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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 16 Elektrotechnik / Informatik  → Institut für Elektrische Energietechnik / Rationelle Energiewandlung  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2242

Titel: Modelling and simulation of a photovoltaic fuel cell hybrid system
Autor(en): Abd el-Aal, Abou El-Maaty Metwally Metwally Aly
Klassifikation (DDC): 620 - Ingenieurwissenschaften (Engineering and allied operations)
Issue Date: 24-May-2005
Zusammenfassung: A stand-alone power system is an autonomous system that supplies electricity to the user load without being connected to the electric grid. This kind of decentralized system is frequently located in remote and inaccessible areas. It is essential for about one third of the world population which are living in developed or isolated regions and have no access to an electricity utility grid. The most people live in remote and rural areas, with low population density, lacking even the basic infrastructure. The utility grid extension to these locations is not a cost effective option and sometimes technically not feasible. The purpose of this thesis is the modelling and simulation of a stand-alone hybrid power system, referred to as “hydrogen Photovoltaic-Fuel Cell (PVFC) hybrid system”. It couples a photovoltaic generator (PV), an alkaline water electrolyser, a storage gas tank, a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), and power conditioning units (PCU) to give different system topologies. The system is intended to be an environmentally friendly solution since it tries maximising the use of a renewable energy source. Electricity is produced by a PV generator to meet the requirements of a user load. Whenever there is enough solar radiation, the user load can be powered totally by the PV electricity. During periods of low solar radiation, auxiliary electricity is required. An alkaline high pressure water electrolyser is powered by the excess energy from the PV generator to produce hydrogen and oxygen at a pressure of maximum 30bar. Gases are stored without compression for short- (hourly or daily) and long- (seasonal) term. A proton exchange membrane (PEM) fuel cell is used to keep the system’s reliability at the same level as for the conventional system while decreasing the environmental impact of the whole system. The PEM fuel cell consumes gases which are produced by an electrolyser to meet the user load demand when the PV generator energy is deficient, so that it works as an auxiliary generator. Power conditioning units are appropriate for the conversion and dispatch the energy between the components of the system. No batteries are used in this system since they represent the weakest when used in PV systems due to their need for sophisticated control and their short lifetime. The model library, ISET Alternative Power Library (ISET-APL), is designed by the Institute of Solar Energy supply Technology (ISET) and used for the simulation of the hybrid system. The physical, analytical and/or empirical equations of each component are programmed and implemented separately in this library for the simulation software program Simplorer by C++ language. The model parameters are derived from manufacturer’s performance data sheets or measurements obtained from literature. The identification and validation of the major hydrogen PVFC hybrid system component models are evaluated according to the measured data of the components, from the manufacturer’s data sheet or from actual system operation. Then, the overall system is simulated, at intervals of one hour each, by using solar radiation as the primary energy input and hydrogen as energy storage for one year operation. A comparison between different topologies, such as DC or AC coupled systems, is carried out on the basis of energy point of view at two locations with different geographical latitudes, in Kassel/Germany (Europe) and in Cairo/Egypt (North Africa). The main conclusion in this work is that the simulation method of the system study under different conditions could successfully be used to give good visualization and comparison between those topologies for the overall performance of the system. The operational performance of the system is not only depending on component efficiency but also on system design and consumption behaviour. The worst case of this system is the low efficiency of the storage subsystem made of the electrolyser, the gas storage tank, and the fuel cell as it is around 25-34% at Cairo and 29-37% at Kassel. Therefore, the research for this system should be concentrated in the subsystem components development especially the fuel cell.Autonome Systeme werden zur Versorgung von Verbrauchern und Lasten eingesetzt, die nicht mit dem elektrischen Stromnetz verbunden sind. Diese Systeme findet man daher oft in entlegenen oder schwer zugänglichen Gebieten. Die große Bedeutung autonomer Energieversorgungssysteme liegt darin, dass ein Drittel der Weltbevölkerung - vorwiegend in den Entwicklungs- und Schwellenländern – keinen Zugang zum Stromnetz hat. Den meisten Menschen, die in entlegenen ländlichen Gebieten mit geringer Bevölkerungsdichte leben, fehlt es an jeder Infrastruktur. Der Ausbau der öffentlichen Stromversorgung in solchen Regionen ist keine wirtschaftliche Lösung und mitunter technisch nicht realisierbar. Das Ziel dieser Arbeit ist die Modellierung und Simulation eines autarken Hybridsystems auf der Basis von Photovoltaik (PV), Brennstoffzelle (PEM-BZ) und Wasserstoff. Darin sind gekoppelt ein Photovoltaikgenerator, ein alkalischer Wasserelektrolyseur, ein Gasspeicher, eine PEM Brennstoffzelle und die für die jeweilige Systemtopologie erforderliche Leistungselektronik. Das System soll eine umweltfreundliche Lösung darstellen und den größten möglichen Nutzen aus erneuerbaren Energien ziehen. Die notwendige elektrische Energie wird dabei von einem PV-Generator erzeugt. Bei ausreichender Solarstrahlung wird die Last vollständig vom PV-Generator versorgt. In Zeiten niedriger Einstrahlung wird eine zusätzliche Energieversorgung benötigt. Ein alkalischer Hochdruckelektrolyser wird mit Überschussenergie des PV-Generators betrieben und erzeugt Sauerstoff und Wasserstoff bei ma. 30 bar. Dies Gase werden ohne weitere Komprimierung für kurze (Stunden und Tage) oder lange (saisonale) Zeiträume gespeichert. Eine PEM-Brennstoffzelle wird eingesetzt um die Versorgungssicherheit auf dem üblichen Niveau konventioneller Anlagen zu halten und gleichzeitig die Umweltauswirkungen des Gesamtsystems zu verringern. Die PEM- Brennstoffzelle nutzt die vom Elektrolyseur erzeugten Gase um als Hilfsgenerator die Versorgung der Last sicherzustellen. Die Leistungselektronik dient zur Wandlung und Anpassung der Energieströme zwischen den Komponenten. Im untersuchten System kommt keine Bleibatterie zum Einsatz, da diese wegen der aufwendigen Betriebsführung und der kurzen Lebensdauer einen Schwachpunkt darstellt. Für die Simulation des Hybridsystems wurde die von ISET entwickelte Modellbibliothek ISET-Alternative Power Library (ISET-APL) verwendet. Darin sind die physikalischen, analytischen oder empirischen Gleichungen jeder Komponente in der Sprache C++ programmiert und für den Einsatz im Simulator Simplorer implementiert. Die Modellparameter wurden für diese Arbeit von Datenblättern der Hersteller, aus der Literatur oder aus Messdaten des ISET abgeleitet. Die Auswahl und Validierung der wichtigsten Modelle der untersuchten Hybridsysteme erfolgte auf Grundlage von Messdaten des realisierten Systems oder von Datenblättern. Das Gesamtsystem wird simuliert mit der Solarstrahlung als primäre Energiezufuhr und Wasserstoffspeicherung in Stundenintervallen über einen Zeitraum von einem Jahr. Im Rahmen von Energieflusssimulationen werden unterschiedliche Topologien, wie z.B. DC und AC gekoppelte Systeme an zwei klimatisch unterschiedlichen Standorten, namentlich Kassel und Kairo, untersucht. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe der Simulation das Betriebsverhalten der untersuchten Systeme unter verschiedenen Standortbedingungen visualisiert werden konnte. Darüber hinaus können unterschiedliche Topologien im Hinblick auf Ihren Gesamtwirkungsgrad verglichen werden. Das Betriebsverhalten ist dabei nicht nur von den Wirkungsgraden der Komponenten sondern auch von der Systemauslegung und dem Lastprofil abhängig. Das größte Verbesserungspotenzial liegt im Wirkungsgrad der Wasserstoffspeicherkette bestehend aus PEM-Brennstoffzelle, Elektrolyser und Wasserstoffspeicher mit Werten von 25-34% für den Standort Kairo und 29-37% am Standort Kassel. Daher sollten weitere Entwicklungen insbesondere auf die Komponentenentwicklung, vor allem der Brennstoffzelle konzentriert sein.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2242
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