Partial Solution of Hybrid System with Low-Temperature Fuel Cells and Renewable Sources

Práce se zabývá principy funkce nízkoteplotního palivového článku s polymerním elektrolytem (PEMFC), fotovoltaického zdroje (FVE) a větrného zdroje energie (VTE) a řeší jejich podrobná matematická vyjádření. V rámci práce jsou jednotlivé zdroje simulovány a jejich modely jsou podrobeny důkladné analýze. Samotnému simulování předchází seznámení se s významnými historickými milníky ve vývoji palivových článků. Dále je provedena základní klasifikace palivových článků a jsou uvedeny charakteristické vlastnosti článků používaných v energetice. V práci jsou také uvedeny informace o projektech, které řeší implementaci PEMFC jako primárního nebo doplňkového zdroje energie. Ve spojitosti s nastíněnou možností uplatnění nízkoteplotních palivových článků, jako vodíkové technologie v blízké budoucnosti, jsou pro komplexnost představeny i základní metody výroby vodíku a možnosti jeho skladování. Práce je výhradně zaměřena na zdokonalení matematických modelů PEMFC, které v rámci hybridního systému kooperují s obnovitelnými zdroji energie (OZE). Součástí práce je proto krátké review jednotlivých provozovaných nebo modelovaných konceptů hybridních systémů v energetice, na kterých jsou specifikovány hlavní nedostatky modelů PEMFC nebo systému jako celku. Specifikace nedostatků vede k vytvoření nového zdokonaleného dynamického modelu palivového článku, který umožňuje analýzu vývoje elektrických a neelektrických veličin v rámci scénáře s dlouhodobou zátěží. Dále jsou zde představeny výsledky tepelných experimentů a dynamického chování palivového článku, které byly získány pomocí modelu rozšířeného ještě o reformér a DC/DC konvertor. V práci je dále vytvořen model fotovoltaického modulu, který je založen na parametrizaci výhradně ze štítkových hodnot a který je podroben základním experimentům s využitím reálně změřených hydrometeorologických dat. V případě, že hybridní systém využívá OZE, je dobré znát vývoj atmosférických podmínek v místě instalace těchto zdrojů. Konkrétně pro FVE je možné využít veřejně dostupných databází obsahující informace o hodnotách dopadajícího slunečního záření pro zvolenou lokalitu. Veřejné databáze často slouží pro prvotní návrh a výrobní možnosti FVE. V reakci na to je v práci provedeno zhodnocení relevance těchto databází, a to na základě konfrontace s dlouhodobě reálně měřenými daty, jež jsou využita pro zmíněné experimenty fotovoltaického modulu. Částečně je zde také řešena problematika větrného zdroje energie. V této souvislosti je zde popsán a simulován pouze zjednodušený model VTE. V navazující práci pak lze vytvořené modely subsystémů všeobecně implementovat jako parciální vstupy hybridního systémů. Práce byla zpracována v Centru výzkumu a využití obnovitelných zdrojů energie (CVVOZE) za finanční podpory Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky v rámci projektu č. LO1210 - Energie v podmínkách udržitelného rozvoje (EN-PUR) a v rámci projektu specifického výzkumu č. FEKT-S-14-2520 - Nové technologie pro udržitelnou elektroenergetiku a dále za finanční podpory Technologické agentury České republiky v rámci projektu č. TA03020523 - Dynamický model distribuční sítě.The thesis deals with the principle functions of low-temperature fuel cells with proton exchange membrane (PEMFC), photovoltaic sources (PVPP) and wind energy sources (WPP), along with solving their detailed mathematical expressions. In this work, the individual sources and their simulated models are analyzed in depth. The actual simulation is preceded by familiarization with important historical milestones in the development of fuel cells. Furthermore there is a basic classification of fuel cells and the characteristics of the cells used in the energy sectors. The text also provides information on projects that address the implementation of PEMFC as a primary or supplementary source of energy. Along with outlining the options for PEMFC as a perspective hydrogen technologies in the near future, the basic methods of hydrogen production and storage options are presented for the complexity. The work is exclusively focused on improving PEMFC mathematical models that under the hybrid system cooperate with renewable energy sources (RES). Part of the theses contains a short review of run or modeled concepts of hybrid systems in the energy sector. Using these models the main deficiencies of the models or of the whole PEMFC system can be identify. Specifications of the deficiencies lead to the creation of a new advanced dynamic PEMFC model that allows an analysis of the development of electrical and non-electrical quantities using long term tests. Furthermore, the thesis presents results of the experiments of thermal and dynamic behavior PEMFC, which were obtained from the additionally extended model with a reformer and the DC/DC converter. In this text there is a model of a photovoltaic module created, which is based on the nominal values parameterization. The model is subjected to basic experiments in which measured hydrometeorological data are used. If the hybrid system utilizes renewable energy sources, it is good to know the evolution of atmospheric conditions in the installation of these resources. Specifically for PVPP, publicly available databases containing information about solar radiation levels can be used for the selected location. Public databases are often used for initial design and manufacturing options for PVPP. An evaluation of the relevancy of public databases is performed based on a long-term observation of real measured data. Furthermore, these data are used for experiments on the photovoltaic module. Partially the text addresses the issue of the wind energy sources, however, it is simulated only on a simplified model of WPP. Created models of subsystems can be generally implemented as partial inputs hybrid systems in the future work. The thesis was developed at Centre for Research and Utilization of Renewable Energy (CVVOZE) with the financial support of the National Programme for Sustainability and the Ministry of Education, Youth and Sports of the Czech Republic under the project no. LO1210 - Energy for Sustainable Development and the project no. FEKT-S-14-2520 - New Technologies for Sustainable Development of Electrical Power Systems. The thesis was also generated under the project no. TA03020523 - Dynamic model of distribution network with the financial support of Technology Agency of the Czech Republic.