Ρύθμιση συστήματος κυψέλης καυσίμου βασισμένη σε μαθηματικό μοντέλο προβλεπτικού ελέγχου και ανίχνευση μεγίστουσ σημείου λειτουργίας:
Creators: name: Ζιώγου, Χρυσοβαλάντης Οδυσσέα
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2009
Subjects: Προβλεπτικός έλεγχος
Κέλια καυσίμου
Ρύθμιση
Ανίχνευση μεγίστου
Model predictive control
Fuel cells
Maximum power point tracking
Optimum power targeting

description: Οι κυψέλες καυσίμου αποτελούν μέρος μιας πολλά υποσχόμενης και φιλικής προς το περιβάλλον τεχνολογίας, που έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον τόσο της βιομηχανικής όσο και της βασικής έρευνας τα τελευταία χρόνια. Αποτελούνται από ένα σύνολο από υλικά και εξοπλισμού που στην γενική μορφή λειτουργίας τροφοδοτούνται από ένα καύσιμο (αντιδρών) και από αέρα τα οποία διαχωρίζονται από ημιπερατή μεμβράνη.Στην ειδική περίπτωση των πολυμερικών κελιών καυσίμου που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή την εργασία, το καύσιμο είναι το καθαρό υδρογόνο και η μεμβράνη κάποιο πολυμερικό υλικό. Σε κάθε περίπτωση η παραγωγή ενέργειας αναφέρεται στην εκμετάλλευση της κίνησης ηλεκτρικού φορτίου μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος με σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Πολλές φορές, αναλόγως του μεγέθους και άλλων λειτουργικών και κατασκευαστικών χαρακτηριστικών, σημαντικό και εκμεταλλεύσιμο είναι και το ποσό της παραγόμενης θερμότητας κατά την λειτουργία τους. Όμως λόγω των περιορισμών που τίθενται από τα υλικά, η ισχύς που ζητείται από την κυψέλη καυσίμου δεν μπορεί να χρησιμοποιείται αυθαίρετα χωρίς να λαμβάνονται υπόψη οι εσωτερικές επιδράσεις που προκαλεί, όπως είναι η κατάσταση της μεμβράνης (υγρασία), η διαθεσιμότητα των αντιδρώντων, η μεταβολή της θερμοκρασίας και άλλα. Επιπλέον η δυναμική απόκριση της κυψέλης καυσίμου επηρεάζεται όταν υπάρχουν απότομες διακυμάνσεις στις απαιτήσεις ισχύος ή όταν η κυψέλη δεν λειτουργεί στην επιθυμητή περιοχή όπως προσδιορίζεται από τα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά της. Η επιλογή της λειτουργικής περιοχής οδηγεί σε διαφορετική συμπεριφορά του συστήματος που αφορά την αποδοτικότητα, την λειτουργικότητα, την ευστάθεια και την ασφάλεια της κυψέλης. Επισημαίνεται τέλος αν και στην εργασία ως σύστημα αναφέρεται το προς έλεγχο ηλεκτροχημικό σύστημα της κυψέλης, στην πραγματικότητα μπορεί να αποτελεί και το επιπλέον υποστηρικτικό σύστημα από συσκευές όπως συμπιεστές, αντλίες κλπ. των οποίων ο έλεγχος ξεφεύγει από τα όρια αυτής της βασικής θεωρητικής εργασίας. Παρόλα αυτά αποτελούν ένα πολύ ενδιαφέρον πεδίο για εφαρμογή των ίδιων τεχνικών που παρουσιάζονται στην συνέχεια.Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται μία ολοκληρωμένη στρατηγική ελέγχου που αποτελείται από τον σε σειρά υπολογισμό της μέγιστης ισχύος και την χρήση ενός μη γραμμικού δυναμικού μοντέλου της κυψέλης καυσίμου. Η χρήση του σχήματος προβλεπτικού ελέγχου θεωρείται ως μια δημοφιλής τεχνική προηγμένης ρύθμισης εξαιτίας της δυνατότητας που έχει να λειτουργεί την διεργασία με τέτοιο τρόπο, ώστε να ικανοποιούνται πολλαπλά και μεταβαλλόμενα λειτουργικά κριτήρια, ακόμη και όταν υπάρχουν αλλαγές στα χαρακτηριστικά του συστήματος ή η λειτουργία του συστήματος υπόκειται σε περιορισμούς. Το σχήμα ελέγχου που βασίζεται στις προρρήσεις του μη γραμμικού μοντέλου, έχει ως στόχο να οδηγήσει το σύστημα στην βέλτιστη (ως προς την προσέγγιση στις λειτουργικές απαιτήσεις) περιοχή λειτουργίας όπως αυτή προσδιορίζεται από τον αλγόριθμο υπολογισμού της μέγιστης ισχύος και υπόκεινται σε περιορισμούς από το φυσικό σύστημα, με σκοπό την ασφαλέστερη λειτουργία του. Το μοντέλο υλοποιήθηκε και πιστοποιήθηκε χρησιμοποιώντας δεδομένα από μία κυψέλη μονού κελιού υψηλής θερμοκρασίαςτύπου πολυμερικής μεμβράνης (PEM), που λειτουργεί σε συνθήκες σταθερής πίεσης και θερμοκρασίας.Για τον υπολογισμό της βέλτιστης τιμής της πυκνότητας ρεύματος χρησιμοποιήθηκε ένας σε σειρά βελτιστοποιητής με σταθμισμένη αντικειμενική συνάρτηση, που συμπεριλαμβάνει τις απαιτήσεις για ισχύ και τον λόγο περίσσειας οξυγόνου.Επομένως ο συνολικός στόχος του ελέγχου είναι να προσδιοριστεί το ηλεκτρικό ρεύμα ως μεταβλητή εισόδου με τέτοιο τρόπο ώστε να υπάρχει ικανοποιητική ποσότητα οξυγόνου στην κάθοδο για να προφυλάσσεται η λειτουργία της κυψέλης και παράλληλα να παράγεται ικανή ποσότητα ενέργειας, με δεδομένη πάντα παροχή αερίου, για να ικανοποιείται η μέγιστη απαίτηση ισχύος. Η πυκνότητα ρεύματος αποτελεί την χειραγωγούμενη μεταβλητή του συστήματος. Λαμβάνοντας υπόψη τις μετρήσεις τάσης που προέρχονται από την εφαρμογή της χειραγωγούμενης μεταβλητής στο σύστημα και το σημείο λειτουργίας, το μοντέλο προσαρμόζεται μέσω της εκτίμησης των παραμέτρων που σχετίζονται με τις απώλειες ενεργοποίησης και συγκέντρωσης, ώστε να υπολογιστεί ένα νέο μέγιστο σημείο ισχύος και να τροφοδοτηθεί στο μη γραμμικό προβλεπτικό ελεγκτή.Στο 1ο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή στην τεχνολογία των κυψελών καυσίμου ή των απλών κελιών και περιγράφονται οι τύποι των κυψελών. Ακολουθεί η ανάλυση της βασικής δομής μίας κυψέλης καυσίμου, δηλαδή ο ηλεκτρολύτης, τα ηλεκτρόδια, το στρώμα διάχυσης αερίων και οι διπολικές πλάκες. Επίσης περιγράφονται τα υποσυστήματα που απαρτίζουν ένα ολοκληρωμένο σύστημα κυψέλης καυσίμου.Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση των ηλεκτροχημικών εξισώσεων που περιγράφουν την λειτουργία της κυψέλης καυσίμου. Πιο συγκεκριμένα αναλύονται θεωρητικά οι απώλειες που εμφανίζονται κατά την λειτουργία του συστήματος και παρατίθενται οι σχέσεις για τον υπολογισμό της τάσης εξόδου.Στην συνέχεια στο κεφάλαιο 3 γίνεται η μοντελοποίηση του συστήματος μέσω της περιγραφής των ισοζυγίων μάζας και τον υπολογισμό των απωλειών. Αφού αναπτυχθεί το μοντέλο γίνεται μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς του μέσω ενός συνόλου δοκιμών.Στο 4ο κεφάλαιο αναπτύσσεται το σχήμα ελέγχου. Αρχικά γίνεται ταυτοποίηση της λειτουργίας του μοντέλου ως προς ένα κελί καυσίμου τύπου PEM υψηλής θερμοκρασίας. Για να βελτιωθεί η ακρίβεια της απόκρισης έγινε εκτίμηση συγκεκριμένων παραμέτρων που επηρεάζουν την λειτουργία του μοντέλου σε ακραίες περιοχές λειτουργίας. Στη συνέχεια μελετήθηκε η απόκριση του συστήματος όταν χρησιμοποιείται συμβατικός έλεγχος (PID) για την ρύθμιση της απαιτούμενης ισχύος. Τέλος περιγράφεται η δομή ενός σχήματος προβλεπτικού ελέγχου και εφαρμόζεται στο υπό μελέτη σύστημα. Με βάση το σχήμα MPC εκτελούνται. διαφορετικά σενάρια λειτουργίας για να διαπιστωθεί η εύρυθμη λειτουργία του εντός μιας βέλτιστης περιοχής που εξασφαλίζει ταυτόχρονα και την ασφάλειά του.
description: Fuel cells are part of the most promising environmentally friendly and benign technologies that has attracted the attention of both industrial and basic research in the recent years. Due to material limitations, the power of the fuel cell cannot be arbitrary used without prior consideration on the internal effects such as the condition of the membrane (humidity), the provision for fuel and oxidant supply, temperature gradients and so forth. Also the dynamic response of the fuel cell is influenced when abrupt changes occur in the power demand or when the fuel cell is not operating at its optimum region defined by its design characteristics. The choice of the operating region leads to different characteristics for the unit regarding its profitability, effectiveness and safety.In the current study an integrated framework that consists of an online maximum power point prediction and a non-linear model based control scheme that aims the previously calculated target, is presented using a nonlinear dynamic fuel cell model. MPC can be considered as a popular advanced control technique, due to its ability to operate the process in such a way that multiple and changing operational criteria can be fulfilled in the presence of changes in process characteristics and when constraints are imposed. The proposed control framework, which is based in the predicted actions of the nonlinear model, aims to maintain the fuel cell close to the optimum power point as it is defined by the corresponding maximum targeting algorithm and it is subjected to constrains imposed by the physical system. The overall objective is to operate dynamically at lower oxygen excess ratio without running the risk of starvation. The model is constructed and validated using experimental data based on a specific application, consisting of a high temperature PEM Fuel Cell (FC) working at a constant pressure and a Power Conversion Device capable of controlling the current drawn from the FC.An online optimization with weighted objective functions of power targeting and oxidant excess ratio was used in order to calculate the optimum value of the current density, which is the manipulated variable. The overall objective is to define the input current in such a way the operation of the FC is protected kai at the same time to provide adequate amount of power, using a standard gas supply, in order to satisfy a near optimum power demand. Taking into account the measurements that derive from the application of the manipulated variable on the unit the model is adjusted through parameter estimation of activation and concentration losses and a new maximum power point is calculated and sent to the nonlinear model predictive controller.In chapter 1 the history of the development of the FC’s is described, along with the categories of available FC systems. After that the basic structure of a FC is analyzed, which consists of the electrolyte, the electrodes, the gas diffusion layer and the bipolar plates. Also the main subsystems of an integrated system are presented.On the 2nd chapter the electrochemical equations that describe the operation of the fuel cell are described. To be more specific the theoretic voltage drops or losses are analyzed, which appear during the operation of he system and also the calculation of the cell voltage is discussed.To continue in chapter 3 with the modeling of the system, through the development of the mass balances kai the calculation of the losses. Afterwards the several experiments are conducted to study the dynamic response of the system.In chapter 4 the control framework is developed. Initially the model is verified in conjunction with a high temperature PEM single cell. To further improve the system’s response accuracy, specific parameters were estimated, that affect the FC when it operates at the regions where activation and concentration losses occur.After the parameter estimation, a conventional PI controller for the regulation of the power was used, in order to study the response of the system. Finally the structure of a Model Predictive Control framework is described, which is applied to the aforementioned dynamic model of the system. Several experiments are performed with the developed MPC scheme, to ascertain the operation of the FC with its predefined optimum region and ensure a safe operation.