题，并提供定制化的治理方案，协助用户获得优质电能；运用大数据技术和行业数学模型统计、分析并挖掘基础的用电数据，基于数据发掘节能潜力，从而提供能效优化方案。满足用电管理系统可视、安全、可靠、优质和经济的智慧用电模块需求。
3 、基于物联网实验室安全用电智能控制系统由执行装置与网机组成，技术参数分别为：
（ 1 ）执行装置技术参数
（ 1 ）极数： 3P+N
（ 2 ）脱扣特性： C （ 5-10 ） In D （ 10-14 ） In
（ 3 ）额定电流： In 6A 、 10A 、 16A 、 20A 、 25A 、 32A 、 40A 、 50A 、 63A
（ 4 ）额定电压： Ue AC 230V/400V
（ 5 ）额定频率 f ： 50Hz
（ 6 ）额定短路分断能力： Icu10kA
（ 7 ）壳架等级额定电流： Inm63A
（ 8 ）缺相保护：设备防烧毁保护模式
（ 9 ）漏电保护：元器件损坏保护模式
（ 10 ）过载保护：电流过大防烧毁模式
（ 11 ）短路保护：碰线防烧毁模式
（ 12 ）挂锁保护：便于维修安全
（ 13 ）过温保护：可监测线路温度
（ 14 ）过欠压保护：防止造成人身事故和机械设备损坏
（ 15 ）漏电或触电时 0.1 秒断开
（ 16 ）故障指示灯，便于查看工作状态
★ （ 17 ）挂锁功能，检修更方便
（ 2 ）网机技术参数
（ 1 ）内置 STM32F103C8T6 主控芯片
（ 2 ）外置 8M 无源晶振
（ 3 ）采用 SP3485 作为 485 通信芯片
（ 4 ） 485 防浪涌保护
（ 5 ）标准 RS485 接口，可直接串口设备
（ 6 ）智能型数据终端，便捷实现数据传输功能
★ （ 7 ）提供强大的中心管理软件，方便设备管理
★ （ 8 ）提供便捷的软件升级和固件更新服务
★ （ 9 ）提供数据库数据备份，方便查看历史数据
（ 10 ）尺寸： 89mm*67.5mm*20.5mm
（ 11 ）重量： 70g
（ 12 ）电源： AC220V
（ 13 ）功耗： 1.5W
（ 14 ）工作温度： -25℃ - +70℃
（ 15 ）工作湿度： 95%
（ 16 ） WiFi 版最大下行传输速率： 64kbps
（ 17 ） WiFi 版最大上行传输速率： 32kbps
2.10 尾气分析系统
Ø 温度检测范围： -40℃ ～ 85℃ ；
Ø 温度检测精度： ±0.5℃ ；
Ø 湿度检测范围： 0-99.9%RH ；
Ø 湿度检测精度： ±3%RH ；
Ø 氢气浓度检测范围： 0-40000PPM
Ø 传感器通讯接口：隔离 RS485 或模拟量输出；
2.11 上位机单元（内置氢能管理软件上位机端）
Ø CPU ： IntelCore i5 ；
Ø 内存： DDR3 8G ；
Ø 硬盘： 7200 转 /1TB ；
Ø 显卡： Intel HD Graphic ；
Ø 屏幕： 22 英寸高清显示器（ 1920*1080 ）。
2.12 柜体材质与尺寸
Ø 板材：热镀锌处理；
Ø 板材表面烤漆工艺；
Ø 钢板厚度： 2mm ；
Ø 柜体精心设计，结构美观新颖，方便操作和数据读取。
三、可完成课题项目
Ø 光伏发电氢储能系统的原理组成
Ø 燃料电池控制系统的组成和控制
Ø 电堆的 IV 极化特性曲线
Ø 电堆的功率特性曲线
Ø 环境改变对电堆性能的影响
Ø 电解制氢效率测量实验
Ø 电解制氢流量计量控制实验
Ø 氢储能系统参数测量和控制
Ø 电堆输出和尾气分析实验
Ø 人机界面设计和通讯控制
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