燃料电池微电网应用

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译者序

文字符号说明

第1章就部分加载和负载波动而言的小范围燃料电池热电联产系统1

1.1简介1

1.2系统配置2

1.2.1系统概述2

1.2.2能量损失和质量损失4

1.2.3系统模型和方程4

1.2.4部分负载运行6

1.3能量平衡和目标函数7

1.3.1能量平衡7

1.3.2电热器的运行8

1.3.3储热运行9

1.4能量输出特性9

1.4.1系统调度图9

1.4.2负载波动和燃料消耗10

1.5案例研究11

1.5.1系统概述11

1.5.2运行方案结果12

1.5.3系统年度运行成本12

1.6结论13

第2章成本最低优化的燃料电池能量网络设备布局规划14

2.1简介14

2.2系统概述15

2.2.1能量网络15

2.2.2燃料电池系统15

2.2.3有序热源15

2.2.4市政燃气重整16

2.2.5系统运行模型16

2.3热水管网(HWN)散热量18

2.4能量平衡19

2.4.1功率平衡19

2.4.2热平衡20

2.5成本计算和目标函数20

2.5.1成本计算20

2.5.2目标函数20

2.6分析方法和案例研究21

2.6.1遗传算法优化21

2.6.2设备特性模型22

2.6.3储热罐和锅炉的运行23

2.6.4热水管路和热水循环泵的规格23

2.6.5分析流程23

2.6.6分析条件25

2.7分析结果26

2.7.1燃料电池和重整气运行方案26

2.7.2热水放热量和热水管路径28

2.7.3热水循环泵流量28

2.7.4储热罐和锅炉的运行29

2.7.5成本分析结果31

2.7.6关于分析精度的思考31

2.8结论33

第3章基于分区合作管理提高发电效率35

3.1简介35

3.2系统结构35

3.2.1FC微电网略图35

3.2.2系统结构36

3.2.3运行方法37

3.3FC微电网安装方案38

3.3.1微电网发电效率38

3.3.2电力需求模型39

3.3.3分析方法41

3.4案例研究41

3.5分析结果与讨论42

3.5.1单机系统发电效率42

3.5.2中央系统发电效率43

3.5.3分区合作系统发电效率44

3.6结论47

第4章使用负载分级方法减少燃料电池设备容量和热量损失的燃料电池网络系统48

4.1简介48

4.2燃料电池负载平衡和布局规划方案48

4.2.1燃料电池网络系统48

4.2.2燃料电池发电特性50

4.2.3电解水负载平衡51

4.2.4燃料电池的分布51

4.2.5能量平衡方程52

4.2.6系统操作方法53

4.3分析方法53

4.3.1分析程序53

4.3.2相关参数55

4.4案例研究55

4.4.1能量需求模型和网络系统55

4.4.2燃料电池设备容量减少产生的影响56

4.4.3热水管路径方案分析结果57

4.4.4燃料电池布局规划方案分析结果58

4.5结论59

第5章由柴油发电机和燃料电池组成的复合互连微电网的设备方案60

5.1简介60

5.2复合互连微电网（CIM）61

5.2.1微电网模型61

5.2.2CIM模型61

5.2.3设施略图61

5.2.4CIM运行方法64

5.3设备特性64

5.3.1柴油发电机（DEG）64

5.3.2质子交换膜燃料电池66

5.4分析方法66

5.4.1复合互连电网的路径方案66

5.4.2分析步骤66

5.4.3电力需求模型67

5.5案例研究69

5.5.1市区模型69

5.5.2复杂社区69

5.5.3居民区模型71

5.6结论73

第6章高效利用分布式燃料电池废热的方法74

6.1简介74

6.2燃料电池网络系统概述75

6.2.1系统概述75

6.2.2热水管路径和散热量76

6.2.3热量平衡78

6.2.4热水管网散热量78

6.3燃料电池模型79

6.3.1电功率和热输出特性79

6.3.2能量需求模型和燃料电池容量80

6.4案例分析82

6.4.1日本札幌地区天气情况82

6.4.2分析方法82

6.5分析结果 83

6.5.1热水管网的优化路径和散热量83

6.5.2能量需求模型和热水管网优化路径83

6.5.3负载波动的影响86

6.6结论87

第7章寒冷地区燃料电池独立系统的响应特性88

7.1简介88

7.2系统概述89

7.2.1系统框图89

7.2.2供电策略91

7.2.3供热策略91

7.2.4辅助系统和控制91

7.2.5操作控制模型92

7.3设备的时间常数93

7.3.1燃料电池的时间常数93

7.3.2市政燃气重整器96

7.3.3逆变器和系统连接设备97

7.3.4热泵的时间常量98

7.4分析方法98

7.5结果和讨论100

7.5.1控制器控制变量100

7.5.2系统步进响应特性101

7.5.3带浮动负载的电功负载阶跃响应特性103

7.5.4寒冷地区独立住宅应用105

7.6结论107

第8章限定燃料电池数量的微电网负载响应特性109

8.1简介109

8.2微电网模型110

8.2.1微电网的电能质量110

8.3系统配置设备的响应特性113

8.3.1内燃机发电机的发电特性113

8.3.2燃料电池的发电特性114

8.3.3市政燃气重整器输出特性114

8.3.4逆变器和互连设备115

8.3.5燃料电池发电效率115

8.4控制变量和分析方法116

8.5微电网负载响应特性117

8.5.1阶跃响应特性117

8.5.2住宅电力需求模型应用118

8.5.3燃料电池系统发电效率120

8.6结论121

第9章燃料电池/木质生物质发电机混合微电网动态特性122

9.1简介122

9.2系统方案123

9.2.1混合微电网123

9.2.2微电网系统运行策略125

9.3PEMFC与SEG的控制响应特性126

9.3.1控制框图126

9.3.2PEMFC 响应特性126

9.3.3SEG响应特性128

9.4PWHC微电网动态特性分析结论129

9.4.1PWHC的功率响应特性129

9.4.2住宅电功负载模式下微电网中SEG和PEMFC的响应特性131

9.5结论133

第10章燃料电池加氢燃气发动机混合系统及其部分负载时的效率提升135

10.1简介135

10.2系统概述136

10.2.1HCGS模型136

10.2.2系统运行策略137

10.3设备特性138

10.3.1加氢NEG输出特性138

10.3.2燃料电池输出特性142

10.4HCGS的电功输出和热功输出特性143

10.4.1NEG和PEMFC的输出特性143

10.4.2根据负载临界值确定PEMFC或NEG的运行方法（OMC模型）144

10.4.3PEMFC负担基载的运行方法（OMD模型）145

10.5案例分析146

10.5.1热力需求和电力需求模型146

10.5.2分析方法147

10.6结果和讨论147

10.6.1市政燃气的消耗情况147

10.6.2发电效率和总效率148

10.6.3二氧化碳的排放149

10.6.4储热罐的储热能力150

10.7结论151

第11章燃料电池与加氢燃气发电机混合微电网的二氧化碳排放特性152

11.1简介152

11.2系统概述152

11.2.1IMPE模型152

11.2.2微电网运行方法153

11.2.3设备规划154

11.3设备特性155

11.3.1燃气发电机输出特性155

11.3.2NEG的二氧化碳排放量157

11.3.3燃料电池系统158

11.4案例分析158

11.4.1市区模型158

11.4.2电力需求模型159

11.4.3流程分析159

11.5结果和讨论162

11.5.1微电网电功负载162

11.5.2发电设备容量163

11.5.3发电效率163

11.5.4二氧化碳排放量163

11.5.5热力需求和废热输出165

11.6结论165

第12章使用太阳能重整燃料电池系统的快速运行算法研究167

12.1简介167

12.2系统概述168

12.2.1生物乙醇太阳能重整燃料电池系统168

12.2.2FBSR的安装方法168

12.2.3重整燃料控制169

12.3能量和质量平衡169

12.3.1能量平衡169

12.3.2质量平衡170

12.4SRF系统的运行动态预测170

12.4.1系统运行预测算法的分析过程170

12.4.2神经网络结构171

12.4.3神经网络训练计算172

12.4.4运行状态的预测过程173

12.5使用遗传算法计算训练信号的预处理方法174

12.5.1代表日的动态运行方法174

12.5.2染色体模型和分析流程174

12.5.3系统运行174

12.5.4目标函数与染色体适应值176

12.6案例分析176

12.6.1系统分析176

12.6.2系统特性176

12.6.3状态分析177

12.7结果和讨论179

12.7.1FSBR供能系统179

12.7.2运行状态预测的分析精度179

12.7.3废热存储量预测的误差分析181

12.7.4气候差异性与运行状态预测误差的关系182

12.8结论184

第13章风能发电燃料电池微电网的发电特性185

13.1简介185

13.2微电网模型186

13.3系统配置设备的响应特性186

13.3.1燃料电池发电特性186

13.3.2市政燃气重整器输出特性187

13.3.3风力发电机的发电特性187

13.3.4燃料电池系统发电效率188

13.3.5逆变器和系统互连设备189

13.4控制参数与分析方法189

13.5微电网负载响应特性190

13.5.1阶跃响应190

13.5.2低温地区住宅的负载响应特性191

13.5.3发电效率193

13.6结论194

参考文献196

作者简介

《燃料电池微电网应用》以日本札幌及东京地区实际的供能为样本进行介绍。首先，从质子交换膜燃料电池（PEMFC）独立系统着手，前八章全面分析了燃料电池作为微电网中的核心供电单元的特性。并且在其中尝试引入商用电网，通过数个模型的数值模拟计算得出，燃料电池可以对商用电网实现平峰削谷的作用，同时降低整体成本；后面五章，每一章中都引入了一个新的元素，如生物质发电机、太阳能、风能等。在每一种新能源的引入过程，都会根据前八章对燃料电池的讨论结果，重新建立模型给出最佳匹配的结果。《燃料电池微电网应用》细致具体地给出了以燃料电池为基础，结合各种新能源的实际研究方案，具有很高的实用参考价值，非常适合从事新能源应用，特别是燃料电池应用的研究人员、学者及相关专业师生。

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