sterownik ogniw paliwowych
Transkrypt
sterownik ogniw paliwowych
621.354 Jacek PERZ Leszek WOLSKI STEROWNIK OGNIW PALIWOWYCH STRESZCZENIE W artykule przedstawiono opis sterownika służącego do kontroli warunków pracy ogniwa paliwowego. Sterownik może pracować samodzielnie lub wchodzić w skład stanowiska laboratoryjnego, kontrolowanego za pomocą nadzorującego komputera PC podłączonego za pośrednictwem sieci LAN. Zadaniem sterownika jest zadawanie, kontrola i rejestracja warunków pracy ogniwa takich jak: przepływ i wilgotność paliwa gazowego, parametry obciążenia, temperatura ogniwa, zawartość wodoru w gazach wylotowych i innych. Oprogramowanie wspomagające umożliwia monitorowanie, prezentację graficzną, zadawanie wartości regulacyjnych, archiwizację i obróbkę danych pomiarowych oraz generowanie raportów. W uwagach końcowych omówiono możliwości wykorzystania opracowanego sterownika i innych osiągnięć IEL do prac związanych z zastosowaniem ogniw paliwowych w pojazdach komunikacji miejskiej. 1. WSTĘP Zasada działania ogniwa paliwowego, oparta na odwracalności procesu elektrolizy wody, odkryta została jeszcze w XIX wieku. W roku 1839 fizyk brytyjski William R. Grove zademonstrował ogniwo, w którym łączenie wodoru z tlenem powodowało powstawanie prądu elektrycznego. dr inż. Jacek PERZ [email protected] mgr inż. Leszek WOLSKI [email protected] Instytut Elektrotechniki, Oddział w Gdańsku PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 222, 2005 104 J. Perz, L. Wolski Przez ponad sto lat ten sposób uzyskiwania energii elektrycznej był traktowany jedynie jako ciekawostka laboratoryjna, głównie z powodu nieracjonalnie wysokich kosztów budowy pojedynczego ogniwa. Dopiero potrzeby techniczne i ogromne nakłady związane z programem lotów kosmicznych doprowadziły do praktycznego wykorzystania ogniw paliwowych. Pierwsze zastosowanie ogniwa paliwowego jako źródła energii miało miejsce w programie Gemini w roku 1964. Od tego czasu obserwowany jest stały wzrost zainteresowania tą techniką wytwarzania energii cieplnej i elektrycznej. Istnieje wiele czynników stymulujących postęp w tej dziedzinie, z których najistotniejszy jest negatywny wpływ obecnie używanych źródeł energii na środowisko naturalne. Zaletami ogniw paliwowych są: brak części ruchomych, bezszmerowa praca, brak spalin i oddawanie do środowiska wyłącznie wody, wysoka sprawność przetwarzania paliwa, możliwość wykorzystywania paliw odnawialnych. Cenną zaletą ogniw paliwowych jest szeroka gama możliwości ich stosowania począwszy od skali mikro (do zasilania telefonów komórkowych, komputerów przenośnych), poprzez instalacje średniej mocy (energetyka rozproszona, napęd pojazdów), aż do instalacji wielkiej mocy w systemach energetycznych. Skalowalność systemów z ogniwami paliwowymi wynika z ich modularnej budowy. Podstawowym modułem jest pojedyncze ogniwo o sile elektromotorycznej około jednego Volta. Natężenie prądu dostarczanego przez ogniwo zależne jest od powierzchni jego elektrod. Wymagane parametry instalacji uzyskuje się poprzez łączenie odpowiedniej liczby ogniw. Do chwili obecnej zostało opracowanych wiele typów ogniw paliwowych, różniących się między sobą konstrukcją, materiałem elektrod, rodzajem elektrolitu i katalizatorów. Większość z nich doczekała się już praktycznego zastosowania w instalacjach eksperymentalnych na mniejszą lub większą skalę. Prognozy przewidują znaczne zwiększenie udziału ogniw paliwowych zarówno w energetyce jak i w napędach pojazdów. Stale trwają intensywne prace nad poszukiwaniem nowych rozwiązań w tej dziedzinie. Prace te zmierzają zwłaszcza w kierunku obniżenia kosztów wytwarzania ogniw i przedłużenia ich żywotności. Określenie właściwości ogniw paliwowych w różnych warunkach pracy wymaga przeprowadzania długotrwałych i pracochłonnych badań. Prezentowany sterownik ogniw paliwowych ma za zadanie zautomatyzować, usprawnić i przyspieszyć proces badania właściwości nowych konstrukcji ogniw paliwowych. Wdrożenie opracowanego sterownika pozwoli na zdobycie i upowszechnienie doświadczeń związanych z eksploatacją źródeł energii w postaci ogniw paliwowych. Zdobyte doświadczenia powinny umożliwić bezpośrednie aplikacje ogniw paliwowych w takich dziedzinach jak długoterminowe układy zasilania rezerwowego czy też przyjazne środowisku napędy pojazdów. Sterownik ogniw paliwowych 105 2. WYMAGANIA DLA STEROWNIKA Układ pracy ogniwa zawiera trzy podstawowe elementy: − ogniwo paliwowe, − system zasilania ogniwa w gazy technologiczne, − system sterowania parametrami gazów i parametrami elektrycznymi ogniwa. Zadaniem systemu sterowania jest optymalny dobór parametrów zasilania ogniwa w paliwo gazowe, kontrolę jego przepływu, nadzór nad parametrami wyjściowymi: napięcia i prądu obciążenia. Dodatkowo kontrolą powinna być objęta temperatura ogniwa, wilgotności składników zasilania, zawartość wodoru w gazach wylotowych itp. Podstawowy układ pracy ogniwa przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Podstawowy układ pracy ogniwa Jako elementy bezpośredniej kontroli dozowania paliwa stosuje się MassFlow Controllery umożliwiające, w zależności od typu, cyfrowe bądź analogowe zadawanie wartości przepływu gazu. W laboratoryjnym układzie badawczym przewiduje się ogniwo paliwowe o mocy do 100 W (10 V 100 A). Ogólny schemat blokowy układu laboratoryjnego przedstawiony został na rys. 2. 106 J. Perz, L. Wolski Rys. 2. Ogólny schemat układu laboratoryjnego pracy ogniwa Kontrolę pracy ogniwa podzielono na dwa funkcjonalnie różne układy: − układ kontroli przepływu gazów zasilających, − układ kontroli wyjściowych parametrów napięcia i prądu. Do kontroli przepływu gazów zasilających zastosowane zostały Mass Flow Controllery sterowane napięciem stałym 0-5 V. Sygnał kontrolny informujący o rzeczywistym przepływie również jest generowany w standardzie 0-5 V. Wszystkie kontrolery przepływu zasilane są z niezależnego wewnętrznego zasilacza ±15 V. Kontrola napięcia i prądu ogniwa odbywa się z wykorzystaniem przetwarzania analogowo za pomocą cyfrowego procesora DSP i karty peryferyjnej. Napięcie mierzone jest poprzez dzielnik rezystancyjny, natomiast prąd z wykorzystaniem bocznika i wzmacniacza separacyjnego. Znamionowa rozdzielczość przetwornika analogowego wynosi 10 bitów. 3. ROZWIĄZANIE SPRZĘTOWE Podstawą konstrukcji sterownika jest 19 calowa obudowa typu 3U z wsuwanymi kartami formatu eurokarty. Karty z jednej strony zawierają układy wejścia – wyjścia sprzęgająco-sterujące ogniwem paliwowym, z drugiej połączone z płytą bazową umożliwiają komunikację międzymodułową i sterowanie Sterownik ogniw paliwowych 107 konsolą operatora. W płycie czołowej umieszczony jest graficzny wyświetlacz LCD, złącze komunikacyjne RS-232 oraz włącznik zasilania. Podstawowy zestaw kart sterujących składa się z następujących elementów: − zasilacz analogowy, − konsola – sterująca i nadzorująca pracę regulatora / sterownika, wyposażona w procesor DSP TMS320LF2407A, − moduł przekaźnikowy – załączający lub wyłączający poszczególne obwody, − moduły peryferyjne – stanowiące układy wejścia – wyjścia cyfrowe lub analogowe. Układów takich może być kilka w zależności od późniejszych potrzeb. Komunikacja z centralną konsolą odbywa się poprzez szynę CAN, − zasilacz dla kontrolerów przepływu ±15 V. Podstawową konfigurację sterownika przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Podstawowa konfiguracja sterownika Jako interfejs użytkownika używany jest układ klawiatura-wyświetlacz. Zadawanie parametrów takich jak przypływy, wartości maksymalne prądów itd. 108 J. Perz, L. Wolski odbywa się za pomocą zestawu składającego się z klawiatury funkcyjnej oraz numerycznej. Podczas wprowadzania danych możliwy jest jednoczesny podgląd innych wartości mierzonych bądź zadanych. Stany awaryjne sygnalizowane są przez sygnał dźwiękowy oraz sygnalizator LED na płycie głównej sterownika. Widok płyty czołowej sterownika przedstawiono na rys. 4, natomiast przykładowe widoki ekranów roboczych zaprezentowane zostały na rys. 5. Rys. 4. Płyta czołowa sterownika Rys. 5. Przykładowe ekrany robocze Dopełnieniem systemu jest program dla komputera PC do umożliwiający monitorowanie, archiwizowanie, wizualizację i zadawania wartości regulacyjnych. Program rejestruje wszystkie parametry w bazie danych zgodnej z bazami MSAccess. Umożliwia to tworzenie zaawansowanych raportów oraz obróbkę danych w programach zgodnych z tym formatem. Program monitorujący pozwala na podgląd chwilowych wartości zarchiwizowanych parametrów w postaci tabelarycznej bądź histogramu. Przykładowe ekrany robocze programu nadzorującego zostały zaprezentowane na rys. 6. Sterownik ogniw paliwowych 109 Rys. 6. Przykładowe ekrany programu nadzorującego Sterownik wyposażony jest zestaw układów komunikacyjnych, umożliwiających współpracę z zewnętrznymi układami automatyki. Interfejs sieci Ethernet pozwala na pozwala na zdalne monitorowanie i sterowanie pracą systemu za pośrednictwem sieci lokalnej lub sieci rozległej Internet, stwarzając możliwości budowy rozproszonego systemu kontroli i sterowania zespołem baterii paliwowych. 4. ZINTEGROWANE STANOWISKO DO BADAŃ PARAMETRÓW OGNIW PALIWOWYCH Opracowany sterownik jest jednym ze składników zintegrowanego stanowiska do badań parametrów ogniw paliwowych, realizowanego w Oddziale Gdańskim dla Oddziału Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego 110 J. Perz, L. Wolski Instytutu Elektrotechniki we Wrocławiu. W skład stanowiska, przedstawionego na rys. 7, wchodzi oprócz sterownika dodatkowy moduł obciążenia aktywnego ze zwrotem energii do sieci. Sygnały kontrolne i sterujące ogniwa paliwowego Sieć Ethernet Stacja robocza Sterownik ogniwa paliwowego Sterownik obciąże nia aktywnego Sieć Ethernet Moduł zwrotu energii do sieci D d e n F Koncentrator sieciowy H S L C TD O N N E Sieć Ethernet Rys. 7. Widok zintegrowanego stanowiska do badań parametrów ogniw paliwowych Obciążenie aktywne stanowiące część zintegrowanego stanowiska badawczego może być również wykorzystywane jako niezależne urządzenie. Zapewnione jest to dzięki zastosowaniu niezależnego sterownika obciążenia z możliwością komunikacji poprzez sieć Ethernet. Współpraca obydwóch urządzeń odbywa się za pośrednictwem sieci lokalnej i w ten sam sposób są one skomunikowane z jedną lub wieloma stacjami roboczymi nadzorującymi przebieg eksperymentu. 5. UWAGI KOŃCOWE Zdobycie przez Instytut Elektrotechniki doświadczeń związanych z eksploatacją ogniw paliwowych wydaje się obecnie konieczne w związku z perspektywami rozwoju ekologicznych źródeł energii. W każdej z dziedzin, Sterownik ogniw paliwowych 111 w których obecnie wykorzystuje się ogniwa paliwowe większej mocy, takich jak zasilanie bezprzerwowe, systemy zasilania rozproszonego i ekologiczne pojazdy komunikacji miejskiej, IEL posiada znaczący dorobek w zakresie metod i urządzeń przetwarzających energię elektryczną do pożądanej postaci, natomiast nie dysponuje jeszcze doświadczeniami z wykorzystaniem ogniw paliwowych jako źródeł energii dla tych układów. Na szczególną uwagę zasługuje wykorzystanie ogniw paliwowych do zasilania pojazdów o napędzie elektrycznym. Obecnie w wielu krajach podejmowane są prace zmierzające do budowy pojazdów, napędzanych energią z ogniw paliwowych. Ze szczególną intensywnością prowadzone są prace nad zastosowaniem tego ogniwa do napędu pojazdów komunikacji miejskiej. W takim zastosowaniu mniej krytyczne stają się wymiary i ciężar ogniwa, jak również zasięg pojazdu pomiędzy tankowaniami. W Europie prace takie prowadzone są w formie projektów finansowanych przez Unię Europejską, takich jak projekty CUTE (Clean Urban Transport for Europe) czy „The Fuel Cell Bus for Berlin, Copenhagen, Lisbon”. W projektach tych duży nacisk położony został na monitoring pracy pojazdów. Przewiduje się ciągłą kontrolę pozycji autobusu oraz przesył danych dotyczących pracy jego podzespołów przy pomocy sieci telefonii komórkowej GSM. Przedstawione przykłady pokazują, że konieczność pilnej modyfikacji transportu miejskiego jest powszechnie dostrzegana i podejmowane są intensywne działania w tym kierunku. Analiza pojazdów komunikacji miejskiej wskazuje na to, że możliwe jest podejście modularne do budowy napędów tych pojazdów. W skład modułu napędowego wchodziłoby ogniwo paliwowe wraz ze sterownikiem, przekształtnik energoelektroniczny i silnik elektryczny. Pojedynczy taki moduł o mocy 75 ÷ 200 kW zastosowany może być z powodzeniem do napędu pojazdów kołowych – autobusów. Kilka takich modułów, z których każdy napędza inną oś, tworzyć może napęd pojazdu szynowego – tramwaju lub autobusu szynowego. W Polsce możliwe jest wykonywanie prac rozpoznawczych w tym temacie. Istnieją producenci pojazdów zarówno kołowych jak i szynowych. Produkowane są również układy napędu elektrycznego pojazdów. W roku 2000 w wyniku współpracy IEL z firmami NEOPLAN Polska, ZAE "WOLTAN" Łódź oraz TROBUS Gdynia powstała konstrukcja niskopodłogowego trolejbusu SOLARIS TROLLINO 12T. Konstrukcja ta stanowić może znakomitą podstawę do rozpoczęcia prac nad polskim pojazdem komunikacji miejskiej zasilanym przy użyciu ogniw paliwowych. Pomyślne wyniki zastosowania modułu z ogniwem paliwowym do napędu takiego pojazdu pozwoliłyby na kolejne zastosowania opracowanego modułu do napędu pojazdów szynowych zbudowanych na przykład w oparciu o istniejące tramwaje typu 105N, produkowane przez Alstom-Konstal i wyposażone w przekształtniki i sterowniki mikroprocesorowe 112 J. Perz, L. Wolski opracowane i wyprodukowane przez IEL. Prace nad ogniwami paliwowymi i ich sterowaniem prowadzone są w Oddziałach Instytutu Elektrotechniki we Wrocławiu i w Gdańsku. Oddział w Gdańsku ma również duże osiągnięcia w zakresie kontroli i monitoringu obiektów za pośrednictwem sieci rozległych (Internet, telefonia komórkowa GSM). Przedstawione projekty bazują na ogniwach polimerowych zasilanych wprost wodorem, którego produkcja, dystrybucja i przechowywanie w pojeździe stwarzają bardzo poważne problemy. Zastosowanie do napędu pojazdów ogniw zasilanych wprost alkoholem pozwoliłoby na ogromne uproszczenie dystrybucji i przechowywania paliwa. Do prowadzenia badań w tym zakresie potrzebne są jednak ogromne środki finansowe, które mogą być trudne do zdobycia w warunkach krajowych. Polska nie powinna jednak pozostawać na uboczu działalności badawczej Unii Europejskiej w dziedzinie transportu miejskiego. Możliwe wydaje się dołączenie polskich miast, firm i instytucji badawczych do któregoś z istniejących lub planowanych programów europejskich pod warunkiem zdobycia doświadczeń umożliwiających zaoferowanie istotnego wkładu do takiego projektu. Sterownik został opracowany jako urządzenie wchodzące w skład systemu laboratoryjnego, ale może służyć również jako samodzielny kontroler do przemysłowych urządzeń wykorzystujących ogniwa paliwowe różnych typów i różnej mocy. Przedstawiony w artykule sterownik wraz ze zintegrowanym stanowiskiem do badań parametrów ogniw paliwowych przyczyni się niewątpliwie do przyspieszenia prac nad budową i optymalnym wykorzystaniem ogniw paliwowych, prowadzonych w Oddziale Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego Instytutu Elektrotechniki we Wrocławiu. Przyjęcie sieci Internet jako sposobu komunikacji ze sterownikiem ułatwi rozpowszechnienie w Instytucie Elektrotechniki doświadczeń z eksploatacji ogniw paliwowych, co powinno zaowocować podjęciem prac nad aplikacjami ogniw paliwowych w nowoczesnych urządzeniach energoelektronicznych. Na przykład w ekologicznych pojazdach komunikacji miejskiej mogłyby znaleźć zastosowanie takie osiągnięcia IEL jak opisany sterownik, system monitoringu oraz układy napędu i automatyki wykonywane przez Zakład Trakcji Elektrycznej IEL. Rękopis dostarczono, dnia 25.11.2004 r. Opiniował: prof. dr hab. inż. Michał Lisowski 113 Sterownik ogniw paliwowych FUEL CELL VOLAGE SOURCE CONTROLLER Jacek PERZ Leszek WOLSKI ABSTRACT The paper contains a description of fuel cell controller destinated for independent use or in laboratory testing stand with supervising PC computer connected through LAN interface. The controller functions assume setting and registration of fuel cell working conditions like: fuel flow, fuel humidity, temperature of the cell, load parameters, hydrogen content in exhaust gas and others. The supporting software allows monitoring, graphical presentation, setting of regulation factors, measurement data processing, archivization and report generating. In final considerations the perspectives of application of the designed controller and other IEL achievements in urban transport vehicles supplied by fuel cells are discussed. Mgr inż. Leszek Wolski studia wyższe ukończył roku 1996 na Wydziale Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej na kierunku Przetwarzanie i Użytkowanie Energii Elektrycznej. Od 1995 roku pracuje jako asystent w Oddziale Gdańskim Instytutu Elektrotechniki. Obecnie zajmuje się projektowaniem i oprogramowaniem układów mikro-procesorowych oraz procesorów sygnałowych, bezprzewodowymi i przewodowymi technikami komunikacyjnymi oraz technologiami sterowania ogniw paliwowych.