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.