固体氧化物燃料电池-微型燃气轮机混合装置建模与仿真

摘要

固体氧化物燃料电池是未来最具发展前景的发电装置之一。与传统的发电方式最大的区别是,其能量转化方式是直接将燃料的化学能转变成电能。固体氧化物燃料电池的排气温度与微型燃气轮机涡轮进口温度具有相容性,随着微型燃气轮机技术的成熟,将它们组成混合装置,可以进一步提高系统的整体效率,降低排放。因此,混合装置被认为是未来分布式发电系统的最佳选择。由于混合装置试验研究周期较长,实验成本较高,存在许多不确定因素。利用仿真手段进行混合装置的性能研究可以缩短研制周期,节约成本,对于混合装置的研制具有十分重要的意义。本文进行了以下几方面的工作：首先,建立了固体氧化物燃料电池的一维数学模型。基于容积惯性和阻力特性建模技术及有限差分方法,给出了固体氧化物燃料电池的容阻动态模型。在MATLAB/SIMULINK仿真平台上建立了该燃料电池的仿真模块,进行了稳态数值模拟和动态仿真,结果表明：该模型能反映平板型固体氧化物燃料电池的分布参数特性和基本性能；在改变进口燃料的流量后,电池出口的温度和功率变化不大。其次,建立了回热型微型燃气轮机系统的数学模型和仿真模块库,并进行了系统仿真试验。稳态仿真结果与参考文献提供的参数相近,模型动态响应符合燃气轮机的一般特性,验证了模型的正确性和可用性。最后,建立了基于模块化思想的固体氧化物燃料电池-微型燃气轮机混合装置(SOFC-MGT)的仿真模型,进行了稳态和动态仿真研究。混合装置在设计工况下系统效率可达55%；系统动态响应时间为1500s,这主要受热惯性较大的热交换器和燃料电池部件的影响。本文对SOFC-MGT混合装置的特性进行了仿真研究,仿真结果表明,该模型库适合混合装置的仿真要求,为SOFC-MGT混合装置的设计及后续的系统控制策略的研究提供了参考。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题的背景与意义

1.2 固体氧化物燃料电池-微型燃气轮机混合装置概述

1.3 SOFC-MGT 混合装置仿真建模的研究状况

1.4 本文的主要工作

第二章 固体氧化物燃料电池的数学模型

2.1 模型假设

2.2 模型描述

2.3 求解偏微分方程和性能参数

2.4 结论

第三章 固体氧化物燃料电池的性能仿真

3.1 MATLAB/SIMULINK 简介

3.2 仿真模型的建立

3.3 燃料电池的输入参数和工作条件

3.4 稳态仿真结果及讨论

3.5 动态仿真结果及讨论

3.6 结论

第四章 微型燃气轮机建模及仿真

4.1 微型燃气轮机的数学模型

4.2 微型燃气轮机模型

4.3 结论

第五章 固体氧化物燃料电池-燃气轮机混合装置建模与仿真

5.1 混合装置系统结构

5.2 混合装置模型

5.3 仿真结果及分析

5.4 结论

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢