分类号：TM911.4 U D C：D10621-408-(2012)1985-0 密级：公开编号：成都信息工程学院学位论文风能-氢燃料电池一体化联用系统设计论文作者姓名：申请学位专业：材料物理申请学位类别：指导教师姓名（职称）：论文提交日期：风能-氢燃料电池一体化联用系统设计摘要风能为可再生的清洁能源，但储能和上网等环节存在不少问题。

氢燃料电池具有绿色环保，效率高，低噪音等特点，还是一种非常好的储能手段。

将风能与氢燃料电池联用，是近年来新能源研究和推广的热点。

本文研究了氢燃料电池和风力发电机的原理，设计出了一套风电-氢燃料电池一体化联用系统，并配置了电解槽和贮氢装置，使风能和氢燃料电池发挥各自的优势，以达到系统最大的利用。

在研究系统运行参数的基础上，本文还对系统进行了进一步优化。

本文所设计的风电-氢燃料电池一体化联用系统具有寿命长，易于维护，运行简单等特点。

本文的研究将促进风能的利用，进一步推动我国的新能源建设。

关键词:风能；氢燃料电池；一体化；设计Integration Design of Wind Energy - HydrogenFuel CellAbstractWind energy is a new renewable energy. But there are some problems for energy storage and energy grid. Hydrogen fuel cell has the characteristics of environment friendly, high efficiency, low noise. And also is a very good energy storage method. In recent years, integrating the hydrogen fuel cell and wind turbines is popular in new energy researching and extension field.The principle of hydrogen fuel cell and wind turbines have discussed in this article. The hydrogen fuel cell and wind turbines have been integrated. An electrolyzer and a hydrogen storage system have been added. The integrating of wind and hydrogen fuel cell can achieve maximum utilization value. The system parameters have been designed for operation. The system optimization measures were discussed. The designed system has a long life, ease maintenance, simple operation. This study is of significance for the further application of wind energy and the construction of new energyKey words: hydrogen fuel cell; wind energy;design; integration目录论文总页数：16页1 引言 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 本课题研究的意义 (1)2 风能-氢燃料电池一体化联用系统设计原理 (2)2.1 风力发电机的原理及结构 (2)2.1.1 风力发电机的原理 (2)2.1.2 风力发电机的结构 (2)2.2 电解槽的工作原理 (4)2.3 贮氢系统的原理 (4)2.4 氢燃料电池的原理 (4)2.4.1 燃料电池的种类 (4)2.4.2 氢燃料电池原理 (5)2.4.3 氢燃料电池特性 (6)3 风能-氢燃料电池一体化设计 (6)3.1 风力发电机设计 (6)3.1.1 风力机的设计 (6)3.1.2 风力机参数的设计 (7)3.2 电解槽的设计 (9)3.3 贮氢系统参数设计 (9)3.4 氢燃料电池参数设计 (10)4 风能-氢燃料电池系统的优化 (12)4.1 温度 (12)4.2 压力 (12)4.3 利用率 (13)4.4 水管理 (13)5 应用前景 (14)结论 (14)参考文献 (14)致谢 (15)声明 (16)1 引言1.1 课题背景能源是人类生存和社会发展的物质基础。

当今世界随着煤、石油、天然气等化石燃料日益枯竭，并且伴随着污染，面对人类的可持续发展，从现有常规能源向清洁，可再生的新能源过渡已提到议事上来，因为新能源是依托高新技术的发展，开辟持久可再生能源的道路，以满足人类不断的能源需求，并保护地球的洁净。

风能是取之不尽用之不竭的能源，并且无污染，用它发电很有利，与火力发电、燃油发电、核电相比，风能不需要购买燃料，无需运输费，更不用处理燃料废渣。

[1]氢燃料电池与其他电池不同的是，它本质是个发电装置，因此它效率很高。

除此外，氢燃料电池因为使用原料是氢，反应产物是水，无污染，并且低噪音。

如能好的利用氢燃料电池，那将给人类带来巨大的利润。

质子交换膜燃料电池作为氢燃料电池的一种，由于其使用寿命长，室温工作，启动快等特点而广泛应用于家庭电源，小汽车，公共汽车等。

本文所设计的系统便选用质子交换膜燃料电池，和风能发电相搭配。

1.2 本课题研究的意义燃料电池是一种等温的将贮存在燃料与氧化剂中的化学能直接转变为电能的化学单元。

虽然也称之为电池，但燃料电池无论是原理、结构还是管理方式都与我们熟知的干电池、充电电池等常规电池有着本质的不同：燃料电池具有非常复杂的系统，其活性物质是独立于燃料电池本身而存在的，只要供给燃料和氧化剂就可以像传统的柴油机、汽油机一样连续不断的工作，与普通热发电机存在一定类似性；而常规电池的容量是有限的，一旦将电池内的活性物质消耗完就不能使用了，充电电池必须充电后才能使用。

显然，燃料电池并不是传统意义上的“电池”，而是一种直接将化学能转变成电能的“化学发电机”。

[2]本文从风能入手，风的产生来自太阳，据计算，地球上的风能约相当于10800亿吨煤所具有的能量。

这一数值约为目前全世界一年消耗能量的100倍。

风电场产生的电是最便宜的可再生资源，甚至比新型煤及核电厂的电还便宜。

在过去的几年里风力发电量每年都以约25%的速度增长，全球装机容量估计到2015年会达到35GW。

可以说风能是大自然无私的奉献。

现在人们越来越越认识到风能的重要价值。

特别是在化石能源日益枯竭，各国面临的能源危机越来越严重的情况下，并且随着保护环境的呼声越来越大，清洁能源将会受到更多亲睐。

风能作为清洁的可再生能源，将会向人类源源不断的提供能量，改变人类能源的结构。

[3]2 风能-氢燃料电池一体化联用系统设计原理风能-氢燃料电池联用系统由风力发电机、电解槽、储氢系统、氢燃料电池组成。

如图2.1所示：图2.1 风能-燃料电池联用系统结构图2.1 风力发电机的原理及结构2.1.1 风力发电机的原理风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。

广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。

风力发电利用的是自然能源。

相对柴油发电要好的多。

风力发电可视为备用电源，但是却可以长期利用。

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度，便可以开始发电。

风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。

风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。

小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。

风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。

每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。

风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V 变化的交流电。

机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连,将转矩传递到发电机的传动轴,此联轴节应按俱有很好的吸收阻尼和震动的特性，表现为吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。

另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型。

[4]2.1.2 风力发电机的结构1) 机舱：机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。

维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。

机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。

2) 转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。

现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很像飞机的机翼。

图2.2 风力发电机结构图3) 轴心：转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。

4) 低速轴：风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。

在现代600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。

轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。

5) 齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。

6) 高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。

它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。

7) 发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。

在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。

8) 偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。

偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。

图2-2中显示了风力发电机偏航装置。

通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。

9) 电子控制器：包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。

为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。

10) 液压系统：用于重置风力发电机的空气动力闸。

11) 冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。

此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。

一些风力发电机具有水冷发电机。