一种基于不调节母线的可再生光燃蓄混合能源系统的制作方法

1.本发明属于临近空间飞艇能源系统技术领域，尤其涉及一种基于不调节母线的可再生光燃蓄混合能源系统。


背景技术：

2.传统飞艇能源系统一般使用太阳电池阵 蓄电池的组合，以满足昼夜循环中负载的功率需求。由于蓄电池的比能量有限，随着飞艇功率的增大，蓄电池重量随飞艇功率线性增长，制约着飞艇能源系统功率进一步增大。而燃料电池的重量增量主要来自与储存的反应物，因此随着飞艇功率的增大，燃料电池的功率质量比远超蓄电池，使得其重量优势更为明显。
3.目前，燃料电池在国内外的诸多能源系统中都有出现，但在飞艇上有关可再生燃料电池能源系统的研究较少，制约着大功率超长航时飞艇技术的进一步发展。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于不调节母线的可再生光燃蓄混合能源系统，提供了高功率密度的混合能源方案，解决了大功率飞艇能源系统的重量难题。
5.本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种基于不调节母线的可再生光燃蓄混合能源系统，包括：太阳电池阵、mppt电源控制器、不调节母线、蓄电池、可再生燃料电池、燃料电池dc/dc和水电解器dc/dc；其中，所述太阳电池阵设置于飞艇蒙皮上；所述mppt电源控制器、所述蓄电池、所述可再生燃料电池、所述燃料电池dc/dc和所述水电解器dc/dc均设置于飞艇吊舱内；所述太阳电池阵的功率输出端与所述mppt电源控制器的输入端相连接；所述mppt电源控制器与所述不调节母线相连接；所述不调节母线与飞艇负载相连接；所述水电解器dc/dc的输入端与所述不调节母线的相连接；所述燃料电池dc/dc的输出端与所述不调节母线的相连接；所述可再生燃料电池分别与所述水电解器dc/dc的输出端、所述燃料电池dc/dc的输入端相连接。
6.上述基于不调节母线的可再生光燃蓄混合能源系统中，所述可再生燃料电池包括储罐、水电解器和燃料电池；其中，所述储罐均与水电解器和燃料电池相连接；所述水电解器与所述水电解器dc/dc相连接；所述燃料电池与所述燃料电池dc/dc相连接。
7.上述基于不调节母线的可再生光燃蓄混合能源系统中，所述太阳电池阵在有光照时将太阳能转换为电能，将电能传输给所述mppt电源控制器；所述mppt电源控制器将电能进行功率变换后得到功率变换后的电能，将功率变换后的电能传输给所述不调节母线；所述蓄电池用于储存电能。
8.上述基于不调节母线的可再生光燃蓄混合能源系统中，所述储罐用于储存水电解器生成的氢气、氧气和燃料电池生成的水，以及为燃料电池提供氢气、氧气和为水电解器提供水；所述燃料电池为质子交换膜氢氧燃料电池，将氢气和氧气的化学能转换为电能；所述
水电解器消耗电能电解水制取氢气和氧气。
9.上述基于不调节母线的可再生光燃蓄混合能源系统中，所述太阳电池阵的日总发电量通过如下公式得到：
10.e
sa
＝e
nom
×
s；
11.其中，e
sa
为太阳电池阵的日总发电量，s为飞艇蒙皮上等效的太阳电池阵铺设面积，e
nom
为日内单位面积典型发电能量；
12.所述太阳电池阵的日内总峰值发电功率通过如下公式得到：
13.p
mpp
＝p
nom
×
s；
14.其中，p
mpp
为太阳电池阵的日内总峰值发电功率，p
nom
日内单位面积峰值发电功率。
15.上述基于不调节母线的可再生光燃蓄混合能源系统中，太阳电池阵的日总发电量满足如下公式：
16.e
sa
》e
load
e
rfc
e
loss
；
17.其中，e
sa
为太阳电池阵的日总发电量，e
load
为负载消耗的能量，e
rfc
可再生燃料电池消耗的能量，e
loss
为系统各环节损耗的能量；
18.太阳电池阵的日内总峰值发电功率满足如下公式：
19.p
mpp
》p
load,max
；
20.其中，p
mpp
为太阳电池阵的日内总峰值发电功率，p
load,max
为飞艇负载的最大功率。
21.上述基于不调节母线的可再生光燃蓄混合能源系统中，所述mppt电源控制器通过mppt算法使得太阳电池阵的输出满足如下公式：
[0022][0023]
其中，v为太阳电池阵的输出电压，v
mpp
为太阳电池阵峰值功率点处电压，p
sa
(v)为根据太阳电池阵的输出特性曲线得到的输出电压对应的输出功率，p
sa
(v
mpp
)为根据太阳电池阵的输出特性曲线得到的太阳电池阵峰值功率点处电压对应的输出功率。
[0024]
上述基于不调节母线的可再生光燃蓄混合能源系统中，预设蓄电池的最高工作电压为v
max
，预设蓄电池的最低工作电压为v
min
；所述不调节母线为具有正极和负极的直流母线，正极和负极的直流母线之间的电压差在v
max
和v
min
之间。
[0025]
上述基于不调节母线的可再生光燃蓄混合能源系统中，所述mppt电源控制器输出电压为v
max
，为飞艇负载提供稳定的电压，并控制太阳电池阵的输出电压偏离v
mpp
点，维持功率平衡；其中，v
mpp
为太阳电池阵峰值功率点处电压。
[0026]
上述基于不调节母线的可再生光燃蓄混合能源系统中，所述mppt电源控制器输出电流为外部给定值i
ref
，并控制太阳电池阵的输出电压偏离v
mpp
点，实现对不调节母线上用电设备的过流保护功能。
[0027]
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
[0028]
(1)本发明通过使用可再生燃料电池作为飞艇的主要储能装置，提高了大功率超长航时飞艇电源系统的功率密度，从而降低了对浮力的需求，提高了飞艇运载能力；
[0029]
(2)本发明将不调节母线架构、蓄电池、可再生燃料电池的有机结合，使用蓄电池改善了可再生燃料电池动态响应差的缺点，具有架构简单、实现容易的优点，提高飞艇能源
系统的稳定性与可靠性；
[0030]
(3)本发明通过mppt电源控制器的多模式工作策略，限制蓄电池充放电电压和电流，实现了对蓄电池的可靠保护，并保持蓄电池对不调节母线电压的动态调节能力，提高飞艇能源系统的稳定性与可靠性。
附图说明
[0031]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0032]
图1是本发明实施例提供的基于不调节母线和可再生燃料电池的太阳能飞艇能源系统架构示意图；
[0033]
图2是本发明实施例提供的基于不调节母线和可再生燃料电池的太阳能飞艇能源系统安装示意图。
具体实施方式
[0034]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0035]
如图1和图2所示，该基于不调节母线的可再生光燃蓄混合能源系统包括：太阳电池阵、mppt电源控制器、不调节母线、蓄电池、可再生燃料电池、燃料电池dc/dc和水电解器dc/dc.其中，
[0036]
太阳电池阵设置于飞艇蒙皮上；mppt电源控制器、蓄电池、可再生燃料电池、燃料电池dc/dc和水电解器dc/dc均设置于飞艇吊舱内。
[0037]
太阳电池阵的功率输出端与mppt电源控制器的输入端相连接；mppt电源控制器与不调节母线相连接；不调节母线与飞艇负载相连接；水电解器dc/dc的输入端与不调节母线的相连接；燃料电池dc/dc的输出端与不调节母线的相连接；
[0038]
可再生燃料电池分别与水电解器dc/dc的输出端、燃料电池dc/dc的输入端相连接。
[0039]
如图1和图2所示，可再生燃料电池包括储罐、水电解器和燃料电池；其中，储罐均与水电解器和燃料电池相连接；水电解器与水电解器dc/dc相连接；燃料电池与燃料电池dc/dc相连接。
[0040]
太阳电池阵，铺设于飞艇蒙皮上，在有光照时将太阳能转换为电能，可采用单晶硅、多晶硅、化合物薄膜或其他类型的太阳电池阵，其功率输出端连接到mppt电源控制器的输入端，其日总发电量与峰值功率满足以下等式：
[0041]esa
＝e
nom
×
s；
[0042]
p
mpp
＝p
nom
×
s；
[0043]
其中，s为飞艇上等效的太阳电池阵铺设面积，e
nom
为日内单位面积典型发电能量，esa
为日内总发电能量，p
nom
日内单位面积峰值发电功率，p
mpp
为日内总峰值发电功率，并有：
[0044]esa
》e
load
e
rfc
e
loss
；
[0045]
p
mpp
》p
load,max
；
[0046]
其中，e
load
为负载消耗的能量，e
rfc
可再生燃料电池消耗的能量，e
loss
为系统各环节损耗的能量，p
load,max
为飞艇负载的最大功率。
[0047]
mppt电源控制器，置于飞艇吊舱内，为直流/直流(dc/dc)功率变换装置，具有最大功率点跟踪(maximum power point tracking，mppt)、母线恒压、恒流输出三种工作模式，使得mppt电源控制器能够在提高太阳电池阵功率的同时具备稳定母线的电压与电流的能力，其输入端为太阳电池阵，输出端为不调节母线，实现太阳电池阵输出电压到不调节母线电压的功率变换。
[0048]
不调节母线，为具有正极和负极的直流母线，正极与负极之间的电压差在设计的最大值v
max
和最小值v
min
之间，与所连接的蓄电池两端的电压一致，其上还连接了水电解器dc/dc的输入端、燃料电池dc/dc的输出端和飞艇负载。
[0049]
蓄电池，置于飞艇吊舱内，储能元件，用于吸收母线上的多余功率或补充母线上的不足功率，其工作电压在v
max
和v
min
之间，v
max
为蓄电池的最高工作电压，v
min
为蓄电池的最低工作电压，电池可采用磷酸铁锂离子电池、锰酸锂离子电池、钴酸锂离子电池或其他类型电池，其正极与负极分别与不调节母线的正极和负极连接。
[0050]
可再生燃料电池，包含燃料电池、水电解器和储罐，用于实现电能和化学能之间的相互转换，以及对化学能的储存，功率输入端连接水电解器dc/dc，功率输出端连接燃料电池dc/dc。
[0051]
进一步的，可再生燃料电池包含燃料电池，置于飞艇吊舱内，采用质子交换膜氢氧燃料电池，将氢气和氧气的化学能转换为电能，功率输出端与燃料电池dc/dc连接，反应物输入输出端与储罐连接。
[0052]
进一步的，可再生燃料电池包含水电解器，置于飞艇吊舱内，消耗电能电解水制取氢气和氧气，功率输入端连接不调节母线，反应物输入输出端与储罐连接。
[0053]
进一步的，可再生燃料电池包含储罐，置于飞艇吊舱内，包含罐体和阀门、泵等辅助设备，用于储存水电解器生成的氢气、氧气和燃料电池生成的水，以及为燃料电池提供所需的氢气、氧气和为水电解器提供所需的水，其输入输出两端均连接到燃料电池和水电解器。
[0054]
燃料电池dc/dc，置于飞艇吊舱内，为dc/dc功率变换装置，输入端连接燃料电池，输出端连接不调节母线，用于控制燃料电池端的功率大小p
fc
，并实现燃料电池端电压到不调节母线电压的功率变换。
[0055]
水电解器dc/dc，置于飞艇吊舱内，为dc/dc功率变换装置，其输入端连接不调节母线，输出端连接水电解器，用于控制水电解器的功率大小p
el
，并实现不调节母线电压到燃料电池端电压的功率变换。
[0056]
飞艇负载，飞艇上的推进装置，功率为p
load
，将电能转换为螺旋桨旋转的机械能，功率端与不调节母线连接；
[0057]
mppt模式通过采集太阳电池阵的输出电压和输出电流，由mppt算法控制mppt电源控制器是使得太阳电池阵输出最大功率，所述的mppt算法采用融合智能算法，通过长短期
记忆(lstm)神经网络结合扰动观察法，使得太阳电池阵的输出满足：
[0058][0059]
其中v为太阳电池阵的输出电压，v
mpp
为太阳电池阵峰值功率点处电压，p
sa
为根据太阳电池阵的输出特性曲线得到的对应输出电压处的输出功率。使得mppt电源控制器能够在昼夜循环中快速跟踪太阳电池阵的峰值功率点。
[0060]
mppt电源控制器的母线恒压模式通过采集母线电压，并经由pid算法控制mppt电源控制器输出电压为v
max
，为负载提供稳定的电压，并主动使太阳电池阵的输出电压偏离v
mpp
点，维持功率平衡；mppt电源控制器的恒流输出模式通过采集mppt电源控制器的输出电流，并经由pid算法控制mppt电源控制器输出电流为外部给定值i
ref
，并主动使太阳电池阵的输出电压偏离v
mpp
点，实现对母线上用电设备的过流保护功能。
[0061]
在太阳电池阵输出功率p
sa
小于飞艇负载需求功率p
load
时，通过减小水电解器功率p
el
或增大燃料电池功率p
fc
，以实现功率平衡；在太阳电池阵输出功率p
sa
大于飞艇负载需求功率p
load
时，通过增大水电解器功率p
el
或减小燃料电池功率p
fc
，以实现功率平衡；在蓄电池电压低于v
min
或蓄电池充电功率大于给定的功率值p
bat
时，通过减小水电解器功率p
el
或增大燃料电池功率p
fc
，使蓄电池处于小功率充电状态，能够提高系统效率，延长蓄电池寿命；在蓄电池电压高于v
max
或蓄电池放电功率大于给定的功率值p
bat
时，通过增大水电解器功率p
el
或减小燃料电池功率p
fc
，使蓄电池处于小功率放电状态，能够提高系统效率，延长蓄电池寿命。
[0062]
本发明通过使用可再生燃料电池作为飞艇的主要储能装置，提高了大功率超长航时飞艇电源系统的功率密度，从而降低了对浮力的需求，提高了飞艇运载能力；本发明将不调节母线架构、蓄电池、可再生燃料电池的有机结合，使用蓄电池改善了可再生燃料电池动态响应差的缺点，具有架构简单、实现容易的优点，提高飞艇能源系统的稳定性与可靠性；本发明通过mppt电源控制器的多模式工作策略，限制蓄电池充放电电压和电流，实现了对蓄电池的可靠保护，并保持蓄电池对不调节母线电压的动态调节能力，提高飞艇能源系统的稳定性与可靠性。
[0063]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。