VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY

Ing. Michal Ptáček

PARCIÁLNÍ ŘEŠENÍ HYBRIDNÍHO SYSTÉMU S NÍZKOTEPLOTNÍMI PALIVOVÝMI ČLÁNKY A OBNOVITELNÝMI ZDROJI PARTIAL SOLUTION OF HYBRID SYSTEM WITH LOW-TEMPERATURE FUEL CELLS AND RENEWABLE SOURCES

Zkrácená verze Ph.D. Thesis

Obor: Školitel: Oponenti: Datum obhajoby:

Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika doc. Ing. Antonín Matoušek, CSc. prof. Ing. Josef Tlustý, CSc. doc. Ing. Stanislav Mišák, Ph.D. 17. prosince 2014

Klíčová slova: Nízkoteplotní palivový článek; PEMFC; Hybridní systém; Obnovitelné zdroje energie; OZE; Simulace; Model; Fotovoltaický zdroj energie; FVE; Větrný zdroj; VTE; Atmosférické podmínky. Keywords: Low-temperature fuel cell; PEMFC; Hybrid system; Renewable energy sources; RES; Simulation; Model; Photovoltaic energy source; PVPP; Wind energy source; WPP; Atmosferic conditions.

Místo uložení práce: Práce je k dispozici v Areálové knihovně FEKT, Technická 12, 616 00 Brno

© Michal Ptáček, 2014 ISBN 978-80-214-5112-4 ISSN 1213-4198

Obsah ´ 1 Uvod

5

2 Souˇ casn´ a technologie palivov´ ych ˇ cl´ ank˚ u

5

3 Hybridn´ı syst´ emy a nedostatky PEMFC model˚ u 3.1 Parciáln´ı simulace PEMFC hybridn´ıch systém˚ u . . . . . . . . . . . . . .

6 6

4 Souˇ casn´ a v´ yroba vod´ıku

8

5 C´ıle pr´ ace

8

6 Palivov´ yˇ cl´ anek PEMFC a jeho simulace 6.1 Nov´ y komplexn´ı model PEMFC . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Stanoven´ı aktivaˇcn´ıch ztrát . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2 Stanoven´ı ohmick´ ych ztrát . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.3 Stanoven´ı koncentraˇcn´ıch ztrát . . . . . . . . . . . . . 6.1.4 Stanoven´ı parciáln´ıch tlak˚ u a jejich regulace . . . . . . 6.1.5 Stanoven´ı teploty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 V´ ysledky simulac´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Samostatn´ y model PEMFC - I. ˇca´st . . . . . . . . . . . 6.2.2 Model PEMFC, reformér a regulace - II. ˇca´st . . . . . . 6.2.3 Model PEMFC, reformér, regulace a DC/DC konvertor 6.3 Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - III. ˇca´st . . . . . .

10 10 11 11 11 12 12 13 13 14 16 17

7 Fotovoltaick´ yˇ cl´ anek a jeho simulace 7.1 Matematick´ y model fotovoltaického modulu 7.1.1 Verifikace fotovoltaického modelu . . 7.2 V´ ykonová disponibilita a vhodnost veˇrejn´ ych 7.2.1 Simulace fotovoltaického subsystému 7.3 Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

18 18 18 19 20 21

. . . . . . . . . . . . databáz´ı . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

8 Vˇ etrn´ y zdroj energie a jeho simulace 21 8.1 Resumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 9 Z´ avˇ er 9.1 Splnˇen´ı jednotliv´ ych c´ıl˚ u práce . . . . . . 9.2 Souhrn nov´ ych poznatk˚ u a vlastn´ı pˇr´ınos 9.3 Praktické vyuˇzit´ı . . . . . . . . . . . . . 9.4 Návrh dalˇs´ıho ˇreˇsen´ı . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

23 23 24 25 26

Pouˇ zit´ a literatura

27

Curriculum Vitae

30

Publikace autora

31

Abstract

32

3

1

´ Uvod

Obnovitelné zdroje energie (OZE) ˇci hybridn´ı systémy nejsou schopny sv´ ym v´ ykonem konkurovat konvenˇcn´ı v´ yrobˇe elektˇriny, pˇresto mohou pˇredstavovat siln´ y potenciál budouc´ı energetiky. Napˇr´ıklad hybridn´ı systémy, zaloˇzené na kooperaci vod´ıkov´ ych palivov´ ych ˇclánk˚ u a OZE, reprezentuj´ı oblast oprávnˇeného zájmu. V´ yznam OZE je zˇrejm´ ya na vod´ıkové technologie se pohl´ıˇz´ı s velkou nadˇej´ı, jelikoˇz technologick´ y stav palivov´ ych ˇclánk˚ u naznaˇcuje, ˇze je tato oblast opˇet na svém vzestupu. Do jisté m´ıry tomu pˇrisp´ıvaj´ı i vlastnosti provozu palivov´ ych ˇclánk˚ u, které koresponduj´ı s aktuáln´ımi ekologick´ ymi poˇzadavky. V bl´ızké budoucnosti bude hlavn´ı vyuˇzit´ı vod´ıkov´ ych technologi´ı v energetice právˇe v podobˇe hybridn´ıch systém˚ u ˇci mikrokogeneraˇcn´ıch systém˚ u na u ´rovni rezidenc´ı, a to zejména vzhledem k technick´ ym a ekonomick´ ym aspekt˚ um. Samotná kombinace palivov´ ych ˇclánk˚ u a OZE m˚ uˇze b´ yt do budoucna velmi perspektivn´ı. Promˇenlivost v´ yroby energie z OZE m˚ uˇze pˇr´ımo ovlivnit spolehlivost dodávky elektˇriny. D´ıky variabilitˇe vstupn´ıch veliˇcin systému je opodstatnˇené pˇri návrhu provádˇet simulaci, jelikoˇz princip v´ yroby elektrické energie u jednotliv´ ych zdroj˚ u je odliˇsn´ y [1]. Simulac´ı lze rychleji a efektivnˇeji ovˇeˇrit spolehlivost systému a pˇr´ıznivˇe tak p˚ usobit i na ekonomickou ˇca´st návrhu. Uvedené skuteˇcnosti ukazuj´ı legitimn´ı d˚ uvod pro proveden´ı simulace hybridn´ıho systému, kter´ y obsahuje palivov´ y ˇclánek a promˇenlivé zdroje energie.

2

Souˇ casn´ a technologie palivov´ ych ˇ cl´ ank˚ u

Historie palivového ˇclánku, od objeven´ı základn´ıho principu, pˇres prototypy aˇz po dneˇsn´ı známou konstrukci, je stejnˇe zaj´ımavá, jak tomu b´ yvá i u jin´ ych takto pˇrelomov´ ych objev˚ u a zaˇr´ızen´ı. Seznámen´ı s historick´ ymi miln´ıky ve v´ yvoji palivov´ ych ˇclánk˚ u a s v´ yznamn´ ymi fakty vod´ıkov´ ych technologii pˇrináˇs´ı [2]. V´ yznam uplatnˇen´ı palivov´ ych ˇclánk˚ u byl a je velmi promˇenliv´ y. V souˇcasné dobˇe jsou palivové ˇclánky opˇet na vzestupu. V´ yznamnˇe tomu pomáhaj´ı jejich vhodné vlastnosti, které koresponduj´ı s aktuáln´ımi ekologick´ ymi poˇzadavky a s ochranou ˇzivotn´ıho prostˇred´ı. Pominou-li se palivové ˇclánky vyuˇz´ıvané v automobilovém pr˚ umyslu, roste v´ yznam hybridn´ıch systém˚ u, v nichˇz ˇclánky kooperuj´ı s jin´ ymi obnoviteln´ ymi zdroji elektrické energie. Obecnˇe nejsou hybridn´ı systémy schopny sv´ ym v´ ykonem konkurovat konvenˇcn´ı v´ yrobˇe elektˇriny, mohou vˇsak pˇredstavovat siln´ y potenciál budouc´ı energetiky. Samotné hybridn´ı systémy by se mohly v´ıce instalovat v odlehl´ ych oblastech, na ostrovech nebo v nˇekter´ ych rozvojov´ ych zem´ıch. V tˇechto zem´ıch by mohlo b´ yt nˇekdy vhodnˇejˇs´ı vyuˇz´ıvat decentralizovan´ ych zdroj˚ u energie m´ısto v´ ystavby konvenˇcn´ıch zdroj˚ u a souvisej´ıc´ı infrastruktury [3]. Aktuáln´ı pr˚ uzkum svˇetového pr˚ umyslového trhu [4] pˇrináˇs´ı anal´ yzu jej´ıˇz v´ ysledky naznaˇcuj´ı, ˇze v následuj´ıc´ıch letech se oˇcekává siln´ y nár˚ ust stacionárn´ıch palivov´ ych ˇclánk˚ u. Z historického pˇrehledu a z aktuáln´ıho v´ yvoje je zˇrejmé, ˇze v bl´ızké budoucnosti budou v energetice palivové ˇclánky pouze doplˇ nkové zdroje, které pracuj´ı v hybridn´ım systému nebo spolupracuj´ı s kogeneraˇcn´ımi jednotkami [2]. Stejnˇe jako u jin´ ych zaˇr´ızen´ı, i palivové ˇclánky se dˇel´ı podle sv´ ych specifick´ ych provozn´ıch parametr˚ u, jeˇz jsou pˇr´ımo závislé na samotné konstrukci ˇclánk˚ u ˇci souvisej´ı s elektrochemick´ ymi dˇeji, které v nich prob´ıhaj´ı. Za základn´ı rozdˇelen´ı palivov´ ych ˇclánk˚ u je moˇzné povaˇzovat napˇr´ıklad dˇelen´ı podle pouˇzitého elektrolytu, zp˚ usobu provozován´ı, podle tlaku, v´ ykonu, provozn´ı teploty nebo pouˇzitého paliva. Popisné rozdˇelen´ı, schémata a chemické reakce palivov´ ych ˇclánk˚ u pˇrináˇs´ı napˇr´ıklad [5]. Podrobnˇe pˇredstavuje také charakteristiky jednotliv´ ych palivov´ ych ˇclánk˚ u stacionárn´ıch zdroj˚ u 5

s r˚ uzn´ ymi elektrolyty. Principiáln´ı schéma ˇclánku s polymern´ı membránou (PEMFC), jednotlivé prob´ıhaj´ıc´ı chemické procesy nebo matematick´ y popis jsou podrobnˇe objasnˇeny v [2]. V rámci kategorie stacionárn´ıch palivov´ ych ˇclánk˚ u existuj´ı nebo se pˇripravuj´ı PEMFC ˇreˇsen´ı, kdy jsou ˇclánky vyuˇzity pˇr´ımo jako primárn´ı zdroj elektrické energie nebo pracuj´ı jako doplˇ nkov´ y zdroj energie, kter´ y funguje jako souˇcást hybridn´ıho systému nebo se kombinuje s kogeneraˇcn´ımi jednotkami. Vznikaj´ı i technická ˇreˇsen´ı hybridn´ıch systém˚ u, kdy PEMFC spolupracuj´ı s dalˇs´ımi zdroji energie a b´ yvaj´ı uplatˇ novány pˇredevˇs´ım jako záloˇzn´ı zdroje elektrické energie nebo jsou kombinovány s mal´ ymi kogeneraˇcn´ımi jednotkami. Tyto systémy jsou pak vhodné u komplex˚ u budov ˇci nebytov´ ych prostor, u kter´ ych je obecnˇe zaruˇcen celoroˇcn´ı odbˇer tepla. Technické náleˇzitosti jednotliv´ ych PEMFC koncept˚ u jsou bl´ıˇze pˇredstaveny v kapitole 3. Pˇredstaven´ı konkrétn´ıch provozovan´ ych aplikac´ı, které vyuˇz´ıvaj´ı palivové ˇclánky jako primárn´ı nebo doplˇ nkov´ y zdroj energie pˇrináˇs´ı [2, 5]. Uvedené skuteˇcnosti pak jednoznaˇcnˇe poukazuj´ı na oprávnˇenost zab´ yvat se bl´ıˇze studiem a v´ yzkumem ˇclánk˚ u typu PEMFC.

3

Hybridn´ı syst´ emy a nedostatky PEMFC model˚ u

Hybridn´ı systém pˇredstavuje energetick´ y blok (systém), kter´ y se skládá z jednotliv´ ych zdroj˚ u energie (subsystém) a kter´ y m˚ uˇze nebo nemus´ı b´ yt pˇripojen´ y pˇr´ımo k distribuˇcn´ım s´ıt´ım. Hybridn´ı systém obsahuje ovˇsem i dalˇs´ı zaˇr´ızen´ı (subsystém), která jsou nezbytná pro spolehliv´ y provoz uvaˇzovaného systému jako celku. U hybridn´ıch systém˚ u ˇcasto docház´ı ke kombinaci spolupráce nˇekolika zdroj˚ u energie, které pracuj´ı na r˚ uzn´ ych fyzikáln´ıch principech. Proto ve svˇete existuje ˇrada r˚ uzn´ ych koncepc´ı. Jednotlivé koncepty systém˚ u nab´ızej´ı i ˇreˇsen´ı, kdy zdrojem energie nen´ı pouze zdroj elektrické energie, ale i zdroje produkuj´ıc´ı energii tepelnou. Zdroje mohou pracovat napˇr´ıklad v rámci kogeneraˇcn´ı jednotky [6]. Nejˇcastˇejˇs´ı koncept je zaloˇzen v´ yhradnˇe na kooperaci olovˇen´ ych bateri´ı s obnoviteln´ ymi zdroji energie, zejména zdroji fotovoltaick´ ymi a vˇetrn´ ymi [7, 8, 9, 10]. Samotná implementace jednotliv´ ych zdroj˚ u a dalˇs´ıch nezbytn´ ych zaˇr´ızen´ı se nepochybnˇe odv´ıj´ı od konkrétn´ıho poˇzadavku na provoz hybridn´ıho systému. V nˇekter´ ych zem´ıch jsou realizovány hybridn´ı systémy, které vyuˇz´ıvaj´ı LT-PEMFC (dále jen PEMFC) [9, 11, 12, 13]. Vzhledem k tomu, ˇze se práce zab´ yvá parciáln´ım ˇreˇsen´ım hybridn´ıch systém˚ u, které ˇreˇs´ı spolupráci PEMFC a OZE, jsou detailn´ı anal´ yze podrobeny právˇe tyto koncepty. Koncepty provozovan´ ych systém˚ u se navzájem odliˇsuj´ı, coˇz umoˇzn ˇuje lépe specifikovat nedostatky PEMFC model˚ u, které slouˇz´ı pro návrh nového matematického modelu PEMFC. Oznaˇcen´ı PEMFC hybridn´ı systém bude, pro pˇrehlednou interpretaci v dalˇs´ım textu práce, odpov´ıdat hybridn´ımu systému s PEMFC. Kompletn´ı pˇrehled jednotliv´ ych koncept˚ u uvád´ı [2].

3.1

Parci´ aln´ı simulace PEMFC hybridn´ıch syst´ em˚ u

Prostˇrednictv´ım matematické simulace je moˇzné vˇerohodnˇe ovˇeˇrit spolehlivost systému a pˇr´ıpadnˇe i eliminovat jeho nevhodnou v´ ykonovou parametrizaci. Správnˇe provedená simulace m˚ uˇze pˇr´ıznivˇe p˚ usobit i na ekonomickou ˇcást návrhu. Nav´ıc lze efektivnˇeji analyzovat provoz systému a jeho spolehlivost pˇri náhl´ ych zmˇenách dodávek elektrické energie u uvaˇzovan´ ych zdroj˚ u energie. Jiˇz simulace samotného PEMFC pˇredstavuje znaˇcnˇe rozsáhlou problematiku, která zasahuje napˇr´ıˇc nˇekolika obory, coˇz jednoznaˇcnˇe potvrzuje i existence rozmanit´ ych technick´ ych pˇr´ıstup˚ u a ˇreˇsen´ı. Jednotlivé modely vykazuj´ı vzájemné diference ve smyslu odliˇsného respektován´ı konkrétn´ıch fyzikáln´ıch a 6

chemick´ ych závislost´ı. Modely mohou zavádˇet i dalˇs´ı r˚ uzné zjednoduˇsuj´ıc´ı pˇredpoklady. Vˇsechny pˇr´ıstupy závis´ı na dostupn´ ych vstupn´ıch parametrech pro matematick´ y model, ale závis´ı i na tom jaké v´ ystupn´ı parametry jsou od modelu oˇcekávány a poˇzadovány. T´ım je ovlivnˇen jiˇz samotn´ y pˇr´ıstup k matematické definici modelu pˇri zachován´ı dostateˇcné pˇresnosti z´ıskan´ ych v´ ysledk˚ u. Matematické modelován´ı samotného PEMFC lze realizovat pomoc´ı statického modelu, jak ukazuje napˇr´ıklad [14], kde jsou nˇekteré veliˇciny definovány jako konstantn´ı. Pˇritom statické modelován´ı simuluje pouze jeden konkrétn´ı ustálen´ y stav PEMFC. Statické modely tak vytvoˇr´ı základn´ı pˇredstavu, jak´ ych hodnot mohou dosahovat urˇcité elektrické a neelektrické veliˇciny, a to tˇreba pˇri jmenovitém provozu PEMFC nebo bˇehem nestandardn´ıch podm´ınek. Pro komplexnˇejˇs´ı vyuˇzit´ı v´ ysledk˚ u simulac´ı je vˇsak nezbytné realizovat v´ ypoˇcty pomoc´ı modelu, kter´ y ˇreˇs´ı dynamické chován´ı PEMFC. V souˇcasnosti existuje ˇrada pˇr´ıstup˚ u dynamického modelován´ı PEMFC, které respektuj´ı zmˇeny ˇcasovˇe závisl´ ych veliˇcin, jako napˇr´ıklad provozn´ı teplotu, jednotlivé parciáln´ı tlaky, vnitˇrn´ı odpor, napˇet’ové ztráty, ˇzivotnost a dalˇs´ı. Nelze ovˇsem konstatovat, ˇze by jednotlivé pˇr´ıstupy uvaˇzovaly vˇsechny tyto veliˇciny souˇcasnˇe. Naopak nˇekteré z nich jsou uvaˇzovány jako nemˇenné v ˇcase. Jedn´ım s moˇzn´ ych pˇr´ıstup˚ u jako modelovat dynamiku PEMFC je definován´ı elektrického ekvivalentn´ıho obvodu, kter´ y by odpov´ıdal prob´ıhaj´ıc´ım proces˚ um v ˇclánku [15, 16]. Ekvivalentn´ı obvod charakterizuj´ıc´ı dynamiku PEMFC je pˇribl´ıˇzen v [16]. Dynamika PEMFC je ovlivnˇena procesy, které se vyskytuj´ı na rozhran´ı mezi elektrodou a membránou. Zejména pak procesy u katody, kde se vyskytuje vysok´ y pˇrenosov´ y náboj [17]. V odborné literatuˇre [18] je dynamika PEMFC také modelovaná pomoc´ı ekvivalentn´ıho obvodu. Aktivaˇcn´ı ztráty, teplota nebo vnitˇrn´ı odpor palivového ˇclánku jsou realizovány pomoc´ı empiricky stanoven´ ych vztah˚ u. Také v [11] jsou aktivaˇcn´ı ztráty modelovány pomoc´ı náhradn´ıho obvodu. Je zde uveden i pˇrehled grafick´ ych pr˚ ubˇeh˚ u konkrétn´ıch statick´ ych stav˚ u PEMFC. Konkrétnˇe závislosti proudu ˇclánku na napˇet´ı pro jeho r˚ uzné provozn´ı teploty, pˇr´ıpadnˇe i velikost tlaku vod´ıku. Dynamické zmˇeny parciáln´ıho tlaku a napˇet´ı ˇclánku jsou modelovány pomoc´ı diferenciáln´ıch rovnic prvn´ıho ˇra´du. Aktivaˇcn´ı ztráty a hodnota vnitˇrn´ıho odporu je stanovena na základˇe empiricky urˇcen´ ych vztah˚ u. Stejnˇe tak je tomu napˇr´ıklad i u elektrolyzéru, kter´ y je popsán pomoc´ı empiricky urˇceného vztahu. Odborn´ y ˇclánek obsahuje i obecné vyjádˇren´ı jednotliv´ ych koeficient˚ u pro v´ ypoˇcet aktivaˇcn´ıch ztrát palivového ˇclánku [19]. Pokud bude model postaven v´ yhradnˇe na empiricky stanoven´ ych vztaz´ıch, problém m˚ uˇze nastat s aplikovatelnost´ı z´ıskan´ ych rovnic na dalˇs´ı typy ˇclánk˚ u, neˇz pro které byly p˚ uvodnˇe verifikovány. Dalˇs´ı nedostateˇcnˇe ˇreˇsenou problematikou je vyprodukovaná tepelná energie pomoc´ı PEMFC. Ani dˇr´ıve zm´ınˇen´ y koncept v [20] neˇreˇsil otázku vyprodukované tepelné energie ˇ a provozn´ı teplota PEMFC byla uvaˇzována konstantn´ı. Rada publikovan´ ych pˇr´ıstup˚ u také uvaˇzuje provozn´ı tlak PEMFC za konstantn´ı. Problematika nelineárn´ı regulace anodového a katodového tlaku PEMFC je ˇreˇsena napˇr´ıklad v [19], kdy se pro vysoce nelineárn´ı chemické procesy vyuˇzije pˇresné linearizace. Pˇri náhl´ ych zmˇenách zat´ıˇzen´ı PEMFC jsou tak jednotlivé tlaky na stranˇe anody a katody ˇr´ızeny v´ıce komplexnˇeji, a to prostˇrednictv´ım parciáln´ıch tlak˚ u, tedy pomoc´ı vstupn´ıch tok˚ u a zátˇeˇzného proudu. T´ımto ˇr´ızen´ım lze dosáhnout lepˇs´ı ˇzivotnosti ˇclánku, kdyˇz je minimalizován membránov´ y tlakov´ y rozd´ıl mezi anodou a katodou. Lze konstatovat, ˇze existuje ˇrada nedostatk˚ u, kter´ ymi disponuj´ı modely PEMFC. V návaznosti na konkretizovan´ y popis nedostatk˚ u je v kapitole 6 navrˇzen a analyzován nov´ y model PEMFC, jeˇz tyto nedostatky eliminuje. Kapitola informuje o nedokonalostech, kter´ ymi trp´ı aktuáln´ı matematické modely 7

PEMFC nebo hybridn´ı systémy vyuˇz´ıvaj´ıc´ı PEMFC. Nˇekteré skuteˇcnosti poukazuj´ı na nutnost a oprávnˇenost vytvoˇrit nov´ y zdokonalen´ y model PEMFC, kter´ y by souˇcasnˇe uvaˇzoval jednotlivé napˇet’ové ztráty, zmˇenu vnitˇrn´ıho odporu, zmˇenu parciáln´ıch tlak˚ u a dále by také respektoval zmˇenu provozn´ı teploty ˇclánku a skuteˇcnost, ˇze je vod´ık nejˇcastˇeji vyrábˇen ze zemn´ıho plynu. Pˇredstaven´ı provozovan´ ych energetick´ ych systém˚ u obsahuj´ıc´ı PEMFC a specifikuj´ıc´ı nedostatky model˚ u PEMFC jsou autorem publikovány formou review v [1]. Parciáln´ı ˇreˇsen´ı hybridn´ıho systému poukazuje také na nutnost tvorby matematick´ ych model˚ u OZE a potˇrebu zab´ yvat se jejich v´ ykonovou disponibilitou a vhodnost´ı hydrometeorologick´ ych model˚ u, jakoˇzto vstupn´ıch dat.

4

Souˇ casn´ a v´ yroba vod´ıku

V souˇcasnosti je vod´ık ˇcasto vn´ımán jako ideáln´ı nosiˇc energie, kter´ y by naˇsel v´ yznamnˇejˇs´ı uplatnˇen´ı v budouc´ı energetice, protoˇze pˇri jeho spalován´ı nevznikaj´ı oxidy s´ıry nebo oxid uhliˇcit´ y. Spalován´ım vod´ıku vznikaj´ı prakticky pouze oxidy dus´ıku NOx a voda. Ve vod´ıku nebo v kombinaci vod´ıku a stacionárn´ıch palivov´ ych ˇclánk˚ u se vid´ı ˇcist´ y a do budoucna perspektivn´ı zdroj energie. Na druhou stranu, nejvˇetˇs´ı celkové zásoby vod´ıku v sobˇe ukr´ yvá voda a uhlovod´ıkové látky (fosiln´ı paliva). V´ yroba vod´ıku je pomˇernˇe rozmanitá a existuje mnoho metod, jak vod´ık z´ıskat. V´ yrobu vod´ıku lze v podstatˇe rozdˇelit na v´ yrobu vod´ıku vyuˇz´ıvaj´ıc´ı fosiln´ı paliva a v´ yrobu vyuˇz´ıvaj´ıc´ı vodu. Je nutné si uvˇedomit, ˇze i dneˇsn´ı elektrárny s palivov´ ymi ˇclánky vyuˇz´ıvaj´ı vod´ık, kter´ y je vyrábˇen v´ yhradnˇe z fosiln´ıch paliv. Jednotlivé metody v´ yroby se od sebe liˇs´ı základn´ım principem z´ıskáván´ı vod´ıku a pouˇzit´ım r˚ uzn´ ych vstupn´ıch surovin. Nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı metody vyuˇz´ıvaj´ı jako vstupn´ı surovinu zemn´ı plyn. Bˇeˇznˇe vyuˇz´ıvanou surovinou je i ropa, respektive kapalné a plynné frakce, které vznikaj´ı pˇri jej´ı tˇeˇzbˇe. K rozˇs´ıˇrenˇejˇs´ım metodám patˇr´ı i zplyˇ nován´ı uhl´ı [21, 22, 23, 24, 25]. Jednou z cenovˇe nejpˇrijatelnˇejˇs´ıch metod jak vyprodukovat vod´ık, je parn´ı reformován´ı zemn´ıho plynu. Rovnˇeˇz je nutné respektovat, ˇze palivov´ y ˇclánek potˇrebuje pro správn´ y provoz vod´ık s dostateˇcnou ˇcistotou. V souˇcasné dobˇe lze proces parn´ıho reformován´ı pouˇz´ıt i pro menˇs´ı stacionárn´ı zdroje. V souvislosti se skladován´ım vod´ıku je tˇreba brát v u ´vahu jeho charakteristické vlastnosti, proto jsou na skladovac´ı systémy kladeny i zv´ yˇsené konstrukˇcn´ı a bezpeˇcnostn´ı poˇzadavky. Literatura [2] informuje o základn´ıch metodách v´ yroby vod´ıku a spoleˇcnˇe s [5] doplˇ nuj´ı pˇrehled v´ yrobn´ıch proces˚ u a technologi´ı uskladnˇen´ı vod´ıku.

5

C´ıle pr´ ace

Práce se zab´ yvá parciáln´ım ˇreˇsen´ım hybridn´ıho systému vyuˇz´ıvaj´ıc´ı n´ızkoteplotn´ı palivov´ y ˇclánek a OZE. Jeden z hlavn´ıch c´ıl˚ u práce je zamˇeˇren na návrh a anal´ yzu nového matematického PEMFC modelu, jenˇz by vedl k eliminaci konkrétn´ıch nedostatk˚ u. Aktuáln´ı problematiku pˇredstavuj´ı také matematické popisy jednotliv´ ych OZE. Dalˇs´ım c´ılem práce jsou tvorba komplexn´ıho matematického popisu fotovoltaického modulu, hodnocen´ı v´ ykonové disponibility tˇechto zdroj˚ u a návrh vˇetrného zdroje energie. ´ eˇsné vyˇreˇsen´ı hlavn´ıch c´ıl˚ Uspˇ u práce pˇredpokládá splnˇen´ı následuj´ıc´ıch d´ılˇc´ıch c´ıl˚ u. Specifikace nedostatk˚ u souˇ casn´ ych syst´ em˚ u a model˚ u Nejdˇr´ıve je nutné identifikovat správné zákonitosti, závislosti a vazby, vedouc´ı ke správnému modelován´ı PEMFC a hybridn´ıho systému jako celku. Na základˇe review provozovan´ ych nebo modelovan´ ych koncept˚ u hybridn´ıch systém˚ u v energetice pak provést 8

specifikaci hlavn´ıch nedostatk˚ u model˚ u PEMFC. Specifikace nedostatk˚ u umoˇzn´ı vytvoˇren´ı nového zdokonaleného dynamického modelu PEMFC. N´ avrh a tvorba nov´ eho modelu PEMFC Jedn´ım z hlavn´ıch c´ıl˚ u je navrhnout a vytvoˇrit nov´ y matematick´ y model PEMFC R R v MATLAB a v MATLAB /Simulink, kter´ y umoˇzn´ı vyˇsetˇrován´ı jednak ustálen´ ych stav˚ u PEMFC, ale také dynamického chován´ı jeho elektrick´ ych a neelektrick´ ych veliˇcin, a to v rámci scénáˇre s dlouhodobou zátˇeˇz´ı. Souˇcasné verifikované modely PEMFC obsahuj´ı specifické nedostatky, zejména d´ıky zavádˇen´ı zjednoduˇsuj´ıc´ıch pˇredpoklad˚ u, kdyˇz nˇekteré dynamicky se vyv´ıjej´ıc´ı veliˇciny jsou povaˇzovány za konstantn´ı a nˇekteré závislosti nejsou uvaˇzovány v˚ ubec. Vytvoˇren´ y model má proto pˇredstavovat zdokonalené ˇreˇsen´ı vycházej´ıc´ı z tˇechto verifikovan´ ych model˚ u, jenˇz eliminuje hlavn´ı nedostatky. Nov´ y model má také respektovat skuteˇcnost, ˇze vod´ık je nejˇcastˇeji vyrábˇen ze zemn´ıho plynu, tud´ıˇz má obsahovat i model reforméru a jednoduchou regulaci provozn´ıch tlak˚ u uvnitˇr ˇclánku. Nov´ y model má b´ yt rozˇs´ıˇren také o model DC/DC konvertoru, coˇz pˇrispˇeje k jeho komplexn´ımu vyuˇzit´ı v rámci budouc´ıch simulac´ı hybridn´ıho systému. Anal´ yza provozn´ıch stav˚ u PEMFC Nov´ y model PEMFC se vyuˇzije pro anal´ yzu r˚ uzn´ ych ustálen´ ych provozn´ıch stav˚ u palivového ˇclánku. Na modelu budou provedeny experimenty vedouc´ı k vyˇsetˇren´ı dynamick´ ych zmˇen napˇet´ı, v´ ykonu a teploty ˇclánku pro dlouhodob´ y simulaˇcn´ı scénáˇr. Model PEMFC rozˇs´ıˇren´ y o model reforméru bude podroben tepeln´ ym experiment˚ um, které ukáˇzou vliv zmˇeny tepelné kapacity ˇci tepelného odporu ˇclánku na jeho provozn´ı teplotu a v´ ystupn´ı v´ ykon. Dalˇs´ı provedené experimenty budou analyzovat elektrické pomˇery na DC/DC konvertoru a budou informovat o dalˇs´ıch neelektrick´ ych veliˇcinách ˇclánku. N´ avrh komplexn´ıho modelu fotovoltaick´ eho modulu R Dalˇs´ım c´ılem je navrhnout a vytvoˇrit model fotovoltaického modulu v MATLAB , kter´ y bude zaloˇzen na parametrizaci v´ yhradnˇe ze sv´ ych ˇst´ıtkov´ ych hodnot, ˇc´ımˇz se doc´ıl´ı snadné a hlavnˇe praktické aplikovatelnosti. Vytvoˇren´ y model má respektovat i teplotn´ı závislost jednotliv´ ych vnitˇrn´ıch odpor˚ u fotovoltaického modulu, coˇz jednotlivé modely ˇcasto neuvaˇzuj´ı. Rovnˇeˇz má b´ yt implementován iteraˇcn´ı v´ ypoˇcet odpor˚ u vyuˇz´ıvaj´ıc´ı pouze ˇst´ıtkov´ ych hodnot. Anal´ yza navrˇ zen´ eho fotovoltaick´ eho modelu Vytvoˇren´ y model fotovoltaického modulu bude následnˇe podroben verifikaci. Posléze bude provedena simulace fotovoltaického subsystému, kter´ y má nav´ıc v simulac´ıch vhodnˇe implementovat reálnˇe zmˇeˇrená hydrometeorologická data. Anal´ yza v´ ykonov´ e disponibility fotovoltaick´ eho zdroje a ovˇ eˇ ren´ı vhodnosti veˇ rejn´ e datab´ aze R Dalˇs´ım c´ılem je tvorba aplikace v programu MATLAB , která má zpracovat a vyhodnotit data z´ıskaná z kontinuáln´ıho mˇeˇren´ı statického fotovoltaického modulu. Vyhodnocen´ı má poskytnout informace o v´ ykonové disponibilitˇe fotovoltaického zdroje v dané lokalitˇe, coˇz je vzhledem k charakteru tˇechto zdroj˚ u cenná znalost. Aplikace má dále umoˇznit porovnán´ı sluneˇcn´ıho záˇren´ı dopadaj´ıc´ıho na referenˇcn´ı fotovoltaick´ y modul s hodnotami mnoˇzstv´ı sluneˇcn´ı energie obsaˇzen´ ych ve veˇrejnˇe pˇr´ıstupné databázi. Model vˇ etrn´ eho zdroje energie C´ılem práce je také popsat a simulovat zjednoduˇsen´ y model vˇetrného zdroje energie a nast´ınit následné práce, které by vedly k jeho budouc´ımu zdokonalen´ı a rozˇs´ıˇren´ı. 9

6

Palivov´ yˇ cl´ anek PEMFC a jeho simulace

V této kapitole je pˇredstaven nov´ y matematick´ y model PEMFC, kter´ y vyuˇz´ıvá také vytvoˇrené modely reforméru a DC/DC konvertoru. Dále jsou prezentovány hlavn´ı v´ ysledky proveden´ ych simulac´ı. Kompletn´ı popis nového modelu a rozˇsiˇruj´ıc´ıch model˚ u je uveden v disertaˇcn´ı práci [2].

6.1

Nov´ y komplexn´ı model PEMFC

Matematická simulace palivov´ ych ˇclánk˚ u pˇredstavuje velmi rozsáhlou v´ıceoborovou problematiku. Jednotlivé matematické modely jsou proto odliˇsné a ukazuj´ı r˚ uzné technické pˇr´ıstupy a ˇreˇsen´ı. Tyto pˇr´ıstupy mohou jednak odliˇsnˇe respektovat fyzikáln´ı a chemické závislosti nebo mohou obsahovat nˇekolik dalˇs´ıch zjednoduˇsuj´ıc´ıch pˇredpoklad˚ u. Vˇsechny pˇr´ıstupy jsou závislé na skuteˇcnosti, jaké vstupn´ı parametry dan´ y matematick´ y model uvaˇzuje, respektive jaké v´ ystupn´ı parametry jsou od modelu oˇcekávány a poˇzadovány. Tyto okolnosti ovlivn´ı samotn´ y pˇr´ıstup matematické definice modelu se zachován´ım dostateˇcné pˇresnosti z´ıskan´ ych v´ ysledk˚ u. Na druhou stranu vˇsak existuj´ı odborné publikace s odliˇsn´ ymi v´ yzkumn´ ymi c´ıli, které se zab´ yvaj´ı n´ızkoteplotn´ımi palivov´ ymi ˇclánky. Následuj´ıc´ı Obr. 6.1 [26] ukazuje blokové uspoˇra´dán´ı novˇe vytvoˇreného dynamického modelu n´ızkoteplotn´ıho palivového ˇclánku typu PEMFC, jeˇz bylo autorem publikováno R R v [26]. Nov´ y model PEMFC je vytvoˇren´ y v MATLAB a v MATLAB /Simulink. Ifc

Ifc´ Proud Ifc Ifc

Ifc

Rint Teplota T Vnitřní odpor Rint Vact T Ifc

T

pO2

Aktivační ztráty Vact Vact

T pO2

Ifc

Reformér pH2 PI regulátor Regulace tlaku p H2 O

pO2 Nernstovo napětí pH2 ENernst pH2O ENernst

Rint

Ifc

Ohmické ztráty Vohm

Ifc Koncentrační ztráty Vcon

Vohm

Vcon

Vcon Vohm Vact ENernst Ifc

Ifc´ Napětí Vfc Výkon Pfc Konvertor Regulátor

Pfc vout iload

Obr. 6.1: Blokové uspoˇra´dán´ı nového komplexn´ıho modelu PEMFC [26] Modelovan´ y PEMFC je sloˇzen z 80-ti identick´ ych a vzduchem chlazen´ ych palivov´ ych ˇclánk˚ u, které vyuˇz´ıvaj´ı polymern´ı membránu Nafion - 117. D´ıky sériovému propojen´ı jednotliv´ ych ˇclánk˚ u je pˇri nomináln´ı provozn´ı teplotˇe Tn = 343,15 K dosaˇzeno celkového elektrického v´ ykonu témˇeˇr 2,0 kW. Popis je koncipovan´ y takov´ ym zp˚ usobem, aby umoˇzn ˇoval anal´ yzu elektrick´ ych a neelektrick´ ych veliˇcin v rámci scénáˇre s dlouhodobou zátˇeˇz´ı. Vytvoˇren´ y model pˇredstavuje zdokonalené ˇreˇsen´ı vycházej´ıc´ı z validovan´ ych model˚ u PEMFC, eliminuje ovˇsem hlavn´ı nedostatky tˇechto model˚ u. Model vyuˇz´ıvá zmˇeny jednotliv´ ych parciáln´ıch tlak˚ u reaktant˚ u a respektuje vliv vˇsech napˇet’ov´ ych ztrát, tj. aktivaˇcn´ıch ztrát, ohmick´ ych ztrát a koncentraˇcn´ıch ztrát. Dále uvaˇzuje vliv zmˇeny vnitˇrn´ıho odporu v závislosti na zmˇenách proudového zat´ıˇzen´ı a teploty. Zahrnuje také zmˇenu samotné provozn´ı teploty, jeˇz nav´ıc zohledˇ nuje vliv vˇsech základn´ıch napˇet’ov´ ych ztrát a konvenci tepla do okol´ı. 10

K modelu PEMFC je dále implementován model reforméru zohledˇ nuj´ıc´ı skuteˇcnost, ˇze potˇrebné palivo pro PEMFC se vyráb´ı ze zemn´ıho plynu. Vhodná implementace in in umoˇzn ˇuje ˇr´ızen´ı molárn´ıho toku vod´ıku qH a kysl´ıku qO , a to v závislosti na aktuáln´ım 2 2 v´ ykonu PEMFC. V´ ystupn´ı napˇet´ı PEMFC nen´ı konstantn´ı, proto je model PEMFC doplnˇen o model sniˇzuj´ıc´ıho DC/DC konvertoru, kter´ y je ˇr´ızen pomoc´ı regulátoru a kter´ y udrˇzuje napˇet´ı 24 V DC. Vyuˇzit´ı konvertoru pˇrisp´ıvá ke komplexn´ımu vyuˇzit´ı modelu jako celku v rámci budouc´ıch simulac´ı hybridn´ıho systému. 6.1.1

Stanoven´ı aktivaˇ cn´ıch ztr´ at

Vzhledem k tomu, ˇze vytvoˇren´ y matematick´ y model PEMFC vyuˇz´ıvá membránu s oznaˇcen´ım Nafion - 117, jsou i aktivaˇcn´ı ztráty Vact stanoveny pro obdobn´ y typ palivov´ ych ˇclánk˚ u. Konkrétnˇe [27] pˇrináˇs´ı porovnán´ı publikovan´ ych a verifikovan´ ych koeficient˚ u ξ1 aˇz ξ4 a snaˇz´ı se o modifikaci a zobecnˇen´ı podm´ınek plynouc´ı pro ustálen´ y stav elektrochemického modelu, jeˇz byly specifikovány pro palivové ˇclánky Ballard. Vact = −ξ1 − T [ξ2 + ξ3 · ln (cO2 ) + ξ4 · ln (If c )] ,

(6.1)

kde Vact pˇredstavuje aktivaˇcn´ı ztráty palivového ˇclánku (V), T je absolutn´ı teplota palivového ˇclánku (K), ξi pˇredstavuj´ı empirické koeficienty aktivaˇcn´ıch ztrát palivového ˇclánku (i=1, 2, 3 a 4), cO2 je koncentrace kysl´ıku na katodovém rozhran´ı membránaplyn (mol·cm−3 ), jeˇz je závislá na parciáln´ım tlaku kysl´ıku a provozn´ı teplotˇe palivového ˇclánku [16, 27], a If c je proud palivové ˇclánku (A). Jednotlivé empirické koeficienty z rovnice jsou definuj´ı [19, 27]. 6.1.2

Stanoven´ı ohmick´ ych ztr´ at

Vytvoˇren´ y matematick´ y model PEMFC vyuˇz´ıvá membránu s oznaˇcen´ım Nafion 117 s ekvivalentn´ı hmotnost´ı EW = 1.100. V´ yznamn´ ym faktorem pro vyuˇzit´ı nafion membrány pro matematické simulace je skuteˇcnost, ˇze existuje ˇrada publikac´ı, které pˇrináˇs´ı experimentáln´ı vyjádˇren´ı vnitˇrn´ıho odporu a vodivosti této membrány a ˇze je membrána nafion u PEMFC palivov´ ych ˇclánk˚ u pomˇernˇe rozˇs´ıˇrená [27]. Pro stanoven´ı ohmick´ ych ztrát palivového ˇclánku se vyuˇzij´ı rovnice urˇcené pˇr´ımo pro nafion membránu. Následuj´ıc´ı vztah vyjadˇruje rezistivitu membrány

181.6 1 + 0.03 ρM =

h

If c A

Ψ − 0.634 − 3

+ 0.062

If c A

i

h

T 303

exp 4.18

2

If c 2.5 A

T −303 T

i

,

(6.2)

kde ρM je specifická rezistivita membrány (Ω·cm), A je aktivn´ı plocha jednoho samostatného palivového ˇclánku (cm2 ) a Ψ je polo-empirick´ y parametr pˇredstavuj´ıc´ı efektivn´ı obsah vody membrány. Polo-empirick´ y parametr v ideáln´ım pˇr´ıpadˇe, tj. relativn´ı hydratace RH = 100 % membrány, m˚ uˇze dosahovat hodnoty 14. V pˇr´ıpadech, kdy se jedná o supersaturované stavy dosahuje parametr hodnoty aˇz 22 nebo 23 [16, 27, 28]. 6.1.3

Stanoven´ı koncentraˇ cn´ıch ztr´ at

Koncentraˇcn´ı ztráty, nˇekdy také ztráty zp˚ usobené pˇrepravou ˇci transportem hmoty [29], se nejˇcastˇeji vyjadˇruj´ı pomoc´ı Fickova zákona [30, 31], Stefan-Maxwellovy rovnice ˇci modelu praˇsného plynu (DGM) [30]. Transport reaktant˚ u k povrchu elektrody 11

(ˇci katalyzátoru) je limitován dif´ uz´ı v pórech a rychlost´ı jakou jsou reaktanty spotˇrebovávány. Koncentraˇcn´ı ztráty palivového ˇclánku je moˇzné vyjádˇrit pomoc´ı následuj´ıc´ıho vztahu [14, 17, 19] Vcon = −

J R·T · ln 1 − , n·F JL

(6.3)

kde Vcon pˇredstavuje koncentraˇcn´ı ztráty palivového ˇclánku (V), R je univerzáln´ı plynová konstanta (J·mol−1 ·K−1 ), n je poˇcet elektron˚ u (vztaˇzen´ y na poˇcet reaguj´ıc´ı iont, −1 respektive molekulu), F je Faradayova konstanta (C·mol ), J je aktuáln´ı proudová hustota (mA·cm−2 ) a JL je limitn´ı proudová hustota (mA·cm−2 ). 6.1.4

Stanoven´ı parci´ aln´ıch tlak˚ u a jejich regulace

Obecnˇe lze vyjádˇrit, ˇze molárn´ı tok qx pˇredstavuje ˇcasovou zmˇenu poˇctu mol˚ u nx v daném kanále [32]. Následuj´ıc´ı rovnice pˇredstavuje vyjádˇren´ı parciáln´ıho tlaku urˇcitého reaktantu x, jeˇz je vyuˇzito v matematickém modelu V dpx = qxin − kx · px − qxr , R · T dt

(6.4)

kde V je objem daného kanálu palivového ˇclánku (dm3 ), dpx pˇredstavuje zmˇenu tlaku reaktantu x (atm), dt pˇredstavuje zmˇenu ˇcasu (s), qxin je vstupn´ı molárn´ı tok daného reaktantu x (kmol·s−1 ), kx je molárn´ı konstanta reaktantu x (kmol·atm−1 ·s−1 ) a qxr je reaguj´ıc´ı molárn´ı tok daného reaktantu x (kmol·s−1 ). Je nutné si uvˇedomit, ˇze v´ yrazné rozd´ıly mezi parciáln´ım tlakem vod´ıku a parciáln´ım tlakem kysl´ıku mohou zp˚ usobit tˇeˇzké poˇskozen´ı polymern´ı membrány [19]. Koncepce regulace tlaku je navrˇzena podle [33], kde je v´ ystupn´ı tlak udrˇzován na poˇzadované hodnotˇe pref (atm) podle referenˇcn´ıho toku qxref . Regulaci tlaku popisuje následuj´ıc´ı vyjádˇren´ı a jednotlivé tlaky jsou regulovány na hodnotu 1,0 atm. Referenˇcn´ı tok lze chápat jako qxref = qxin − [kx · (px − pamb )] , (6.5) kde qxref je referenˇcn´ı mnoˇzstv´ı molárn´ıho toku daného reaktantu x pro konkrétn´ı zat´ıˇzen´ı palivového ˇclánku (kmol·s−1 ) a pamb je tlak okol´ı (atm). Pˇri provozu palivového ˇclánku je d˚ uleˇzité i vysoké vyuˇzit´ı jednotliv´ ych reaktant˚ u, ˇc´ımˇz lze dosáhnout niˇzˇs´ıch provozn´ıch náklad˚ u a pˇr´ıznivˇejˇs´ıch poˇzadavk˚ u na kompresor [34]. Plat´ı Ux =

qxin − qxout , qxin

(6.6)

kde Ux je faktor vyuˇzit´ı daného reaktantu x (-) a qxout je v´ ystupn´ı molárn´ı tok daného −1 reaktantu x (kmol·s ). Regulace vyuˇz´ıvá jednotlivé parciáln´ı tlaky px , referenˇcn´ıho molárn´ıho toku qxref a ˇcasového zpoˇzdˇen´ı. 6.1.5

Stanoven´ı teploty

Znalost provozn´ı teploty palivového ˇclánku a jej´ıho v´ yvoje pˇredstavuje velmi podstatnou ’ ˇca´st z celkového vyˇsetˇrován´ı, nebot témˇeˇr vˇsechny poˇcetn´ı vztahy popisuj´ıc´ı ˇclánek maj´ı vazbu právˇe na jeho teplotu. V matematickém modelu PEMFC se vyuˇz´ıvá následuj´ıc´ıho popisu dT T − Ta Q˙ = N0 (Ract + Rint + Rcon ) · If2c = Ct + , (6.7) dt Rt 12

kde Q˙ jsou celkové tepelné v´ ykonové ztráty (W), N0 je poˇcet palivov´ ych ˇclánk˚ u v sérii, Ract je odpor aktivaˇcn´ıch ztrát palivového ˇclánku (Ω), Rint je vnitˇrn´ı odpor palivového ˇclánku (Ω), Rcon pˇredstavuje odpor koncentraˇcn´ıch ztrát palivového ˇclánku (Ω), Ct je tepelná kapacita palivového ˇclánku (J·K−1 ), dT pˇredstavuje zmˇenu teploty palivového ˇclánku (K), Ta je teplota okol´ı (K) a Rt je absolutn´ı tepeln´ y odpor palivového −1 ˇclánku (K·W ). Pˇri reálném provozu palivového ˇclánku nejsou teplota, tlak ˇci koncentrace reakˇcn´ıch plyn˚ u konstantn´ı, coˇz má pˇr´ım´ y vliv na napˇet´ı a u ´ˇcinnost. Je tedy d˚ uleˇzité vˇedˇet, jak´ ych parametr˚ u lze dosáhnout pˇri r˚ uzn´ ych teplotách, tlac´ıch ˇci koncentrac´ıch plyn˚ u. Dalˇs´ı vzájemné vazby, vypl´ yvaj´ıc´ı matematické rovnice a konkrétn´ı stanoveného hodnoty pouˇzité pˇri simulaci, jsou uvedeny v disertaˇcn´ı práci [2]

6.2

V´ ysledky simulac´ı

Anal´ yza dynamického chován´ı PEMFC je rozdˇelena do tˇr´ı ˇca´st´ı, které pak koresponduj´ı s konceptem jednotliv´ ych proveden´ ych experiment˚ u, pˇri kter´ ych je vyuˇzito nového modelu PEMFC a které ukazuj´ı v´ yvoje jednotliv´ ych elektrick´ ych a neelektrick´ ych veliˇcin ˇclánku v rámci scénáˇre s dlouhodobou zátˇeˇz´ı. Pro kaˇzdou ˇca´st je vytvoˇrena samostatná testovac´ı sekvence pulz˚ u pˇredstavuj´ıc´ı jednotlivá proudová zat´ıˇzen´ı PEMFC. Sekvence pulz˚ u je navrˇzena tak, aby byly respektovány v´ yznamné a náhlé zmˇeny v zat´ıˇzen´ı. Jsou proto pˇr´ıtomny poklesy a nár˚ usty odeb´ıraného proudu. Celková délka sekvence pulz˚ u je volena 4.000 s, coˇz pˇredstavuje v´ıce neˇz hodinov´ y provoz PEMFC. V´ yznamné zmˇeny zat´ıˇzen´ı a dlouhá doba provozu koresponduj´ı s hlavn´ım u ´ˇcelem vyˇsetˇrován´ı, to je analyzovat v´ yvoj zvolen´ ych veliˇcin v rámci dlouhého ˇcasového intervalu. 6.2.1

Samostatn´ y model PEMFC - I. ˇ c´ ast

Prvn´ı ˇca´st anal´ yzy pˇredstavuje v´ ysledky simulac´ı, které jsou realizovány pouze na samostatném modelu PEMFC. Jelikoˇz nejsou dalˇs´ı modely uvaˇzovány, odpov´ıdá zátˇeˇzn´ y proud pˇr´ımo proudu palivového ˇclánku If c . Pro simulaci pr˚ ubˇeh˚ u v´ ykonu Pf c , napˇet´ı Vf c a teploty T ˇclánku je navrˇzen testovac´ı zátˇeˇzn´ y proud, kter´ y ukazuje Obr. 6.2 (vlevo). 50

58 Ifcn 56 Výstupní napětí palivového článku Vfc (V)

45

Proud palivového článku I

fc

(A)

40 3/4 Ifcn 35

30

25

1/2 Ifcn

20

15

500

1000

1500 2000 2500 Doba provozu t (s)

3000

52 50 48 46 44 42

pokles Vfc

40

1/4 Ifcn 10 0

nárust Vfc

54

3500

4000

38 0

500

1000

1500 2000 2500 Doba provozu t (s)

3000

3500

4000

Obr. 6.2: Navrˇzená sekvence pulz˚ u a jejich amplitud pˇredstavuj´ıc´ı zátˇeˇzn´ y proud vyuˇzit´ y pro vyˇsetˇren´ı dynamického chován´ı samostatného modelu PEMFC (vlevo) a pr˚ ubˇeh napˇet´ı PEMFC (vpravo) 13

Zmˇeny zátˇeˇzného proudu a provozn´ıch podm´ınek obecnˇe vedou ke skuteˇcnosti, ˇze i v´ ystupn´ı napˇet´ı palivového ˇclánku nen´ı nemˇenné. Obr. 6.2 (vpravo) zachycuje v´ yvoj napˇet´ı PEMFC. Pr˚ ubˇeh napˇet´ı demonstruje skuteˇcnost, ˇze pˇri zv´ yˇsen´ı zátˇeˇzného proudu docház´ı k rychlému poklesu napˇet´ı. Naproti tomu pokles zat´ıˇzen´ı, vede k napˇet’ov´ ym nár˚ ust˚ um. Tento pokles nebo nár˚ ust trvá tak dlouho, dokud PEMFC nen´ı v ustálenému stavu. V´ yvoj teploty PEMFC pro r˚ uzné zátˇeˇzné proudy je modelován stejnou funkc´ı, liˇs´ı se vˇsak svoj´ı limitn´ı hodnotou. Vzhledem k tomu, ˇze zmˇena zat´ıˇzen´ı je realizována skokovˇe, je ustálen´ y stav odvisl´ y od ustálen´ı provozn´ı teploty PEMFC. Následuj´ıc´ı Obr. 6.3 ukazuje v´ yvoj teploty (vlevo) a v´ ykonu (vpravo) PEMFC. 345

2000

T

Pfcn

n

340

1800

Výkon palivového článku Pfc (W)

Teplota palivového článku T (K)

335 330 325 320 315 310

1600

1400

1200

1000

305

800 300 295 0

500

1000

1500 2000 2500 Doba provozu t (s)

3000

3500

4000

600 0

500

1000

1500 2000 2500 Doba provozu t (s)

3000

3500

4000

Obr. 6.3: Pr˚ ubˇeh provozn´ı teploty PEMFC (vlevo) a pr˚ ubˇeh v´ ykonu PEMFC (vpravo) pro navrˇzen´ y zátˇeˇzn´ y proud urˇcen´ y k vyˇsetˇren´ı dynamického chován´ı samostatného modelu PEMFC Rychlost r˚ ustu ˇci poklesu teploty palivového ˇclánku se odv´ıj´ı od velikosti proudu palivového ˇclánku. Pokud ˇclánek nedosáhne své nomináln´ı teploty nen´ı schopen dodávat nomináln´ı v´ ykon. Pokud by PEMFC pracoval napˇr´ıklad ve spojen´ı s mikrokogeneraˇcn´ı jednotkou, m˚ uˇze se teplo produkované provozem PEMFC efektivnˇe vyuˇz´ıt v tepelném v´ ymˇen´ıku pro ohˇrev teplé uˇzitkové vody. Kˇrivka v´ ykonu je d˚ uleˇzitá napˇr´ıklad pro návrh systém˚ u, které vyuˇz´ıvaj´ı PEMFC. Ukazuje totiˇz v´ ykonové chován´ı v ˇcase pro r˚ uzné provozn´ı podm´ınky. 6.2.2

Model PEMFC, reform´ er a regulace - II. ˇ c´ ast

Provedené experimenty jsou zamˇeˇreny hlavnˇe na anal´ yzu pr˚ ubˇehu provozn´ı teploty PEMFC pˇri jeho pˇr´ıpadn´ ych konstrukˇcn´ıch modifikac´ıch. Model PEMFC je rozˇs´ıˇren o model reforméru zemn´ıho plynu a je implementována regulace tlak˚ u jednotliv´ ych reaktant˚ u px . Modely reforméru a regulace tlaku jsou navrˇzeny R v prostˇred´ı MATLAB /Simulink a jsou uvedeny v disertaˇcn´ı práci [6]. Jsou-li realizovány konstrukˇcn´ı ˇci materiálové modifikace PEMFC, maj´ı tyto zmˇeny pˇr´ım´ y dopad na hodnoty v´ ysledné tepelné kapacity Ct a tepelného odporu Rt , jeˇz jsou ˙ Amplitudy zcela zásadn´ı pro v´ yvoj provozn´ı teploty PEMFC a produkovaného tepla Q. a doby trván´ı jednotliv´ ych pulz˚ u jsou na rozd´ıl od prvn´ı ˇca´sti odliˇsné. Hodnoty amplitud jsou v´ıce rozmanité. Náhled na testovac´ı zátˇeˇzn´ y proud je na Obr. 6.4.

14

50 I 45

fcn

= 48 A

Proud palivového článku Ifc (A)

40

40 A

35

36 A

30 25 24 A

24 A 20 15

5 0

8A

12 A

10

500

1000

1500 2000 2500 Doba provozu t (s)

3000

3500

4000

Obr. 6.4: Navrˇzená sekvence pulz˚ u a jejich amplitud pˇredstavuj´ıc´ı zátˇeˇzn´ y proud urˇcen´ y pro vyˇsetˇrován´ı tepeln´ ych experiment˚ u v rámci dynamického chován´ı PEMFC Následuj´ıc´ı Obr. 6.5 ukazuje porovnán´ı provozn´ıch teplot PEMFC (vlevo) pro r˚ uzné hodnoty tepelné kapacity, a tomu odpov´ıdaj´ıc´ı pr˚ ubˇehy v´ ykon˚ u (vpravo). 345

2200

340

2000 1800 Výkon palivového článku Pfc (W)


335 330 325 320 315 310 Ct = 5.000 J.K-1

305

295 0

500

1000

1500 2000 2500 Doba provozu t (s)

1400 1200 1000 800 600 Ct = 5.000 J.K-1

. -1

400

Ctn = 7.000 J.K-1

Ct = 10.000 J.K-1

200

Ct = 10.000 J.K-1

Ctn = 7.000 J K

300

1600

3000

3500

4000

0 0

500

1000

1500 2000 2500 Doba provozu t (s)

3000

3500

4000

Obr. 6.5: Vliv zmˇeny tepelné kapacity Ct na pr˚ ubˇeh provozn´ı teploty PEMFC (vlevo) a na pr˚ ubˇeh v´ ykonu PEMFC (vpravo) pro tepelné kapacity: 5.000 J·K−1 , 7.000 J·K−1 nomináln´ı, 10.000 J·K−1 Pr˚ ubˇehy ukazuj´ı, ˇze zmˇena hodnoty tepelné kapacity nemá ˇza´dn´ y vliv na hodnotu maximáln´ı dosaˇzené teploty. V´ yznam jej´ı zmˇeny je zejména v rychlosti nár˚ ustu teploty na jej´ı nomináln´ı hodnotu. Pˇri zv´ yˇsen´ı tepelné kapacity dosáhne PEMFC nomináln´ıho v´ ykonu rychleji, neˇz pˇri nomináln´ı kapacitˇe Ctn . PEMFC, kter´ y pracuje v rámci hybridn´ıho systému nen´ı obecnˇe vhodn´ y pro vykr´ yván´ı náhl´ ych v´ ykonov´ ych ˇspiˇcek. Proto je lepˇs´ı pohl´ıˇzet na PEMFC v´ıce komplexnˇe a hledat uplatnˇen´ı i produkované tepelné energie. Vhodnˇejˇs´ı je implementovat PEMFC do hybridn´ıho systému, kter´ y zuˇzitkovává i tepelnou energii, napˇr´ıklad ve spolupráci s kogeneraˇcn´ı jednotkou. Obecnˇe pˇri konstrukci PEMFC je podstatnˇejˇs´ı zamˇeˇrit se na ovlivnˇen´ı hodnoty tepelného odporu Rt . V´ yznamnou u ´lohu má i samotné zpracován´ı a volba moˇzn´ ych materiál˚ u. Následuj´ıc´ı Obr. 6.6 ukazuje porovnán´ı teplot PEMFC (vlevo) pro r˚ uzné hodnoty tepelného odporu, a tomu odpov´ıdaj´ıc´ı pr˚ ubˇehy v´ ykon˚ u (vpravo). Pr˚ ubˇehy prezen15

345

2200

340

2000 1800 Výkon palivového článku Pfc (W)


335 330 325 320 315 310

1400 1200 1000 800 600

Rt = 0,0185 K.W-1

305

.

Rtn = 0,0195 K W

-1

Rt = 0,0205 K.W-1

300 295 0

1600

500

1000

1500 2000 2500 Doba provozu t (s)

3000

3500

Rt = 0,0185 K.W-1

400

Rtn = 0,0195 K.W-1

200

Rt = 0,0205 K.W-1

0 0

4000

500

1000

1500 2000 2500 Doba provozu t (s)

3000

3500

4000

Obr. 6.6: Vliv zmˇeny tepelného odporu Rt na pr˚ ubˇeh provozn´ı teploty PEMFC (vlevo) a na pr˚ ubˇeh v´ ykonu PEMFC (vpravo) pro tepelné odpory: 0,0185 K·W−1 , 0,0195 K·W−1 nomináln´ı, 0,0205 K·W−1 tuj´ı skuteˇcnost, ˇze i malá zmˇena tepelného odporu v´ yznamnˇe ovlivn´ı provozn´ı teplotu PEMFC. Zmˇenou tepelného odporu lze dosáhnout v´ ykonu, jenˇz je vyˇsˇs´ı nˇeˇz nomináln´ı v´ ykon. V´ ysledky specifikuj´ı d˚ uleˇzité závislosti, které ovlivˇ nuj´ı samotn´ y návrh konstrukce a proveden´ı PEMFC. 6.2.3

Model PEMFC, reform´ er, regulace a DC/DC konvertor - III. ˇ c´ ast

Ve tˇret´ı ˇca´sti anal´ yzy jiˇz model PEMFC vyuˇz´ıvá modely reforméru a regulace tlak˚ u. Tato konfigurace je ovˇsem doplnˇena o model sniˇzuj´ıc´ıho DC/DC konvertoru, kter´ y byl, R stejnˇe jako ostatn´ı modely, vytvoˇren v MATLAB /Simulink. Popis modelu sniˇzuj´ıc´ıho DC/DC konvertoru uvád´ı disertaˇcn´ı práce [6]. Prvn´ı blok vyuˇz´ıvá sekvence zátˇeˇzn´ ych pulz˚ u s celkovou dobou trván´ı 650 s a je zamˇeˇrena na vyˇsetˇren´ı neelektrick´ ych parametr˚ u. Velmi d˚ uleˇzitá je i znalost v´ yvoje parciáln´ıho tlaku a jeho pˇr´ıpadná regulace. Obr. 6.7 pˇredstavuje vliv zmˇeny zátˇeˇze na parciáln´ı tlak vod´ıku (vlevo) a ukazuje v´ yvoj provozn´ı teploty PEMFC (vpravo). Tento 340

1.02

335 1.015

1.01 Parciální tlak vodíku pH (atm)

325

2


330

320 315 310

1

0.995

0.99

305

0.985

300 295 0

1.005

100

200

300 400 Doba provozu t (s)

500

600

700

0.98 0

100

200

300 400 Doba provozu t (s)

500

600

Obr. 6.7: V´ yvoj provozn´ı teploty PEMFC (vlevo) a pr˚ ubˇeh parciáln´ıho tlaku vod´ıku (vpravo) pro navrˇzen´ y zátˇeˇzn´ y proud 16

blok vyuˇz´ıvá sekvence zátˇeˇzn´ ych pulz˚ u s celkovou dobou trván´ı 650 s. Charakter sekvence pulz˚ u se vol´ı takov´ ym zp˚ usobem, aby obsahoval v´ yznamnou skokovou zmˇenu zátˇeˇzného 1 proudu. Amplitudy pulz˚ u odpov´ıdaj´ıc´ı zat´ıˇzen´ı 2 If c zaˇc´ınaj´ı v ˇcasech 0 s, 300 s a 600 s a pulzy charakterizuj´ıc´ı plné zat´ıˇzen´ı jsou zahájeny v ˇcasech 140 s a 450 s. Sekvence tedy obsahuje dva velikostnˇe stejné nár˚ usty a poklesy zat´ıˇzen´ı, jeˇz maj´ı témˇeˇr shodnou dobu trván´ı. Pr˚ ubˇeh na Obr. 6.7 (vlevo) ukazuje, ˇze je tlak udrˇzován kolem hodnoty 1,0 atm. Pr˚ ubˇeh teploty Obr. 6.7 (vpravo) demonstruje pouze skuteˇcnost, ˇze pro navrˇzenou zátˇeˇz nen´ı dosaˇzeno nomináln´ı provozn´ı teploty. Druh´ y blok experiment˚ u se zamˇeˇruje na anal´ yzu v´ ystupn´ıch elektrick´ ych parametr˚ u sniˇzuj´ıc´ıho DC/DC konvertoru. Obr. 6.8 ukazuje v´ ystupn´ı napˇet´ı (vlevo) a proudu konvertoru (vpravo). 40

110 100 Výstupní proud konvertoru iload (A)

Výstupní napětí konvertoru vout (V)

35 30 25 20 15 10

90 80 70 60 50 40 30 20

5 0 0.06

10 0.07

0.08

0.09

0.1 0.11 0.12 Doba provozu t (s)

0.13 0.14

0.15

0.16

0 0.06

0.07

0.08

0.09

0.1 0.11 0.12 Doba provozu t (s)

0.13

0.14

0.15

0.16

Obr. 6.8: Pr˚ ubˇeh v´ ystupn´ıho napˇet´ı (vlevo) a pr˚ ubˇeh v´ ystupn´ıho proudu (vpravo) sniˇzuj´ıc´ıho DC/DC konvertoru K vyˇsetˇrován´ı elektrick´ ych parametr˚ u na DC/DC konvertoru je vyuˇzito sekvence, která obsahuje jeden velikostnˇe stejn´ y nár˚ ust a pokles zat´ıˇzen´ı a která má celkovou dobu trván´ı 0,16 s. Na poˇcátku sekvence vyuˇz´ıvá blok zat´ıˇzen´ı s amplitudou odpov´ıdaj´ıc´ı 12 If c . V ˇcase 0,07 s docház´ı ke zv´ yˇsen´ı zátˇeˇzného proudu na jeho nomináln´ı hodnotu If cn , aby v ˇcase 0,14 s mohlo doj´ıt opˇet k odlehˇcen´ı na 21 If c .

6.3

Resum´ e

V´ ysledky uvedené v této kapitole jsou prezentovány v disertaˇcn´ı práci [2]. Práce rovnˇeˇz seznamuje s principem palivového ˇclánku typu PEMFC a pˇredstavuje jeho základn´ı konstrukˇcn´ı proveden´ı. Podrobnˇe se zab´ yvá problematikou matematického modelován´ı PEMFC a pˇresnˇe definuje provázanost jednotliv´ ych veliˇcin. Následnˇe je navrˇzen nov´ y R R

matematick´ y model PEMFC vytvoˇren´ y v MATLAB a MATLAB /Simulink, kter´ y umoˇzn ˇuje anal´ yzu v´ yvoje elektrick´ ych a neelektrick´ ych veliˇcin PEMFC v rámci scénáˇre s dlouhodobou zátˇeˇz´ı a kter´ y byl spoleˇcnˇe s v´ ysledky autorem publikován v [26]. V práci jsou dále pˇredstaveny a okomentovány v´ ysledky tepeln´ ych experiment˚ u a dynamického chován´ı PEMFC, které byly z´ıskány pomoc´ı nového modelu rozˇs´ıˇreného nav´ıc o reformér a DC/DC konvertor. Tato rozˇs´ıˇren´ı jsou v kapitole rovnˇeˇz popsána a jednotlivé v´ ysledky byly autorem zveˇrejnˇeny v [35] a v [36]. 17

7

Fotovoltaick´ yˇ cl´ anek a jeho simulace

V kapitole jsou ukázány v´ ysledky verifikace vytvoˇreného matematického modelu fotovoltaického modulu. Dále je na základˇe vytvoˇrené aplikace provedena anal´ yza v´ ykonové disponibility fotovoltaického zdroje a je zhodnocena relevance veˇrejné databáze Fotovoltaick´ y geografick´ y informaˇcn´ı systém (PVGIS).

7.1

Matematick´ y model fotovoltaick´ eho modulu

Fotovoltaick´ y modul je moˇzné modelovat pomoc´ı ekvivalentn´ıho elektrického obvodu, kter´ y se skládá ze zdroje proudu, diody a dvou rezistor˚ u [37, 38]. Pomoc´ı zdroje proudu je vyjádˇren fotovoltaick´ y proud Iph generovan´ y dopadaj´ıc´ımi fotony, pomoc´ı diody je vyjádˇren P-N pˇrechod v propustném smˇeru a rezistory pˇredstavuj´ı vnitˇrn´ı odpory ˇclánku R jako celku. Model je vytvoˇren v MATLAB /Simulink. Na rozd´ıl od ostatn´ıch publikac´ı v sobˇe model spojuje upraven´ y v´ ypoˇcet sériového a paraleln´ıho odporu pˇr´ımo ze ˇst´ıtkov´ ych hodnot a souˇcasnˇe respektuje i jejich teplotn´ı závislost. Vytvoˇren´ y model vycház´ı z definic´ı vzájemn´ ych vztah˚ u a z podrobného matematického popisu, kter´ y koresponduje s u ´vahou jednodiodového obvodu a kter´ y je uveden v disertaˇcn´ı práci [2]. Pro stanoven´ı velikosti odpor˚ u práce pouˇzila upravenou metodu v´ ypoˇctu z [38]. Metoda vycház´ı z pˇredpokladu rovnosti maximáln´ıch v´ ykon˚ u fotovoltaického ˇclánku pˇri STC, konkrétnˇe v´ ykonu vypoˇcteného matematicky Pmax,m a v´ ykonu z´ıskaného pˇr´ımo zu ´daj˚ u ze ˇst´ıtku Pmax . Aplikace se vede takov´ ym zp˚ usobem, aby byl nalezen právˇe jeden pár {Rsr , Rshr }, kter´ y splˇ nuje podm´ınku rovnosti v´ ykon˚ u Pmax a Pmax,m a souˇcasnˇe respektuje dalˇs´ı parametry fotovoltaického modulu. Paraleln´ı odpor lze vyjádˇrit následovnˇe Rshr =

Vmp (Vmp + Imp · Rsr ) Vmp · Iph − Vmp · I0 · exp

h

(Vmp +Imp ·Rsr ) Ns ·n

·

e k·T

i

+ Vmp · I0 − Pmax

,

(7.1)

kde Rshr je paraleln´ı odpor fotovoltaického modulu pˇri STC (Ω), Vpm je napˇet´ı fotovoltaického modulu pˇr´ı maximáln´ım v´ ykonu (V), Ipm je proud fotovoltaického modulu pˇri maximáln´ım v´ ykonu (A), Rsr je sériov´ y odpor fotovoltaického modulu pˇri STC (Ω), Iph je fotovoltaick´ y proud (A), I0n je nomináln´ı saturaˇcn´ı proud (A), Ns je poˇcet ˇclánk˚ u spojen´ ych v sérii (-), n je faktor kvality diody, e je elektrick´ y náboj (C), k je Boltzmannova konstanta (J·K−1 ), T absolutn´ı teplota fotovoltaického modulu (K) a Pmax je maximáln´ı v´ ykon fotovoltaického modulu (W). Vzhledem k tomu, ˇze metoda vyuˇz´ıvá iteraˇcn´ıch metod, je koneˇcné ˇreˇsen´ı odvislé od pˇredem zvolené pˇresnosti v´ ypoˇctu er . 7.1.1

Verifikace fotovoltaick´ eho modelu

Verifikace vytvoˇreného modelu je realizována pro standardn´ı testovac´ı podm´ınky (STC) a dále pro r˚ uzné intenzity sluneˇcn´ıho záˇren´ı a pro r˚ uzné provozn´ı teploty modulu. Vzájemné vazby a parametry jsou uvedeny v disertaˇcn´ı práci [2]. Jmenovité hodnoty fotovoltaick´ ych modul˚ u jsou mˇeˇreny pˇri standardizovan´ ych podm´ınkách. Souˇca´st´ı tˇechto ◦ podm´ınek je i konstantn´ı teplota 25 C. Problémem je, ˇze u FVE nelze zajistit, aby jednotlivé moduly dosahovaly bˇehem provozu pouze této teploty. Reálná teplota modulu má pˇritom vliv na jeho elektrické vlastnosti a ovlivn´ı i samotn´ y pr˚ ubˇeh I-V charakteristiky, jakoˇz i polohu jeho pracovn´ıho bodu [39]. Ve skuteˇcnosti mohou povrchové teploty modul˚ u dosahovat aˇz pˇres 50 ◦ C. Obecnˇe je v´ ykon vyrábˇen´ y FVE bˇehem dne ovlivˇ nován zejména zmˇenou intenzity sluneˇcn´ıho záˇren´ı. Velikost intenzity sluneˇcn´ıho záˇren´ı, která dopadá na aktivn´ı plochu fotovoltaick´ ych modul˚ u, je závislá na nˇekolika 18

skuteˇcnostech (´ uhel sklonu modulu, nadmoˇrská v´ yˇska, pr˚ uchodnost atmosféry a jiné). Na druhou stranu samotná zmˇena intenzity má v´ yznamn´ y vliv na elektrické parametry fotovoltaického modulu [39]. Následuj´ıc´ı Obr. 7.1 pˇrináˇs´ı porovnán´ı I-V charakteristik reálného a simulovaného fotovoltaického modulu pro jeho r˚ uzné provozn´ı stavy. Grafické 10

10 simulovaná data reálná data

9

1.000 W.m-2

9

simulovaná data reálná data

Isc

pv

Proud fotovoltaického modulu I

Proud fotovoltaického modulu Ipv (A)

8

(A)

8 7 6 75 °C

50 °C

5 4 3 2

800 W.m-2

7 6

600 W.m-2 5 4

400 W.m-2

3 200 W.m-2

2

1

1 Voc

0 0

5

10

15 20 25 30 Napětí fotovoltaického modulu Vpv (V)

35

40

0 0

5

10

15 20 25 30 Napětí fotovoltaického modulu Vpv (V)

35

40

Obr. 7.1: Porovnán´ı I-V charakteristik reálného a simulovaného fotovoltaického modulu pro provozn´ı teploty 50 ◦ C a 75 ◦ C pˇri intenzitˇe sluneˇcn´ıho záˇren´ı 1.000 W·m−2 (vlevo) a pro r˚ uzné intenzity sluneˇcn´ıho záˇren´ı pˇri provozn´ı teplotˇe modulu 25 ◦ C (vpravo) v´ ysledky na Obr. 7.1 verifikuj´ı matematick´ y model z pohledu zmˇeny provozn´ı teploty fotovoltaického modulu. V´ ysledky také potvrzuj´ı ovˇeˇren´ı modelu z pohledu zmˇeny intenzity sluneˇcn´ıho záˇren´ı, nebot’ proudy nakrátko se shoduj´ı a jednotlivé pr˚ ubˇehy charakteristik spolu také koresponduj´ı. Maximáln´ı relativn´ı chyba modelu byla zaznamenána pro krajn´ı ˇcást charakteristiky pˇri intenzitˇe ozáˇren´ı 200 W·m−2 , kdy se simulované napˇet´ı naprázdno liˇsilo o 1,31 %. Dále byly porovnány faktory plnˇen´ı reálného a simulovaného fotovoltaického modulu pˇri STC a pˇri bˇeˇzné provozn´ı teplotˇe fotovoltaického modulu ´ celem porovnán´ı faktor˚ (NOCT). Uˇ u plnˇen´ı vˇsak nebyla anal´ yza kvality proveden´ı fotovoltaického modulu, n´ ybrˇz snaha doplnit verifikaci matematického modelu. Hodnoty spolu témˇeˇr koresponduj´ı a relativn´ı chyba dosahuje 0,5379 % pro STC a 0,0876 % pro NOCT.

7.2

V´ ykonov´ a disponibilita a vhodnost veˇ rejn´ ych datab´ az´ı

V´ ykonová disponibilita je analyzována na vzorku dat z´ıskan´ ych bˇehem jednoroˇcn´ıho kontinuáln´ıho mˇeˇren´ı elektrick´ ych a neelektrick´ ych parametr˚ u fotovoltaického ˇclánku (maximáln´ı v´ ykon 100 W) instalovaného v lokalitˇe Brno (GPS 49◦ 11’ 53” N; 16◦ 35’ 32” E) v roce 2008. Mˇeˇrená sestava je vybavena nˇekolika dalˇs´ımi pˇr´ıstroji a mˇeˇr´ıc´ımi ˇcidly d˚ uleˇzit´ ych parametr˚ u, které plnˇe charakterizuj´ı provoz subsystému. Technická specifikace pouˇzit´ ych pˇr´ıstroj˚ u a zaˇr´ızen´ı je uvedena v [40]. V souvislosti s t´ım, je vytvoˇrena aplikace R v programu MATLAB , jej´ıˇz koncept umoˇzn ˇuje pro libovolnˇe vybrané ˇcasové obdob´ı a poˇzadovan´ y v´ ykon zpracovat databázi reálnˇe mˇeˇren´ ych dat a provést jej´ı anal´ yzu. Anal´ yzou zmˇeˇren´ ych dat lze vyhodnotit napˇr´ıklad celkovou dobu, po kterou byl fotovoltaick´ y modul schopen dodávat konkrétn´ı hodnotu minimáln´ıho v´ ykonu za vybrané obdob´ı. Porovnán´ı v´ ykonové disponibility mˇes´ıc˚ u s nejniˇzˇs´ım a nejvyˇsˇs´ım mnoˇzstv´ım vyrobené energie je v Tab. ?? [3], kde Emonth pˇredstavuje mˇes´ıˇcn´ı mnoˇzstv´ı sluneˇcn´ı energie a ttotal,i jednotlivé v´ yrobn´ı ˇcasy fotovoltaického modulu pro Ppv > 0,i· Pmax . 19

Tab. 7.1: V´ ykonov´ y potenciál fotovoltaického modulu bˇehem ˇcervena a prosince [3] Obdob´ı

Emonth (W·h)

ttotal,20 (h)

ttotal,40 (h)

ttotal,60 (h)

ttotal,70 (h)

ˇ Cerven Prosinec

10.316,88 1.272,85

180,87 22,88

117,62 12,8

47,32 0,12

9,85 0,00

V´ ysledky ukazuj´ı, ˇze v prosinci je vyrobeno pˇribliˇznˇe o 88 % ménˇe elektrické energie neˇz v ˇcervnu. Fotovoltaick´ y modul je nav´ıc v ˇcervnu provozován pˇres 47 hodin s v´ ykonem vˇetˇs´ım neˇz je 0,6·Pmax . Oproti tomu v prosinci pouze pˇribliˇznˇe 0,1 hodiny. Velikosti v´ ykon˚ u opˇet ukazuj´ı na skuteˇcnost, ˇze optimáln´ı podm´ınky v´ yroby v lokalitˇe um´ıstˇen´ı modulu jsou v letn´ıch mˇes´ıc´ıch. Na základˇe mˇeˇren´ı jsou známy konkrétn´ı závislosti chován´ı fotovoltaického subsystému, které jsou jedineˇcné pro m´ısto, kde je systém um´ıstˇen. Pro z´ıskán´ı vstupn´ıch atmosférick´ ych hodnot lze vyuˇz´ıt i veˇrejnˇe dostupn´ ych databáz´ı, které obsahuj´ı informace o rozloˇzen´ı intenzity sluneˇcn´ıho záˇren´ı a v´ yvoji teploty pro zvolenou lokalitu bˇehem roku. V návaznosti na vyhodnocen´ı v´ ykonové disponibility je provedeno zhodnocen´ı relevance vyuˇzit´ı takovéto databáze. Konkrétnˇe ˇ e republiky vykaje hodnocena databáze PVGIS. Mˇeˇrená lokalita Brno v rámci Cesk´ zuje jedny z nejvyˇsˇs´ıch hodnot intenzit sluneˇcn´ıho záˇren´ı [41]. Relevance je ovˇeˇrována konfrontac´ı u ´daj˚ u z veˇrejné databáze s reálnˇe mˇeˇren´ ymi daty. Zmˇeˇrená data intenzit R sluneˇcn´ıho záˇren´ı jsou vytvoˇrenou aplikac´ı v MATLAB pˇrepoˇc´ıtávána na mnoˇzstv´ı sluneˇcn´ı energie. Podle PVGIS [42] se pro zvolenou analyzovanou lokalitu Brno, pˇri uvaˇzován´ı nadmoˇrské v´ yˇsky 245 m n. m. a pˇri zvoleném u ´hlu natoˇcen´ı 60◦ , pohybuje roˇcn´ı mnoˇzstv´ı sluneˇcn´ı energie v rozmez´ı od 1.050 kWh·m−2 do 1.100 kWh·m−2 . Roˇcn´ı mnoˇzstv´ı sluneˇcn´ı energie vypoˇctené z reálnˇe mˇeˇren´ ych dat je 1.082,57 kWh·m−2 . Tato hodnota se pohybuje ve v´ yˇse uvedeném rozmez´ı dle PVGIS. Roˇcn´ı mnoˇzstv´ı energie pˇredstavuje cennou informaci sp´ıˇse v souvislosti s potenciáln´ım finanˇcn´ım v´ ynosem. Znalost této hodnoty je také dobrá pro základn´ı pˇredstavu dimenzován´ı hybridn´ıho systému. Je provedena také konfrontace reáln´ ych a teoretick´ ych pr˚ umˇern´ ych denn´ıch mnoˇzstv´ı sluneˇcn´ı energie pro jednotlivé mˇes´ıce. Porovnán´ı namˇeˇren´ ych hodnot s hodnotami v databázi ukazuje, ˇze jsou témˇeˇr identické a rozd´ıly jsou minimáln´ı. Z tohoto pohledu se PVGIS jev´ı jako relativnˇe vhodn´ y. 7.2.1

Simulace fotovoltaick´ eho subsyst´ emu

V návaznosti na vytvoˇren´ y matematick´ y model je analyzován fotovoltaick´ y subsystém. Simulace je zaloˇzená na reáln´ ych vstupn´ıch datech a pro názornost je porovnána i s provozem, kter´ y vyuˇz´ıvá vstupn´ı data odpov´ıdaj´ıc´ı ideáln´ım podm´ınkám. Pro simulaci je vyuˇzito zmˇeˇren´ ych dat s intenzitami sluneˇcn´ıho záˇren´ı a s provozn´ımi teplotami fotovoltaického modulu. V´ ysledky ukazuje Obr. 7.2. Matematická simulace je uskuteˇcnˇena pro ˇcasov´ y rámec jednodenn´ıho provozu subsystému. V´ ysledky opˇet demonstruj´ı pˇr´ımou závislost v´ ykonu fotovoltaického subsystému Ppvs na intenzitˇe sluneˇcn´ıho záˇren´ı bˇehem dne. Konkrétnˇe lze sledovat náhlé a rychlé zmˇeny v´ ykonu subsystému. Maximáln´ı modelovaná zmˇena v´ ykonu vznikla bˇehem tˇr´ıminutového intervalu, konkrétnˇe v dobˇe od 10 h 25 min do 10 h 27 min, kdy doˇslo k poklesu 60,96 % (vztaˇzeno k nomináln´ımu v´ ykonu subsystému Ppvsn ). V pˇr´ıpadˇe, ˇze fotovoltaick´ y subsystém pˇredstavuje jednu z ˇca´st´ı hybridn´ıho systému, mus´ı b´ yt na základˇe ˇr´ıd´ıc´ıho algoritmu pokles v´ ykonu kompenzován ostatn´ımi kooperuj´ıc´ımi subsystémy, aby byla zajiˇstˇena kontinuáln´ı a nepˇreruˇsená 20

1.1 T = 321.05 K, G = ideální T = reálné, G = reálné

výkon fotovoltaického subsystemu Ppvs (kW)

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

2

4

6

8

10

12 14 Doba t (h)

16

18

20

22

24

Obr. 7.2: Porovnán´ı v´ ykon˚ u fotovoltaického subsystému sloˇzeného ze ˇctyˇr modul˚ u (Npar =2 a Nser =2) pro ideáln´ı a reálné atmosférické podm´ınky pro lokalitu Brno dodávka energie pro aktuálnˇe pˇripojenou zátˇeˇz. T´ım je demonstrována hlavn´ı pˇrednost tvoˇren´ ych model˚ u subsystému, které mohou poslouˇzit pro efektivn´ı návrh hybridn´ıho systému, kdy lze vyhodnocovat odliˇsné provozn´ı stavy, zaloˇzené nejen na zmˇenˇe atmosférick´ ych podm´ınek.

7.3

Resum´ e

Problematika pˇredstavená v této kapitole je podrobnˇe uvedena v disertaˇcn´ı práci [2]. V práci je popsán princip fotovoltaického ˇclánku a pˇrináˇs´ı základn´ı u ´daje o této technologii. Dále se zab´ yvá problematikou matematického modelován´ı fotovoltaického modulu a konkretizuje potˇrebné vstupn´ı parametry a jejich vzájemné vazby. V návaznosti na to je pˇredstaven vytvoˇren´ y matematick´ y model fotovoltaického modulu a je provedena jeho verifikace. Následuje diskuze nad v´ ysledky proveden´ ych experiment˚ u, pˇri kter´ ych je vyuˇzita i vhodná implementace reáln´ ych hydrometeorologick´ ych dat. Popis modelu a jeho verifikace autor prezentuje v [12]. Práce také pˇribliˇzuje dlouhodobé kontinuáln´ı mˇeˇren´ı statického fotovoltaického referenˇcn´ıho modulu. Rovnˇeˇz prezentuje v´ ysledky provedené anal´ yzy, která smˇeˇrovala k ovˇeˇren´ı vhodnosti uˇzit´ı veˇrejn´ ych databáz´ı sluneˇcn´ıho záˇren´ı a teplot, jakoˇzto zdroje vstupn´ıch veliˇcin pro matematick´ y model. V´ ysledky anal´ yzy poslouˇzily pro zhodnocen´ı samotné v´ ykonové disponibility fotovoltaického zdroje pro jednotlivé mˇes´ıce v dané lokalitˇe. V´ ysledky anal´ yzy byly autorem publikovány konkrétnˇe v [3] a v [41].

8

Vˇ etrn´ y zdroj energie a jeho simulace

V kapitole jsou pˇredstaveny v´ ysledky dvou vytvoˇren´ ych model˚ u vˇetrn´ ych zdroj˚ u energie, na kter´ ych jsou demonstrovány moˇzné pˇr´ıstupy matematického modelován´ı. Uvaˇzované pˇredpoklady, matematické závislosti a vyˇc´ıslené hodnoty konkrétn´ıch pouˇzit´ ych veliˇcin jsou uvedeny pˇr´ımo v disertaˇcn´ı práci [2]. 21

R V prostˇred´ı MATLAB je vytvoˇren základn´ı popis vˇetrného subsystému pˇredstavuj´ıc´ı malou vˇetrnou elektrárnu, která vyuˇz´ıvá turb´ınu s horizontáln´ı osou otáˇcen´ı. Jmenovit´ y elektrick´ y v´ ykon elektrárny je 2,5 kW a elektrárna pracuje s generátorem s neodym permanentn´ımi magnety (NdFeB). Rotor turb´ıny má lopatky s pr˚ umˇerem 3,6 m. Vytvoˇren´ y teoretick´ y model tedy vyuˇz´ıvá pˇr´ıstupu popsaného v [18]. Pr˚ ubˇeh v´ ykonu vˇetrné elektrárny je na následuj´ıc´ım Obr. 8.1 (vlevo). Dalˇs´ı matematick´ y model pˇredstavuje zjednoduˇsen´ y matematick´ y model malé vˇetrné elektrárny se R Savoniov´ ym-Darrieov´ ym rotorem vytvoˇren´ ym v prostˇred´ı MATLAB /Simulink. Matematick´ y model popisuje vˇetrnou elektrárnu s v´ ykonem 300 W s typov´ ym oznaˇcen´ım DC-300, kter´ y vyuˇz´ıvá pomalubˇeˇzn´ y synchronn´ı generátor s permanentn´ımi NdFeB magnety. Pro simulaci generátoru je vyuˇzito bloku Permanent magnet synchrounous R machine z knihovny SimPowerSystem programu MATLAB textsuperscript /Simulink a porovnán´ı v´ ykonov´ ych charakteristik reálné a simulované vˇetrné elektrárny ukazuje Obr. 8.1 (vpravo). 450

3 vout = 13,0 m.s-1

simulovaná data reálná data

400

vn = 10,8 m.s-1 2.5

Výkon větrného zdroje P (W)

Výkon větrného zdroje P (kW)

350 2

1.5

1

300 250 200 150 100

0.5

0 0

vin = 2,2 m.s-1

1

2

3

50

4

5

6 7 8 9 10 Rychlost větru v (m.s-1)

11

12

13

14

15

0 0

1

2

3

4

5

6 7 8 9 10 Rychlost větru v (m.s-1)

11

12

13

14

15

Obr. 8.1: V´ ykonová kˇrivka vˇetrného zdroje energie (vlevo) a porovnán´ı v´ ykonov´ ych charakteristik reálné a simulované vˇetrné elektrárny (vpravo) Z Obr. 8.1 (vlevo) lze vidˇet, ˇze v´ ykonová kˇrivka turb´ıny je nelineárn´ı a ˇze vˇetrn´ y zdroj energie zaˇc´ıná vyrábˇet elektrick´ y v´ ykon aˇz pˇri rychlostech nad 2,2 m·s−1 . Optimáln´ı provoz (s jmenovit´ ym v´ ykonem) nastává pˇri rychlosti 10,8 m·s−1 . Pro rozmez´ı −1 −1 od 10,8 m·s do 13,0 m·s má vˇetrn´ y zdroj potenciál vyrábˇet vyˇsˇs´ı v´ ykon. D´ıky regulaci natoˇcen´ı rotoru se vˇsak jeho v´ ykon udrˇzuje na jmenovité hodnotˇe. Pokud je dosaˇzeno rychlost´ı nad 13,0 m·s−1 , které jsou jiˇz nad rámec moˇznost´ı regulace, docház´ı z d˚ uvodu nebezpeˇcnˇe vysok´ ych otáˇcek k odstaven´ı elektrárny. Toto odstaven´ı pˇredstavuje v charakteristice pomˇernˇe strm´ y propad v´ ykonu. Z porovnán´ı na Obr. 8.1 (vpravo) je patrná chybovost matematického modelu v niˇzˇs´ıch otáˇckách. V oblasti nad 6 m·s−1 se dosahuje relativn´ı chyby kolem 3 %. Pˇri simulaci je souˇcinitel v´ ykonu hybridn´ı vˇetrné elektrárny stanoven podle metody a empirického vyjádˇren´ı uveden´ ych v [43]. U simulované hybridn´ı vˇetrné elektrárny se nebere v u ´vahu zmˇena u ´hlu natoˇcen´ı lopatek, proto ji neuvaˇzuje ani souˇcinitel v´ ykonu.

8.1

Resum´ e

V´ ysledky uvedené v této kapitole jsou prezentovány v disertaˇcn´ı práci [2]. Práce dále popisuje princip vˇetrného zdroje energie a pˇrináˇs´ı základn´ı u ´daje o této technologii. 22

Vˇenuje se matematickému popisu n´ızkov´ ykonového vˇetrného zdroje, pˇriˇcemˇz konkretizuje potˇrebné vstupn´ı parametry a jejich vzájemné vazby. Dále pˇredstavuje kompletn´ı v´ ysledky dvou model˚ u vˇetrn´ ych zdroj˚ u energie, na kter´ ych jsou demonstrovány moˇzné pˇr´ıstupy matematického modelován´ı. V´ ysledky jednoho z pˇr´ıstup˚ u byly autorem prezentovány v [1]. Druh´ y pˇr´ıstup vznikl ve spolupráci autora a studenta pˇri tvorbˇe diplomové práce [44].

9

Z´ avˇ er

V závˇeru práce je deklarováno splnˇen´ı stanoven´ ych c´ıl˚ u. Následnˇe je proveden souhrn nov´ ych poznatk˚ u a je pˇredstaven vlastn´ı pˇr´ınos. Práce dále ukazuje na praktické vyuˇzit´ı jednotliv´ ych v´ ystup˚ u a pˇredkládá návrh následn´ ych vˇedeck´ ych prac´ı.

9.1

Splnˇ en´ı jednotliv´ ych c´ıl˚ u pr´ ace

Naplnˇen´ı konkrétn´ıch c´ıl˚ u je deklarováno následuj´ıc´ım popisem. Specifikace nedostatk˚ u souˇ casn´ ych syst´ em˚ u a model˚ u V práci byly identifikovány hlavn´ı zákonitosti, závislosti a vazby, které vedly ke správnému modelován´ı PEMFC a hybridn´ıho systému jako celku. Charakteristika palivov´ ych ˇclánk˚ u byla autorem pˇredstavena v knize [5]. Na základˇe pˇrehledu provozovan´ ych nebo modelovan´ ych koncept˚ u hybridn´ıch systém˚ u v energetice byla provedena specifikace hlavn´ıch nedostatk˚ u model˚ u PEMFC. Specifikace vedla k vytvoˇren´ı nového zdokonaleného dynamického modelu palivového ˇclánku. Uvedená problematika byla autorem publikována v [1]. N´ avrh a tvorba nov´ eho modelu PEMFC Nedostatkem souˇcasn´ ych model˚ u bylo zavádˇen´ı zjednoduˇsuj´ıc´ıch pˇredpoklad˚ u, pˇriˇcemˇz nˇekteré dynamicky se vyv´ıjej´ıc´ı veliˇciny byly povaˇzovány za konstantn´ı a nˇekteré R R závislosti nebyly uvaˇzovány v˚ ubec. V programu MATLAB a v MATLAB /Simulink byl vytvoˇren nov´ y matematick´ y model palivového ˇclánku. Vytvoˇren´ y model eliminoval hlavn´ı nedostatky souˇcasn´ ych verifikovan´ ych model˚ u a umoˇznil vyˇsetˇrován´ı jednak ustálen´ ych stav˚ u PEMFC, ale hlavnˇe dynamického chován´ı jeho elektrick´ ych a neelektrick´ ych veliˇcin, a to v rámci scénáˇre s dlouhodobou zátˇeˇz´ı. Tvorba nového modelu palivového ˇclánku byla autorem postupnˇe pˇredstavena v nˇekolika na sebe navazuj´ıc´ıch publikac´ıch. Prvotn´ı návrh byl publikován v [26]. Model byl dále doplnˇen o modely reforméru a DC/DC konvertoru. V návaznosti na to byla v [35] pˇredstavena implementace modelu reforméru. Popis modelu DC/DC konvertoru byl autorem popsán v [36]. Anal´ yza provozn´ıch stav˚ u PEMFC Na vytvoˇreném modelu PEMFC probˇehla anal´ yza r˚ uzn´ ych ustálen´ ych provozn´ıch stav˚ u ˇclánku. Byly realizovány experimenty, které vedly k vyˇsetˇren´ı dynamick´ ych zmˇen napˇet´ı, v´ ykonu a teploty ˇclánku pro dlouhodob´ y simulaˇcn´ı scénáˇr a které autor prezentoval v [26]. Model PEMFC rozˇs´ıˇren´ y o model reforméru byl podroben tepeln´ ym experiment˚ um ukazuj´ıc´ı vliv zmˇeny tepelné kapacity a tepelného odporu ˇclánku na jeho provozn´ı teplotu a v´ ystupn´ı v´ ykon. V´ ysledky tepeln´ ych experiment˚ u byly pˇredstaveny v [35]. Dalˇs´ı provedené experimenty analyzovaly elektrické pomˇery na DC/DC konvertoru a byly autorem uvedeny v [36]. 23

N´ avrh komplexn´ıho modelu fotovoltaick´ eho modulu V práci byl proveden matematick´ y popis fotovoltaického modulu vyuˇz´ıvaj´ıc´ı pro parametrizaci v´ yhradnˇe ˇst´ıtkové hodnoty. Proveden´ y popis umoˇzn ˇoval implementaci iteraˇcn´ıho v´ ypoˇctu odpor˚ u a respektoval jejich teplotn´ı závislost. Na základˇe tohoto popisu byl R v programu MATLAB vytvoˇren samotn´ y fotovoltaick´ y model. Návrh komplexn´ıho modelu fotovoltaického modelu byl autorem objasnˇen v [1, 12]. Anal´ yza navrˇ zen´ eho fotovoltaick´ eho modelu Vytvoˇren´ y model fotovoltaického modulu byl podroben anal´ yze, která potvrdila jeho verifikaci. Byla provedena simulace fotovoltaického subsystému, ve kterém byly jako vstupn´ı veliˇciny pouˇzity ˇst´ıtkové hodnoty jednotliv´ ych fotovoltaick´ ych modul˚ u, ale také dlouhodobˇe mˇeˇrená hydrometeorologická data. V´ ysledky potvrzuj´ıc´ı verifikaci modelu a ukazuj´ıc´ı simulace fotovoltaického subsystému autor prezentoval v [12]. Anal´ yza v´ ykonov´ e disponibility fotovoltaick´ eho zdroje a ovˇ eˇ ren´ı vhodnosti veˇ rejn´ e datab´ aze Pro ovˇeˇren´ı disponibility fotovoltaického zdroje byla vytvoˇrena aplikace v proR gramu MATLAB , která umoˇznila zpracovat a vyhodnotit data z´ıskaná z kontinuáln´ıho dlouhodobého mˇeˇren´ı referenˇcn´ıho fotovoltaického modulu. Dosaˇzené v´ ysledky byly autorem pˇredstaveny v [3]. Aplikace umoˇznila porovnat hodnoty sluneˇcn´ıho záˇren´ı dopadaj´ıc´ıho na referenˇcn´ı modul s hodnotami mnoˇzstv´ı sluneˇcn´ı energie obsaˇzen´ ymi ve veˇrejné databázi. Na základˇe porovnán´ı byla ovˇeˇrena vhodnost vyuˇzit´ı tˇechto databáz´ı pro návrh fotovoltaick´ ych zdroj˚ u. Závˇery z provedené konfrontace byly autorem publikovány v [41]. Model vˇ etrn´ eho zdroje energie V rámci práce byl popsán a simulován zjednoduˇsen´ y model vˇetrného zdroje energie a byly nast´ınˇeny moˇznosti dalˇs´ıho zdokonalen´ı a rozˇs´ıˇren´ı modelu. Model vˇetrného zdroje byl autorem pˇredstaven v [1]. Na základˇe v´ yˇse uveden´ ych skuteˇcnost´ı lze konstatovat, ˇze stanovené c´ıle disertaˇcn´ı práce byly splnˇeny.

9.2

Souhrn nov´ ych poznatk˚ u a vlastn´ı pˇ r´ınos

Pˇr´ınos práce je v provedeném v´ yvoji a vzniku nového matematické modelu R n´ızkoteplotn´ıho palivového ˇclánku typu PEMFC, kter´ y byl vytvoˇren v MATLAB R

a MATLAB /Simulink a kter´ y umoˇzn ˇuje vyˇsetˇrován´ı dynamického chován´ı PEMFC v rámci scénáˇre s dlouhodobou zátˇeˇz´ı. Na základˇe zhodnocen´ı souˇcasného stavu problematiky PEMFC pˇredstavuje vyvinut´ y model komplexn´ı simulaˇcn´ı nástroj, kter´ y odstraˇ nuje nˇekteré zjednoduˇsuj´ıc´ı pˇredpoklady publikovan´ ych model˚ u a zároveˇ n uvaˇzuje i dynamické chován´ı ˇrady neelektrick´ ych parametr˚ u ˇclánku. Vyvinut´ y model vycház´ı z ˇca´steˇcn´ ych ˇreˇsen´ı jiˇz verifikovan´ ych model˚ u a respektuje vedle zmˇen aktivaˇcn´ıch ztrát, ohmick´ ych ztrát, koncentraˇcn´ıch ztrát, vnitˇrn´ıho odporu ˇci parciáln´ıch tlak˚ u reaktant˚ u, také samotnou zmˇenu provozn´ı teploty ˇclánku. D´ılˇc´ım pˇr´ınosem práce je samotná identifikace nedostatk˚ u souˇcasn´ ych matematick´ ych model˚ u palivov´ ych ˇclánk˚ u. Vyvinut´ y model ˇclánku ovˇsem neeliminuje vˇsechny specifikované nedostatky. Provedená identifikace nedostatk˚ u proto m˚ uˇze pˇrispˇet k dalˇs´ımu zdokonalen´ı vyvinutého modelu, a to vˇzdy podle poˇzadavk˚ uau ´ˇcelu uvaˇzovan´ ych simulac´ı. Za d´ılˇc´ı pˇr´ınos práce m˚ uˇze b´ yt také povaˇzovaná implementace modelu sniˇzuj´ıc´ıho 24

DC/DC konvertoru, kter´ y zvyˇsuje praktickou aplikovatelnost modelu v rámci hodnocen´ı hybridn´ıho systému jako celku. Pˇr´ınosem je fakt, ˇze paralelnˇe s vyˇsetˇrován´ım v´ yvoje teploty palivového ˇclánku je respektována skuteˇcnost pouˇzit´ı reforméru. Odborné publikace [45, 46], podle kter´ ych byl model reforméru vytvoˇren, pˇredpokládaly v simulac´ıch konstantn´ı teplotu ˇclánku. V pˇr´ıpadˇe vyuˇzit´ı PEMFC ke spolupráci s kogeneraˇcn´ı jednotkou je znalost pr˚ ubˇehu teploty ˇclánku nesm´ırnˇe d˚ uleˇzit´ ym parametrem. Práce deklaruje, ˇze konstrukˇcn´ı a materiálové modifikace palivového ˇclánku maj´ı zcela zásadn´ı dopad na v´ yvoj provozn´ı teploty ˇclánku a stanoven´ı mnoˇzstv´ı produkovaného tepla, jelikoˇz pˇr´ımo ovlivˇ nuj´ı hodnoty v´ ysledné tepelné kapacity a tepelného odporu. U analyzovaného ˇclánku byla pˇri témˇeˇr 5% zmˇenˇe tepelného odporu zaznamenána zmˇena teploty pˇribliˇznˇe 1,8 K, coˇz by u ˇclánku s nomináln´ım v´ ykonem necel´ ych 2,0 kW pˇredstavovalo zmˇenu jeho nomináln´ıho v´ ykonu o jednotky W. Pˇri zv´ yˇsen´ı tepelné kapacity o v´ıce jak 40 % bylo nomináln´ıho v´ ykonu dosaˇzeno rychleji a maximáln´ı zmˇena v´ ykonu ve zkoumaném ˇcasovém intervalu byla pˇribliˇznˇe 10 W. Pˇr´ınos je moˇzné shledat ve vytvoˇren´ı matematického modelu fotovoltaického moR R dulu v prostˇred´ı MATLAB a MATLAB /Simulink. Souˇcasné publikace ˇcasto hodnoty sériového a paraleln´ıho odporu fotovoltaické modulu zanedbávaj´ı, stanovuj´ı experimentálnˇe nebo povaˇzuj´ı za konstantn´ı. Vytvoˇren´ y model respektuje vliv teploty na hodnoty jednotliv´ ych elektrick´ ych parametr˚ u a vyuˇz´ıvá zdokonalené determinace sériového a paraleln´ıho odporu pomoc´ı iteraˇcn´ıho v´ ypoˇctu vycházej´ıc´ıho pouze ze ˇst´ıtkov´ ych hodnot modulu. R D˚ uleˇzitá je i aplikace vytvoˇrená v programu MATLAB , která slouˇz´ı pro zpracován´ı dlouhodobˇe mˇeˇren´ ych dat. Aplikace pro zvolené ˇcasového obdob´ı a poˇzadovan´ y v´ ykon zpracovává databázi reálnˇe mˇeˇren´ ych dat a provád´ı jejich anal´ yzu. Aplikace je schopna napˇr´ıklad vyhodnotit celkovou dobu, po kterou byl fotovoltaick´ y modul schopen dodávat konkrétn´ı hodnotu minimáln´ıho v´ ykonu za vybrané obdob´ı. V´ ysledky v Tab. 7.1 [3] napˇr´ıklad ukazuj´ı, ˇze fotovoltaick´ y modul je v ˇcervnu provozován pˇres 47 hodin s v´ ykonem vˇetˇs´ım neˇz je 0,6·Pmax , oproti tomu v prosinci pouze pˇribliˇznˇe 0,1 hodiny. Jedná se sv´ ym zp˚ usobem o jednoduchou aplikaci, která vˇsak poskytuje d˚ uleˇzité informace pro vyhodnocen´ı v´ ykonové disponibility fotovoltaického zdroje energie. Práce také obsahuje poznatky plynouc´ı z provedeného hodnocen´ı relevance vyuˇzit´ı veˇrejné databáze PVGIS, jakoˇzto technického podp˚ urného prostˇredku pro prvotn´ı návrh FVE. Jelikoˇz PVGIS pˇredstavuje interaktivn´ı mapu, která ˇcerpá z dat z´ıskan´ ych v obdob´ı od 1981 aˇz 1990 a má obecnˇe pˇrispˇet k nav´ yˇsen´ı pod´ılu OZE v celkovém portfóliu v´ yroben, popˇr´ıpadˇe má pomoci objektivn´ımu hodnocen´ı jednotliv´ ych finanˇcn´ıch rámc˚ u právˇe do FVE, bylo vhodné ji porovnat s reálnˇe mˇeˇren´ ymi daty. V´ ysledky porovnán´ı ukazuj´ı, ˇze jsou data témˇeˇr identická a rozd´ıly jsou minimáln´ı.

9.3

Praktick´ e vyuˇ zit´ı

Obecnˇe plat´ı, ˇze vˇsechny v práci vytvoˇrené matematické modely pˇredstavuj´ıc´ı jednotlivé zdroje energie lze vyuˇz´ıt pro simulace hybridn´ıho systému s PEMFC a OZE. Palivov´ y ˇclánek typu PEMFC, kter´ y pracuje v rámci hybridn´ıho systému, nen´ı vhodn´ y pro vykr´ yván´ı náhl´ ych v´ ykonov´ ych ˇspiˇcek. Na PEMFC je nutné pohl´ıˇzet v´ıce komplexnˇe a hledat uplatnˇen´ı i produkované tepelné energie. V pˇr´ıpadˇe vyuˇzit´ı PEMFC ke spolupráci s kogeneraˇcn´ı jednotkou umoˇzn ˇuje model PEMFC vyˇsetˇrit provozn´ı teplotu ˇclánku pro r˚ uzné stavy zat´ıˇzen´ı. V´ ystupy simulac´ı poskytuj´ı znalost pr˚ ubˇehu teploty 25

ˇclánku, jeˇz pˇredstavuje nesm´ırnˇe d˚ uleˇzit´ y parametr. Implementace modelu reforméru je vhodná pro z´ıskán´ı pˇredstavy o spotˇrebˇe zemn´ıho plynu. Práce obsahuje verifikovan´ y matematick´ y popis fotovoltaického modulu, kter´ y detailnˇe pˇribliˇzuje princip funkce modulu, ale také uvád´ı jednotlivé fyzikáln´ı závislosti a uvaˇzované algoritmy, jeˇz by bylo moˇzné vyuˇz´ıt i v jin´ ych simulaˇcn´ıch prostˇred´ıch. Prostˇrednictv´ım programovac´ıho jazyka Fortran lze uplatnit detailn´ı popis k implementaci do programu PSCAD, kter´ y v souˇcasné dobˇe u fotovoltaického modulu neuvaˇzuje zdokonalen´ y v´ ypoˇcet jeho jednotliv´ ych odpor˚ u pˇr´ımo ze ˇst´ıtkov´ ych hodnot a nerespektuje teplotn´ı závislost odpor˚ u a napˇet´ı modulu. Vytvoˇren´ y model fotovoltaického modulu je podroben u ´spˇeˇsné verifikaci, coˇz vede k moˇznosti jeho praktického vyuˇzit´ı v rámci simulac´ı celého hybridn´ıho systému. Vedle toho byl model vyuˇzit i jako podp˚ urn´ y prostˇredek pˇri vzniku funkˇcn´ıho vzorku laboratorn´ıho mˇeˇr´ıc´ıho setu pro anal´ yzu n´ızkov´ ykonov´ ych fotovoltaick´ ych modul˚ u. Verifikace tohoto mˇeˇr´ıc´ıho setu byla realizována na základˇe vytvoˇreného matematického modelu. Podrobnˇejˇs´ı informace o mˇeˇr´ıc´ım setu jsou uvedeny v [47], kde jsou rovnˇeˇz pˇredstaveny provedené experimenty. Kombinace informac´ı o v´ ykonové disponibilitˇe a PVGIS pˇrispˇeje k dosaˇzen´ı komplexn´ı pˇredstavy, jak správnˇe nadimenzovat a ˇr´ıdit hybridn´ı systém obsahuj´ıc´ı FVE. Vytvoˇrená aplikace ˇreˇs´ıc´ı disponibilitu zdroje energie poslouˇz´ı k lepˇs´ımu nastaven´ı jednotliv´ ych proces˚ u ˇr´ıd´ıc´ıho algoritmu daného hybridn´ıho systému.

9.4

N´ avrh dalˇ s´ıho ˇ reˇ sen´ı

Práce identifikovala jednotlivé nedostatky souˇcasn´ ych matematick´ ych model˚ u PEMFC. Vyvinut´ y model PEMFC ovˇsem neeliminuje vˇsechny nedostatky. Navazuj´ıc´ı v´ yzkumné práce by se proto mˇely zab´ yvat jejich dalˇs´ı redukc´ı, ve formˇe jejich postupné implementace do modelu PEMFC nebo do modelu hybridn´ıho systému. Eliminace konkrétn´ıho nedostatku mus´ı b´ yt realizována po zváˇzen´ı jeho relevantnosti ve vazbˇe na provádˇené simulace a experimenty. Vzhledem k technick´ ym a ekonomick´ ym aspekt˚ um by bylo potˇrebné zamˇeˇrit se na prodlouˇzen´ı ˇzivotnosti palivového ˇclánku, a to napˇr´ıklad formou nového ˇr´ıd´ıc´ıho algoritmu hybridn´ıho systému. Dalˇs´ı v´ yzkumné práce by se mohly zab´ yvat konkrétn´ı podobou modelu hybridn´ıho systému. Ten by implementoval modely subsystém˚ u pˇredstavuj´ıc´ı jednotlivé typy energetick´ ych zdroj˚ u a dalˇs´ı potˇrebná zaˇr´ızen´ı. Samotné vytvoˇren´ı dynamického modelu hybridn´ıho systému je velmi sloˇzitá a ˇsiroká problematika, jelikoˇz se mus´ı respektovat ˇrada vzájemn´ ych vazeb hned mezi nˇekolika obory. Je proto nutné detailnˇe zhodnotit v´ yvoj souˇcasn´ ych ˇr´ıd´ıc´ıch algoritm˚ u. Vhodné je rovnˇeˇz navrhnout a vytvoˇrit zcela nov´ y ˇr´ıd´ıc´ı algoritmus hybridn´ıho systému. Hlavn´ım rozhodovac´ım kritériem souˇcasn´ ych ˇr´ıd´ıc´ıch algoritm˚ u je stav nabit´ı bateri´ı. Nov´ y algoritmus by ze stavu nabit´ı bateri´ı vycházet nemusel. Dalˇs´ım u ´kolem je také navrhnout a vytvoˇrit modelové scénáˇre (zmˇeny atmosférick´ ych podm´ınek, v´ ypadky, degradace), aby bylo moˇzné spolehlivost algoritmu otestovat, modifikovat ˇci ovˇeˇrit jeho oprávnˇenost. Hlavn´ı d˚ uraz u nového algoritmu by mˇel b´ yt pˇritom kladen na optimalizovan´ y provoz palivového ˇclánku, pˇr´ıpadnˇe i elektrolyzéru. Hybridn´ı systém by mohl b´ yt také doplnˇen o modely subsystém˚ u, které pˇredstavuj´ı napˇr´ıklad malou vodn´ı elektrárnu, akumulaˇcn´ı zaˇr´ızen´ı nebo stˇr´ıdaˇc. Pˇr´ınosné by bylo i zdokonalen´ı modelu vˇetrného zdroje energie. Navazuj´ıc´ı v´ yzkumné práce by mˇely obecnˇe vést ke zdokonalován´ı v práci proveden´ ych a modelovan´ ych parciáln´ıch ˇreˇsen´ı. Pˇr´ıpadnˇe jednotlivá ˇreˇsen´ı postupnˇe implementovat i do dalˇs´ıch simulaˇcn´ıch prostˇred´ı. 26

Pouˇ zit´ a literatura [1] Ptacek, M. The definition of input parameters for modelling of energetic subsystems. EPJ Web of Conferences, vol. 54, pp. 02 002.1–02 002.8, June 2013, ISSN 2100-014X. [2] Ptáˇcek, M. Parci´ aln´ı ˇreˇsen´ı hybridn´ıho systému s n´ızkoteplotn´ımi palivovými ˇcl´ anky a OZE. Disertaˇcn´ı pr´ ace, Vysoké uˇcen´ı technické v Brnˇe, Fakulta elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı, 2014. [3] Ptáˇcek, M., Novotn´ y, J., Matouˇsek, A. Anal´ yza fotovoltaické ˇcásti multienergetického grid-off systému s palivov´ ym ˇclánkem. Proceedings of the 1st International Scientific Conference Renewable Energy Sources 2010. Tatranské Matliare, Slovakia: Slovak University of Technology in Bratislava, May 2010, s. 1–5, ISBN 978-80-89402-24-3. [4] Carter, D., Wing, J. The Fuel Cell Industry Review 2013. Fuel Cell Today. [online]. [cit. 20.6.2014]. 20 pp. Dostupné na: http://www.fuelcelltoday.com/analysis/industryreview [5] Mastn´ y, P., Dr´ apela, J., Mach´ aˇcek, J., Ptáˇcek, M., Radil, L., Bartoˇs´ık, T., Pavelka, T., ˇ a republika: Miˇsák, S. Obnovitelné zdroje elektrické energie. Roˇcn´ık ˇc.1. Praha, Cesk´ ˇ Ceské vysoké uˇcen´ı technické v Praze, Prosinec 2011, ISBN 978-80-01-04937-2, 256 s. [6] Ptacek, M., Pavelka, T., Novotny, J. The cooperation of fuel cells and renewable energy sources: A short review of operated energetics systems and their main deficiencies of pemfc models in hybrid systems. In Electric Power Engineering (EPE), Proccedings of the 2014 15th International Scientific Conference on, vol. 1., Brno, Czech Republic, May 2014, pp. 363–366, ISBN 978-1-4799-3806-3. [7] Deshmukh, M., Deshmukh, S. Modeling of hybrid renewable energy systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 12, no. 1, 2008. pp. 235 – 249, ISSN 1364-0321. [8] Sharaf, A., Ozkop, E., Altas, I. A Hybrid Photovoltaic PV Array-Battery Powered EVPMDC Drive Scheme. In Electrical Power Conference, 2007. EPC 2007. IEEE Canada, 2007, pp. 37–43, ISBN 978-1-4244-1444-4. [9] Schoenung, S., del Pilar Argumosa, M. Comparison of Stationary Hydrogen and Fuel Cell Demonstration Systems. [cit. 31.8.2012]. 20 p. Dostupné na: www.fuelcellseminar.com/media/5076/dem33-3 schoenug.pdf. [10] Hansen, A. D., Sørensen, P., Hansen, L. H., Bindner, H. Models for a Stand-Alone PV System. Risø National Laboratory, Roskidle, Tech. Rep. Ris?-R-1219 (EN)/SEC-R-12, December 2000, 78 p. Dostupné na: http://orbit.dtu.dk/fedora/objects/orbit:91233/datastreams/file 7727175/content. [11] Iqbal, M. Modeling and control of a wind fuel cell hybrid energy system. Renewable Energy, vol. 28, no. 2, 2003, pp. 223 – 237, ISSN 0960-1481. [12] Ptacek, M.,Matousek, A. Modelling of Photovoltaic Array for Hybrid System. In Proceedings of the 12th International Scientific Conference Electric Power Engineering 2011, vol. 1. Ostrava, Czech Republic: VSB - Technical University of Ostrava, May 2011, pp. 1–4, ISBN 978-80-248-2393-5. [13] Cetin, E., Yilanci, A., Ozturk, H. K., Colak, M., Kasikci, I., Iplikci, S. A micro-DC power distribution system for a residential application energized by photovoltaic-wind/fuel cell hybrid energy systems. Energy and Buildings, vol. 42, no. 8, 2010, pp. 1344 – 1352, ISSN 0378-7788. [14] Choe, G. Y., Kim, J. S., Kang, H. S., Lee, B. K., Lee, W. Y. Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) modeling for high efficiency fuel cell balance of plant (BOP). In Electrical Machines and Systems, 2007. ICEMS. International Conference on. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), October 2007, pp. 271–276. [15] Petrinec, K., Cirstea, M. Holistic Modelling of a Fuel Cell Power System and FPGA Controller using Handel-C. In IEEE Industrial Electronics, IECON 2006 - 32nd Annual Conference on, November 2006, pp. 4951–4954, ISSN 1553-572X.

27

[16] Correa, J., Farret, F., Popov, V.,Simoes, M. Sensitivity analysis of the modeling parameters used in simulation of proton exchange membrane fuel cells. Energy Conversion, IEEE Transactions on, vol. 20, no. 1, March 2005, pp. 211–218, ISSN 0885-8969. [17] Haubrock, J., Heideck, G., Styczynski, Z. Dynamic Investigation on Proton Exchange Membrane Fuel Cell Systems. In Power Engineering Society General Meeting, 2007. IEEE, June 2007, pp. 1–6, ISSN 1932-5517. [18] Khan, M., Iqbal, M. Dynamic modeling and simulation of a small wind-fuel cell hybrid energy system. Renewable Energy, vol. 30, no. 3, 2005, pp. 421–439, ISSN 0960-1481. [19] Jia, J., Yang, S., Wang, Y., Cham, Y. Matlab/Simulink based-study on PEM fuel cell and nonlinear control. In Control and Automation, 2009. ICCA 2009. IEEE International Conference on, December 2009, pp. 1657–1662. [20] Onar, O., Uzunoglu, M., Alam, M. Dynamic modeling, design and simulation of a wind/fuel cell/ultra-capacitor-based hybrid power generation system. Journal of Power Sources, vol. 161, no. 1, 2006, pp. 707 – 722, ISSN 0378-7753. [21] Blaˇzek, J., R´ abl, V. Z´ aklady zpracov´ an´ı a vyuˇzit´ı ropy, Druhé vydán´ı. Praha: Vysok´ a ˇskola chemicko-technologick´ a v Praze, 2006, ISSN 80-7080-619-2, 107 s. [22] Petroleum.cz. V´ yroba vod´ıku parn´ım reformován´ım. [online]. [cit. 31.8.2014]. Dostupné na: http://www.petroleum.cz/zpracovani/zpracovani-ropy-43.aspx. [23] HyFLEET. On-site steam Reforming. [online]. [cit. 31.8.2014]. Dostupné na: http://www.global-hydrogen-bus-platform.com/Technology/HydrogenProduction/ reforming. [24] Somolov´ a, M., Dlouh´ y, P. Hytep.cz - v´ yroba vod´ıku. [online]. [cit. 31.8.2014]. Dostupné na: http://www.hytep.cz/cz/vodik/informace-o-vodiku/vyroba-vodiku/491vyroba-vodiku. [25] Lee, S. H., Applegate, D. V., Ahmed, S., Calderone, S. G., Harvey, T. L. Hydrogen from natural gas: part I - autothermal reforming in an integrated fuel processor. International Journal of Hydrogen Energy, vol. 30, no. 8, 2005, pp. 829 – 842, ISSN 0360-3199. [26] Ptacek, M, Matousek, A. New Dynamic Model of Low-Temperature Fuel Cell Stack and the Micro-Cogeneration Systems. In Proceedings of the 13th International Scientific Conference Electric Power Engineering 2012, vol. 1. Brno, Czech Republic: Brno University of Technology, Faculty of Electrical Engineering and Communication, Department of Electrical Power Engineering, May 2012, pp. 491–497, ISBN 978-80-214-4514-7. [27] Mann, R. F., Amphlett, J. C., Hooper, M. A., Jensen, H. M., Peppley, B. A., Roberge, P. R. Development and application of a generalised steady-state electrochemical model for a PEM fuel cell Journal of Power Sources, vol. 86, no. 1-2, 2000, pp. 173 – 180, ISSN 0378-7753. [28] Papadopoulos, P., Marinopoulos, A., Papagiannis, G. Dynamic modelling of a gridconnected pem fuel cell in a distributed generation network. in PowerTech, 2009 IEEE Bucharest. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), June 2009, pp. 1–8. [29] Hor´ ak, B., Koziorek, J., Kopˇriva, M., Papouˇsek, M., Slanina, Z. Studie pohonu mobiln´ıho ˇ ıjen 2005. prostˇredku s palivovým ˇcl´ ankem, R´ [30] Colleen, S. PEM Fuel Cell Modeling and Simulation Using Matlab, 1st ed., May 2008, ISBN 978-0-12-374259-9, 456 p. [31] Barath, P. Palivové ˇcl´ anky H2-O2 s anexovou a bipol´ arn´ı membr´ anou. Dizertaˇcn´ı práce, ˇ Vysoké uˇcen´ı technické v Brnˇe, Cerven 2008. [32] Padullés, J., Ault, G., McDonald, J. An integrated SOFC plant dynamic model for power systems simulation. Journal of Power Sources, vol. 86, no. 1 - 2, 2000, pp. 495 – 500, ISSN 0378-7753. [33] Wang, C. Modeling and Control of Hybrid Wind/Photovoltaic/Fuel Cell Distributed Generation Systems. Ph.D. dissertation, Montana State University, July 2006.

28

[34] Georgakis, D., Papathanassiou, S., Manias, S.Modeling and Control of a Small Scale Grid-connected PEM Fuel Cell System. In Power Electronics Specialists Conference, 2005. PESC ’05. IEEE 36th, June 2005, pp. 1614–1620. [35] Ptacek, M., Mastny, P. The Investigation of Thermal Behaviour of the Low-Temperature Fuel Cell Stack by the Supplemented Dynamic Model. In Recent Advances in Energy, Environment and Economic Development. Paris, France: WSEAS Press, December 2012. pp. 160–165, ISBN 978-1-61804-139-5. [36] Ptacek, M, Matousek, A., The Implementation of the Dynamic Experiments of the Lowtemperature Fuel Cell Stack with the Buck DC/DC Converter. In Proceedings of the 7th International Scientific Symposium on Electrical Power Engineering ELEKTROENERGETIKA 2013. Star´ a Lesn´ a, Slovakia: Technical University of Koˇsice, September 2013, pp. 200–203, ISBN 978-80-553-1441-9 [37] Yu, T. C., Chien, T. S. Analysis and simulation of characteristics and maximum power point tracking for photovoltaic systems. In Power Electronics and Drive Systems, 2009. PEDS 2009. International Conference on, November 2009, pp. 1339–1344. [38] Villalva, M., Gazoli, J., Filho, E. Comprehensive Approach to Modeling and Simulation of Photovoltaic Arrays. Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 24, no. 5, May 2009, pp. 1198–1208, ISSN 0885-8993. [39] Ptáˇcek, M. N´ avody laboratorn´ıch u ´loh pro v´ yuku vod´ıkov´ ych a fotovoltaick´ ych ´ technologi´ı. [online]. UEEN, FEKT, VUT v Brnˇe. [cit. 29.6.2014]. Dostupné na: http://www.ueen.feec.vutbr.cz/cz/index.php/h2-a-fve-menu-ke-stazeni. ´ [40] Ustav elektroenergetiky. VUT v Brnˇe. Laboratoˇr nekonvenˇcn´ıch pˇremˇen. [online]. [cit. 20.8.2014]. Dostupné na: http://www.ueen.feec.vutbr.cz/laboratory-ofunconventional-energy-conversion/index.php. [41] Ptacek, M., Khisamutdinov, N. Comparison of Amount of Solar Energy of the Photovoltaic Panel in the Given Area. In Proceedings of the 13th International Scientific Conference Electric Power Engineering 2012. Tomsk, Russia: TPU Press, April 2010, pp. 14–16, ISBN 0-7803-8226-9 [42] European Commission, J. R. C. Photovoltaic Geographical Information System - Interactive Maps. [online]. Institute for Environment and Sustainability Renewable Energies Unit. [cit. 20.4.2011]. Dostupné na: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php. [43] Bianchi, N., Bolognani, S., Fornasiero, E., Morandin, M., Pavesi, G. Optimal drive and machine sizing for a self starting, vertical axis, low power wind generator. In Energy Conference and Exhibition (ENERGYCON), 2012 IEEE International, September 2012, pp. 178–183. [44] Hoˇrava, P. Simulace malé vˇetrné elektr´ arny se Savoniovým-Darrieovým rotorem. Diplomov´ a pr´ ace, Vysoké uˇcen´ı technické v Brnˇe, Fakulta elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı, 2014, 51 s. [45] Uzunoglu, M., Alam, M. Dynamic modeling, design, and simulation of a combined PEM fuel cell and ultracapacitor system for stand-alone residential applications. Energy Conversion, IEEE Transactions on, vol. 21, no. 3, September 2006, pp. 767–775, ISSN 0885-8969 [46] El-Sharkh, M., Rahman, A., Alam, M., Sakla, A., Byrne, P., Thomas, T. Analysis of active and reactive power control of a stand-alone PEM fuel cell power plant. Power Systems, IEEE Transactions on, vol. 19, no. 4, November 2004. pp. 2022–2028, ISSN 0885-8950. [47] Ptacek, M., Pavelka, T., Matousek, A. The Verification of Validity of the Low-Cost Laboratory Measuring Set for Analysis of Low-Power Photovoltaic Modules. In Proceedings of the 13th International Scientific Conference Electric Power Engineering 2012, vol. 1. Brno, Czech Republic: Brno University of Technology, May 2012, pp. 485–489, ISBN 978-80-214-4514-7.

29

Curriculum Vitae Osobn´ı data

Michal Ptáˇcek, Ing. Zikova 604/6 779 00 Olomouc ˇ Narozen dne 10. 02. 1985 ve Sternberku svobodn´ y, národnost ˇceská Tel.: +420 541 146 247 E - mail: [email protected], [email protected]

Vzdˇ el´ an´ı 2009 – 2014

2007 – 2009 2004 – 2007

doktorské studium na VUT v Brnˇe, Fakulta elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı, obor Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika magisterské studium na VUT v Brnˇe, Fakulta elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı, obor Elektroenergetika bakaláˇrské studium na VUT v Brnˇe, Fakulta elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı, obor Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika

Zahraniˇ cn´ı st´ aˇ ze 11/2014 Guru Gobind Singh Indraprastha University, New Delhi, Indie 07/2014 University of Massachusetts, Lowell, Spojené státy americké ˇ 02/2012 – 06/2012 TEI of Crete, Branch of Chania, Chania, Recko

Praxe 09/2013 – dosud

v´ yzkumn´ y asistent, VUT v Brnˇe, Fakulta elektrotechniky a komu´ nikaˇcn´ıch technologi´ı, Ustav elektroenergetiky 02/2012 – dosud technicko-hospodáˇrsk´ y pracovn´ık, VUT v Brnˇe, Fakulta elektrotech´ niky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı, Ustav elektroenergetiky 09/2010 – 12/2013 v´ yzkumn´ y asistent, VUT v Brnˇe, Fakulta elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı, CVVOZE 2009 – dosud konzultant ve vzdˇelávac´ı agentuˇre PhDr. Ludmila Hlavinková (LPefekt), Olomouc ˇ a republika, s.r.o., 10/2009 – 01/2012 administrátor uˇzivatelsk´ ych aplikac´ı, E.on Cesk´ divize Projekty a data mˇeˇren´ı

Ostatn´ı 2009 – 2014

ˇ sitel a spoluˇreˇsitel projekt˚ ˇ FRVS, ˇ a dalˇs´ı), Pedagogická Reˇ u (TACR, ˇ za UEEN ´ ˇcinnost, Koordinátor projekt˚ u TACR Jazykové znalosti: Angliˇctina

Brno, 31. prosinec 2014 30

Publikace autora [A.1] Ptacek, M., Pavelka, T., Novotny, J. The cooperation of fuel cells and renewable energy sources: A short review of operated energetics systems and their main deficiencies of pemfc models in hybrid systems. In Electric Power Engineering (EPE), Proccedings of the 2014 15th International Scientific Conference on, vol. 1., Brno, Czech Republic, May 2014, pp. 363–366, ISBN 978-1-4799-3806-3. [A.2] Kopicka, M., Ptacek, M., Toman, P. Analysis of the Power Quality and the Impact of Photovoltaic Power Plant Operation on Low-Voltage Distribution Network. In Electric Power Quality and Supply Reliability Conference (PQ), 2014, Rakvere, Estonia, June 2014, pp. 99–102, ISBN 978-1-4799-5020-1. [A.3] Ptacek, M, Matousek, A. The Implementation of the Dynamic Experiments of the Lowtemperature Fuel Cell Stack with the Buck DC/DC Converter. In Proceedings of the 7th International Scientific Symposium on Electrical Power Engineering ELEKTROENERGETIKA 2013. Star´ a Lesn´ a, Slovakia: Technical University of Koˇsice, September 2013, pp. 200–203, ISBN 978-80-553-1441-9 [A.4] Ptacek, M. The definition of input parameters for modelling of energetic subsystems. EPJ Web of Conferences, vol. 54, pp. 02 002.1–02 002.8, June 2013, ISSN 2100-014X. [A.5] Ptacek, M, Matousek, A. New Dynamic Model of Low-Temperature Fuel Cell Stack and the Micro-Cogeneration Systems. In Proceedings of the 13th International Scientific Conference Electric Power Engineering 2012, vol. 1. Brno, Czech Republic: Brno University of Technology, Faculty of Electrical Engineering and Communication, Department of Electrical Power Engineering, May 2012, pp. 491–497, ISBN 978-80-214-4514-7. [A.6] Ptacek, M., Mastny, P. The Investigation of Thermal Behaviour of the Low-Temperature Fuel Cell Stack by the Supplemented Dynamic Model. In Recent Advances in Energy, Environment and Economic Development. Paris, France: WSEAS Press, December 2012. pp. 160–165, ISBN 978-1-61804-139-5. [A.7] Ptacek, M., Pavelka, T., Matousek, A. The Verification of Validity of the Low-Cost Laboratory Measuring Set for Analysis of Low-Power Photovoltaic Modules. In Proceedings of the 13th International Scientific Conference Electric Power Engineering 2012, vol. 1. Brno, Czech Republic: Brno University of Technology, Faculty of Electrical Engineering and Communication, Department of Electrical Power Engineering, May 2012, pp. 485– 489, ISBN 978-80-214-4514-7. [A.8] Ptacek, M., Matousek, A. Modelling of Photovoltaic Array for Hybrid System. In Proceedings of the 12th International Scientific Conference Electric Power Engineering 2011, vol. 1. Ostrava, Czech Republic: VSB - Technical University of Ostrava, May 2011, pp. 1–4, ISBN 978-80-248-2393-5. [A.9] Mastn´ y, P., Dr´ apela, J., Macháˇcek, J., Ptáˇcek, M., Radil, L., Bartoˇs´ık, T., Pavelka, T., ˇ a republika: Miˇs´ ak, S. Obnovitelné zdroje elektrické energie. Roˇcn´ık ˇc.1. Praha, Cesk´ ˇ Ceské vysoké uˇcen´ı technické v Praze, Prosinec 2011, ISBN 978-80-01-04937-2, 256 s. [A.10] Ptáˇcek, M., Novotn´ y, J., Matouˇsek, A. Anal´ yza fotovoltaické ˇcásti multienergetického grid-off systému s palivov´ ym ˇclánkem. Proceedings of the 1st International Scientific Conference Renewable Energy Sources 2010. Tatranské Matliare, Slovakia: Slovak University of Technology in Bratislava, May 2010, s. 1–5, ISBN 978-80-89402-24-3. [A.11] Ptacek, M., Khisamutdinov, N. Comparison of Amount of Solar Energy of the Photovoltaic Panel in the Given Area. In Proceedings of the 13th International Scientific Conference Electric Power Engineering 2012. Tomsk, Russia: TPU Press, April 2010, pp. 14–16, ISBN 0-7803-8226-9 ´ Upln´ y pˇrehled autorov´ ych publikac´ı je uveden v disertaˇcn´ı práci

31

Abstract The thesis deals with the principle functions of low-temperature fuel cells with proton exchange membrane (PEMFC), photovoltaic sources (PVPP) and wind energy sources (WPP), along with solving their detailed mathematical expressions. In this work, the individual sources and their simulated models are analyzed in depth. The actual simulation is preceded by familiarization with important historical milestones in the development of fuel cells. Furthermore there is a basic classification of fuel cells and the characteristics of the cells used in the energy sectors. The text also provides information on projects that address the implementation of PEMFC as a primary or supplementary source of energy. Along with outlining the options for PEMFC as a perspective hydrogen technologies in the near future, the basic methods of hydrogen production and storage options are presented for the complexity. The work is exclusively focused on improving PEMFC mathematical models that under the hybrid system cooperate with renewable energy sources (RES). Part of the theses contains a short review of run or modeled concepts of hybrid systems in the energy sector. Using these models the main deficiencies of the models or of the whole PEMFC system can be identify. Specifications of the deficiencies lead to the creation of a new advanced dynamic PEMFC model that allows an analysis of the development of electrical and non-electrical quantities using long term tests. Furthermore, the thesis presents results of the experiments of thermal and dynamic behavior PEMFC, which were obtained from the additionally extended model with a reformer and the DC/DC converter. In this text there is a model of a photovoltaic module created, which is based on the nominal values parameterization. The model is subjected to basic experiments in which measured hydrometeorological data are used. If the hybrid system utilizes renewable energy sources, it is good to know the evolution of atmospheric conditions in the installation of these resources. Specifically for PVPP, publicly available databases containing information about solar radiation levels can be used for the selected location. Public databases are often used for initial design and manufacturing options for PVPP. An evaluation of the relevancy of public databases is performed based on a long-term observation of real measured data. Furthermore, these data are used for experiments on the photovoltaic module. Partially the text addresses the issue of the wind energy sources, however, it is simulated only on a simplified model of WPP. Created models of subsystems can be generally implemented as partial inputs hybrid systems in the future work. The thesis was developed at Centre for Research and Utilization of Renewable Energy (CVVOZE) with the financial support of the National Programme for Sustainability and the Ministry of Education, Youth and Sports of the Czech Republic under the project no. LO1210 Energy for Sustainable Development and the project no. FEKT-S-14-2520 - New Technologies for Sustainable Development of Electrical Power Systems. The thesis was also generated under the project no. TA03020523 - Dynamic model of distribution network with the financial support of Technology Agency of the Czech Republic.

32

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Recommend Documents