• 头条同济大学科研人员在碱性电解槽运行特性研究中取得新进展
    2022-08-04 作者:沈小军 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语氢能产业的发展离不开绿色、高效和安全的氢气制备,利用风、光等可再生能源发电制氢是绿氢生产的主要途径。电解水制氢槽是可再生能源发电制氢系统的核心设备,随着应用规模的扩大,电解水制氢槽的优化运行与安全问题日益重要。 本文聚焦于可再生能源发电制氢系统中碱性电解槽设备,根据碱性电解槽运行机理与运行数据,在构建碱性电解槽阻抗特性模型的基础上,构建了碱性电解槽运行特性数字孪生体系统以及相应的仿真系统,研究成果对电解槽的信息化、数字化及对可再生能源发电制氢系统的优化具有理论指导与工程应用价值。

    团队介绍

     

    沈小军,1979年生,教授,博士生导师,研究方向为新能源高效利用与储能技术、电网实景三维重构及其数字孪生技术、状态感知与智能诊断等。

     

    江悦,1997年生,硕士研究生,研究方向为数字孪生技术在碱性电解水制氢系统的应用。

    研究背景

    电解水制氢槽与风、光发电耦合应用时,由于风能和太阳能的间歇性和波动性,输送到电解槽的功率非恒定且波动范围较大,会引起系统频繁启停和负荷变动等问题。波动工况会引起设备使用寿命缩短,工作效率降低,影响产氢品质,危害电解槽设备的安全。

    构建碱性电解槽运行特性数字孪生模型并仿真,实现对系统运行状态的实时监控,掌握其工作特性与状态对保障电解水制氢系统运行的科学性、稳定性和安全性均具有重要价值。

    基于传感技术、物联网技术、仿真建模技术的数字孪生技术通过物理模型与数据驱动模型的融合,已成为一种实现物理实体的真实状态仿真比对与推演评估的先进且可行的新技术。

    参照其他对象的研究成果,将数字孪生技术应用于电解槽工作特性模型的构建,通过电解槽数字孪生模型实现电解槽运行特性仿真与状态评估相关应用,对推动碱性电解槽的信息化、数字化和智能化发展,适应能源行业的数字化转型具有重要的理论意义与工程价值。

    论文所解决的问题及意义

    鉴于碱性电解槽已开始大规模应用于可再生能源制氢领域,具有技术成熟、成本低等优势,本文以碱性电解水制氢槽为研究对象,根据其静、动态伏安特性试验结果,结合碱性电解槽制氢系统的工作机理和运行数据,在构建槽体阻抗特性数字模型的基础上,构建了碱性电解槽运行特性数字孪生模型。

    论文成果可为基于数字孪生技术的碱性电解槽运行特性建模仿真提供参考,对电解槽控制参数的优化及运行状态的评估同样具有工程价值,同时助力碱性电解槽的信息化、数字化和智能化发展,适应能源行业的数字化需求。

    论文方法及创新点

    以槽温为唯一变量构建碱性电解槽等效电阻抗的数字孪生模型,将电解槽等效电阻抗基于电路理论的数学表达式转换为仅与温度相关的数学特征表达式,有效避免模型通用性差、构建流程复杂的问题。

    为简化构建电解槽运行特性的数字孪生仿真模型提供基础模型,选择电解槽总电压、总电流以及槽体温度等特性表征参数作为观测变量,将数学驱动模型和电化学机理模型融合,应用数字孪生技术构建了碱性电解槽运行特性数字孪生体系统,并实现了若干典型应用的仿真功能开发。

    电解槽数字孪生模型系统构建流程图

    碱性电解槽电热特性仿真工具

    结论

    论文以电解槽槽温作为统一变量,建立了碱性电解槽阻抗特性数字孪生模型,将机理建模与数据建模方法融合,基于构建的阻抗特性数字孪生基础模型,实现了碱性电解槽温升特性、功率调节特性、产氢特性等运行特性的数字孪生建模。论文成果可为基于数字孪生技术的碱性电解槽运行特性建模仿真提供参考,对实现电解槽控制参数的优化及运行状态的评估具有工程价值。

    本文编自2022年第11期《电工技术学报》,论文标题为“碱性电解槽运行特性数字孪生模型构建及仿真”,本课题得到了国家重点研发计划资助项目的支持。