تبدیل نیرو تولید پیل سوختی کم قدرت

تبدیل نیرو تولید پیل سوختی کم قدرت-  ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

تبدیل نیرو تولید پیل سوختی کم قدرت

تبدیل نیرو با راندمان بالا برای

سیستم تولید پیل سوختی کم قدرت

چکیده

این مقاله یک توپولوژی تازه طراحی شده برای تبدیل منبع انرژی پیل سوختی به منظور تامین نیروی مفید و قابل اطمینان را ارائه می‌کند. چون پیل سوختی به علت واکنش الکتروشیمیایی، کیفیت نیروی با ولتاژ کم و جریان زیاد را دارا می‌باشد، یک مبدل فزاینده dc-dc برای افزایش ولتاژ پیل سوختی و رساندن آن به ولتاژ dc-bus برای استفاده مبدل بعدی به کار رفته است. علاوه بر این یک مبدل ولتاژ منبع انرژی با موج سینوسی به منظور کنترل ولتاژ و تکنیک‌های سوئیچینگ ملایم طراحی شده است تا سبب استفاده از اندوکتور کوچکتر در مدار منبع جریان و و تراکم بار ولتاژ در کلید‌ها تا دو برابر ولتاژ dc-dc شود. در این طرح تبدیل نیرو، ولتاژ خروجی دارای ویژگی‌های برجسته اعوجاج یا اغتشاش کمتر، سرعت و تنظیم دینامیک سریع و عدم حساسیت، حتی تحت بارهای غیر خطی، در برابر دگرگونی بار می‌باشد. علاوه بر این نتایج تجربی از طریق سیستم تولید پیل سوختی غشای تبدیل پروتن ظاهری ۲۵۰ ولت برای نشان دادن کارآیی استراتژی تبدیل نیروی پیشنهادی ارائه شده‌اند. طبق اندازه‌گیری‌های تجربی، حداکثر کارآیی مبدل نیروی بیش از ۹۵% است و اعوجاج‌های هماهنگ کلی برای شرایط مختلف بارگذاری همه بین ۱۰۱% می باشد.

کلمات کلیدی: منبع جریان، پیل سوختی، مبدل، تبدیل نیرو، غشای تبدیل پروتون (PEM) سوئیچینگ نرم، کنترل ولتاژ.

تبدیل نیرو تولید پیل سوختی کم قدرت

۱- مقدمه

در قرن گذشته، دمای سطح جهان ۶ درجه سانتی‌گراد افزایش یافته است که علت آن انتشار گازهای منتشر شونده و افزایش دی اکسید کربن است. مشکلات مربوط به تامین و استفاده از انرژی نه تنها موجب گرمای جهان شده است بلکه به موارد دیگر محیطی مثل آلودگی هوا، ‌رسوب اسید، کاهش ازن، تخریب جنگل‌ها و انتشار مواد رادیواکتیو نیز انجامیده است. برای پیشگری از این اثرات، راه حل‌های بالقوه‌ای استنتاج شده‌اند که عبارتند از:  تبدیل انرژی از طریق کارآیی انرژی بهبود یافته، کاهش در مصرف سوخت‌های فسیلی و افزایش استفاده  از انرژی‌های طرفدار محیط زیست. اخیراً انرژی تولید شده از منابع پاک، موثر و طرفدار محیط به یکی از چالش‌های اصلی برای مهندسین و دانشمندان تبدیل شده است. پیل‌های سوختی جزء جدیدترین اقلام بشمار می‌آیند زیرا به نظر می‌رسد که یکی از موثرترین و کارآمدترین راه‌ حل‌ها برای این مسئله محیطی باشند.

امروزه پروژه‌های تجربی نشان داده‌اند که سیستم‌های پیل سوختی برای نیروی قابل حمل، حمل و نقل، نیروی مفید و تولید نیروی در محل مادر کاربردهای متعدد ساختمانی امکانپذیر هستند. با استفاده از پیل‌های سوختی و تکنولوژی هیدروژن، نیروی الکتریکی درمحل مورد نیاز می‌تواند به خوبی و با راندمان بالا و قابلیت تحمل منتقل شود. اهداف مهمترین تحقیقات در جهان بر غشای تبدیل پروتون (PEM) اکسید جامد تمرکز یافته‌اند، به ویژه پیل سوختی PEM ویژگی‌هایی از این قبیل دارد: ۱- محصول ضایعاتی آن آب است ۲- عملکرد با دمای پایین و ۳- آنها از یک پلیمر جامد بعنوان الکترولیت استفاده می‌کنند که نگرانی‌های مربوط به مصرف، حمل ونقل و موارد امینتی را کاهش می‌دهد. بنابر این به نظر می‌رسد که منبع خوب دیگری برای سیستم‌های تولید توزیع شده است. گرچه سیستم تولید پیل سوختی PEM دارای کیفیت نیروی با ولتاژ کم وجریان زیاد است که ممکن است به عنوان ابزارهای نیرو با فشار ولتاژ بالا باعث اتلاف انتقال شود و نیز در ولتاژ dc خروجی تحت شرایط بارگذاری متفاوت، مغایرت زیادی راایجاد کند. بنابر این ایجاد یک سیستم تبدیل نیروی مناسب دشوار خواهد بود به ویژه در طرح توپولوژی تبدیل dc/ac.

به منظور سازگاری بانیروی پیل سوختی با ولتاژ کم و جریان زیاد برای یک نیروی مفید قابل اطمینان، یک مبدل dc-dc سر جلویی مقاوم با ولتاژ بالا برای استفاده از مبدل بعدی ضروری است. آبوتبال و بقیه یک موارد خازن انتخاب شده را به یک مبدل فزاینده اضافه کردند تا ولتاژ بالایی را به دست آورند. گرچه کلیدها و دیودها در این مدار بدونن ویژگی‌های سوئیچینگ نرم کارکردند بنابر این کارآیی کاهش یافت. در شرایط نیروی dc/ac،  متدلوژی تغییر ولتاژ موج سینوسی بیشتر برای شارژ کردن خازن خروجی به منظور جمع آوری شکل موج سینوسی خاص به کار رفته است تابتواند مشکل مربوط به مولفه‌های هماهنگ زیاد و مشکل تداخل الکترومغناطیسی (EMI) را حل کند. گرچه کنترل جریان القاگر و تغییر فشار ولتاژ به علت استفاده از اندوکتور بزرگ در این مدار دشوار است. به منظور توسعه مبدلی با راندمان بالا، تکنیک‌های کنترل ولتاژ و سوئیچینگ نرم به طور معمل استفاده می‌شوند. ایشی کاواو مورایی.

به منظور داشتن ویژگی‌های سوئیچینگ نرم و محدود کردن فشار ولتاژدر کلید تاز زیر چهار برابر ولتاژ dc-bus، یک مبدل جدید زرنانس متوالی با اتصال dc و مدار کنترل ولتاژ پیشنهاد کرده‌اند. ایتو و بقیه برای نشان دادن ظرفیت سوئیچینگ نرم، یک مبدل منبع جریان سوئیچینگ نرم برای استفاده یک  مرحله‌ای ارائه کرده‌اند. متاسفانه برای عملکرد تعداد تغییرات متغیر یک القاگر بسیار بزرگ بین منبع dc و مبدل مورد نیاز بود و برای اعوجاج هماهنگ کلی کمتر (THD) یک خازن خروجی بزرگ به کار رفت. به منظور کاهش تعداد القاگر و افزایش فشار ولتاژ در کلیدها‌، یک مبدل ولتاژ موج سینوسی منبع جربان،‌از طریق تکنیک‌های سوئیچینگ نرم و کنترل ولتاژ در این مقاله طراحی شده است. این باعث خواهد شد تا ولتاژ خروجی توانایی تبدیل با راندمان بالا و تنظیم بارگذاری غیر خطی با میزان THD کمتر را داشته باشد. بقیه این مقاله به صورت زیر سازماندهی شده است: بخش ۲- اصول عملکرد انرژی پیل سوختی را به اختصار ارائه می‌کند در بخش ۳- توصیف سیستم و تجزیه و تحلیل‌های طرح مدار کاملاً توضیح داده می‌شود. نتایج تجربی برای سیستم تولید پیل سوختی با نیروی ظاهری ۲۵۰ ولت برای تضمین کارآیی سیستم تبدیل نیروی پیشنهاد شده در بخش ۴- ارائه شده است. و در بخش ۵ به نتایج می‌رسیم.

تبدیل نیرو تولید پیل سوختی کم قدرت

۲– اصول عملکرد پیل سوختی

مفهوم اصلی پیل سوختی شالم تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. پیل سوختی برای تولید الکتریسته به طور الکترو شیمیایی سوخت (هیدروژن ۱ را با گازهای اکسیدان (اکسیژن هوا) از طریق الکترودها و در یک الکترولیت منتقل کننده یون ترکیب می‌کند. همان طور که در شکل ۱ نشان داده شده است، پیل سوختی از ۲ الکترود، یک آند، کاتد و الکترولیت تشکیل شده است.

…

تبدیل نیرو تولید پیل سوختی کم قدرت

۳- توصیف سیستم و طرح مدار

یک سیستم پیل سوختی PEM با  استراتژی تبدیل نیرو در شکل ۲ نشان داده شده است، در این شکل خروجی پیل سوختی با مجموعه‌ای از خازن‌های اضافی (ci) تکمیل شده که به حفظ ولتاژی bus در حین راه‌اندازی و عبور کمک می‌کند. دیود (Di) در خروجی دسته پیل سوختی برای جلوگیری از پیشرفت جریان منفی در دسته لازم است. بعلت وجود جریان منفی، احتمال دارد که چرخش کامل پیل اتفاق بیفتد و به دسته پیل سوختی آسیب رساند. جریان مواجی که به علت تغییر مکانیزم شرایط نیرو دیده می‌شود باید کاهش یابد. برای تحویل نیروی پیل سوختی به کاربردای تجهیزات تسریع بخش،‌ سیستم توسعه یافته تبدیل نیرو از دو بخش مهم تشکیل یافته است: یکی مبدل سرجلویی dc-dc و دیگری مبدل dc-ac با مداری کنترلی. طرح بخش سر جلویی یک مبدل فزاینده dc-dc با راندمان بالا است که مشکل بوجود آمده از ویژگی‌های نیروی پیل سوختی باولتاژ کم و جریان زیاد را حل می‌کند. این مبدل به جای کلیدهای فعال از دیود و سیم پیچ‌های متصل استفاده می‌کند تا انرژی القاگر را با عملکردی بهتر از بخش‌های فعال و کنترل شده تبدیلی بازیافت کند. علاوه بر این، این مشکل بهبودی معکوس می‌تواند به طرز چشمگیری کاهش یابد. جزئیات طرح مدار وتجزیه و تحلیل‌های نظری در قسمت (۱۱) توضیح داده شده‌اند و در اینجا حذف شده‌اند. علاوه بر این یک مبدل ولتاژ مج سینوسی منبع جریاناز منبع جریان، یک مدار محدود کننده و یک مدار معکوس full-bridge  تشکیل شده است. مدار محدود کننده اصلی از کلیدهای (T1,T2)،  دیودهای (D1,D2)، خازن co و مبدل (T_T) تشکیل شده است که در آن l_{d و} l_f  القای مغناطیسی اولیه و ثانویه مبدل را نشان می‌دهند. هدف دیگر این القاگر (l_d) می‌تواند برای محدود کردن جریان بار الکتریکی به کار رود و میزان صعودی جریان این القاگر به ولتاژ سطحی آن نسبی است. مدار مبدل full-bridge از دو کلید مخالف (Ta^T , Tb^T) و ( Ta^– و Tb⁺ ) و دو پایه تشکیل شده است. توجه کنید که دیودهای اضافی( Da ^– و Db⁺ Da ^– و Db⁺) برای مانع شدن جریان کوتاه از خازن C_l در عبور از کلیدهای مبدل یا دیودهای آنها به کار می‌رود شکل ۳، شکل موج‌های اصلی در حین انواع عملکردهای مختلف و شکل ۴، انواع عملکردی را در یک چرخه تغییر برای مرحله مبدل با مداری محدود کننده را نشان می‌دهد.

…

تبدیل نیرو تولید پیل سوختی کم قدرت

۴- نتایج آزمایشگاهی

سیستم پیل سوختی PEM که دراین مقاله استفاده شده، نیروی PEMTM-PS 250 تولید شده توسط شرکت Hpower است. این یک منبع نیروی dc با خروجی نیروی ۲۸ vdc تنظیم نشده و میزان نیروی ظاهری ۲۵۰ wdc است. این سیستم در هوای جو و سوخت هیدروژن فشرده تمیز عمل می‌کند. سیستم پیل سوختی از (۴۰) دسته پیل نوع PEM،‌کمک‌های مکانیکی و واحد کنترل الکتریکی تشکیل شده است. شکل ۵ ویژگی‌های ولتاژ- جریان سیستم پیل سوختی PEM پذیرفته شده را نشان می‌دهد که در شرایط جوی طبیعی کار می‌کند. همان طور که می‌توان در شکل ۵(a) مشاهده کرد، جریان خروجی پیل سوختی با  افزایش نیروی تولید شده زیاد می‌شود تا اینکه خروجی به نطقه حداکثر نیرو برسد. بنابر این برای طراحی تبدیل‌گر، این عمل کننده‌ای در نواحی نسبتاً خطی را پیشنهاد می‌کند. طبق شکل ۵(b) ولتاژ خروجی پیل سوختی با افزایش نیروی خروجی کاهش می‌یابد  به سادگی با توجه به تغییر بارها، تغییر می‌کند. برای حل  این پدیده یک مبدل فزاینده dc-dc که در (۱۱) معرفی شد به منظور تامین ولتاژ dc-bus نا متغیر برای استفاده از مبدل ولتاژ موج سینوسی نیرو – جریان پیشنهاد شده در این مقاله به کار رفته است. در آزمایشات، تبدیل‌گر طوری طراحی می‌شود که از ورودی dc پیل سوختی، vi=22-39 vdc عمل  کند تا خروجی dc ثابت، V_IN=170 vdc را با حداکثر ظرفیت نیروی خروجی ۳۵۰ w برای استفاده از مبدل بعدی منتقل کند. علاوه بر این، ویژگی‌خروجی مبدل تازه طراحی شده،‌ حداکثر ظرفیت نیروی خروجی vo=110 PEM_rms با  ۵۰۰w می‌باشد. به نظر می‌رسد که حداکثر جریان القاگر (id)، تحت بدترین حالت بارگذاری غیر خطی یکسو کننده در حداکثر ولتاژ خروجی، حدود ۲۵A است و ولتاژ مربوطه (V_LD) در طرف اولیه القاگر که شامل همه ولتاژهای افت کرده می‌شود در این طرح نمونه حدود ۱۰ v است. طبق (۴)، برای توجیه شرایط افزایش ۵۰۰ جریان از ۰A تا ۲۵A، القاگرهای Ld و Lf حول وحوش ۲۰۰ هستند، بنابر این زمان بازگشت انرژی مبدل (tf) می‌تواند از طریق (۱۴)در ۲۵ تنظیم می‌شوند. گرچه با انتخاب Ld>Lf، زمان بازگشت (tf) می‌تواند کوتاه شود، اثر محدود کننده ولتاژ از بین خواهد رفت بنابر این به کلیدهایی با ظرفیت ولتاژ بالاتر نیازمند است. برعکس اگر شرایط ld<lf حفظ شود. این ویژگی‌ کلیدها که با zcs روشن می‌شوند از بین می‌رود. علاوه بر این مشخصات این سخت افزار مبدل به طور کامل در زیر آمده است ۱- گسترده تعداد تغییرات ۵k-20kHZاست ۲- تمام ابزارهای کلید IR FP360-400 V و دیودهای اضافی schottky در مدار full-bridge 20200 CT -200 V MBR می‌باشد. ۳- به روش ساختن سیم پیچ دو رشته‌ای، پارامترهای مبدل به صورت Ld=Lf=200 طراحی شده‌اند. ۴- خازن‌ها به صورت و     و  انتخاب شده‌اند. ولتاژ آزمایشی و شکل موج‌های جریان کلیدها، دیودها، مبدل، وخازن در شکل ۶ و ۶(a) که  واکنش‌های کلید محدود کننده T1 را انجام می‌دهد، شناسایی شده‌‌اند. Spike ولتاژ که در مبدل با القای نشتی القا می‌شود حضور ندارد. طبق شکل ۶(a)-(e)، ویژگی‌ سوئیچینگ نرم و کنترل ولتاژ را می‌توان به خوبی مشاهده کرد با مشاهده شکل ۶(g) , (h)، سیستم تبدیل نیروی پیشنهاد شده می‌تواند در شرایط ظاهری، یک نیروی مصرف ac مناسب فراهم کند. به طور اساسی شکل موج‌هایی که در شکل ۶ نشان داده شده است با تجزیه و تحلیل‌های بخش ۳ سازگار است.

…

تبدیل نیرو تولید پیل سوختی کم قدرت

۵- نتیجه‌گیری

این مقاله با موفقیت استراتژی تبدیل نیرو با کارآیی بالا را از طریق روش‌های سوئیچینگ نرم و کنترل ولتاژ برای یک سیستم تولید پیل سوختی PEM توسعه داده است. از طریق ارزیابی تجربی، همه کلیدها و دیودها در این مدار با ویژگی سوئیچینگ نرم عمل نمودند، تعداد اندوکتور یا القاگر در مدار منبع جربان از مدار قدیمی کمتر بود و فشار ولتاژ در کلیدها به طور موثر کنترل شد. علاوه بر این پیشرفت THD  محاسبه شده سیستم تبدیل نیروی پیشنهادی با توجه به نوع بازرگانی در عدم وجود بار ۷۸/۰% در بار RL 41/1‌% ، در بار مرحله ناگهانی۶۶%  و بیش از ۲% در بار غیر خطی بود. علاوه بر  این حداکثر کارآیی مبدل ولتاژ منبع جریان پیشنهاد شده بیش از ۹۵% بود. در نتیجه مبدل نیروی پیشنهادی که اجرای خوبی را با توجه به ظرفیت ابزار کوچک، فشار ولتاژ کم و کارآیی بالا دارا می‌باشد، از محصولات بازرگانی موجود برای کاربردهای تبدیل نیرو بهتر برآورد شده است.

تبدیل نیرو تولید پیل سوختی کم قدرت