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DE112006003417T5 - Optimization of the efficiency of a photovoltaic electrolysis device - Google Patents

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DE112006003417T5
DE112006003417T5 DE112006003417T DE112006003417T DE112006003417T5 DE 112006003417 T5 DE112006003417 T5 DE 112006003417T5 DE 112006003417 T DE112006003417 T DE 112006003417T DE 112006003417 T DE112006003417 T DE 112006003417T DE 112006003417 T5 DE112006003417 T5 DE 112006003417T5
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DE
Germany
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modules
operating
electrolyzer
array
photovoltaic
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Application number
DE112006003417T
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German (de)
Inventor
Thomas L. Utica Gibson
Nelson A. Sterling Heigts Kelly
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
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Publication date
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    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • C25B15/02Process control or regulation
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Wasserstoff produzierenden Elektrolysevorrichtung, die durch zwei oder mehr verfügbare, durch Sonnenlicht bestrahlte Fotovoltaikmodule, nämlich ein Array aus Modulen, beaufschlagt wird, wobei die Elektrolysevorrichtung zwei oder mehr Elektrolysezellen und einen Betriebsgleichstrom und eine Betriebsspannung aufweist, wobei ein oder mehrere Fotovoltaikmodule in einer Parallel- oder Reihenschaltungsanordnung zusammenschaltbar sind, um unterschiedliche Arrays aus einem Modul/aus Modulen zur Abgabe von Gleichstromleistung an die Elektrolysezellen zu bilden, wobei ein gegebenes Array aus einem Modul/aus Modulen weniger als die Gesamtzahl von verfügbaren Modulen umfassen kann, wobei das Verfahren umfasst, dass:
Maximalleistungspunkt-Betriebsspannungen für repräsentative Arrays aus einem Modul/aus Modulen vorbestimmt werden;
ein Betriebsstrom und eine Betriebsspannung für die Elektrolysevorrichtung für eine gewünschte Wasserstoffproduktionsrate bestimmt werden; und
ein Fotovoltaikarray aus einem Modul/aus Modulen als ein gegenwärtig arbeitendes Array ausgewählt und angewandt wird, um mit seiner Maximalleistungspunkt-Spannung zur Abgabe des bestimmten Betriebsstromes und der bestimmten Betriebsspannung an die Elektrolysevorrichtung zu arbeiten.
A method of operating a hydrogen producing electrolyzer powered by two or more available photovoltaic modules irradiated by sunlight, namely an array of modules, the electrolyzer comprising two or more electrolytic cells and a DC operating voltage and an operating voltage, one or more photovoltaic modules in a parallel or series circuit arrangement are interconnectable to form different arrays of a module / modules for delivering DC power to the electrolysis cells, wherein a given array of modules / modules may comprise less than the total number of available modules, the method includes that:
Maximum power operating voltages for representative arrays of one module / modules are predetermined;
determining an operating current and an operating voltage for the electrolyzer for a desired hydrogen production rate; and
a photovoltaic array is selected from a module (s) as a currently operating array and is applied to operate at its maximum power point voltage to deliver the particular operating current and voltage to the electrolyzer.

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Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Diese Erfindung betrifft die Wasserstoffproduktion durch elektrolytische Zerlegung von Wasser. Genauer betrifft diese Erfindung die optimierte Verwendung von Fotovoltaikmodulen, um Leistung für die elektrolytische Produktion von Wasserstoff aus Wasser zuzuführen.These This invention relates to hydrogen production by electrolytic Decomposition of water. More specifically, this invention relates to the optimized Use of photovoltaic modules to power for electrolytic production supplied by hydrogen from water.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Wie in der oben genannten Stammanmeldung offenbart, ist die solare Wasserstofferzeugung durch Fotovoltaik-Elektrolysevorrichtungssysteme (PV-Elektrolysevorrichtungssysteme, PV von engl. "photovoltaic") eine erneuerbare und für die Umwelt vorteilhafte Energiequelle für Brennstoffzellenfahrzeuge und andere Anwendungen, die Wasserstoff als Brennstoff benutzen. Das Fotovoltaiksystem und die Wasserstoff produzierende Elektrolysevorrichtung sind jedoch getrennte und unterschiedlich arbeitende Vorrichtungen, deren Verwendung und Arbeitsabläufe koordiniert werden müssen, um geeignete Betriebswirkungsgrade für jede zu erreichen, wenn sie in Kombination verwendet werden.As disclosed in the above parent application is solar hydrogen production by photovoltaic electrolysis device systems (PV electrolysis device systems, PV from engl. "photovoltaic") a renewable and for the environmentally beneficial energy source for fuel cell vehicles and other applications that use hydrogen as fuel. The photovoltaic system and the hydrogen-producing electrolysis device are however separate and differently working devices, their use and work processes have to be coordinated to achieve appropriate operating efficiencies for each, if they be used in combination.

Ein Fotovoltaiksystem umfasst typischerweise eine Gruppe aus einzelnen planaren Solarzellen, die in Zeilen und Spalten in einem flachen, Modul genannten Panel angeordnet sind. Jede Zelle in einem Modul ist typischerweise aus dem gleichen chemischen Material hergestellt, das die Eigenschaft besitzt, einfallende Sonnenstrahlung in ein elektrisches Potenzi al umzuwandeln. Materialien für derartige Fotovoltaikzellen umfassen beispielsweise kristallines Silizium, amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Selen (CuInSe2) oder Cadmium-Tellur (CdTe). Eine repräsentative Zellenmembran könnte beispielsweise im Leerlauf ein elektrisches Gleichstrompotenzial von 0,6 V bei einer Zellenmembrantemperatur von 25°C produzieren, wenn es eine Sonnenstrahlung von 100 mW/cm2 (eine Bestrahlung von einer Sonne) empfängt. Die mehreren Zellen in einem planaren Modul können eingerichtet und elektrisch angeschlossen sein, um eine festgelegte Betriebsspannung und einen festgelegten Gleichstrom bei einer festgelegten Temperatur und unter festgelegten Sonnenbestrahlungs- und Betriebslastbedingungen zu produzieren. Zwei oder mehr Module können in einer elektrischen Reihen- oder Parallelschaltung zu einer Gruppe von Modulen, die Array genannt wird, zusammengeschaltet sein.A photovoltaic system typically comprises a group of individual planar solar cells arranged in rows and columns in a flat panel called a module. Each cell in a module is typically made of the same chemical material that has the property of converting incident solar radiation into electrical potential. Materials for such photovoltaic cells include, for example, crystalline silicon, amorphous silicon, copper indium selenium (CuInSe 2 ) or cadmium tellurium (CdTe). For example, a representative cell membrane could produce a DC electrical potential of 0.6 V at a cell membrane temperature of 25 ° C when idle, when receiving solar radiation of 100 mW / cm 2 (an irradiation from a sun). The plurality of cells in a planar module may be configured and electrically connected to produce a specified operating voltage and current at a specified temperature and under specified solar irradiation and operating load conditions. Two or more modules may be interconnected in an electrical series or parallel connection to a group of modules called arrays.

Es gibt auch bekannte Elektrolysevorrichtungssysteme für die elektrolytische Dissoziation von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff. Beispiele umfassen alkalische Elektrolysevorrichtungen, Protonenaustauschmembranelektrolysevorrichtungen (PEM-Elektrolysevorrichtungen), Dampfelektrolysevorrichtungen und Hochdruckelektrolysevorrichtungen. Für viele Anwendungen kann eine alkalische Elektrolysevorrichtung bevorzugt sein. Die Elektrolysevorrichtung besteht typischerweise aus einer Gruppe einzelner Zellen, die elektrisch zusammengeschaltet sind, um eine gewünschte Wasserstoffproduktionsrate unter Verwendung festgelegter elektrischer Leistungsparameter zu erhalten. Die einzelne alkalische Wasserelektrolysevorrichtung kann beispielsweise einen Elektrolyten aus wässrigem Kaliumhydroxid (5 M KOH), eine Platin- oder Nickelkathode (für Wasserstoff) und eine geeignet mit einem Katalysator versehene Anode zur Sauerstofferzeugung umfassen.It There are also known electrolysis device systems for the electrolytic Dissociation of water to hydrogen and oxygen. Examples include alkaline electrolyzers, proton exchange membrane electrolyzers (PEM electrolysis devices), steam electrolysis devices and high pressure electrolysis devices. For many Applications may prefer an alkaline electrolyzer be. The electrolyzer typically consists of a Group of individual cells that are electrically interconnected to a desired Hydrogen production rate using specified electrical To obtain performance parameters. The single alkaline water electrolysis device For example, an electrolyte of aqueous potassium hydroxide (5 M KOH), a platinum or nickel cathode (for hydrogen) and a suitable comprising a catalyst provided with an anode for oxygen generation.

Bei dem Entwurf einer festgelegten Wasserstofferzeugung wird der Betrieb der Elektrolysevorrichtung für eine gewünschte Wasserstoffproduktionsrate entworfen und festgelegt. Der Elektrolysevorrichtungsentwurf wird eine festgelegte Anzahl von Elektrolysezellen mit einer DC-Spannung/Zelle von etwa 1,6 Volt und eine elektrische Leistungsanforderung für die geplante Wasserstoffproduktionsrate und den Betriebstemperaturbereich des Systems aufweisen. Die mehreren elektrolytischen Zellen können in einer elektrischen Reihen- oder Parallelschaltung angeordnet sein. Dann ist ein Fotovoltaiksystem mit der Fähigkeit, elektrische Leistung effizient an die Elektrolysevorrichtung zu liefern, vorgesehen.at the design of a specified hydrogen production becomes the operation the electrolysis device for a desired one Hydrogen production rate designed and scheduled. The electrolysis device design becomes a fixed number of electrolysis cells with a DC voltage / cell of about 1.6 volts and an electrical power requirement for the planned Hydrogen production rate and the operating temperature range of the Systems have. The multiple electrolytic cells may be in be arranged an electrical series or parallel connection. Then a photovoltaic system with the ability to electric power provided efficiently to the electrolyzer.

Es ist erkannt worden, dass ein gegebenes PV-System aus Zellen und Modulen eine Maximalleistungspunkt-Spannung für das System aufweist, die aus einer vorbestimmten Beziehung zwischen einer Ist-Spannung und einem Ist-Strom unter Last zu finden ist. Es ist erkannt worden, dass verbesserte Wirkungsgrade erlangt werden, indem die Anzahl von Elektrolysevorrichtungszellen derart modifiziert wird, dass ein PV-System bei seiner Maximalleistungspunkt-Spannung betrieben werden kann. Im Gegensatz dazu kann die Anzahl von Modulen in dem PV-System derart verändert werden, dass die von der Elektrolysevorrichtung erforderliche Last zu dem überarbeiteten und unkonfigurierten PV-System passt. Jedoch kann der Betrieb des PV-Systems und des Elektrolysevorrichtungssystems variieren. Beispielsweise ist der Betrieb des PV-Systems besonders gegenüber einer Schwankung der Umgebungstemperatur und der Sonnenbestrahlung empfänglich. Bei diesem Beispiel gibt es einen fortdauernden Bedarf, die sich verändernden Betriebseigenschaften des PV-Systems zu erkennen und den Gesamtbetrieb der PV-Elektrolysevorrichtungen an derartige Änderungen anzupassen, um die Betriebswirkungsgrade der kombinierten Systeme aufrecht zu erhalten.It has been recognized that a given PV system of cells and modules has a maximum power point voltage for the system to be found from a predetermined relationship between an actual voltage and an actual current under load. It has been recognized that improved efficiencies are achieved by modifying the number of electrolyzer cells so that a PV system can operate at its maximum power point voltage. In contrast, the number of modules in the PV system may be changed such that the load required by the electrolyzer fits the revised and unconfigured PV system. However, the operation of the PV system and the electrolyzer system may vary. For example, the operation of the PV system is particularly susceptible to variations in ambient temperature and solar radiation Lich. In this example, there is a continuing need to be aware of the changing operating characteristics of the PV system and to adapt the overall operation of the PV electrolysis devices to such changes in order to maintain the operating efficiencies of the combined systems.

Dementsprechend verbleibt ein Bedarf für Praktiken zum Optimieren des Betriebs einer Gruppe von Fotovoltaikmodulen (Arrays) in Kombination mit einer Elektrolysevorrichtung mit einer Gruppe Zellen für die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff.Accordingly there remains a need for Practices for optimizing the operation of a group of photovoltaic modules (Arrays) in combination with an electrolysis device with a Group cells for the electrolysis of water to hydrogen and oxygen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Es werden Verfahren für den Entwurf und/oder den Betrieb eines solar beaufschlagten Fotovoltaik-Elektrolysevorrichtungssystems für eine effiziente Produktion von Wasserstoff aus Wasser bereitgestellt. Die Verfahren sind allgemein auf Elektrolysevorrichtungssysteme und Fotovoltaiksysteme anwendbar. Das Ziel der Verfahren ist, es jedem separaten System, nämlich fotovoltaisch und Elektrolysevorrichtung, zu ermöglichen, in deren Kombination effizient zu arbeiten.It will be procedures for the design and / or operation of a solar powered photovoltaic electrolyzer system for one efficient production of hydrogen from water provided. The methods are generally on electrolyzer systems and photovoltaic systems applicable. The goal of the procedure is to do it each separate system, namely photovoltaic and electrolysis device, to allow, in their combination to work efficiently.

Die Elektrolysevorrichtung wird auf der Basis einer Entwurfsrate der Wasserstoffproduktion bemessen. Die Wasserstoffproduktionsrate wird eine Berechnung eines Betriebsgleichstromes (Ioper) und eine Festlegung einer Anzahl von in Reihe geschalteten elektrolytischen Zellen zulassen. Einige Elektrolysevorrichtungszellen können auch in einer elektrischen Parallelschaltung angeordnet sein. Die Betriebsspannung (Voper) wird aus der Anzahl von Zellen in einer elektrischen Reihenschaltung geschätzt. Das Testen des Systems wird eine genaue Bestätigung der Betriebsstrom- und Betriebsspannungswerte für die Elektrolysevorrichtung und eine geeignete Betriebstemperatur oder einen geeigneten Betriebstemperaturbereich für den effizientesten Betrieb der Elektrolysevorrichtung liefern. Ein Ziel der Praxis dieser Erfindung ist es, ein Fotovoltaiksystem (PV-System) zum Beaufschlagen der festgelegten Elektrolysevorrichtung bereitzustellen, sodass das PV-System in der Lage ist, mit einem effizientesten Spannungs pegel bei der Abgabe von Gleichstromleistung an die Elektrolysevorrichtung zu arbeiten.The electrolyzer is sized based on a design rate of hydrogen production. The hydrogen production rate will allow calculation of a DC operating current (I oper ) and a determination of a number of series connected electrolytic cells. Some electrolyzer cells may also be arranged in electrical parallel connection. The operating voltage (V oper ) is estimated from the number of cells in an electrical series circuit. The testing of the system will provide an accurate confirmation of the operating current and operating voltage values for the electrolyzer and a suitable operating temperature or range of operating temperatures for the most efficient operation of the electrolyzer. An object of the practice of this invention is to provide a photovoltaic system (PV system) for charging the specified electrolyzer so that the PV system is able to operate at a most efficient voltage level in delivering DC power to the electrolyzer.

Ein PV-System ist derart organisiert, dass es ein Array aus einzelnen Modulen umfasst, die in elektrischen Reihen- oder Parallelschaltungen angeordnet sein können. Beispielsweise kann ein Array aus PV-Modulen mit einigen in Reihe geschalteten Modulen, um eine geeignete Betriebsspannung für die Elektrolysevorrichtung bereitzustellen, und einigen parallel geschalteten organisiert sein, um einen geeigneten Betriebsstrom für die erforderliche Wasserstoffproduktionsrate bereitzustellen. Der Maximalleistungspunkt für jedes Modul wird bestimmt und aufgezeichnet, und dessen Betriebsschwankung mit der Temperatur wird ermittelt und aufgezeichnet.One PV system is organized such that it is an array of individual Includes modules in series or parallel electrical connections can be arranged. For example, an array of PV modules with some in series switched modules to a suitable operating voltage for the electrolyzer to be provided, and organized in parallel, for a suitable operating current for the required hydrogen production rate provide. The maximum power point for each module is determined and recorded, and its operating fluctuation with the temperature is determined and recorded.

Spannungs- und Stromsensoren sind angeschlossen, um die Betriebsspannung und den Betriebsstrom des Fotovoltaik-Elektrolysevorrichtungssystems zu messen, und Temperatursensoren sind eingebaut, um die Betriebstemperatur der Fotovoltaikmodule zu messen. Ferner kann ein Steuersystem, das logische Systeme, Steueralgorithmen, elektronische Controller und Schalter (Solenoid oder andere) aufweist, an die Spannungs-, Strom- und Temperatursensoren angeschlossen sein, um den Betrieb und den Wirkungsgrad des Fotovoltaik-Elektrolysevorrichtungssystems auf der Basis der Sensormesswerte zu steuern. Das Steuersystem fungiert, um den Systembetrieb und den Systemwirkungsgrad ständig unter Verwendung von Signalen von den Sensoren zu optimieren, um die Anzahl von Solarzellen oder -modulen, die in Reihen- und Parallelschaltungen in dem Fotovoltaiksystem angeordnet sind, umzuordnen, wie es als notwendig erachtet wird, um die optimale Ausgangsspannung des PV-Systems, die gleich der gewünschten Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtung ist, aufrecht zu erhalten. Unterschiedliche Arrays aus den Modulen werden gebildet, um einen effizienten Systembetrieb aufrecht zu erhalten.voltage and current sensors are connected to the operating voltage and the operating current of the photovoltaic electrolysis device system to measure, and temperature sensors are built-in to the operating temperature to measure the photovoltaic modules. Furthermore, a control system that logical systems, control algorithms, electronic controllers and Switch (solenoid or other) to the voltage, current and temperature sensors to be connected to the operation and the Efficiency of the photovoltaic electrolysis device system control the basis of the sensor readings. The tax system acts around the system operation and the system efficiency constantly under Use of signals from the sensors to optimize the number of solar cells or modules connected in series and parallel are arranged in the photovoltaic system to rearrange, as it necessary to obtain the optimum output voltage of the PV system, the same the desired Operating voltage of the electrolyzer is to maintain. Different arrays of the modules are formed to make an efficient Maintain system operation.

Alternativ kann der Systembetrieb und der Systemwirkungsgrad unter Verwendung von Signalen von dem Steuersystem ständig optimiert werden, um die Anzahl von Elektrolysezellen, die in Reihen- und Parallelschaltungen in der Elektrolysevorrichtung geschaltet sind, zu steuern und somit die optimale Systembetriebsspannung aufrecht zu erhalten. Alternativ können der Systembetrieb und der Systemwirkungsgrad ständig unter Verwendung von Signalen von dem Steuersystem optimiert werden, um die Ausgangsspannung eines DC/DC-Wandlers oder eines Ladecontrollers zu steuern und somit die optimale Systembetriebsspannung aufrecht zu erhalten. Eines oder eine Kombination aus den alternativen Steuerszenarien kann/können dazu verwendet werden, den Betrieb der PV-Elektrolysevorrichtung zu steuern.alternative System operation and system efficiency can be used of signals from the control system are constantly optimized to the Number of electrolysis cells connected in series and parallel are switched in the electrolysis device to control, and thus to maintain the optimum system operating voltage. alternative can the system operation and the system efficiency constantly using signals be optimized by the control system to the output voltage of a DC / DC converter or a charge controller, and thus the optimum system operating voltage to maintain. One or a combination of the alternatives Tax scenarios can / can used to operate the PV electrolysis device to control.

Häufig nimmt die Betriebstemperatur von Fotovoltaikmodulen während des Betriebs zu und reduziert deren elektrische Ausgangsleistung. Das Kühlen der Module (durch Aufsprühen einer Kühlflüssigkeit oder dergleichen) kann dazu verwendet werden, deren Betrieb auf dem gewünschten Maximalleistungspunkt zu halten.Frequently, the operating temperature of photovoltaic modules increases during operation and reduces their electrical output. The cooling of the modules (by spraying a cooling liquid or the same) can be used to keep their operation at the desired maximum power point.

Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus einer ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Praktiken und Ausführungsformen, die folgen, verstanden werden.aims and advantages of the invention will become apparent from a detailed description of the preferred Practices and embodiments, the consequences, be understood.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1 ist eine schematische Darstellung eines PV-Elektrolysevorrichtungssystems mit einer direkten Verbin dung zwischen den PV-Modulen und der Elektrolysevorrichtung. 1 is a schematic representation of a PV-Elektrolysevorrichtungssystems with a direct connec tion between the PV modules and the electrolyzer.

2 ist eine schematische Darstellung einer PV-Elektrolysevorrichtung mit einem DC/DC-Wandler, der zwischen den PV-Modulen und der Elektrolysevorrichtung angeordnet ist. 2 is a schematic representation of a PV electrolysis device with a DC / DC converter, which is arranged between the PV modules and the electrolysis device.

3 ist ein Graph von Strom (A) oder Leistung (W) für ein typisches Fotovoltaikmodul, der den Maximalleistungspunkt (MLP) zeigt. MLP ist der Punkt an dem Graphen des PV-Stromausgangs über der Spannung, an dem der Leistungsausgang maximal ist. Die entsprechende Kurve der Leistung (P = V × I) über die Spannung ist ebenfalls gezeigt. 3 is a graph of current (A) or power (W) for a typical photovoltaic module showing the maximum power point (MLP). MLP is the point on the graph of the PV current output above the voltage at which the power output is maximum. The corresponding curve of power (P = V × I) across the voltage is also shown.

4 ist ein Graph des geschätzten Wirkungsgrades der Elektrolysevorrichtung für eine PEM-Elektrolysevorrichtung mit 20 Zellen, die direkt mit den PV-Modulen verbunden ist, mit einem Bereich von MLP-Spannungen. 4 Figure 12 is a graph of the estimated efficiency of the electrolyzer for a 20 cell PEM electrolyzer connected directly to the PV modules with a range of MLP voltages.

5 ist ein Graph, der die Wirkungen von Strom und Temperatur auf den Wirkungsgrad einer PEM-Elektrolysevorrichtung darstellt. Der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung in Prozent wurde über den Betriebsstrom bei Temperaturen von 22°C und 39°C aufgetragen. 5 Figure 10 is a graph illustrating the effects of current and temperature on the efficiency of a PEM electrolyzer. The efficiency of the electrolyzer in percent was plotted over the operating current at temperatures of 22 ° C and 39 ° C.

6 ist ein vereinfachtes Schema einer Testvorrichtung mit variabler Last mit einem internen Voltmeter und Amperemeter (unter Verwendung eines Electronic Load Model 6060A von Hewlett Packard) –, die zum Abtasten von Strom-Spannungs-Kurven von Fotovoltaikmodulen verwendet werden, um den solarelektrischen Wirkungsgrad zu messen und den Maximalleistungspunkt zu ermitteln. Unter Verwendung eines Temperatursensors (Thermoelement), kann die Vorrichtung auch die Wirkung der Modultemperatur auf den solarelektrischen Wirkungsgrad messen (Temperaturkoeffizienten des Stromes, der Spannung und der Leistung). 6 FIG. 10 is a simplified schematic of a variable load tester with an internal voltmeter and ammeter (using a Hewlett Packard Electronic Load Model 6060A) used to sense current-voltage curves of photovoltaic modules to measure solar electrical efficiency to determine the maximum power point. Using a temperature sensor (thermocouple), the device can also measure the effect of module temperature on solar electrical efficiency (temperature coefficients of current, voltage and power).

7 ist ein Graph einer Abtastung von Leistungs- und Stromausgang über Strom für ein Sanyo HIP-190 PV-Modul (ein geschichtetes kristallines und amorphes Siliziummaterial) bei 41°C. 7 FIG. 12 is a graph of power and current output sampling over current for a Sanyo HIP-190 PV module (a layered crystalline and amorphous silicon material) at 41 ° C. FIG.

8 ist ein Graph, der die Wirkung der Temperatur auf den Wirkungsgrad des Sanyo PV-Moduls HIP-190 veranschaulicht, wobei eine Datenanpassung der Ergebnisse des gemessenen Wirkungsgrades an eine gerade Linie vorgenommen worden ist (linearer Temperaturkoeffizient von –0,3%/°C). 8th is a graph illustrating the effect of temperature on the efficiency of the Sanyo PV module HIP-190, where a data adjustment of the results of the measured efficiency has been made on a straight line (linear temperature coefficient of -0.3% / ° C) ,

9A ist eine schematische Darstellung eines Echtzeitsystems für einen ständigen Betrieb und eine ständige Steuerung eines Dreimodul-PV-Systems in einer Parallelschaltung zur Abgabe von Gleichstromleistung mit einem vorbestimmten Betriebspegel von 50 V an eine Elektrolysevorrichtung. In dieser Ausführungsform werden Betriebsspannungsschalter angewandt, um zwischen direkten Verbindungen der PV-Module mit der Elektrolysevorrichtung und dem Einsetzen eines DC/DC-Wandlers für eine bessere Anpassung zwischen dem Betrieb bei dem Maximalleistungspunkt des PV-Modul-Arrays und der Elektrolysevorrichtung umzuschalten. Spannungs-, Strom- und Temperaturmesswerte werden von einem programmierten Computer verwendet, um den Betrieb der Schalter bei der Verwendung des Wandlers zu steuern. 9A Figure 4 is a schematic representation of a real-time system for continuous operation and continuous control of a three-module PV system in parallel for delivering DC power at a predetermined operating level of 50 V to an electrolyzer. In this embodiment, operating voltage switches are employed to switch between direct connections of the PV modules to the electrolyzer and the onset of a DC / DC converter for better match between operation at the maximum power point of the PV module array and the electrolyzer. Voltage, current and temperature readings are used by a programmed computer to control the operation of the switches when using the transducer.

9B ist eine schematische Darstellung eines Echtzeitsystems unter Verwendung von computergesteuerten elektrischen Schaltern zum Erzeugen unterschiedlicher Arrays aus einer Gruppe von PV-Modulen, um den Betrieb bei dem Maximalleistungspunkt der Module bei der Abgabe von Leistung an eine Wasserstoff produzierende Elektrolysevorrichtung aufrecht zu erhalten. Das System steuert die Anzahl von PV-Modulen, die in Reihe und parallel geschaltet sind, um den Wirkungsgrad der PV-Elektrolysevorrichtung zu optimieren. 9B Fig. 12 is a schematic representation of a real-time system using computer controlled electrical switches to generate different arrays of a group of PV modules to maintain operation at the maximum power point of the modules in delivering power to a hydrogen producing electrolyzer. The system controls the number of PV modules connected in series and in parallel to optimize the efficiency of the PV electrolysis device.

9C ist eine schematische Darstellung eines Echtzeitsystems unter Verwendung von computergesteuerten elektrischen Schaltern zum Steuern einer parallelen/Reihen-Anordnung von Elektrolysezellen in einer Elektrolysevorrichtung für einen effizienten gemeinsamen Betrieb von Arrays aus PV-Modulen und der Elektrolysevorrichtung und um den Wirkungsgrad der PV-Elektrolysevorrichtung zu optimieren. 9C FIG. 10 is a schematic representation of a real-time system using computer controlled electrical switches to control a parallel / series arrangement of electrolysis cells in an electrolyzer for efficient joint operation of PV array arrays and the electrolyzer and to optimize the efficiency of the PV electrolysis device.

10 ist ein normierter Ausdruck des Wirkungsgrades des PV-Moduls und anderer Variablen, der dazu verwendet wird, den PV-Wirkungsgrad bei Voper vorherzusagen. 10 is a normalized expression of the efficiency of the PV module and other variables used to predict PV efficiency at V oper .

11 ist ein normierter Ausdruck auf der Basis eines Computermodels für eine einfache Berechnung des PV-Wirkungsgrades durch Interpolieren neuer Werte von Voper/Vmlp. 11 is a normalized expression based on a computer model for easy calculation of PV efficiency by interpolating new values of V oper / V mlp .

12 ist ein Graph, der einen Vergleich der elektrischen Wirkungsgrade jeder Art von PV-Zelle bei ihrer Vmlp und bei 32 Volt, der gewöhnlichen Voper des Elektrolysevorrichtungssystems, zeigt. 12 Figure 4 is a graph showing a comparison of the electrical efficiencies of each type of PV cell at its V mlp and at 32 volts, the ordinary V oper of the electrolyzer system.

13 ist ein Graph des prozentualen Wirkungsgrades über den Leistungseingang (W) für DC/DC-Wandler, die in den PV-E-Systemen verwendet werden. 13 is a plot of percent efficiency versus power input (W) for DC / DC converters used in PV-E systems.

14 ist ein Graph des solaren Wasserstoffwirkungsgrades (%) über Vmlp (Volt) von PV-Systemen, wobei ein gemessener Wirkungsgrad und ein vorhergesagter Wirkungsgrad für eine solare Wasserstofferzeugung durch direkt verbundene PV-Elektrolysevorrichtungssysteme verglichen werden. 14 Figure 4 is a graph of solar hydrogen efficiency (%) versus V mlp (volts) of PV systems comparing a measured efficiency and predicted solar hydrogen production efficiency by directly connected PV electrolyzer systems.

15 ist ein Graph des solaren Wasserstoffwirkungsgrades (%) über Vmlp (Volt) von PV-Systemen, wobei der ge messene Wirkungsgrad und der vorhergesagte Wirkungsgrad für eine solare Wasserstofferzeugung mit PV-Elektrolysevorrichtungssystemen unter Verwendung von DC/DC-Wandlern verglichen werden. 15 Figure 4 is a graph of solar hydrogen efficiency (%) versus V mlp (volts) of PV systems comparing the measured efficiency and predicted solar hydrogen production efficiency with PV electrolyzer systems using DC / DC converters.

BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

Bei der praktischen Ausführung dieser Erfindung werden zwei Verfahren einer elektrischen Zusammenschaltung von Fotovoltaikmodulen (PV) mit einer Elektrolysevorrichtung für die Produktion von Wasserstoff verwendet. Bei einem dieser Verfahren ist das PV-System direkt in Reihe mit dem Elektrolysesystem verdrahtet (1). Bei dem zweiten Verfahren ist ein DC/DC-Wandler in dem Schaltkreis in Reihe zwischen dem PV-System und der Elektrolysevorrichtung verdrahtet (2), ein Prozess, der auch Nachführung des Maximalleistungspunktes genannt wird.In the practice of this invention, two methods of electrical interconnection of photovoltaic (PV) modules with an electrolyzer for the production of hydrogen are used. In one of these methods, the PV system is wired directly in series with the electrolysis system ( 1 ). In the second method, a DC / DC converter in the circuit is wired in series between the PV system and the electrolyzer device (FIG. 2 ), a process called tracking of the maximum power point.

In der schematischen Darstellung von 1 ist ein Mehrmodul-Fotovoltaiksystem (Kasten, der mit optimales PV-System markiert ist) direkt mit einer Mehrzellenelektrolysevorrichtung für die elektrolytische Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff unter Verwendung einer Protonenaustauschmembran (Kasten, der mit PEM-Elektrolysevorrichtung markiert ist) verbunden. Ein Amperemeter (Kasten A) und ein Voltmeter (Kasten V) werden verwendet, um das elektrische Gleichstrompotenzial und den Stromfluss von dem PV-System zu der Elektrolysevorrichtung ständig zu überwachen. Sauerstoff (O2) wird an den Kathoden der Elektrolysevorrichtungszellen produziert, und die separaten Ströme werden gesammelt und aus der Elektrolysevorrichtung für die erwünschte Verwendung herausgeleitet. Wasserstoff (H2) wird an den Elektrolysevorrichtungsanoden produziert. Die Entwicklung von Wasserstoff ist heftig und reißt Flüssigkeit mit sich. In dieser Ausführungsform werden die Wasser stoffströme aus den mehreren Zellen zu einem gemeinsamen Strom gesammelt, der mit deionisiertem Wasser gewaschen wird. Das Wasser wird von dem Wasserstoffprodukt in einem Gas/Flüssigkeits-Separator oder -abscheider getrennt und zurück in die PEM-Elektrolysevorrichtung gepumpt.In the schematic representation of 1 For example, a multi-module photovoltaic system (box labeled with Optimal PV system) is directly connected to a multi-cell electrolyzer for the electrolytic separation of water into hydrogen and oxygen using a proton exchange membrane (box labeled with PEM electrolyzer). An ammeter (box A) and a voltmeter (box V) are used to constantly monitor the DC electrical potential and current flow from the PV system to the electrolyzer. Oxygen (O 2 ) is produced at the cathodes of the electrolyzer cells, and the separate streams are collected and led out of the electrolyzer for the desired use. Hydrogen (H 2 ) is produced at the electrolysis device anodes. The evolution of hydrogen is violent and entrains liquid. In this embodiment, the streams of water from the plurality of cells are collected into a common stream which is washed with deionized water. The water is separated from the hydrogen product in a gas / liquid separator or separator and pumped back into the PEM electrolyzer.

Bevorzugt werden die Betriebstemperaturen des optimalen PV-Systems und der PEM-Elektrolysevorrichtung durch Thermoelemente oder dergleichen, die in 1 nicht dargestellt sind, ständig gemessen.Preferably, the operating temperatures of the optimum PV system and the PEM electrolyzer are determined by thermocouples or the like disclosed in U.S. Pat 1 not shown, constantly measured.

In dieser Ausführungsform der Erfindung ist das PV-System direkt mit der Elektrolysevorrichtung verbunden. Das PV-System wird ständig für einen effizienten gemeinsamen Betrieb mit der Elektrolysevorrichtung ohne die Verwendung eines dazwischen geschalteten DC/DC-Wandlers optimiert. Das PV-System wird ständig elektrisch konfiguriert, sodass seine Maximalleistungspunkt-Spannung nahe bei der Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtung liegt.In this embodiment In the invention, the PV system is directly with the electrolyzer connected. The PV system is constantly changing for one efficient joint operation with the electrolyzer without optimizes the use of an intermediate DC / DC converter. The PV system is constantly changing electrically configured so that its maximum power point voltage is close to the operating voltage of the electrolyzer.

In der schematischen Darstellung von 2 ist ein DC/DC-Wandler in der elektrischen Verbindung zwischen einem nicht optimalen PV-System und der PEM-Elektrolysevorrichtung angeordnet. Die anderen Elemente der arbeitenden PV-Elektrolysevorrichtung sind wie anhand von 1 beschrieben. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird der DC/DC-Wandler dazu verwendet, Unterschiede zwischen der Maximalleistungspunkt-Spannung des nicht optimalen PV-Systems und der Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtung auszugleichen.In the schematic representation of 2 For example, a DC / DC converter is arranged in electrical connection between a non-optimal PV system and the PEM electrolyzer. The other elements of the working PV electrolysis apparatus are as shown in FIG 1 described. In this embodiment of the invention, the DC / DC converter is used to compensate for differences between the maximum power point voltage of the non-optimal PV system and the operating voltage of the electrolyzer.

Bei der praktischen Ausführung dieser Erfindung wird ein Vorhersagemodell verwendet, um den Wirkungsgrad jedes PV-Elektrolysevorrichtungssystems auf der Basis der elektrischen Eigenschaften der Schaltkreisele mente zu bestimmen und die optimalen elektrischen Spezifikationen für die PV-Module, die Elektrolysevorrichtung und den DC/DC-Wandler (falls vorhanden) für die Verwendung beim Entwurf eines Systems für eine optimale Wasserstoffproduktion auszuwählen. Das Vorhersagemodell wird verwendet, um eine praktisch durchführbare, schrittweise Prozedur für die optimierte Konstruktion und den optimierten Betrieb eines PV-Elektrolysevorrichtungssystems auszudenken. Die Modelle und die Optimierungsprozedur können verwendet werden, um jedes PV-Elektrolysesystem, einschließlich jene mit PEM, Alkali, Dampf, Hochdruck und andere Arten von Elektrolysevorrichtungen zu optimieren, und optimale Entwurfsspezifikationen zur Verfügung zu stellen, um PV-Solarwasserstoffsysteme aufzubauen.In the practice of this invention, a predictive model is used to estimate the efficiency of each PV electrolyzer system based on the electrical characteristics of the switch Determine circular elements and select the optimum electrical specifications for the PV modules, electrolyzer, and DC / DC converter (if any) for use in designing a system for optimal hydrogen production. The predictive model is used to devise a practical, step-by-step procedure for the optimized design and operation of a PV electrolyzer system. The models and optimization procedure can be used to optimize any PV electrolysis system, including those with PEM, alkali, steam, high pressure and other types of electrolysis devices, and to provide optimal design specifications to build PV solar hydrogen systems.

Eine PV-beaufschlagte PEM-Elektrolysevorrichtung ist ein effizienteres Mittel zur Wasserstofferzeugung, wenn die zwei Einheiten integriert sind, um deren kombinierten Wirkungsgrad zu optimieren. Vornehmlich muss der Maximalleistungspunkt (MLP) des PV-Systems zu der charakteristischen Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtung passen, um den Wirkungsgrad des PV-Elektrolysevorrichtungssystems zu maximieren. Wenn das PV-System eine MLP-Spannung (Vmlp) aufweist, die unterschiedlich gegenüber der Betriebsspannung (Voper) der Elektrolysevorrichtung ist, werden die PV-Module, die bei einer nicht optimalen Spannung arbeiten, weniger Leistung für den Elektrolyseprozess produzieren und deren Betriebswirkungsgrad (deren elektrischer Energieausgang dividiert durch deren Sonnenbestrahlungseingang) wird herabgesetzt sein. Je weiter Vmlp von Voper längs der Kennlinie IV der besonderen in dem System verwendeten PV-Module weg liegt, desto niedriger wird der prozentuale Wirkungsgrad der Sonnenenergieumwandlung in Wasserstoffenergie sein.A PV powered PEM electrolyzer is a more efficient means of hydrogen production when the two units are integrated to optimize their combined efficiency. Notably, the maximum power point (MLP) of the PV system must match the characteristic operating voltage of the electrolyzer to maximize the efficiency of the PV electrolyzer system. If the PV system has an MLP voltage (V mlp ) that is different from the operating voltage (V oper ) of the electrolyzer, the PV modules operating at a non-optimal voltage will produce less power for the electrolysis process Operating efficiency (whose electrical energy output divided by its solar irradiation input) will be reduced. The farther away V mlp of V oper along characteristic IV of the particular PV modules used in the system, the lower will be the percent efficiency of solar energy conversion to hydrogen energy.

Vmlp ist die Spannung bei MLP. 3 ist ein Graph des Stromes (A) oder Leistung (W) für ein typisches Fotovoltaikmodul, der den Maximalleistungspunkt (MLP) zeigt. MLP ist der Punkt an dem Graphen von PV-Stromausgang über Spannung, wo der Leistungsausgang maximal ist. Die entsprechende Leistungskurve (P = V × I) ist ebenfalls gezeigt.V mlp is the voltage at MLP. 3 is a graph of the current (A) or power (W) for a typical photovoltaic module showing the maximum power point (MLP). MLP is the point on the graph of PV current output over voltage where the power output is maximum. The corresponding power curve (P = V × I) is also shown.

Voper ist eine charakteristische Spannung, bei der die Elektrolysevorrichtung aufgrund ihrer Elektroden- und Membranmaterialien, ihrer Katalysatorbeschichtungen und ihres Elektrolyten (in einer PEM-Elektrolysevorrichtung wirkt die mit Wasser geflutete Membran zwischen den Elektroden als der Elektrolyt) arbeitet. Voper der Elektrolysevorrichtung ist die Summe aus der normalen Wasserspaltungsspannung plus die Überspannung der Elektrolysevorrichtung multipliziert mit N, der Anzahl von Elektrolysezellen in Reihe innerhalb des Elektrolysevorrichtungsschaltkreises, (Gleichung 1). Alle Werte sind in Gleichstrom (DC).V oper is a characteristic stress at which the electrolyzer operates on account of its electrode and membrane materials, its catalyst coatings and its electrolyte (in a PEM electrolyzer, the water-flooded membrane acts between the electrodes as the electrolyte). The operatability of the electrolyzer is the sum of the normal water splitting voltage plus the electrolysis device overvoltage multiplied by N, the number of electrolysis cells in series within the electrolyzer circuit (Equation 1). All values are in direct current (DC).

Gleichung 1:Equation 1:

  • Voper = N × (1,23 Volt/Zelle + Überspannung/Zelle)V Opera = N × (1.23 volts / cell + overvoltage / cell)

Die Überspannung in einer PEM-Elektrolysevorrichtung mit 20 Zellen, die bei mehreren Tests verwendet wurde, betrug 0,4 Volt/Zelle, sodass Voper 32–33 Volt betrug.The overvoltage in a 20 cell PEM electrolyzer used in several tests was 0.4 volts / cell, so V oper was 32-33 volts.

Der Gesamtwirkungsgrad des PV-Elektrolysevorrichtungssystems kann direkt gemessen werden, wie es bei dieser Untersuchung vorgenommen wurde, indem die Sonnenbestrahlung und die Fläche der PV-Solarzellen gemessen werden, um die Eingangsenergie zu erhalten, und der durch die Elektrolysevorrichtung fließende Strom unter Verwendung eines Amperemeters mit niedriger Spannung in dem Schaltkreis gemessen wird, was dann mit der Standardspannung zur Wasserelektrolyse multipliziert wird, um die Energie des erzeugten Wasserstoffes zu ermitteln. Die Wasserstoffenergieproduktion wurde auch aus dem Wasserstoffvolumen, das mit einem kalibrierten Durchfluss- oder Strömungsmesser gemessen wurde, als eine Prüfung der Ergebnisse berechnet. All diese Verfahren gaben den gleichen Systemwirkungsgrad (den solaren Wasserstoffproduktionswirkungsgrad) innerhalb ±4% an. Die Verfahren des Berechnens des Systemwirkungsgrades aus dem Betriebsstrom und dem Wasserstoffdurchfluss oder der Wasserstoffströmung sind in Gleichung 2 und Gleichung 3 gezeigt. Gleichung 2:

Figure 00150001
Gleichung 3:
Figure 00150002
wobei H2-Strömung = die gemessene Strömungs- oder Durchflussrate in L/h bei einer Atmosphäre und 298 K ist, H2LHV = H2 unterer Brennwert = 33,35 kWh/kg, H2-Dichtefaktor = 0,002 kg/24,45 L bei 298 K und 1 Atmosphäre, und Sonnenbestrahlung = Sonnenenergie in W/m2 × aktive Zellenfläche eines PV-Moduls in m2.The overall efficiency of the PV electrolyzer system can be measured directly, as measured in this study, by measuring the solar irradiation and the area of the PV solar cells to obtain the input energy and the current flowing through the electrolyzer using an ammeter low voltage is measured in the circuit, which is then multiplied by the standard voltage for electrolysis of water to determine the energy of the hydrogen produced. Hydrogen energy production was also calculated from the volume of hydrogen measured with a calibrated flow or flow meter as a test of results. All of these methods reported the same system efficiency (solar hydrogen production efficiency) within ± 4%. The methods of calculating the system efficiency from the operating stream and the hydrogen flow or flow are shown in Equation 2 and Equation 3. Equation 2:
Figure 00150001
Equation 3:
Figure 00150002
where H 2 flow = the measured flow or flow rate in L / h at one atmosphere and 298 K, H 2 LHV = H 2 lower calorific value = 33.35 kWh / kg, H 2 density factor = 0.002 kg / 24, 45 L at 298 K and 1 atmosphere, and solar irradiation = solar energy in W / m 2 x active cell area of a PV module in m 2 .

Das Verständnis des Wirkungsgrades und der Optimierung der PV-Elektrolyse wird jedoch dadurch erschwert, dass zumindest zwei Einheiten, ein PV-System (die Leistungsquelle) und eine Elektrolysevorrichtung (die Betriebslast) integriert sein müssen, um Wasserstoff herzustellen. Jede Ein heit besitzt ihren eigenen Wirkungsgrad, und anstatt ein einziges unabhängiges Wirkungsgradniveau zu besitzen, stehen die beiden Einheiten in Wechselwirkung, sodass das PV-System den Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung beeinflusst und die Elektrolysevorrichtung den Wirkungsgrad des PV-Systems beeinflusst. Die Ergebnisse der Modellierung des PV-Wirkungsgrades der Elektrolysevorrichtung in einem System mit direkter Verbindung sind in Tabelle 1 gezeigt, die für jedes getestete PV-System die Spannung bei der die MLP unter Standardtestbedingungen (STC von Standard Test Conditions, 25°C), die Daten, die dazu verwendet werden, den Wirkungsgrad jedes PV-Systems bei Voper zu berechnen, den Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung und den resultierenden Systemwirkungsgrad unter den Betriebsbedingungen, einschließlich Effekte der PV-Temperatur (die oft weit über STC ansteigt) und der Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtung (Last), die das PV-System zwingen können, über oder unter der MLP-Spannung zu arbeiten, angibt. Gleichung 4 ist die Basis für das Modell einer PV-Elektrolysevorrichtung mit direkter Verbindung in Tabelle 1: der Systemwirkungsgrad ist das Produkt des PV-Wirkungsgrades, der auf Temperatureffekte korrigiert ist, mal dem Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung.However, understanding the efficiency and optimization of PV electrolysis is complicated by the fact that at least two units, a PV system (the power source) and an electrolysis device (the operating load), must be integrated to produce hydrogen. Each unit has its own efficiency, and instead of having a single independent efficiency level, the two units interact so that the PV system affects the efficiency of the electrolyzer and the electrolyzer affects the efficiency of the PV system. The results of modeling the PV efficiency of the electrolyzer in a direct connection system are shown in Table 1 which, for each PV system tested, shows the voltage at the MLP under Standard Test Conditions (STC, 25 ° C) Data used to calculate the efficiency of each PV system at V oper , the efficiency of the electrolyzer, and the resulting system efficiency under operating conditions, including effects of PV temperature (which often rises well above STC) and the operating voltage of the electrolyzer (Last), which may force the PV system to operate above or below the MLP voltage. Equation 4 is the basis for the model of direct junction PV electrolysis device in Table 1: the system efficiency is the product of the PV efficiency corrected for temperature effects times the efficiency of the electrolyzer.

Gleichung 4:Equation 4:

  • Systemwirkungsgrad = (elektrischer PV-Wirkungsgrad bei Voper – PV-Temperaturkorrektur) × Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung bei Voper System efficiency = (electrical PV efficiency at V Opera  - PV temperature correction) × efficiency the electrolyzer at V Opera

Wenn die DC/DC-Wandler-PV-Elektrolyse verwendet wird, gibt es in dem Modell einen zusätzlichen Term (Gleichung 5).If The DC / DC converter PV electrolysis is used in the Model an additional term (Equation 5).

Gleichung 5:Equation 5:

  • Wirkungsgrad des Systems = (elektrischer PV-Wirkungsgrad bei Voper – PV-Temperaturkorrektur) × Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung bei Voper × Wirkungsgrad des DC/DC-WandlersEfficiency of the system = (electrical PV efficiency at V Opera  - PV temperature correction) × efficiency the electrolyzer at V Opera  × efficiency of the DC / DC converter

In beiden Modellen (Gleichungen 4 und 5) wird angenommen, dass Leitungsverluste aufgrund des Widerstandes in der Verdrahtung, die die Schaltkreiselemente verbindet, durch die Verwendung eines ausreichend dicken Drahtes für den Transport des erwarteten Betriebsstromes minimiert sind, gemäß Standardregeln, die für elektrische Gleichstromsysteme verwendet werden. Da Widerstandsverluste in der Verdrahtung und den Verbindungen niedrig sind (< 1%), ist in diesen Modellen kein Term für diese Verluste enthalten.In Both models (equations 4 and 5) assume that line losses due to the resistance in the wiring connecting the circuit elements connects, by using a sufficiently thick wire for the Transport of the expected operating current are minimized, according to standard rules, the for electrical DC systems are used. Because resistance losses in the wiring and connections are low (<1%), is in these Models no term for contain these losses.

Der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung (4) kann aus dem gemessenen Wert von Voper unter den Ist-Bedingungen berechnet werden, die während des Betriebs des PV-Elektrolysevorrichtungssystems vorhanden sind (Gleichung 6).The efficiency of the electrolysis device ( 4 ) can be calculated from the measured value of V oper under the actual conditions existing during operation of the PV electrolyzer system (Equation 6).

Um den Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung zu ermitteln, verwendeten wir die theoretische Standardelektrolysespannung (1,23 Volt/Zelle) dividiert durch die gemessene Voper der Elektrolysevorrichtung mit N Elektrolysezellen in Reihe.To determine the efficiency of the electrolyzer, we used the theoretical standard electrolysis voltage (1.23 volts / cell) divided by the measured V oper of the electrolyzer with N electrolysis cells in series.

Gleichung 6:

Figure 00170001
Equation 6:
Figure 00170001

Falls es erwünscht ist, kann der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung im Voraus in einem Bereich von Betriebsströmen und Betriebstemperaturen gemessen werden (5). Der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung kann dann aus der gemessenen Temperatur und den Wirkungsgradkurven in 5 vorhergesagt werden. Die Werte des Wirkungsgrades der Elektrolysevorrichtung, die aus der gemessenen Voper (Spalte G in Tabelle 1) berechnet werden, wurden in dem Modell verwendet, da sie leicht verfügbar und genauer waren, als jegliche vorhergesagten Werte.If desired, the efficiency of the electrolyzer may be measured in advance in a range of operating currents and operating temperatures ( 5 ). The efficiency of the electrolysis device can then be calculated from the measured temperature and the efficiency curves in 5 be predicted. The electrolyzer efficiency values calculated from the measured V oper (column G in Table 1) were used in the model because they were readily available and more accurate than any predicted values.

Die PEM-Elektrolysevorrichtung mit 20 Zellen (auf die oben verwiesen wurde), die eine Betriebsspannung von 32–33 Volt aufwies, wurde unter Verwendung einer Anzahl von unterschiedlichen kommerziellen Fotovoltaikmodulen betrieben, die mit einer Nummer (z. B. #3) in Spalte A von Tabelle 1 identifiziert sind. Die Vmlp bei 25°C des jeweiligen Moduls oder der jeweiligen Kombination aus Modulen, die in einer elektrischen Reihen- oder Parallelschaltung angeordnet sind, ist in Spalte B der Tabelle angeführt. Verschiedene Betriebseigenschaften und Wirkungsgrade, die unter Verwendung der obigen Gleichungen ermittelt wurden, des PV-Moduls/der PV-Module und der Elektrolysevorrichtung sind in mehreren Spalten von Tabelle 1 dargestellt. Es ist zu sehen, dass einige Module keine ausreichende Spannung erzeugen, um die spezifische Elektrolysevorrichtung zu betreiben.The 20 cell PEM electrolyzer (referred to above), which had an operating voltage of 32-33 volts, was operated using a number of different commercial photovoltaic modules, numbered (e.g., # 3) in column A are identified from Table 1. The V mlp at 25 ° C of the particular module or combination of modules arranged in series or parallel electrical connection is shown in column B of the table. Various operating characteristics and efficiencies obtained using the above equations of the PV module (s) and the electrolyzer are shown in several columns of Table 1. It can be seen that some modules do not generate sufficient voltage to operate the specific electrolyzer.

Figure 00190001
Figure 00190001

Der vorhergehende Abschnitt dieser Beschreibung hat beschrieben, wie die Betriebswirkungsgrade eines Mehrmodul-PV-Systems und einer Mehrzellenelektrolysevorrichtung für eine Optimierung von Praktiken dieser Erfindung ermittelt werden können. Nun wird die Aufmerksamkeit auf den Optimierungsprozess gerichtet.The preceding section of this description has described how the operating efficiencies ei a multi-module PV system and a multi-cell electrolyzer for optimizing practices of this invention. Now attention is focused on the optimization process.

Prozedur der schrittweisen OptimierungStep by step procedure optimization

Es wird eine Reihe von neun Schritten verwendet, um den Wirkungsgrad einer solarbeaufschlagten PV-Elektrolyse zu messen und zu optimieren. Die vollständige Prozedur der schrittweisen Optimierung, die mit den Beispielfällen 2–4 veranschaulicht ist, ist nachstehend angegeben.It A series of nine steps is used to increase the efficiency to measure and optimize a solar-powered PV electrolysis. The complete Step by step optimization procedure, which illustrates example cases 2-4 is given below.

Die schrittweise Prozedur beginnt, indem die Elektrolysevorrichtung charakterisiert wird. Der erste Schritt erfordert, dass die Elektrolysevorrichtung mit der gewünschten Wasserstofferzeugungsrate betrieben wird, bis die Elektrolysevorrichtung eine stationäre Temperatur erreicht, und anschließend der Betriebsstrom, die Betriebsspannung und die Betriebstemperatur gemessen werden:The Gradual procedure begins by the electrolysis device is characterized. The first step requires that the electrolyzer with the desired Hydrogen generation rate is operated until the electrolyzer a stationary one Temperature reached, and then the operating current, the Operating voltage and operating temperature are measured:

Schritt 1 –Step 1 -

Der Elektrolysestrom (Ioper), der für die gewünschte Wasserstofferzeugungsrate erforderlich ist, wird unter Verwendung des Faradayschen Gesetzes berechnet (Gleichung 7). Gleichung 7:

Figure 00200001
wobei 26806 Ampere pro kg pro Stunde gleich der Faradaykonstante ist (96500 Coulomb/g Wasserstoff) und N die Anzahl von Elektrolysezellen in Reihe innerhalb des Elektrolysevorrichtungsschaltkreises ist.The electrolysis current (I oper ) required for the desired hydrogen generation rate is calculated using Faraday's law (Equation 7). Equation 7:
Figure 00200001
wherein 26,806 amps per kg per hour equals the Faraday constant (96500 coulombs / g hydrogen) and N is the number of electrolysis cells in series within the electrolyzer circuit.

Die Elektrolysevorrichtung ist an eine variable DC-Leistungsversorgung angeschlossen, und der Leistungsausgang wird erhöht, bis der Stromfluss (Ioper) gleich der erwünschten Wasserstofferzeugungsrate ist, die unter Verwendung des Faradayschen Gesetzes bestimmt wird. Es ist eine konstante Betriebstemperatur notwendig, da eine Zunahme der Temperatur in dem zulässigen Temperaturbereich der Elektrolysevorrichtung deren Wirkungsgrad und Wasserstofferzeugungsrate erhöht. Die Temperatur erreicht einen stationären Zustand (eine konstante Temperatur), die von dem Leistungseingang und der Kühlwasserdurchfluss- oder -strömungsrate und der Kühlwassertemperatur abhängt. In der Praxis wird die Temperatur des stationären Zustandes ermittelt, indem die Temperatur des Elektrolysevorrichtungsstapels unter Verwendung eines an den Stapelplatten und den Elektrolysezellen angebrachten Temperatursensors (Thermoelement oder Thermometer) gemessen wird. Wenn ein stationärer Zustand hergestellt ist (die Temperatur sich nicht länger ändert), wird der Betriebsstrom in dem Elektrolysekreis unter Verwendung eines Amperemeters in Reihe mit der Elektrolysevorrichtung gemessen, und die Betriebsspannung wird unter Verwendung eines Voltmeters, das parallel zu der Elektrolysevorrichtung geschaltet ist, gemessen (wie es in den 1 und 2 dargestellt ist). Eine Prozedur, die das Aufzeichnen und Auftragen der Betriebsspannung, des Betriebsstromes und der Betriebstemperatur umfasst, bis die Elektrolysevorrichtung einen stationären Zustand bei der gewünschten Zielwasserstofferzeugungsrate erreicht, kann helfen, den Strom und die Temperatur des stationären Zustands zu ermitteln.The electrolyzer is connected to a variable DC power supply and the power output is increased until the current flow (I oper ) is equal to the desired hydrogen production rate determined using Faraday's law. A constant operating temperature is necessary because increasing the temperature in the allowable temperature range of the electrolyzer increases its efficiency and hydrogen generation rate. The temperature reaches a stationary state (a constant temperature), which depends on the power input and the cooling water flow or flow rate and the cooling water temperature. In practice, the steady state temperature is determined by measuring the temperature of the electrolyzer stack using a temperature sensor (thermocouple or thermometer) attached to the stack plates and electrolysis cells. When a stationary state is established (the temperature no longer changes), the operating current in the electrolysis circuit is measured using an ammeter in series with the electrolyzer, and the operating voltage is measured using a voltmeter connected in parallel with the electrolyzer (as it is in the 1 and 2 is shown). A procedure that includes recording and plotting the operating voltage, operating current, and operating temperature until the electrolyzer reaches a steady state at the desired target hydrogen generation rate may help determine the steady state current and temperature.

Beispiel Fall 1 –Example Case 1 -

In einem hypothetischen Beispiel einer Optimierung eines PV-Elektrolysevorrichtungssystems benötigen wir 0,5 kg Wasserstoff pro Tag, um ein einzelnes Brennstoffzellenfahrzeug zu betreiben, und das PV-Elektrolysevorrichtungssystem arbeitet während 6 Stunden bei Tageslicht. Die Wasserstofferzeugungsrate wird betragen
0,5 kg/6 Stunden = 0,083 kg/Stunde.
In a hypothetical example of optimizing a PV electrolyzer system, we need 0.5 kg of hydrogen per day to run a single fuel cell vehicle, and the PV electrolyzer system works for 6 hours in daylight. The hydrogen production rate will be
0.5 kg / 6 hours = 0.083 kg / hour.

Aus Gleichung 7: der Strom im stationären Zustand in einer Elektrolysevorrichtung mit 20 Zellen wird 0,083 kg/Stunde × 26806 Ampere/kg/Stunde/20 = 111 Ampere betragen.Out Equation 7: steady state current in an electrolyzer with 20 cells becomes 0.083 kg / hr x 26806 amp / kg / hr / 20 = 111 amps.

Der Strom im stationären Zustand nach dem Aufwärmen wird bei 21°C gehalten. Die gemessene Betriebsspannung beträgt 40 Volt.Of the Electricity in stationary Condition after warming up becomes at 21 ° C held. The measured operating voltage is 40 volts.

Fall 2 – Kontrollbeispiel (nicht zu optimieren):Case 2 - Control Example (not closed) optimize):

Alle Bedingungen waren wie in Fall 1.All Conditions were as in case 1.

Wir werden bis zu vier Fälle mit unterschiedlichen Abwandlungen bei dem Entwurf eines PV-Elektrolysevorrichtungssystems betrachten, wobei in jedem Fall die gleiche Folge von Berechnungen ausgeführt wird, um die Auswirkung der Modifikationen auf den Wirkungsgrad der PV-Elektrolysevorrichtungssysteme zu ermitteln.We will be up to four cases with various modifications in the design of a PV electrolyzer system Consider, in each case, the same sequence of calculations accomplished is the effect of the modifications on the efficiency the PV electrolyzer systems.

Schritt 2 –Step 2 -

Der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung unter stationären Bedingungen (konstante Temperatur, Spannung und Strom bei der gewünschten Wasserstoffströmungsrate oder -durchflussmenge) wird unter Ver wendung von Gleichung 6 berechnet, d. h. Wirkungsgrad = 1,23 Volt × 1/(Betriebsspannung pro Elektrolysezelle).Of the Efficiency of the electrolyzer under steady state conditions (constant temperature, voltage and current at the desired Hydrogen flow rate or flow rate) is calculated using Equation 6, d. H. Efficiency = 1.23 volts × 1 / (operating voltage per electrolytic cell).

In Beispiel Fall 1In example case 1

Aus Gleichung 6 beträgt der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung Wirkungsgrad = 100% × 20 × 1,23 Volt/40 Volt = 62% From equation 6, the efficiency of the electrolyzer is Efficiency = 100% × 20 × 1.23 volts / 40 volts = 62%

Fall 2 – Kontrollbeispiel (nicht zu optimieren):Case 2 - Control Example (not closed) optimize):

Alle Bedingungen waren gleich wie in Fall 1.All Conditions were the same as in case 1.

Die gemessenen Wirkungsgrade der Elektrolysevorrichtung für 17 Beispiele von PV-Elektrolysevorrichtungssystemen sind in 4 aufgetragen. Wenn Vmlp des PV-Systems kleiner als 30 Volt war, fehlte der PEM-Elektrolysevorrichtung ausreichend Energie, um die chemischen Bindungen des Wassers aufzuspalten, es floss kein Strom und der Wirkungsgrad betrug Null. Bei einer Vmlp von 30 Volt begann der Strom zu fließen, aber sowohl der Strom als auch das Volumen an produziertem Wasserstoff zeigen an, dass der Wirkungsgrad der solaren Wasserstofferzeugung nur 6,8% beträgt, und daher beträgt, aus Gleichung 4, der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung nur 56% (0,56). Wenn die Vmlp 33 Volt erreichte, lieferte die Elektrolysevorrichtung ihren maximalen Wirkungsgrad (78%) und hielt einen annähernd konstanten Wirkungsgrad bei diesem Niveau (76–79%) in den anderen PV-Elektrolysetests aufrecht, bei denen die Umgebungstemperatur (20–23°C) gehalten wurde.The measured efficiencies of the electrolyzer for 17 examples of PV electrolyzer systems are in FIG 4 applied. When V mlp of the PV system was less than 30 volts, the PEM electrolyzer lacked sufficient energy to split the chemical bonds of the water, no current flowed, and zero efficiency. At a V mlp of 30 volts, the current started to flow, but both the current and the volume of hydrogen produced indicate that the efficiency of solar hydrogen production is only 6.8%, and therefore, from equation 4, the efficiency is the electrolyzer only 56% (0.56). When the V mlp reached 33 volts, the electrolyzer delivered its maximum efficiency (78%) and maintained an approximately constant efficiency at that level (76-79%) in the other PV electrolysis tests where the ambient temperature (20-23 ° C) C) was held.

Die Verwendung eines Gasdurchfluss- oder -strömungsmessers, der mit dem Wasserstoffauslass der Elektrolysevorrichtung verbunden ist, ist ein alternatives oder ergänzendes Mittel zum Messen der Wasserstofferzeu gungsrate. Der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung kann aus der Wasserstoffströmungsrate unter Verwendung von Gleichung 8 berechnet werden.The Use of a gas flow or flow meter connected to the hydrogen outlet the electrolysis device is connected, is an alternative or supplementary Means for measuring the hydrogen production rate. The efficiency the electrolysis device can from the hydrogen flow rate Using equation 8 can be calculated.

Gleichung 8:

Figure 00240001
Equation 8:
Figure 00240001

In Beispiel Fall 1: die gemessene Wasserstofferzeugungsrate beträgt 0,0833 kg/Stunde:In example case 1: the measured hydrogen production rate is 0.0833 kg / hour:

Aus Gleichung 8: Wirkungsgrad = 100% × 0,083 × 33,3/(111 × 40/1000) = 62% From equation 8: Efficiency = 100% × 0.083 × 33.3 / (111 × 40/1000) = 62%

Fall 2 – Kontrollbeispiel (nicht zu optimieren):Case 2 - Control Example (not closed) optimize):

  • Wirkungsgrad = 100% × 0,083 × 33,3/(111 × 40/1000) = 62% (gleich)Efficiency = 100% × 0.083 × 33.3 / (111 × 40/1000) = 62% (equal)

Schritt 3 –Step 3 -

In manchen Fällen kann der Betriebswirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung während der Wasserstofferzeugung als Teil einer Prozedur zum Optimieren einer solarbeaufschlagten Wasserstoffproduktion erhöht werden. Dies ist ein optionaler Schritt, der betrachtet werden sollte.In some cases For example, the operating efficiency of the electrolyzer during the Hydrogen generation as part of a procedure to optimize a solar-powered hydrogen production can be increased. This is an optional one Step that should be considered.

Unter den Umständen #1, wenn die vorliegende Wasserstofferzeugungsrate größer als notwendig ist, um den geforderten Wasserstoff für Brennstoff oder andere gewünschte Zwecke herzustellen, Wählen einer alternativen, niedrigeren Zielwasserstofferzeugungsrate, indem der Betriebsstrom der Elektrolysevorrichtung vermindert wird. Wie es in 5 gezeigt ist, verbessert das Verringern des Betriebsstromes den Wirkungsgrad. Die geschätzte Verbesserung des Wirkungsgrades ΔTWG (%) = 0,17%/Ampere × Ioper.Under circumstances # 1, if the present hydrogen generation rate is greater than necessary to produce the required hydrogen for fuel or other desired purposes, choosing an alternative, lower target hydrogen production rate by reducing the operating current of the electrolyzer. As it is in 5 is shown, reducing the operating current improves the efficiency. The estimated improvement in the efficiency Δ T WG (%) = 0.17% / ampere × I oper.

Unter den Umständen #2, wenn die Betriebstemperatur der Elektrolysevorrichtung unter der maximalen Betriebstemperatur liegt, die wegen der Haltbarkeit und Sicherheitsanforderungen der Elektrolysevorrichtung zulässig ist, Erhöhen der Betriebstemperatur im stationären Zustand, indem die Strömungsrate oder die Durchflussmenge des zirkulierenden Wassers verringert wird, oder indem ein künstliches Mittel zur Erwärmung der Elektrolysevorrichtung verwendet wird (wie etwa das Erwärmen des zirkulierenden Wassers). Wie es in 5 gezeigt ist, verbessert ein Erhöhen der Betriebstemperatur der Elektrolysevorrichtung den Wirkungsgrad. Die Zunahme des Wirkungsgrades beträgt ΔTWG (%) = 0,13%/Grad C × ΔT. [Anmerkung: Wasser oder ein Elektrolytgemisch, wie etwa Wasser und KOH, wird im Kreislauf durch die Elektrolysezellen von Elektrolysevorrichtungen geführt, um Wasser zur Umwandlung in Wasserstoff und Sauerstoff zuzuführen. Das zirkulierende Wasser gelangt auch durch eine Kühleinrichtung, wie einen Kühler, und dient dazu, die Elektrolysevorrichtung zu kühlen, die sich während des Betriebs aufgrund der Überspannung, die angelegt werden muss, erwärmt.]Under circumstances # 2, when the operating temperature of the electrolyzer is below the maximum operating temperature allowed by the durability and safety requirements of the electrolyzer, increasing the steady state operating temperature by reducing the flow rate or flow rate of the circulating water, or by artificial means is used to heat the electrolyzer (such as heating the circulating water). As it is in 5 As shown, increasing the operating temperature of the electrolyzer improves the efficiency. The increase in efficiency is Δ T WG (%) = 0.13% / degree C x .DELTA.T. [Note: Water or an electrolyte mixture, such as water and KOH, is circulated through the electrolysis cells of electrolyzers to supply water for conversion to hydrogen and oxygen. The circulating water also passes through a cooler, such as a cooler, and serves to cool the electrolyzer, which heats up during operation due to the overvoltage that must be applied.]

Das Reduzieren des Betriebsstromes, um den Wirkungsgrad zu verbessern, verringert auch die Wasserstofferzeugungsrate des PV-Elektrolysevorrichtungssystems. Es gibt einen Kompromiss zwischen der niedrigeren Wasserstoffproduktion (und höheren Kosten pro kg Wasserstoff) gegenüber einem verbesserten Wirkungsgrad. Wenn die Abnahme der Wasserstoffproduktion nicht annehmbar ist, kann N, die Anzahl von Elektrolyse zellen in Reihe, erhöht werden, um den Verlust auszugleichen. Die Wasserstoffproduktionsrate aus Gleichung 7 beträgt: Wasserstoffrate = Ioper/(N × 26806 Ampere/kg/Stunde). Reducing the operating current to improve efficiency also reduces the hydrogen production rate of the PV electrolyzer system. There is a trade-off between lower hydrogen production (and higher cost per kg of hydrogen) versus improved efficiency. If the decrease in hydrogen production is unacceptable, N, the number of electrolysis cells in series, can be increased to compensate for the loss. The hydrogen production rate from Equation 7 is: Hydrogen rate = I Opera / (N × 26,806 amps / kg / hour).

Die Anzahl von Zellen kann bis zu 50% oder mehr erhöht werden, um die praktischen Entwurfsgrenzen von Elektrolysevorrichtungen zu überschreiten.The Number of cells can be increased up to 50% or more to the practical Design limits of electrolysis devices.

In Beispiel Fall 1:In example case 1:

Wir erhöhen den Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung, indem die Temperatur von 21°C auf 50°C erhöht wird und der Strom von 111 Ampere auf 89 Ampere verringert wird. Nach diesen Änderungen: ΔTWG (%) = 0,13%/Grad C × ΔT = 0,13 × 29 = 3,8% ΔIWG (%) = 0,17%/Amp × Ioper = 0,17 × 22 = 3,7% We increase the efficiency of the electrolyzer by raising the temperature from 21 ° C to 50 ° C and reducing the current from 111 amps to 89 amps. After these changes: Δ T WG (%) = 0.13% / degree C × ΔT = 0.13 × 29 = 3.8% Δ I WG (%) = 0.17% / Amp × I Opera = 0.17 × 22 = 3.7%

Der neue Wirkungsgrad wird betragen: Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung = 62% + 3,8% + 3,7% = 70% The new efficiency will be: Efficiency of the electrolyzer = 62% + 3.8% + 3.7% = 70%

Die neue Wasserstofferzeugungsrate wird (aus Gleichung 7) betragen: Wasserstoffrate = Ioper/(N × 26806 Ampere/kg/Stunde) = 89 × 20/26806 = 0,066 kg/Stunde The new hydrogen production rate will be (from Equation 7): Hydrogen rate = I Opera / (N × 26,806 amps / kg / hour) = 89 × 20/26806 = 0.066 kg / hour

Obwohl der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung erhöht wurde, indem der Strom abgesenkt wurde, kann es sein, dass die Gesamtwasserstoffproduktion zu gering wird: 0,066 kg/Stunde produziert nur 0,4 kg Wasserstoff in 6 Stunden vollen Sonnenlichtes (1000 W/m2 Bestrahlung) pro Tag.Although the efficiency of the electrolysis apparatus has been increased by the current was lowered, it may be that the total hydrogen production is too low: 0.066 kg / hour produced only 0.4 kg of hydrogen in 6 hours and full sunlight (1000 W / m 2 radiation) per Day.

Der Wasserstoffausgang kann zurück auf 0,100 kg/Stunde (0,6 kg/6 Stunden Sonnenlicht) gebracht werden, indem N, die Anzahl von Elektrolysezellen in Reihe von 20 auf 30 erhöht wird. Wieder aus Gleichung 7, Wasserstoffrate = 89 × 30/26806 = 0,100 kg/Stunde. The hydrogen output can be brought back to 0.100 kg / hour (0.6 kg / 6 hours of sunlight) by increasing N, the number of electrolysis cells in series from 20 to 30. Again from equation 7, Hydrogen rate = 89 x 30/26806 = 0.100 kg / hour.

In unserem Beispiel, Fall 1, (aus Gleichung 6) wird die Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtung auch aufgrund der Zunahme der Anzahl von Elektrolysezellen von 20 auf 30 erhöht:

Figure 00270001
In our example, Case 1, (from Equation 6), the operating voltage of the electrolyzer is also increased from 20 to 30 due to the increase in the number of electrolysis cells:
Figure 00270001

Fall 2 – Kontrollbeispiel (nicht zu optimieren):Case 2 - Control Example (not closed) optimize):

  • Wasserstoffrate = 111 × 20/26806 = 0,083 kg/Stunde.Hydrogen rate = 111 x 20/26806 = 0.083 kg / hour.
  • Elektrolysevorrichtungswirkungsgrad = 62%Electrolysis apparatus efficiency = 62%

Figure 00270002
Figure 00270002

In Tests (5), bei denen ein viel höherer Strom (bis zu 70 Ampere) an die Elektrolysevorrichtung von großen DC-Leistungsversorgungen angelegt wurde, nahm der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung allmählich auf etwa 72% ab, während der Betriebsstrom erhöht wurde. Der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung nahm jedoch mit zunehmender Tempera tur zu. Diese Daten (5) können verwendet werden, um den Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung vorherzusagen.In tests ( 5 ), in which a much higher current (up to 70 amperes) was applied to the electrolyzer of large DC power supplies, the efficiency of the electrolyzer gradually decreased to about 72% while the operating current was increased. However, the efficiency of the electrolyzer increased with increasing temperature. These dates ( 5 ) can be used to predict the efficiency of the electrolyzer.

Die Sonnenleistung zum Betreiben der Elektrolysevorrichtung zur Herstellung von Wasserstoffbrennstoff wird durch Fotovoltaikmodule (PV-Module) bereitgestellt, die Sonnenstrahlung in elektrische Leistung umwandeln. Der Wirkungsgrad eines PV-Systems, das verwendet wird, um eine Last (eine Elektrolysevorrichtung oder irgendein elektrisches Gerät) zu beaufschlagen, hängt von der Betriebsspannung der Last und der Betriebstemperatur der PV-Module ab. Ein Erhöhen der Betriebstemperatur eines PV-Moduls bewirkt eine Abnahme seines elektrischen Wirkungsgrades. Die Änderungen der Spannung, des Stromes, der Leistung und des Wirkungsgrades pro Grad Temperaturzunahme in einem PV-Modul werden als Temperaturkoeffizienten ausgedrückt.The Solar power for operating the electrolysis apparatus for production of hydrogen fuel is produced by photovoltaic modules (PV modules) provided that convert solar radiation into electrical power. The efficiency of a PV system that is used to load one to apply (an electrolysis device or any electrical device) depends on the operating voltage of the load and the operating temperature of the PV modules from. An increase the operating temperature of a PV module causes a decrease in its electrical efficiency. The changes the voltage, the current, the power and the efficiency per Degree of temperature increase in a PV module are expressed as temperature coefficients.

Zunächst werden die PV-Module durch Tests charakterisiert, um deren Maximalleistungspunkt in den folgenden Schritten der Optimierungsprozedur zu ermitteln. Alternativ können die Spannung, der Strom, die Leistung, der Maximalleistungspunkt, der Wirkungsgrad und die Temperaturkoeffizienten aus den Spezifikationen des Herstellers und Produktliteratur für die zu prüfenden PV-Module geschätzt werden, die für den Aufbau der PV-Elektrolysevorrichtung verwendet werden könnten. Wenn die verfügbaren PV-Spezifikationen nicht die Koeffizienten für die temperaturinduzierten Änderungen in Spannung, Strom und Leistung enthalten, können Durchschnittswerte für das PV-Halbleitermaterial verwendet werden. Kristallines Silizium ist der dominierende, heutzutage verwendete PV-Halbleiter. Die Betriebstemperatur der PV-Module kann ständig gemessen werden, indem ein Temperatursensor verwendet wird, der an der Rückseite des Moduls befestigt ist (das einfachste Verfahren). Die Betriebstemperatur könnte auch vorhergesagt werden, da sie eine Funktion der Umge bungstemperatur, der Windgeschwindigkeit und der Sonnenbestrahlung (W/m2) ist.First, the PV modules are characterized by tests to determine their maximum power point in the following steps of the optimization procedure. Alternatively, the voltage, current, power, maximum power point, efficiency, and temperature coefficients can be estimated from manufacturer specifications and product literature for the PV modules under test that could be used to construct the PV electrolyzer. If the available PV specifications do not include the coefficients for the temperature-induced changes in voltage, current, and power, averages for the PV semiconductor material may be used. Crystalline silicon is the dominant PV semiconductor used today. The operating temperature of the PV modules can be continuously measured using a temperature sensor attached to the back of the module (the simplest method). The operating temperature could also be predicted since it is a function of the ambient temperature, the wind speed and the sunshine (W / m 2 ).

Schritt 4 –Step 4 -

Eine elektronisch verstellbare Lastvorrichtung (mit einem Voltmeter und einem Amperemeter) ist an das PV-Modul angeschlossen und wird verwendet, um die Spannung, den Strom, den Maximalleistungspunkt, den Wirkungsgrad und die Temperaturkoeffizienten des PV-Moduls zu messen. Die Schaltung für eine variable Last ist in 6 schematisch gezeigt.An electronically adjustable load device (with a voltmeter and an ammeter) is connected to the PV module and is used to measure the voltage, current, maximum power point, efficiency and temperature coefficients of the PV module. The circuit for a variable load is in 6 shown schematically.

Das Modul (oder die Gruppe von zusammengeschalteten Modulen) aus solarbeaufschlagten Fotovoltaikzellen ist an eine variable Last als Teil einer Prozedur zum Optimieren einer solarbeaufschlagten Wasserstoffproduktion angeschlossen. Eine Temperaturmessvorrichtung ist an den Modulen angebracht, um die Betriebstemperatur ständig zu messen, und die Module sind mit direkt in Richtung der Sonne weisenden Lichtaufnahmeflächen positioniert. Die Temperatur wird ständig gemessen, bis die Module eine stationäre Betriebstemperatur erreichen. Die Sonnenbestrahlung (W/m2) wird ständig mit einem kalibrierten Sonnenbestrahlungssensor gemessen.The module (or group of interconnected modules) of solar powered photovoltaic cells is connected to a variable load as part of a procedure for optimizing solar powered hydrogen production. A temperature measuring device is mounted on the modules to continuously measure the operating temperature, and the modules are positioned with light receiving surfaces facing directly toward the sun. The temperature is constantly measured until the modules reach a steady operating temperature. The sun exposure (W / m 2 ) is constantly using a calibrated Sonnenbestrah lung sensor measured.

Eine variable Last (wie etwa das Electronic Load Model 6060A von Hewlett Packard) ist in Reihe zu dem Modul oder den Modulen geschaltet. Die Vorrichtung für eine variable Last ist eine elektronische Vorrichtung, die als ein variabler Widerstand, ein Amperemeter mit niedrigem Widerstand in Reihe mit dem elektrischen Schaltkreis, um den Eingangsstrom zu messen, und ein Voltmeter parallel zu dem elektrischen Schaltkreis, um die Eingangsspannung zu messen, fungiert (6). Zusätzlich zum Messen des Stroms und der Spannung misst die Vorrichtung für eine variable Last auch die Leistung. Unter Verwendung des Testsystems mit einer variablen Last wird die auf das Modul oder die Module aufgebrachte Last über den Strombereich des PV-Systems von Null bis zum Kurzschlussstrom (Isc) verändert, während die Bediener den Strom, die Spannung, die Leistung und die Temperatur unter den erwarteten Betriebsbedingungen während der geplanten solarbeaufschlagten Wasserstofferzeugung (gewöhnlich die stationären Betriebsbedingungen) messen.A variable load (such as the Hewlett Packard 6060A Electronic Load Model) is connected in series with the module or modules. The variable load device is an electronic device that operates as a variable resistor, a low resistance ammeter in series with the electrical circuit to measure the input current, and a voltmeter in parallel with the electrical circuit to measure the input voltage. acts ( 6 ). In addition to measuring the current and voltage, the variable load device also measures the power. Using the variable load test system, the load applied to the module or modules is varied across the current range of the PV system from zero to the short circuit current (I sc ), while the loads are the current, voltage, power and temperature under the expected operating conditions during the planned solar powered hydrogen production (usually steady-state operating conditions).

Es ist hilfreich, als nächstes die Leistung über die Spannung aufzutragen, wobei die Leistung als Spannung × Strom definiert ist, um die maximale Leistung (Pmax) zu messen (siehe 3). Das Auftragen von Strom und Leistung über Spannung macht es möglich, den Maximalleistungspunkt der Leistungskurve und den Punkt auf dem IV-Ausdruck zu beobachten, bei dem die Spannung die Maximalleistungs-Spannung (Vmlp) ist und der Strom der maximale Leistungsstrom (Imlp) ist, was der maximalen Leistung (Pmax = Vmlp × Imlp) entspricht.It is helpful to next apply the power over the voltage, where the power is defined as voltage × current to measure the maximum power (P max ) (see 3 ). The application of current and power over voltage makes it possible to observe the maximum power point of the power curve and the point on the IV expression where the voltage is the maximum power voltage (V mlp ) and the current is the maximum power current (I mlp ) is what corresponds to the maximum power (P max = V mlp × I mlp ).

7 zeigt die Ergebnisse der Abtastung und des Auftragens der Spannung, des Stroms und der Leistung von einem hocheffizienten PV-Modul, um den Maximalleistungspunkt zu finden und Pmax, Vmlp, Imlp, den maximalen PV-Wirkungsgrad unter Verwendung eines Systems für eine variable Last zu messen (getestet unter hellem, natürlichem Sonnenlicht in Warren, Michigan). 7 shows the results of the sampling and the application of the voltage, current and power from a high efficiency PV module to find the maximum power point and P max , V mlp , I mlp , the maximum PV efficiency using a system for a variable Load (tested under bright, natural sunlight in Warren, Michigan).

Die Auswirkungen der PV-Modultemperatur auf die Spannung, den Strom und die maximale Leistung und den maximalen Wirkungsgrad können auch unter Verwendung des Systems für eine variable Last gemessen werden, und die Ergebnisse können verwendet werden, um die Temperaturkoeffizienten des Moduls zu ermitteln. In 8 wurde die Auswirkung von Betriebstemperaturänderungen auf den elektrischen Wirkungsgrad eines PV-Moduls beim Maximalleistungspunkt (ihre optimale Betriebsspannung) ermittelt, indem ein PV-Modul sechsmal mit einem Bereich von Betriebstemperaturen abgetastet wurde. Die Änderung von 0,06 Wirkungsgradprozent pro Grad C entspricht einem Temperaturkoeffizienten von –0,3%/Grad C, d. h. der Wirkungsgrad von 18,8% Bei STC (25 Grad C) fällt um –0,3% × 18,8% = –0,06% für jedes Grad C Zunahme der Temperatur aufgrund einer solaren Erwärmung. Wenn die Temperatur 40 Grad C erreicht, wird der Wirkungsgrad auf 18,0% fallen. Der Temperaturkoeffizient für den PV-Leistungsausgang hat die gleiche Größe wie der für den Wirkungsgrad (–0,3%/Grad C), da Wirkungsgrad = Leistungsausgang/Pmax, wobei Pmax eine Konstante (die maximale Leistung unter STC) ist.The effects of PV module temperature on voltage, current and maximum power and efficiency can also be measured using the variable load system and the results used to determine the module's temperature coefficients. In 8th For example, the effect of operating temperature changes on the electrical efficiency of a PV module at maximum power point (its optimal operating voltage) was determined by sampling a PV module six times with a range of operating temperatures. The change of 0.06% efficiency per degree C corresponds to a temperature coefficient of -0.3% / degree C, ie the efficiency of 18.8% At STC (25 degrees C) falls by -0.3% × 18.8% = -0.06% for each degree C increase in temperature due to solar heating. When the temperature reaches 40 degrees C, the efficiency will drop to 18.0%. The temperature coefficient for the PV power output is the same size as that for the efficiency (-0.3% / degree C) because efficiency = power output / P max , where P max is a constant (the maximum power under STC).

Beispiel Optimierung Fall 1:Example Optimization Case 1:

Für das PV-Modul (Sanyo HIP-190), das unter Verwendung des Systems mit einer elektronischen variablen Last getestet wurde, wie es in den 7 und 8 gezeigt ist, fanden wir die folgenden Messergebnisse:
Spannung bei dem MLP (Vmlp) = 52 Volt bei 41°C [aus 7]
[die Vmlp bei STC, 25°C, betrug 54,8 Volt gemäß den Herstellerspezifikationen]
Leistung bei MLP (Pmax) = 180 Watt 41°C [aus 7]
[die Pmax bei STC betrug 190 W gemäß den Herstellerspezifikationen]
Der Maximalleistungs-Strom (Imlp) von jedem PV-Modul wird 180 Watt/52 Volt = 3,46 Ampere bei 41°C betragen.
Der Temperaturkoeffizient von Pmax (% von Gesamt-P/°C) = –0,30% [aus 8]
[der Koeffizient betrug ebenfalls –0,30% % der Gesamt-P/°C gemäß den Herstellerspezifikationen]
Temperaturkoeffizient von Vmlp (Volt/°C) ≈ 0,3% × 180 VA/3,46 A = 0,16 Volt/°C.
For the PV module (Sanyo HIP-190), which was tested using the system with an electronic variable load, as described in the 7 and 8th shown, we found the following results:
Voltage at the MLP (V mlp ) = 52 volts at 41 ° C [off 7 ]
[the V mlp at STC, 25 ° C, was 54.8 volts according to the manufacturer's specifications ]
Power at MLP (P max ) = 180 watts 41 ° C [off 7 ]
[the P max at STC was 190 W according to the manufacturer's specifications]
The maximum power current (I mlp ) of each PV module will be 180 watts / 52 volts = 3.46 amps at 41 ° C.
The temperature coefficient of P max (% of total P / ° C) = -0.30% [out 8th ]
[the coefficient was also -0.30%% of the total P / ° C according to the manufacturer's specifications]
Temperature coefficient of V mlp (volts / ° C) ≈ 0.3% × 180 VA / 3.46 A = 0.16 volts / ° C.

Fall 2 – Kontrollbeispiel (nicht zu optimieren):Case 2 - Control Example (not closed) optimize):

Alle PV-Modulparameter waren gleich wie im Fall 1.All PV module parameters were the same as in case 1.

Schritt 5 –Step 5 -

Als Nächstes wird die Auswirkung der Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtung auf den Wirkungsgrad von solarbeaufschlagten Fotovoltaik-Elektrolysevorrichtungssystemen zum Erzeugen von Wasserstoff durch die folgende Prozedur optimiert.Next, the effect of the operating voltage of the electrolyzer on the efficiency of solar powered photovoltaic electrolyzer systems to generate hydrogen optimized by the following procedure.

Das Verfahren in den Schritten 1 und 2 wird verwendet, um die Betriebsspannung und den Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung unter stationären Bedingungen zu messen, die erforderlich sind, um die Zielströmungs- oder -durchflussrate der Wasserstoffproduktion zu erzeugen. Anschließend wird das Verfahren von Schritt 4 verwendet, um die Maximalleistungspunkt-Spannung (Vmlp) und den Wirkungsgrad von mehreren Probefotovoltaikmodulen oder Gruppen von zusammengeschalteten Modulen unter den erwarteten Betriebsbedingungen während der geplanten solarbeaufschlagten Wasserstofferzeugung zu messen. Das geeignetste Modul oder die geeigneteste Gruppen von verbundenen Modulen wird/werden gewählt, die eine Vmlp gleich der Betriebsspannung der Elektrolysevor richtung aufweisen, um den maximalen Wirkungsgrad von dem Fotovoltaiksystem zu erhalten. Diese Auswahl des geeignetesten Moduls oder der geeignetsten Module wird vorgenommen, indem die Fotovoltaikmodulleistung und der Wirkungsgrad der Fotovoltaikmodule über Voper/Vmlp für die Module unter den erwarteten Betriebsbedingungen zur Wasserstofferzeugung aufgetragen werden, oder alternativ ein Modul oder eine Gruppe von zusammengeschalteten Modulen mit einer Leistungs- oder Wirkungsgradkurve, die über Voper/Vmlp aufgetragen ist, ausgewählt wird, welche angibt, dass das solarbeaufschlagte Fotovoltaiksystem einen gewünschten Prozentsatz des maximalen Wirkungsgrades bei der stationären Betriebsspannung (Voper) der Elektrolysevorrichtung aufrecht erhält.The method in steps 1 and 2 is used to measure the operating voltage and efficiency of the electrolyzer under steady state conditions required to produce the target flow or rate of hydrogen production. Thereafter , the method of step 4 is used to measure the maximum power point voltage (V mlp ) and the efficiency of multiple sample photovoltaic modules or groups of interconnected modules under the expected operating conditions during the planned solar energized hydrogen production. The most appropriate module or groups of connected modules are chosen that have a V mlp equal to the operating voltage of the electrolyzer to obtain the maximum efficiency from the photovoltaic system. This selection of the most appropriate module (s) will be made by plotting photovoltaic module performance and photovoltaic module efficiency versus V oper / V mlp for the modules under the expected hydrogen production operating conditions, or alternatively a module or group of interconnected modules Power or efficiency curve plotted against V oper / V mlp , indicating that the solar powered photovoltaic system maintains a desired percentage of maximum efficiency at the steady state operating voltage (V oper ) of the electrolyzer.

Bei unserer Optimierung Fall 1:At our optimization case 1:

Das PV-Modul (Sanyo HIP-190), das wir in Schritt 4 charakterisierten, erzeugt eine Ausgangsspannung von 54,8 Volt (die Vmlp) bei ihrem maximalen Leistungsausgang bei 25°C (der MLP unter Standardbetriebsbedingungen von 25°C). Da die in Schritt 3 optimierte Elektrolysevorrichtung 53 Volt benötigt (die Betriebsspannung Voper), kann die PV-Ausgangsspannung als gute Wahl zur Verwendung in dem PV-Elektrolysevorrichtungssystem angesehen werden. Damit die PV-Module 53 Volt zum Betreiben der Elektrolysevorrichtung mit hohem Wirkungsgrad liefern, müssen die Module entweder derart entworfen werden, dass sie einen Vmlp von 53 Volt bei der stationären Betriebstemperatur besitzen, oder die stationäre Betriebstemperatur der PV-Module muss in der Nähe von 25°C gehalten werden (siehe Schritt 7 unten). Der geringe Überschuss von PV-Ausgangsspannung gegenüber der Betriebsspannung, 54,8 Volt – 53 Volt = 1,8 Volt (3% Überschuss) ist hilfreich, da die Ausgangsspannung abfallen wird, wenn die Betriebstemperatur über 25°C ansteigt, und es aufgrund des Widerstandes in Verdrahtung geringe "Kupfer"-Verluste geben kann, die die Spannung vermindern.The PV module (Sanyo HIP-190), which we characterized in step 4, produces an output voltage of 54.8 volts (the V mlp ) at its maximum power output at 25 ° C (the MLP under standard operating conditions of 25 ° C). Since the electrolyzer optimized in step 3 requires 53 volts (the operating voltage V oper ), the PV output voltage can be considered a good choice for use in the PV electrolyzer system. For the PV modules to deliver 53 volts to operate the electrolyzer with high efficiency, the modules must either be designed to have a V mlp of 53 volts at the steady state operating temperature, or the stationary operating temperature of the PV modules must be nearby of 25 ° C (see step 7 below). The small excess of PV output voltage over the operating voltage, 54.8 volts - 53 volts = 1.8 volts (3% excess) is helpful because the output voltage will drop as the operating temperature rises above 25 ° C, and it will fail due to Resistance in wiring can give low "copper" losses that reduce the voltage.

Die PV-Module werden alle parallel konfiguriert sein, d. h. positiv an positiv und negativ an negativ zusammengeschaltet sein, und werden direkt mit der Elektrolysevorrichtung verbunden sein. Die Anzahl von PV-Modulen wird betragen:
Anzahl von Modulen = 89 Ampere/3,46 Ampere/Modul = 26.
Gesamtleistung bei MLP (Pmax) = 26 × 180 Watt = 4680 Watt bei 41°C
[Leistung, die aus dem in 7 ermittelten Maximalleistungspunkt berechnet wird]
The PV modules will all be configured in parallel, ie connected positive to positive and negative to negative, and will be connected directly to the electrolyzer. The number of PV modules will be:
Number of modules = 89 amps / 3.46 amps / module = 26.
Total power at MLP (P max ) = 26 × 180 watts = 4680 watts at 41 ° C
[Performance coming out of the 7 calculated maximum power point is calculated]

Fall 2 = Kontrollbeispiel (nicht zu optimieren):Case 2 = control example (not to be optimized):

Die PV-Module werden alle parallel konfiguriert sein, d. h. positiv an positiv und negativ an negativ zusammengeschaltet sein und werden direkt mit der Elektrolysevorrichtung verbunden sein. Die Anzahl von PV-Modulen wird betragen:
Voper = 40 Volt
The PV modules will all be configured in parallel, ie connected positively to positive and negative to negative, and will be connected directly to the electrolyzer. The number of PV modules will be:
V oper = 40 volts

Aus 7:
PV-Leistung bei Voper = 150 Watt pro Modul
Strom (Ioper) bei Voper = 150 Watt/40 Volt = 3,75 Ampere
Anzahl von Modulen = 111 Ampere/3,75 Ampere/Modul = 30
Gesamtleistung = 30 × 150 Watt = 4500 Watt
Out 7 :
PV power at V oper = 150 watts per module
Current (I oper ) at V oper = 150 watts / 40 volts = 3.75 amps
Number of modules = 111 amps / 3.75 amps / module = 30
Total power = 30 × 150 watts = 4500 watts

Unter diesen nicht optimierten Bedingungen werden mehr PV-Module verwendet, die aber weniger Leistung ergeben als Fall 1.Under these non-optimized conditions use more PV modules, but which yield less power than Case 1.

Schritt 6 –Step 6 -

Es kann ein alternatives Verfahren zum Schätzen der Maximalleistungspunkt-Spannung und des Wirkungsgrades eines Moduls oder von Modulen von solarbeaufschlagten Fotovoltaikzellen, die mit einer variablen Last verbunden sind, als Teil eines Verfahrens zum Optimieren solarbeaufschlagter Wasserstoffproduktion verwendet werden, indem die in der Produktliteratur von dem Hersteller angegebenen Spezifikationen der Fotovoltaikmodule für die Maximalleistungspunkt-Spannung und die maximale Leistung bei 25°C (Standardtestbedingungen) verwendet werden, und eine Temperaturmessvorrichtung verwendet wird, die an dem Modul oder den Modulen angebracht ist, um die stationäre Betriebstemperatur durch das Verfahren von Schritt 4 zu messen. Die von dem Hersteller angegebenen Temperaturkoeffizienten (oder durchschnittliche Temperaturkoeffizienten für den Halbleiter und den Typ von Fotovoltaikmaterial), die aus dieser Literatur beschafft werden, können verwendet werden, um die Maximalleistungspunkt-Spannung und die maximale Leistung bei der Betriebstemperatur zu schätzen (indem die Temperaturkoeffizienten und die Betriebstemperatur verwendet werden, um die Maximalleistungspunkt-Spannung und die maximale Leistung bei 25°C zu korrigieren).It may be an alternative method of estimating the maximum power point voltage and efficiency of a module or modules of solar powered photovoltaic cells having a variab are used as part of a method for optimizing solar-powered hydrogen production by using the photovoltaic module specifications specified in the product literature by the manufacturer for maximum power point voltage and maximum power at 25 ° C (standard test conditions), and a temperature measuring device attached to the module or modules to measure the steady-state operating temperature by the method of step 4. The temperature coefficients (or average temperature coefficients for the semiconductor and type of photovoltaic material) provided by the manufacturer, obtained from this literature, can be used to estimate the maximum power point voltage and the maximum power at the operating temperature (using the temperature coefficients and the operating temperature used to correct the maximum power point voltage and the maximum power at 25 ° C).

Schritt 7 –Step 7 -

Als Nächstes kann die folgende Prozedur zum Erhöhen des Wirkungsgrades eines Fotovoltaikmoduls oder von Fotovoltaikmodulen als Teil einer Prozedur zum Optimieren einer solarbeaufschlagten Wasserstoffproduktion verwendet werden. Zunächst wird eine größere oder kleinere Anzahl von Modulen in Reihe geschaltet, um die Ausgangsspannung des gesamten Fotovoltaiksystems zu modifizieren, um sie gleich der stationären Be triebsspannung der Elektrolysevorrichtung durch das Verfahren einer direkten Verbindung zu machen (siehe Schritt 5). Als Zweites kann während der Prozedur von Schritt 5 eine Strömung von Kühlwasser oder einem anderen Fluid, Gas oder Flüssigkeit, die auf das Modul oder die Module auftrifft, verwendet werden, um die stationäre Modulbetriebstemperatur zu verringern. Alternativ werden Fluide, die in Kühlschleifen, Flügeln oder Belüftungen, die die Module berühren oder an diesen gebracht sind, transportiert werden, verwendet, um die stationäre Betriebstemperatur zu verringern. Wir haben die Wirkung des periodischen Aufsprühens von kaltem Wasser (21,4°C) auf ein PV-Modul getestet und herausgefunden, dass die Modultemperatur effektiv vermindert wurde. Das Vermindern der Betriebstemperatur während des Schrittes 5 erhöht die Pmax und den Wirkungsgrad des PV-Moduls.Next, the following procedure for increasing the efficiency of a photovoltaic module or photovoltaic modules may be used as part of a procedure for optimizing solar-powered hydrogen production. First, a greater or lesser number of modules are connected in series to modify the output voltage of the entire photovoltaic system to make it equal to the stationary operating voltage of the electrolyzer by the direct connection method (see step 5). Second, during the procedure of step 5, a flow of cooling water or other fluid, gas or liquid impinging on the module or modules may be used to reduce the steady-state module operating temperature. Alternatively, fluids carried in cooling loops, vanes, or vents that contact or are brought to the modules are used to reduce the steady state operating temperature. We tested the effect of periodically spraying cold water (21.4 ° C) on a PV module and found that the module temperature was effectively reduced. Reducing the operating temperature during step 5 increases the P max and the efficiency of the PV module.

Zusätzlich gibt es Umstände, unter denen das einzig verfügbare PV-System keine Ausgangsspannung nahe genug bei der Betriebsspannung der Elektrode für einen effizienten Betrieb der PV-Elektrolysevorrichtung durch das Verfahren der direkten Verbindung besitzt (siehe Schritt 5). Unter diesen Umständen werden DC/DC-Wandler oder Ladecontroller in Reihe zwischen die Module und die Elektrolysevorrichtung geschaltet, um die Ausgangsspannung des gesamten Fotovoltaiksystems zu modifizieren, um sie gleich der stationären Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtung zu machen. Da DC/DC-Wandler den Widerstand des Schaltkreises erhöhen, ist der maximale Wirkungsgrad mit DC/DC-Wandlern geringer als der maximale Wirkungsgrad einer PV-Elektrolyse mit direkter Verbindung, obwohl beide Verfahren verwendet werden können, um eine Spannung gleich der Betriebsspannung zuzuführen. Daher werden DC/DC-Wandler nicht verwendet, wenn das Verfahren in Schritt 5 benutzt werden kann, um die Ausgangsspannung des PV-Systems derart einzurichten, dass sie zu der Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtung passt.In addition there it circumstances, among those the only one available PV system no output voltage close enough to the operating voltage the electrode for an efficient operation of the PV electrolysis device by the Direct connection method has (see step 5). Under these circumstances be DC / DC converters or charging controllers in series between the modules and the electrolyzer switched to the output voltage of the entire photovoltaic system to make it equal to the stationary operating voltage to make the electrolyzer. Because DC / DC converter the resistance of the circuit, the maximum efficiency with DC / DC converters is lower than that maximum efficiency of PV electrolysis with direct connection, although both methods can be used to equal a voltage to supply the operating voltage. Therefore, become DC / DC converters not used when using the procedure in step 5 can, in order to set up the output voltage of the PV system, that it matches the operating voltage of the electrolyzer.

Bei der Optimierung Fall 1:When optimizing Case 1:

Die stationäre Betriebstemperatur der PV-Module während eines kühlen windigen Zeitraums beträgt 35°C Luft.The stationary Operating temperature of the PV modules during a cool windy Period is 35 ° C air.

In den nachfolgenden Wochen, wenn die Umgebungstemperatur zunimmt, wird eine Kühlflüssigkeit oder Kühlgas verwendet, um die PV-Betriebstemperatur von 35°C immer dann aufrecht zu erhalten, wenn die Umgebungsbedingungen einer Sonnenbestrahlung und Windgeschwindigkeit das Modul über diese Temperatur hinaus erwärmen. Das Halten der PV-Module 10 Grad über der Standardtemperatur von 25°C wird die Vmlp bei 53 Volt halten, dem optimalen Niveau, das gleich der Voper der Elektrolysevorrichtung ist. Wenn kein Kühlsystem verwendet wird, wird die Sonnenbestrahlung die Module an kalten sonnigen Tagen auf über 40°C und an warmen sonnigen Tagen auf mehr als 50°C erwärmen, was einen Abfall der Spannung und einen verringerten Wirkungsgrad bewirkt. Vmlp bei 35°C = Vmlp bei 25°C + (Temperaturkoeffizient × ΔT) = 54,8 Volt + (–0,16 Volt/°C × 10°C) = 53,2 Volt In subsequent weeks, as the ambient temperature increases, a cooling liquid or cooling gas is used to maintain the PV operating temperature of 35 ° C whenever the ambient conditions of sunlight and wind speed heat the module beyond this temperature. Holding the PV modules 10 degrees above the standard temperature of 25 ° C will hold the V mlp at 53 volts, the optimum level equal to the V oper of the electrolyzer. If no cooling system is used, solar radiation will heat the modules to over 40 ° C on cold sunny days and to more than 50 ° C on warm sunny days, causing a drop in voltage and reduced efficiency. V mlp at 35 ° C = V mlp at 25 ° C + (temperature coefficient × ΔT) = 54.8 volts + (-0.16 volts / ° C × 10 ° C) = 53.2 volts

Fall 2 – Kontrollbeispiel (nicht zu optimieren):Case 2 - Control Example (not closed) optimize):

Es wird nichts vorgenommen, um die Spannung, den Stromausgang oder die Temperatur des PV-Systems zu verändern.It nothing is done to the voltage, the current output or to change the temperature of the PV system.

Bei der Optimierung Fall 3:When optimizing Case 3:

Die stationäre Betriebstemperatur in einem anderen kühlen sonnigen Zeitraum beträgt 41°C. Alle Elektrolysevorrichtungsparameter sind gleich wie in Fall 1, außer dass die umkonstruierte Elektrolysevorrichtung in diesem Fall (Fall 2) 25 Elektrolysezellen aufweist, die in Reihe geschaltet sind, was einen Voper von 45 Volt ergibt.The steady operating temperature in another cool sunny period is 41 ° C. All of the electrolyzer parameters are the same as in Case 1, except that the redesigned electrolyzer in this case (Case 2) has 25 electrolysis cells connected in series, giving a V oper of 45 volts.

Das PV-Modul wurde umkonstruiert, sodass es 83 Solarzellen in Reihe aufweist, um eine Vmlp von 45 Volt bei 41°C zu produzieren. [Das ursprüngliche PV-Modul in Fall 1 wies 96 Solarzellen auf, die in Reihe geschaltet sind, um 52 Volt bei 41°C zu ergeben.]The PV module has been redesigned to have 83 solar cells in series to produce a V mlp of 45 volts at 41 ° C. [The original PV module in Case 1 had 96 solar cells connected in series to give 52 volts at 41 ° C.]

Bei der Optimierung Fall 4:When optimizing Case 4:

Alle Elektrolysevorrichtungsparameter sind wie in Fall 1 beschrieben.All Electrolysis apparatus parameters are as described in Case 1.

Bei der PV-Betriebstemperatur weisen die einzigen PV-Module, die zur Verwendung verfügbar sind, eine Vmlp von 36 Volt auf.At the PV operating temperature, the only PV modules available for use have a V mlp of 36 volts.

Die PV-Module sind an einen DC/DC-Wandler oder an ein Ladecontrollersystem mit einem Eingangsspannungsbereich angeschlossen, der 36 Volt (beispielsweise 30–40 Volt) umfasst, und er verstärkt die Spannung auf eine Ausgangsspannung von 53 Volt bei der erwarteten PV-Betriebstemperatur.The PV modules are connected to a DC / DC converter or to a charge controller system connected to an input voltage range of 36 volts (for example 30-40 Volt) and he amplifies the voltage to an output voltage of 53 volts at the expected PV operating temperature.

Der DC/DC-Wandler besitzt einen Wirkungsgrad von 90% und bewirkt einen Wirkungsgradverlust von 10% in Fall 3 im Vergleich mit dem System mit direkter Verbindung in Fall 1.Of the DC / DC converter has an efficiency of 90% and causes a Efficiency loss of 10% in case 3 compared to the system with direct connection in case 1.

Schritt 8 –Step 8 -

Die Optimierungsprozedur in den Schritten 1–5 kann verwendet werden, um einen optimalen Entwurf zum Aufbau eines optimierten solarbeauf schlagten Fotovoltaik-Elektrolysevorrichtungssystem zur Erzeugung von Wasserstoff zu produzieren. Die optimalen Entwurfsparameter werden unter Verwendung des Verfahrens von Schritt 1, um die stationäre Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtung zu messen, und unter Verwendung des Verfahrens von den Schritten 2 und 3, um den Betriebswirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung in dem Bereich von zulässigem Betriebsstrom und zulässiger Betriebstemperatur zu messen, berechnet. Als Nächstes wird das Verfahren von Schritt 3 verwendet, um, falls möglich, den Betriebswirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung zu verbessern, und es werden der gewünschte Betriebsstrom (und die resultierende Wasserstofferzeugungsrate und der entsprechende Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung) gewählt. Als Nächstes werden die Schritte 4–6 verwendet, um den Wirkungsgrad des PV-Systems zu optimieren.The Optimization procedure in steps 1-5 can be used to an optimal design to build an optimized solar impact Photovoltaic electrolysis device system for generating hydrogen to produce. The optimal design parameters are used the method of step 1, to the stationary operating voltage of the electrolyzer to measure, and using the method of the steps 2 and 3, the operating efficiency of the electrolyzer in the range of allowed Operating current and permissible Operating temperature to be measured, calculated. Next, the method of Step 3 used to, if possible, to improve the efficiency of operation of the electrolyzer, and it will be the desired one Operating current (and the resulting hydrogen generation rate and the corresponding efficiency of the electrolysis device) is selected. When next become steps 4-6 used to optimize the efficiency of the PV system.

Es gibt einen Kompromiss zwischen hoher Wasserstofferzeugung und hohem Wirkungsgrad. Es ist anzumerken, dass das Erhöhen der Wasserstofferzeugungsrate durch Erhöhen des Betriebsstromes Ioper zu einem verringerten Wirkungsgrad führt.There is a trade-off between high hydrogen production and high efficiency. It should be noted that increasing the hydrogen generation rate by increasing the operating current I oper leads to reduced efficiency.

In Fall 1:In case 1:

Der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung beträgt 70%.Of the Efficiency of the electrolyzer is 70%.

Der Wirkungsgrad des PV-Systems beträgt 18,2%.Of the Efficiency of the PV system is 18.2%.

Der Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff beträgt 12,7%.Of the Overall efficiency of the conversion of solar energy into hydrogen is 12.7%.

Die Wasserstoffproduktionsrate beträgt 0,10 kg/Stunde.The Hydrogen production rate is 0.10 kg / hour.

Die PV-Zellenfläche beträgt 26 × 1,027 m2 = 26,7 m2. (gemessene Fläche der PV-Zellen, die gewöhnlich vom Hersteller erhältlich ist)The PV cell area is 26 × 1.027 m 2 = 26.7 m 2 . (measured area of PV cells usually available from the manufacturer)

In Fall 2 – Kontrollbeispiel (nicht zu optimieren):In case 2 - control example (not to optimize):

Der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung beträgt 62%.Of the Efficiency of the electrolyzer is 62%.

Der Wirkungsgrad des PV-Systems = 150 Watt/190 Watt × 19% = 15%Of the Efficiency of the PV system = 150 watts / 190 watts × 19% = 15%

Der Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff beträgt 9% Wasserstoffrate = Ioper/(N × 26806 Ampere/kg/Stunde) = 111 × 20/26806 = 0,083 kg/Stunde The overall efficiency of the conversion of solar energy into hydrogen is 9% Hydrogen rate = I Opera / (N × 26,806 amps / kg / hour) = 111 × 20/26806 = 0.083 kg / hour

Die PV-Zellenfläche beträgt 30 × 1,027 m2 = 30,8 m2.The PV cell area is 30 × 1.027 m 2 = 30.8 m 2 .

Da die Elektrolysevorrichtung und das PV-System beide nicht optimiert sind, erfordert Fall 2 eine größere Anzahl, Fläche und Kosten von PV-Modulen, produziert aber weniger Wasserstoff pro Stunde.There the electrolyzer and the PV system are both not optimized case 2 requires a larger number, area and costs of PV modules, but produces less hydrogen per hour.

In Fall 3:In case 3:

Der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung beträgt 70%.Of the Efficiency of the electrolyzer is 70%.

Der Wirkungsgrad des PV-Systems beträgt 18,2%.Of the Efficiency of the PV system is 18.2%.

Der Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff beträgt 12,7%Of the Overall efficiency of the conversion of solar energy into hydrogen is 12.7%

Die Wasserstoffproduktionsrate beträgt 0,10 kg/Stunde.The Hydrogen production rate is 0.10 kg / hour.

Die PV-Zellenfläche beträgt 26 × 1,027 m2 = 26,7 m2.The PV cell area is 26 × 1.027 m 2 = 26.7 m 2 .

In Fall 4:In case 4:

Der Wirkungsgrad der Elektrolysevorrichtung beträgt 70%.Of the Efficiency of the electrolyzer is 70%.

Der Wirkungsgrad des PV-Systems beträgt 18,2%.Of the Efficiency of the PV system is 18.2%.

Der Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers beträgt 90%.Of the Efficiency of the DC / DC converter is 90%.

Der Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff beträgt 11,4%Of the Overall efficiency of the conversion of solar energy into hydrogen is 11.4%

Die Wasserstoffproduktionsrate beträgt 0,09 kg/Stunde.The Hydrogen production rate is 0.09 kg / hour.

Die PV-Zellenfläche beträgt 26 × 1,027 m2 26,7 m2.The PV cell area is 26 × 1,027 m 2 26.7 m 2 .

Schritt 9 –Step 9 -

Es kann auch ein Verfahren auf der Basis der Schritte 1–5 verwendet werden, um das solarbeaufschlagte Fotovoltaik-Elektrolysevorrichtungssystem zur Erzeugung von Wasserstoff zu optimieren und zu betreiben. Spannungs- und Stromsensoren sind angeschlossen, um die Betriebsspannung und den Betriebsstrom des Fotovoltaik-Elektrolysevorrichtungssystems zu messen, und Temperatursensoren sind eingebaut, um die Betriebstemperatur der Fotovoltaikmodule zu messen. Anschließend ist ein Steuersystem, das logische Systeme, Steueralgorithmen, elektronische Controller und Schalter (Solenoid oder andere) umfasst, an die Spannungs-, Strom- und Temperatursensoren angeschlossen, um den Betrieb und den Wirkungsgrad des Fotovoltaik-Elektrolysevorrichtungssystems auf der Basis der Sensormesswerte zu steuern. Das Steuersystem fungiert, um den Systembetrieb und den Systemwirkungsgrad ständig zu optimieren, indem Signale von den Sensoren verwendet werden, um die Anzahl von Solarzellen, die in Reihen- und Parallelschaltungen in den Fotovoltaikmodulen geschaltet sind, zu steuern, um die optimale Ausgangsspannung des PV-Systems gleich der gewünschten Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtung zu halten.It For example, a method based on steps 1-5 may also be used become the solar powered photovoltaic electrolyzer system to optimize and operate hydrogen production. voltage and current sensors are connected to the operating voltage and the operating current of the photovoltaic electrolysis device system to measure, and temperature sensors are built-in to the operating temperature to measure the photovoltaic modules. Then there is a tax system the logical systems, control algorithms, electronic controllers and switch (solenoid or other), to the voltage, Current and temperature sensors connected to the operation and the efficiency of the photovoltaic electrolyzer system based on the sensor readings. The tax system acts to constantly increase system operation and system efficiency optimize by using signals from the sensors to the number of solar cells connected in series and parallel in the photovoltaic modules are switched to control the optimal Output voltage of the PV system equal to the desired operating voltage of the Keep electrolysis device.

Alternativ können der Systembetrieb und der Systemwirkungsgrad ständig optimiert werden, indem Signale von dem Steuersystem verwendet werden, um die Anzahl von Elektrolysezellen, die in Reihen- und Parallelschaltungen in der Elektrolysevorrichtung geschaltet sind, zu steuern, um die optimale Systembetriebsspannung aufrecht zu erhalten. Alternativ können der Systembetrieb und der Systemwirkungsgrad ständig optimiert werden, indem Signale von dem Steuersystem verwendet werden, um die Ausgangsspannung eines DC/DC-Wandlers oder Ladecontrollers zu steuern, um die optimale Systembetriebsspannung aufrecht zu erhalten. Eines oder eine Kombination der alternativen Steuerszenarien kann/können verwendet werden, um den Betrieb der PV-Elektrolysevorrichtung zu steuern.alternative can System operation and system efficiency are constantly optimized by: Signals from the control system can be used to determine the number of Electrolysis cells, in series and parallel circuits in the Electrolysis device are connected to control to the optimum Maintain system operating voltage. Alternatively, the System operation and system efficiency are constantly optimized by Signals from the control system are used to control the output voltage a DC / DC converter or charge controller to control the optimal Maintain system operating voltage. One or a combination The alternative control scenarios can be used to control the Operation of the PV electrolysis device to control.

Ein System von Steuerschaltungen und Algorithmen, das zur Systemsteuerung verwendet wird, ist in 9A schematisch gezeigt. Dieses Steuersystem ist entworfen, um zwischen zwei Modi eines PV-Elektrolysevorrichtungsbetriebes umzuschalten: (a) ein Betrieb mit direkter Verbindung in Zeiträumen hoher Sonnenbestrahlung (ergibt einen hohen Strom und eine hohe Spannung) und (b) ein DC/DC-Wandlerbetrieb, um die Betriebsspannung in Zeiträumen teilweiser Bewölkung zu verstärken, wenn die PV-Ausgangsspannung zu niedrig für einen effizienten Betrieb durch direkte Verbindung ist. Der Modus mit direkter Verbindung ergibt gewöhnlich einen PV-Elektrolysevorrichtungsbetrieb mit höherer Leistung und höherem Wirkungsgrad, da das Hinzufügen eines DC/DC-Wandlers zu dem Schaltkreis den Widerstand erhöht. Die Zunahme des Widerstandes, wenn der Modus mit DC/DC-Wandler verwendet wird, bewirkt eine Abnahme der maximalen Leistung, die an die Elektrolysevorrichtung abgegeben wird, und eine Abnahme von 5%–10% des produzierten Wasserstoffes.A system of control circuits and algorithms used for system control is in 9A shown schematically. This control system is designed to switch between two modes of photovoltaic device operation: (a) direct connection operation in high sunshine periods (giving high current and high voltage) and (b) DC / DC converter operation to control the Increase operating voltage in periods of partial clouding when the PV output voltage is too low for efficient direct connection operation. The direct connection mode usually results in higher power and higher efficiency PV electrolyzer operation since the addition of a DC / DC converter to the circuit increases the resistance. The increase in resistance when using the DC / DC converter mode causes a decrease in the maximum power delivered to the electrolyzer and a decrease of 5% -10% of the hydrogen produced.

In 9A wird die Elektrolysevorrichtung bei 50 Volt (Voper = 50 V) betrieben. Drei Fotovoltaikmodule, die jeweils bei ihren Maximalleistungspunkten Vmlp = 50 V arbeiten, sind in einer Parallelschaltung angeordnet, um einen ausreichenden Betriebsstrom an die Elektrolysevorrichtung für die erforderliche Wasserstoffproduktion abzugeben. Das System wird von einem vorprogrammierten Controller (Controller-Algorithmen) betrieben. Der Controller kann aus einem Computer oder einem anderen elektronischen Steuersystem mit ausreichend Speicher bestehen. Die Algorithmen, die den Controller regeln und entscheiden, wann der Controller Schalter aktivieren wird, um eine direkte Verbindung von dem PV-Array zu der Elektrolysevorrichtung herzustellen, oder das PV-Array stattdessen mit dem DC/DC-Wandler zu verwenden, werden aus einer Datenbank des Leistungsvermögens oder einen Wirkungsgradmodell für die Elektrolysevorrichtung und den mehreren PV-Modulen abgeleitet. Der Modus mit direkter Verbindung des PV-Elektrolysevorrichtungssystems kann als der Standardmodus angesehen werden. In dem Modus mit direkter Verbindung ist die Voper des Systems gleich der Ausgangsspannung des PV-Arrays (VPV). Der Algorithmus erfordert, dass, wenn die Betriebsspannung (Voper und VPV) der PV-Elektrolysevorrichtung in dem Modus mit direkter Verbindung unter die untere Grenze des optimalen Spannungsbereiches des PV-Arrays (Vopt) abfällt, der Controller die Verbindungen des PV-Arrays mit dem DC/DC-Wandler (der Modus mit DC/DC-Wandler) und von dem Modus mit direkter Verbindung (Standard) weg umschalten wird.In 9A For example , the electrolyzer is operated at 50 volts (V oper = 50V ). Three photovoltaic modules, each operating at their maximum power points V mlp = 50 V, are arranged in parallel to deliver a sufficient operating current to the electrolyzer for the required hydrogen production. The system is operated by a pre-programmed controller (controller algorithms). The controller may consist of a computer or other electronic control system with sufficient memory. The algorithms that govern the controller and decide when the controller will enable switches to make a direct connection from the PV array to the electrolyzer, or to use the PV array instead with the DC / DC converter will become one Performance database or efficiency model for the electrolyzer and the multiple PV modules derived. The direct connection mode of the PV electrolyzer system may be considered the default mode. In the direct connection mode, the V oper of the system is equal to the output voltage of the PV array (V PV ). The algorithm requires that, when the operating voltage (V oper and V PV ) of the PV electrolysis device fall below the lower limit of the optimum voltage range of the PV array (V opt ) in the direct connection mode, the controller will disconnect the connections of the PV array. Arrays with the DC / DC converter (the mode with DC / DC converter) and the mode with direct connection (default) will switch away.

Ein Voltmeter und ein Amperemeter überwachen das Leistungsvermögen des PV-Systems, und ihre jeweiligen Daten werden von dem Controller-System überwacht. Das Voltmeter überwacht, wann Voper unter den voreingestellten Wert von Vopt abfällt, der ein charakteristischer Wert für das besondere in der PV-Elektrolysevorrichtung verwendete PV-Array ist. Die Datenbank für das Leistungsvermögen und das Wirkungsgradmodell für die Elektrolysevorrichtung und die mehreren PV-Module werden verwendet, um Vopt, Vmlp oder VPV des PV-Arrays oder Voper der Elektrolysevorrichtung unter jeglichen Temperaturbedingungen oder Strombedingungen zur Verwendung von der Controller-Logik zu setzen. Elektrische Schalter, die von den Controller-Algorithmen gesteuert werden, erlauben ein automatisches Verändern aus dem Modus mit direkter Verbindung in den Modus mit DC-DC-Wandler. Wenn die VPV, die von dem Controller in 9A ü berwacht wird, wieder auf Vopt ansteigt, wird der Controller automatisch zurück in den Modus mit direkter Verbindung (Standard) schalten. In diesem Beispiel kann ein DC/DC-Wandler in dem Fall in das PV-Leistungsabgabesystem geschaltet werden, dass die Spannung (Vmlp), die von den drei PV-Modulen abgegeben wird, unter die Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtung fällt, und abhängig von dem Strompegel aus der Sonnenbestrahlung wieder aus dem Schaltkreis herausgenommen werden.A voltmeter and ammeter monitor the performance of the PV system and their respective data is monitored by the controller system. The voltmeter monitors when V oper drops below the preset value of V opt , which is a characteristic value for the particular PV array used in the PV electrolyzer. The database for the performance and the efficiency model for the electrolysis apparatus and the plurality of PV modules are used to V opt, V MLP or V PV of the PV array or V oper the electrolytic device under any temperature conditions or current conditions for use by the controller logic to put. Electric switches, controlled by the controller algorithms, allow automatic change from direct connection mode to DC-DC converter mode. If the V PV is coming from the controller in 9A u is monitored, rises again to V opt, the controller will automatically return to the mode with a direct connection (Standard) will switch. In this example, a DC / DC converter may be switched into the PV power delivery system in the event that the voltage (V mlp ) output from the three PV modules falls below the operating voltage of the electrolyzer, and depending on that Current levels from the sun's rays are taken out of the circuit again.

9B veranschaulicht eine zweite Ausführungsform, in der eine Elektrolysevorrichtung eine vorbestimmte Voper und einen vorbestimmten Ioper zur Produktion von Wasserstoff aufweist. Die optimalen Werte von Voper und Ioper werden durch das mathematische Modell zur Optimierung der PV-Elektrolyse vorbestimmt (siehe Tabelle 1). Es ist ein PV-Array vorgesehen, um Gleichstromleistung für den Betrieb der Elektrolysevorrichtung zu liefern. Spannungs-, Strom- und Temperatursensoren sind eingebaut, um den Betrieb des Arrays aus Fotovoltaikzellen zu überwachen. Das PV-Array ist mit elektrischen Schaltern verbunden, um Kombinationen von elektrischen Reihen- und/oder Parallelschaltungen zwischen den jeweiligen Modulen zu erhalten. Das mathematische Modell zur Optimierung der PV-Elektrolyse (siehe Tabelle 1) beruht auf Daten, die mit einer Anzahl von PV-Modulen, DC/DC-Wandlern und Elektrolysevorrichtungsbedingungen erhalten werden. Die Kennlinie des Leistungsvermögens jedes Arrays aus PV-Modulen wird somit vorbestimmt und in der Datenbank eines programmierten Controllers gespeichert (der Controller kann aus einem Computer oder einem anderen elektronischen Steuersystem mit ausreichendem Speicher bestehen). Eine anfängliche Anordnung von einigen oder allen Modulen wird durch die Steuerung der Schalter eingerichtet, um Leistung (Ioper und Voper) an die Elektrolysevorrichtung abzugeben, wobei das Array aus Modulen bei deren Vmlp arbeitet. Sollte sich die Sonnenbestrahlung ändern oder sich die Temperatur des PV-Arrays ändern, oder sich die Betriebstemperatur oder der Betriebsstrom der Elektrolysevorrichtung ändern, oder dergleichen, kann der Controller eine unterschiedliche Schaltanordnung für ein neues Array aus PV-Modulen befehlen, wobei dennoch bei der Vmlp des neuen Arrays gearbeitet wird. Der Controller-Algorithmus des Systems in 9B steuert die Verbindungen der PV-Module und -Zellen in dem PV-Array, sodass die Vmlp des PV-Arrays gleich Voper, die Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtung, sein wird. Diese Bedingung ergibt den maximalen Wirkungsgrad und die maximale Wasserstoffproduktion. 9B illustrates a second embodiment in which an electrolyzer has a predetermined V oper and a predetermined I oper for producing hydrogen. The optimal values of V oper and I oper are predetermined by the mathematical model for optimizing PV electrolysis (see Table 1). A PV array is provided to provide DC power for operation of the electrolyzer. Voltage, current and temperature sensors are built in to monitor the operation of the array of photovoltaic cells. The PV array is connected to electrical switches to obtain combinations of electrical series and / or parallel connections between the respective modules. The mathematical model for optimizing PV electrolysis (see Table 1) is based on data obtained with a number of PV modules, DC / DC converters, and electrolyzer conditions. The performance curve of each array of PV modules is thus predetermined and stored in the database of a programmed controller (the controller may consist of a computer or other electronic control system with sufficient memory). An initial arrangement of some or all of the modules is established by the control of the switches to deliver power (I oper and V oper ) to the electrolyzer, the array of modules operating at their V mlp . Should the solar irradiation change or the temperature of the PV array change, or the operating temperature or current of the electrolyzer change, or the like, the controller may have a different Command switching arrangement for a new array of PV modules, while still working at the V mlp of the new array. The controller algorithm of the system in 9B controls the connections of the PV modules and cells in the PV array so that the V mlp of the PV array will be equal to V oper , the operating voltage of the electrolyzer. This condition gives the maximum efficiency and maximum hydrogen production.

9C veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform ist es die Anzahl von Elektrolysevorrichtungszellen, die in einer Reihen- und/oder Parallelschaltung angeordnet sind, welche für eine gewünschte Änderung in der Wasserstoffproduktionsrate oder zum Ausgleich mit dem PV-Array verändert werden kann. Diese Figur ist ähnlich wie die von 9B mit der Ausnahme, dass, wie es schematisch veranschaulicht ist, die Änderung bei der Organisation der Elektrolysevorrichtungszellen vorgenommen wird. Der steuernde Controller-Algorithmus in dieser Ausführungsform erfordert es, dass die Voper der Elektrolysevorrichtungszellen gleich der Vmlp des PV-Arrays ist, die durch das Wirkungsgradmodell, wie es in den Tabellen 1 und 4 gezeigt ist, unter den Betriebsbedingungen bestimmt wird. 9C illustrates another embodiment of the invention. In this embodiment, it is the number of electrolyzer cells that are arranged in series and / or parallel, which can be varied for a desired change in hydrogen production rate or for compensation with the PV array. This figure is similar to that of 9B with the exception that, as illustrated schematically, the change is made in the organization of the electrolyzer cells. The controlling controller algorithm in this embodiment requires that the V oper of the electrolyzer cells be equal to the V mlp of the PV array determined by the efficiency model as shown in Tables 1 and 4 under the operating conditions.

FOTOVOLTAISCHE KÜHLEXPERIMENTEPHOTOVOLTAIC KÜHLEXPERIMENTE

Es wurden Tests bezüglich der Effektivität der Kühlung von PV-Modulen an einem sonnigen Tag im Oktober durchgeführt. Kühles Leitungswasser (21,4°C) wurde für Zeiträume von 3–5 Minuten auf die Oberfläche der PV-Module unter Verwendung eines Schlauchs und einer feinen Sprühdüse aufgebracht. Ein an der Rückseite jedes Moduls angebrachter Sensor wurde verwendet, um die Temperatur zu überwachen. Die Strom-Spannung-Leistung-Kurven der Module wurden vor und nach dem Kühlprozess abgetastet. Die Ergebnisse der Tests sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2. Fotovoltaische Kühlexperimente PV-Modul Anfangstemperatur (°C) Endtemperatur (°C) Anfangsleistung (W) Endleistung (W) Zunahme in Pmax (%) Sanyo HIP-190 41 24 181 191 5,5 SunPower 36 23 81 88 8,6 Tests were conducted on the effectiveness of cooling PV modules on a sunny day in October. Cool tap water (21.4 ° C) was applied to the surface of the PV modules for 3-5 minutes using a hose and a fine spray nozzle. A sensor attached to the back of each module was used to monitor the temperature. The current-voltage-power curves of the modules were sampled before and after the cooling process. The results of the tests are summarized in Table 2. Table 2. Photovoltaic cooling experiments PV module Initial temperature (° C) Final temperature (° C) Initial power (W) Final power (W) Increase in P max (%) Sanyo HIP-190 41 24 181 191 5.5 SunPower 36 23 81 88 8.6

OPTIMIERUNGSMODELLOPTIMIZATION MODEL

Ein Gesamtmodell des Wirkungsgrades einer PV-Elektrolysevorrichtung wurde aufgebaut und durch Vergleich mit dem gemessenen Wirkungsgrad der Wasserstoffproduktion in unserer Datenbank getestet. Dieses Wirkungsgradmodell war auch die Basis zum Aufbau der schrittweisen Prozedur zum Optimieren des Wirkungsgrades der PV-Elektrolyse. Die Schritte der Prozedur wurden gewählt, indem die zum Modellieren des Wirkungsgrades verwendeten Terme analysiert wurden. Zum Schätzen des Wirkungsgrades jedes PV-Systems bei Voper wurde ein typischer IV-Ausdruck für ein PV-Modul aus kristallinem Silizium (Sharp Solar NT-185U1) normiert, um einen relativen Wirkungsgrad von 1,0 bis einer Vmlp von 1,0 zu zeigen, das heißt das PV-Modul würde die volle Leistung bei einer Bestrahlung von 1000 W/m2 liefern, wenn ihre Vmlp exakt gleich Voper für die elektrische Last ist (10). Der Bruchteil der Vmlp, der durch die Voper dargestellt ist, wurde für jedes PV-Modul ermittelt, und indem eine vertikale Linie von dem Voper/Vmlp-Wert auf der X-Achse zu der Wirkungsgradkurve gezogen wurde, war es möglich, den Bruchteil des vollen bei Voper verfügbaren, elektrischen PV-Wirkungsgrades zu schätzen. Wenn beispielsweise Vmlp 64 Volt für das Modul A ist und Voper 32 Volt beträgt, beträgt der Bruchteil Voper/Vmlp 0,5. Unter Verwendung des Graphen entspricht ein Wert von 0,5 (Voper/Vmlp) auf der X-Achse einem Wirkungsgrad von 0,58 auf der Y-Achse. Dann würde ein Multiplizieren des Zellenwirkungsgrades mit 0,58 (bei dem MLP) des Moduls A (etwa 14%) einen geschätzten elektrischen Wirkungsgrad von 0,58 × 14% = 8,1% bei Voper ergeben.An overall model of the efficiency of a PV electrolysis device was constructed and tested in our database by comparison with the measured hydrogen production efficiency. This efficiency model was also the basis for establishing the step-by-step procedure for optimizing the efficiency of PV electrolysis. The steps of the procedure were chosen by analyzing the terms used to model the efficiency. To estimate the efficiency of each PV system at V oper , a typical IV expression for a crystalline silicon PV module (Sharp Solar NT-185U1) was normalized to a relative efficiency of 1.0 to a V mlp of 1.0 that is, the PV module would deliver full power at an irradiance of 1000 W / m 2 if its V mlp is exactly equal to V oper for the electrical load ( 10 ). The fraction of V mlp represented by the V oper was obtained for each PV module and by drawing a vertical line from the V oper / V mlp value on the X axis to the efficiency curve it was possible to estimate the fraction of the full PV electrical efficiency available at V oper . For example, if V mlp is 64 volts for module A and V oper is 32 volts, the fraction V oper / V mlp is 0.5. Using the graph, a value of 0.5 (V oper / V mlp ) on the X axis corresponds to an efficiency of 0.58 on the Y axis. Then, multiplying the cell efficiency by 0.58 (at the MLP) of module A (about 14%) would give an estimated electrical efficiency of 0.58 x 14% = 8.1% at V oper .

Ein mathematisches Modell zur Vorhersage des Wirkungsgrades von PV-Modulen wurde entwickelt, indem eine Kurve an unsere experimentellen Daten, die in Tabelle 1 und 10 gezeigt sind, unter Verwendung eines Regressionsmodells mit 8 Variablen angepasst wurde, welches unter Verwendung einer SAS-Software entwickelt wurde (11). Um den vorhergesagten Wirkungsgrad unter Verwendung dieses mathematischen Modells leichter zu schätzen, wurde ein "anklickbares" Microsoft ExcelTM-Modell (auf der Basis des SAS-Regressionsmodells) für eine Interpolation von neuen Voper/Vmlp-Werten in diese Datei als Tabelle 3 eingeschlossen. Zum Interpolieren jedes gewünschten Wertes von Voper/Vmlp und zum Herausfinden des entsprechenden Wirkungsgrades des PV-Systems: Doppelklicken mit dem in der Tabelle positionierten Cursor, anschließend Einfügen einer Zeile, Eingeben des Voper/Vmlp-Wertes und Drücken der Tab-Taste, um den durch das Modell vorhergesagten Wirkungsgrad auszulesen. Voper/Vmlp Wirkungsgradmodell (SAS) 0 0,00 0,050 0,06 0,100 0,12 0,150 0,17 0,200 0,22 0,250 0,27 0,300 0,33 0,350 0,39 0,400 0,45 0,450 0,51 0,500 0,56 0,550 0,61 0,600 0,66 0,650 0,71 0,700 0,76 0,750 0,82 0,800 0,88 0,850 0,93 0,900 0,97 0,950 1,00 1,000 0,99 1,050 0,96 1,075 0,94 1,100 0,92 1,120 0,89 1,140 0,86 1,160 0,81 1,180 0,73 1,200 0,61 1,220 0,41 1,240 0,07 1,245 –0,04 Tabelle 3. Anklickbares Microsoft Excel-Modell (auf der Basis eines Regressionsmodells mit 8 Variablen) zur Interpolation von neuen Voper/Vmlp-Werten. Zum Interpolieren: Doppelklicken mit dem in der Tabelle positionierten Cursor, dann Einfügen einer Zeile, Eingeben eines neuen Voper/Vmlp-Wertes und Drücken der Tab-Taste, um den modellierten vorhergesagten Wirkungsgrad auszulesen. A mathematical model for predicting the efficiency of PV modules was developed by adding a curve to our experimental data presented in Tables 1 and 2 10 using a regression model developed using SAS software ( 11 ). To more easily estimate the predicted efficiency using this mathematical model, a "clickable" Microsoft Excel model (based on the SAS regression model) for interpolating new V oper / V mlp values into this file was presented as Table 3 locked in. To interpolate any desired value of V oper / V mlp and find out the corresponding efficiency of the PV system: double-click with the cursor positioned in the table, then insert a line, enter the V oper / V mlp value and press Tab Key to that by the Model predicted efficiency read out. V oper / V mlp Efficiency Model (SAS) 0 0.00 0,050 0.06 0,100 0.12 0,150 0.17 0,200 0.22 0,250 0.27 0,300 0.33 0,350 0.39 0,400 0.45 0,450 0.51 0,500 0.56 0,550 0.61 0,600 0.66 0,650 0.71 0,700 0.76 0,750 0.82 0,800 0.88 0,850 0.93 0.900 0.97 0.950 1.00 1,000 0.99 1,050 0.96 1,075 0.94 1,100 0.92 1,120 0.89 1,140 0.86 1,160 0.81 1,180 0.73 1,200 0.61 1,220 0.41 1,240 0.07 1,245 -0.04 Table 3. Clickable Microsoft Excel model (based on a regression model with 8 variables) to interpolate new V oper / V mlp values. To interpolate: Double-click with the cursor positioned in the table, then insert a line, enter a new V oper / V mlp value and press the Tab key to read out the modeled predicted efficiency.

Der Wirkungsgrad jedes PV-Systems bei seiner Vmlp und Voper ist in 12 aufgetragen. In 12 fallen die PV-Wirkungsgradkurven für Vmlp und Voper in dem Bereich zusammen, in dem Vmlp des PV-Moduls 33 bis 36,2 Volt beträgt, da dieser Bereich ungefähr der Voper (32 Volt) der Elektrolysevorrichtung ist. Dies ist der Bereich, in dem der Wirkungsgrad der PV-Module optimiert ist, und daher der Bereich, in dem am meisten Wasserstoff produziert wird und der Systemwirkungsgrad am höchsten ist. Der optimale Vmlp-Bereich (33 bis 36,2 Volt) ist in 12 mit fetten Klammern markiert.The efficiency of each PV system at its V mlp and V oper is in 12 applied. In 12 For example , the PV efficiency curves for V mlp and V oper coincide in the range where V mlp of the PV module is 33 to 36.2 volts, since this range is approximately equal to the V oper (32 volts) of the electrolyzer. This is the area where the efficiency of the PV modules is optimized and therefore the area where most hydrogen is produced and system efficiency is highest. The optimal V mlp range (33 to 36.2 volts) is in 12 marked with bold brackets.

Sonnenstrahlung erwärmt die PV-Module während Tageslichtbeleuchtung, wenn sie heißer arbeiten als die Umgebungstemperatur, und dies verringert ihren Leistungsausgang und elektrischen Wirkungsgrad. Während die Vmlp und andere Spezifikationen der PV-Module unter den Standardtestbedingungen (STC) gemessen werden, die bei einer spektralen Verteilung von AM1,5 (globale spektrale Bestrahlung) und Zellentemperatur (PV T) von 25°C 1 kW/m2 beträgt, arbeiten die PV-Module häufig bei heißeren Bedingungen wie die nominale Betriebszellentemperatur (NOCT von Nominal Operating Cell Temperature), die ~47°C beträgt, welche unter Standardbetriebsbedingungen (Umgebungstemperatur von 20°C, Sonnenbestrahlung von 0,8 kW/m2 und Windgeschwindigkeit von 1 m/s) auftritt. Unter heißen sonnigen Bedingungen steigen die Temperaturen noch höher als 47°C. Somit ist es notwendig, den vorhergesagten Wirkungsgrad zu korrigieren, indem ein Temperaturkoeffizient (0,45% pro °C) mal der Anzahl von Graden Temperaturzunahme subtrahiert wird, um den temperaturkorrigierten Wert für den vorhergesagten Wirkungsgrad zu erhalten (Gleichung 9).Solar radiation heats the PV modules during daylighting when working hotter than the ambient temperature, and this reduces its power output and electrical efficiency. While the V mlp and other specifications of the PV modules are measured under standard test conditions (STC), which is 1 kW / m 2 at a spectral distribution of AM1.5 (global spectral irradiation) and cell temperature (PV T) of 25 ° C , the PV modules often operate in hotter conditions such as Nominal Operating Cell Temperature (NOCT), which is ~ 47 ° C, which under standard operating conditions (ambient temperature of 20 ° C, solar irradiation of 0.8 kW / m 2 and Wind speed of 1 m / s) occurs. In hot sunny conditions, temperatures rise even higher than 47 ° C. Thus, it is necessary to correct the predicted efficiency by subtracting a temperature coefficient (0.45% per ° C) times the number of degrees of temperature increase to obtain the temperature corrected value for the predicted efficiency (Equation 9).

Gleichung 9:Equation 9:

  • korrigierter Wirkungsgrad = nicht korrigierter Wirkungsgrad – (PV T °C – 25) × 0,45%/°Ccorrected efficiency = not corrected Efficiency - (PV T ° C - 25) × 0.45% / ° C

Der Temperaturkoeffizient, der für sechs PV-Module angegeben wird (Solarex, Shell Solar, Astropower, Siemens, BP Solar und Sanyo) liegt im Bereich von 0,33%/°C bis 0,52%/°C, wobei die meisten Materialien einen Koeffizienten in der Nähe des Durchschnittswertes von 0,45%/°C aufweisen. Bei dem Vorhersagemodell wurde der durchschnittliche PV-Koeffizient von 0,45%/°C verwendet (Tabelle 1).Of the Temperature coefficient for six PV modules (Solarex, Shell Solar, Astropower, Siemens, BP Solar and Sanyo) ranges from 0.33% / ° C to 0.52% / ° C, with most materials have a coefficient close to the average of 0.45% / ° C exhibit. The predictive model was the average PV coefficient of 0.45% / ° C used (Table 1).

Bei dem Modell der PV-Elektrolyse mit einem DC/DC-Wandler zur Optimierung, das in Tabelle 4 gezeigt ist, muss ein zusätzlicher Term hinzugefügt werden, um den Wirkungsgradverlust aufgrund des Widerstandes zu berücksichtigen, der dem Schaltkreis durch den DC/DC-Wandler hinzugefügt wird. Der vorhergesagte Wirkungsgrad der PV-Elektrolysevorrichtung muss mit dem gemessenen Wirkungsgrad des DC/DC-Wandlers multipliziert werden, um den korrigierten vorhergesagten Wirkungsgrad des Gesamtsystems aus DC/DC-Wandler und PV-Elektrolysevorrichtung zu erhalten (Gleichung 5). Die gemessenen Wirkungsgrade von DC/DC-Wandlern, d. h. die Ausgangsleistung des Wandlers (Iout × Vout) dividiert durch den Leistungseingang (Iin × Vin), für zwei Typen von DC/DC-Wandlern, ein Solar Converters Ltd. Modell 48-10 Linear Current Booster (LCB) und ein Solar Converters Ltd. Charge Controller Modell 48-20, sind in 13 gezeigt. Die Werte des Wirkungsgrades der DC/DC-Wandler, die in Tabelle 3 verwendet wurden, wurden aus 13 geschätzt: für den LCB 95,2%; für den Ladecontroller 97,2%.In the PV electrolysis model with a DC / DC converter for optimization shown in Table 4, an additional term must be added to account for the loss of efficiency due to the resistance provided to the circuit by the DC / DC converter will be added. The predicted efficiency of the PV electrolyzer must be multiplied by the measured efficiency of the DC / DC converter to obtain the corrected predicted efficiency of the overall system of DC / DC converter and PV electrolyzer (Equation 5). The measured efficiencies of DC / DC converters, ie the output power of the converter (I out × V out ) divided by the power input (I in × V in ), for two types of DC / DC converters, a Solar Converters Ltd. Model 48-10 Linear Current Booster (LCB) and a Solar Converters Ltd. Charge Controller Model 48-20, are in 13 shown. The efficiency values of the DC / DC converters used in Table 3 were exhausted 13 estimated: 95.2% for the LCB; for the charge controller 97.2%.

14 zeigt die Modellwirkungsgrade der solaren Wasserstofferzeugung von 15 PV-Elektrolysevorrichtungstests, die aus dem Vorhersagemodell für PV-Elektrolysevorrichtungen mit direkter Verbindung geschätzt wurden (Tabelle 1) und auf der Basis des Wirkungsgrades der Elektrolysevorrichtung und des PV-Wirkungsgrades bei Voper, einschließlich der Effekte von Wechselwirkungen zwischen den beiden Systemen und den PV- Temperatureffekten. Die zwei Kurven sind im Allgemeinen recht nahe. Der größte Unterschied zwischen den beiden Wertesätzen ist ein Wirkungsgrad von nur 0,1%. 15 vergleicht die vorhergesagten und gemessenen Wirkungsgrade von Systemen aus DC/DC-Wandler und PV-Elektrolysevorrichtung, wie sie in 4 modelliert sind. Die 14 und 15 demonstrieren, dass die Modelle die Systemwirkungsgrade mit einer durchschnittlichen Genauigkeit von < ±0,1% für eine direkte Verbindung und ±0,4% für PV-Elektrolysevorrichtungen mit DC/DC-Wandler vorhersagen können. 14 Figure 10 shows the solar hydrogen production model efficiencies of 15 PV electrolyzer tests estimated from the predictive model for direct connection PV electrolyzers (Table 1) and based on the efficiency of the electrolyzer and PV efficiency at V oper , including the effects of Interactions between the two systems and the PV temperature effects. The two curves are generally quite close. The biggest difference between the two sets of values is an efficiency of only 0.1%. 15 compares the predicted and measured efficiencies of DC / DC converter systems and PV electrolysis systems as described in US Pat 4 are modeled. The 14 and 15 demonstrate that the models can predict system efficiencies with an average accuracy of <± 0.1% for a direct connection and ± 0.4% for PV electrolyzers with DC / DC converters.

Figure 00520001
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Die Praktiken der Erfindung sind durch Beispiele veranschaulicht worden. Diese Beispiele sollen für die Erfindung veranschaulichend sein und deren Schutzumfang nicht einschränken.The Practices of the invention have been illustrated by way of example. These examples are meant for the Be illustrative and not limiting the scope of protection.

ZusammenfassungSummary

Ein Array aus einem Fotovoltaik-(PV)-Modul/Modulen ist in einer elektrischen Reihen- und/oder Parallelschaltung angeordnet, um elektrische Gleichstromleistung an eine Elektrolysevorrichtung zur Produktion von Wasserstoff abzugeben. Die elektrische Leistung wird durch das Array bei seinem Maximalleistungspunkt (Vmlp) abgegeben, um einen Ioper bei Voper für die Elektrolysevorrichtung abzugeben. Die Anordnung der PV-Module in dem Array, oder die Anordnung von Zellen in der Elektrolysevorrichtung, wird durch ein automatisches Controllersystem ständig überwacht und gesteuert, um die PV- und Elektrolysevorrichtungssysteme bei oder in der Nähe ihrer jeweiligen maximalen Wirkungsgrade zu betreiben. Es kann ein DC/DC-Wandler verwendet werden, um die Vmlp auf die Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtung einzustellen.An array of photovoltaic (PV) module (s) is arranged in electrical series and / or parallel connection to deliver DC electrical power to an electrolyzer for producing hydrogen. The electric power is output through the array at its maximum power point (V mlp ) to deliver an I oper at V oper for the electrolyzer. The array of PV modules in the array, or the array of cells in the electrolyzer, is constantly monitored and controlled by an automatic controller system to operate the PV and electrolyzer systems at or near their respective maximum efficiencies. A DC / DC converter can be used to set the V mlp to the operating voltage of the electrolyzer.

Claims (15)

Verfahren zum Betrieb einer Wasserstoff produzierenden Elektrolysevorrichtung, die durch zwei oder mehr verfügbare, durch Sonnenlicht bestrahlte Fotovoltaikmodule, nämlich ein Array aus Modulen, beaufschlagt wird, wobei die Elektrolysevorrichtung zwei oder mehr Elektrolysezellen und einen Betriebsgleichstrom und eine Betriebsspannung aufweist, wobei ein oder mehrere Fotovoltaikmodule in einer Parallel- oder Reihenschaltungsanordnung zusammenschaltbar sind, um unterschiedliche Arrays aus einem Modul/aus Modulen zur Abgabe von Gleichstromleistung an die Elektrolysezellen zu bilden, wobei ein gegebenes Array aus einem Modul/aus Modulen weniger als die Gesamtzahl von verfügbaren Modulen umfassen kann, wobei das Verfahren umfasst, dass: Maximalleistungspunkt-Betriebsspannungen für repräsentative Arrays aus einem Modul/aus Modulen vorbestimmt werden; ein Betriebsstrom und eine Betriebsspannung für die Elektrolysevorrichtung für eine gewünschte Wasserstoffproduktionsrate bestimmt werden; und ein Fotovoltaikarray aus einem Modul/aus Modulen als ein gegenwärtig arbeitendes Array ausgewählt und angewandt wird, um mit seiner Maximalleistungspunkt-Spannung zur Abgabe des bestimmten Betriebsstromes und der bestimmten Betriebsspannung an die Elektrolysevorrichtung zu arbeiten.Method for operating a hydrogen-producing Electrolysis apparatus available through two or more, through Sunlight irradiated photovoltaic modules, namely an array of modules, is applied, wherein the electrolysis device two or more Electrolysis cells and a DC operating current and an operating voltage having one or more photovoltaic modules in a parallel or series circuit arrangement are interconnectable to different Arrays of a module / modules for delivering DC power to form the electrolysis cells, wherein a given array of a Module / modules less than the total number of available modules may comprise, the method comprising: Maximum power point operating voltages for representative Arrays of a module / modules are predetermined; one Operating current and an operating voltage for the electrolyzer for one desired Hydrogen production rate can be determined; and a photovoltaic array selected from a module / modules as a currently operating array and is applied to with its maximum power point voltage to Delivery of the specific operating current and operating voltage to work on the electrolyzer. Verfahren zum Betrieb einer Wasserstoff produzierenden Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass: die Betriebsspannung des gegenwärtig arbeitenden Fotovoltaikarrays aus Modulen ständig überwacht wird; und ein neues Array aus Modulen ausgewählt und angewandt wird, um bei seiner Maximalleistungspunkt-Spannung zur Abgabe des bestimmten Betriebsstromes und der bestimmten Betriebsspannung an die Elektrolysevorrichtung zu arbeiten, wenn das gegenwärtig arbeitende Array aus Modulen nicht bei seiner Maximalleistungspunkt-Spannung arbeitet.Method for operating a hydrogen-producing The electrolyzer of claim 1, wherein the method further includes that: the operating voltage of the currently working Photovoltaic arrays of modules constantly monitored becomes; and a new array of modules is selected and is applied to at its maximum power point voltage to Delivery of the specific operating current and operating voltage to work on the electrolyzer when the currently operating Array of modules not at its maximum power point voltage is working. Verfahren zum Betrieb einer Wasserstoff produzierenden Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 2, bei dem ein gegenwärtig arbeitendes Array aus Modulen durch das Umschalten elektrischer Verbindung zwischen zwei oder mehr Modulen in ein neues Array aus Modulen umgewandelt wird.Method for operating a hydrogen-producing An electrolyzer according to claim 2, wherein a currently operating Array of modules by switching electrical connection between two or more modules is converted into a new array of modules. Verfahren zum Betrieb einer Wasserstoff produzierenden Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 2, bei dem ein gegenwärtig arbeitendes Array aus Modulen durch den Ersatz von einem oder mehreren unterschiedlichen Modulen in ein neues Array aus Modulen umgewandelt wird.Method for operating a hydrogen-producing An electrolyzer according to claim 2, wherein a currently operating Array of modules by replacing one or more different ones Modules is converted into a new array of modules. Verfahren zum Betrieb einer Wasserstoff produzierenden Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass: ein DC/DC-Wandler zwischen ein gegenwärtig arbeitendes Array aus einem Modul/aus Modulen und die Elektrolysevorrichtung geschaltet wird, um die Anpassung zwischen der Maximalleistungs punkt-Spannung des gegenwärtig arbeitenden Arrays und der Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtung zu verbessern.Method for operating a hydrogen-producing The electrolyzer of claim 1, wherein the method further includes that: a DC / DC converter between a currently operating one Array of a module / modules and the electrolyzer is switched to the adjustment between the maximum power point voltage of the present working arrays and the operating voltage of the electrolyzer to improve. Verfahren zum Betrieb einer Wasserstoff produzierenden Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass: die Betriebstemperatur des Moduls/der Module in den gegenwärtig arbeitenden Array ständig gemessen wird, und die Module in dem gegenwärtig arbeitenden Array gekühlt werden, wenn die Betriebstemperatur zunimmt und die Maximalleistungspunkt-Spannung des Arrays absinkt.The method of operating a hydrogen producing electrolyzer of claim 1, the method further comprising: continuously measuring the operating temperature of the module (s) in the currently operating array, and cooling the modules in the currently operating array as the operating temperature increases and the maximum power point voltage of the array decreases. Verfahren zum Betrieb einer Wasserstoff produzierenden Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 6, das umfasst, dass eine Strömung eines Kühlfluids auf das Modul oder die Module verwendet wird, um die stationäre Modulbetriebstemperatur zu verringern.Method for operating a hydrogen-producing An electrolyzer according to claim 6, comprising a flow of a cooling fluid on the module or modules is used to the stationary module operating temperature to reduce. Verfahren zum Betrieb einer Wasserstoff produzierenden Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 2, bei dem das neue Array aus Modulen mehr Module in Reihenschaltung als das vorhergehende Array aus Modulen umfasst.Method for operating a hydrogen-producing An electrolyzer according to claim 2, wherein the new array comprises Modules more modules in series than the previous array comprising modules. Verfahren zum Betrieb einer Wasserstoff produzierenden Elektrolysevorrichtung, die durch ein Array auf Fotovoltaikmodulen, das durch Sonnenlicht bestrahlt wird, beaufschlagt wird, wobei die Elektrolysevorrichtung mehrere Elektrolysezellen aufweist, die in eine Parallel- oder Reihenanordnung schaltbar sind und einen Betriebsgleichstrom und eine Betriebsspannung aufweisen, wobei die Fotovoltaikmodule in eine Parallel- oder Reihenanordnung schaltbar sind, um unterschiedliche Arrays zur Abgabe von Gleichstromleistung an die Elektrolysevorrichtung zu bilden, wobei das Verfahren umfasst, dass: Maximalleistungspunkt-Betriebsspannungen für repräsentative Arrays aus den Modulen vorbestimmt werden; ein erster Betriebsstrom und eine erste Betriebsspannung für die Elektrolysevorrichtung für eine gewünschte Wasserstoffproduktionsrate bestimmt werden; ein erstes Array aus den Fotovoltaikmodulen ausgewählt wird, um bei seiner Maximalleistungspunkt-Spannung zur Abgabe des bestimmten Betriebsstromes und der bestimmten Betriebsspannung an die Elektrolysevorrichtung zu arbeiten; und danach die Wasserstoffproduktionsrate der Elektrolysevorrichtung durch Verändern ihres Betriebes zu einem zweiten Betriebsstrom und zu einer zweiten Betriebsspannung geändert wird; und ein zweites Array aus den Fotovoltaikmodulen ausgewählt wird, um bei einer zweiten Maximalleistungspunkt-Spannung des Arrays zur Abgabe des zweiten Betriebsstromes und der zweiten Betriebsspannung an die Elektrolysevorrichtung zu arbeiten.Method for operating a hydrogen-producing Electrolysis device passing through an array on photovoltaic modules, which is irradiated by sunlight, is applied, wherein the Electrolysis device has a plurality of electrolysis cells in a parallel or series arrangement can be switched and a DC operating current and an operating voltage, wherein the photovoltaic modules in a parallel or series arrangement are switchable to different Arrays for delivering DC power to the electrolyzer to form, the method comprising: Maximum power point operating voltages for representative Arrays are predetermined from the modules; a first operating current and a first operating voltage for the electrolyzer for one desired hydrogen production rate be determined; a first array of photovoltaic modules selected is at its maximum power point voltage to deliver the certain operating current and the specific operating voltage to work the electrolysis device; and then the hydrogen production rate the electrolyzer by changing its operation to a second operating current and to a second operating voltage is changed; and a second array is selected from the photovoltaic modules, at a second maximum power point voltage of the array for Output of the second operating current and the second operating voltage to work on the electrolyzer. Verfahren zum ständigen Optimieren des Betriebes eines solarbeaufschlagten Fotovoltaik-Elektrolysevorrichtungssystems zum Erzeugen von Wasserstoff, wobei die Elektrolysevorrichtung durch eine Gruppe aus zwei oder mehr verfügbaren Fotovoltaikmodulen, die durch Sonnenlicht bestrahlt werden, beaufschlagt wird, wobei die Elektrolysevorrichtung zwei oder mehr Elektrolysezellen aufweist, die in Reihen- oder Parallelschaltungen mit variablen Betriebsgleichstromwerten und variablen Betriebsspannungswerten schaltbar sind, wobei das Fotovoltaiksystem ein oder mehrere Fotovoltaikmodule umfasst, die in einer Parallel- oder Reihenschaltungsan ordnung schaltbar sind, um unterschiedliche Arrays aus einem Modul/aus Modulen zur Abgabe von Gleichstromleistung an die Elektrolysezellen zu bilden, wobei ein gegebenes Array weniger als die Gesamtzahl von verfügbaren Modulen umfassen kann; wobei das Verfahren umfasst, dass: die Betriebsspannung und der Betriebsstrom des Fotovoltaik-Elektrolysevorrichtungssystems ständig gemessen werden; die Betriebstemperatur der Fotovoltaikmodule ständig gemessen wird; und ein vorprogrammiertes Computersteuersystem verwendet wird, das einen Hauptrechner oder Mikroprozessor und zugehörige Schaltkreise, Schalter und Verdrahtung umfasst, um ständig gegenwärtige Werte eines Systembetriebsstromes und einer Systembetriebsspannung und eine Fotovoltaikmodultemperatur zu empfangen, und die Werte dazu zu verwenden, ein gegenwärtiges Fotovoltaikarray aus einem Modul/aus Modulen mit einem Maximalleistungspunkt nahe bei der gegenwärtigen Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtungssystems auszuwählen und anzuwenden, wobei der Computer eine Datenbank mit Maximalleistungspunkt-Werten aufweist, die mit Betriebstemperaturen für verfügbare Fotovoltaikarrays aus einem Modul/aus Modulen in Beziehung stehen.Procedure for permanent Optimizing the operation of a solar powered photovoltaic electrolyzer system for generating hydrogen, wherein the electrolyzer by a group of two or more available photovoltaic modules, which are irradiated by sunlight, is applied, wherein the electrolysis device has two or more electrolysis cells, in series or parallel with variable DC operating current values and variable operating voltage values are switchable, wherein the Photovoltaic system includes one or more photovoltaic modules, the are switchable in a parallel or series circuit arrangement, to different arrays of a module / modules for delivery of DC power to form the electrolysis cells, wherein a given array less than the total number of available modules may include; the method comprising: the operating voltage and continuously measuring the operating current of the photovoltaic electrolyzer system become; the operating temperature of the photovoltaic modules constantly measured becomes; and a pre-programmed computer control system is used, the one mainframe or microprocessor and associated circuits, switches and wiring involves to constantly current Values of a system operating current and a system operating voltage and receive a photovoltaic module temperature, and the values to use a current one Photovoltaic array of a module / modules with a maximum power point close at the present Select operating voltage of the electrolysis device system and with the computer having a database of maximum power point values, with operating temperatures for available Photovoltaic arrays of a module / modules are related. Verfahren zum ständigen Optimieren des Betriebs eines solarbeaufschlagten Fotovoltaik-Elektrolysevorrichtungssystems nach Anspruch 10, bei dem das vorprogrammierte Computersteuersystem, das einen Hauptrechner oder Mikroprozessor und zugehörige Schaltkreise, Schalter und Verdrahtung umfasst, die Anzahl von Fotovoltaikmodulen, die in Reihen- und in Parallelschaltungen geschaltet sind, steuert, um die optimale Betriebsspannung aufrecht zu erhalten.Procedure for permanent Optimize the operation of a solar powered photovoltaic electrolyzer system according to claim 10, wherein the preprogrammed computer control system, the one host or microprocessor and associated circuits, Switches and wiring, the number of photovoltaic modules, which are connected in series and parallel circuits, controls, to maintain the optimum operating voltage. Verfahren zum ständigen Optimieren des Betriebs eines solarbeaufschlagten Fotovoltaik-Elektrolysevorrichtungssystems nach Anspruch 11, bei dem der vorprogrammierte Computer, der einen Hauptrechner oder Mikroprozessor und zugehörige Schaltkreise, Schalter und Verdrahtung umfasst, den Ersatz eines gegenwärtigen Arrays aus Modulen durch ein neues Fotovoltaikarray aus Modulen durch das Umschalten elektrischer Verbindungen zwischen einem oder mehreren Modulen anweist.Procedure for permanent Optimize the operation of a solar powered photovoltaic electrolyzer system The apparatus of claim 11, wherein the preprogrammed computer having a Host or microprocessor and associated circuits, switches and wiring, replacement of a current array of modules a new photovoltaic array of modules by switching electrical Instructs connections between one or more modules. Verfahren zum ständigen Optimieren des Betriebs eines solarbeaufschlagten Fotovoltaik-Elektrolysevorrichtungssystems nach Anspruch 11, bei dem der vorprogrammierte Computer, der einen Hauptrechner oder Mikroprozessor und zugehörige Schaltkreise, Schalter und Verdrahtung umfasst, den Ersatz eines gegenwärtigen Arrays aus Modulen durch ein neues Fotovoltaikarray aus Modulen durch den Ersatz von einem oder mehreren unterschiedlichen Modulen anweist.Procedure for permanent Optimize the operation of a solar powered photovoltaic electrolyzer system The apparatus of claim 11, wherein the preprogrammed computer having a Host or microprocessor and associated circuits, switches and wiring, replacement of a current array of modules a new photovoltaic array of modules by replacing one or more modules instructs several different modules. Verfahren zum ständigen Optimieren des Betriebs eines solarbeaufschlagten Fotovoltaik-Elektrolysevorrichtungssystems nach Anspruch 10, bei dem das vorprogrammierte Computersteuersystem, das einen Hauptrechner oder Mikroprozessor und zugehörige Schaltkreise, Schalter und Verdrahtung umfasst, die Ausgangsspannung eines DC/DC-Wandlers steuert, um die Maximalleistungspunkt-Spannung des gegenwärtig arbeitenden Arrays aus Modulen näher auf die Betriebsspannung der Elektrolysevorrichtung einzustellen.Procedure for permanent Optimize the operation of a solar powered photovoltaic electrolyzer system according to claim 10, wherein the preprogrammed computer control system, the one host or microprocessor and associated circuits, Switch and wiring includes the output voltage of a DC / DC converter controls to the maximum power point voltage of the currently operating one Arrays of modules closer to adjust the operating voltage of the electrolyzer. Verfahren zum ständigen Optimieren des Betriebs eines solarbeaufschlagten Fotovoltaik-Elektrolysevorrichtungssystems nach An spruch 10, bei dem das vorprogrammierte Computersteuersystem, das einen Hauptrechner oder Mikroprozessor und zugehörige Schaltkreise, Schalter und Verdrahtung umfasst, die Anzahl von Elektrolysezellen, die in Reihen- und Parallelschaltungen in der Elektrolysevorrichtung geschaltet sind, steuert, um die optimale Systembetriebsspannung aufrecht zu erhalten.Procedure for permanent Optimize the operation of a solar powered photovoltaic electrolyzer system according to claim 10, wherein the preprogrammed computer control system, the one host or microprocessor and associated circuits, Switches and wiring, the number of electrolysis cells, in series and parallel circuits in the electrolyzer are switched to the optimum system operating voltage to maintain.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102024119758A1 (en) 2023-09-15 2025-03-20 Peter Britz Device for generating energy

Families Citing this family (96)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10693415B2 (en) 2007-12-05 2020-06-23 Solaredge Technologies Ltd. Testing of a photovoltaic panel
US11881814B2 (en) 2005-12-05 2024-01-23 Solaredge Technologies Ltd. Testing of a photovoltaic panel
US8007654B2 (en) 2006-02-10 2011-08-30 Tennant Company Electrochemically activated anolyte and catholyte liquid
US8156608B2 (en) 2006-02-10 2012-04-17 Tennant Company Cleaning apparatus having a functional generator for producing electrochemically activated cleaning liquid
US8016996B2 (en) 2006-02-10 2011-09-13 Tennant Company Method of producing a sparged cleaning liquid onboard a mobile surface cleaner
US8012340B2 (en) 2006-02-10 2011-09-06 Tennant Company Method for generating electrochemically activated cleaning liquid
US8046867B2 (en) 2006-02-10 2011-11-01 Tennant Company Mobile surface cleaner having a sparging device
US7836543B2 (en) 2006-02-10 2010-11-23 Tennant Company Method and apparatus for producing humanly-perceptable indicator of electrochemical properties of an output cleaning liquid
US8025786B2 (en) 2006-02-10 2011-09-27 Tennant Company Method of generating sparged, electrochemically activated liquid
US7891046B2 (en) 2006-02-10 2011-02-22 Tennant Company Apparatus for generating sparged, electrochemically activated liquid
US8025787B2 (en) 2006-02-10 2011-09-27 Tennant Company Method and apparatus for generating, applying and neutralizing an electrochemically activated liquid
US12316274B2 (en) 2006-12-06 2025-05-27 Solaredge Technologies Ltd. Pairing of components in a direct current distributed power generation system
US8963369B2 (en) 2007-12-04 2015-02-24 Solaredge Technologies Ltd. Distributed power harvesting systems using DC power sources
US11855231B2 (en) 2006-12-06 2023-12-26 Solaredge Technologies Ltd. Distributed power harvesting systems using DC power sources
US11888387B2 (en) 2006-12-06 2024-01-30 Solaredge Technologies Ltd. Safety mechanisms, wake up and shutdown methods in distributed power installations
US8384243B2 (en) 2007-12-04 2013-02-26 Solaredge Technologies Ltd. Distributed power harvesting systems using DC power sources
US9088178B2 (en) 2006-12-06 2015-07-21 Solaredge Technologies Ltd Distributed power harvesting systems using DC power sources
US8473250B2 (en) 2006-12-06 2013-06-25 Solaredge, Ltd. Monitoring of distributed power harvesting systems using DC power sources
US11687112B2 (en) 2006-12-06 2023-06-27 Solaredge Technologies Ltd. Distributed power harvesting systems using DC power sources
US8816535B2 (en) 2007-10-10 2014-08-26 Solaredge Technologies, Ltd. System and method for protection during inverter shutdown in distributed power installations
US8618692B2 (en) 2007-12-04 2013-12-31 Solaredge Technologies Ltd. Distributed power system using direct current power sources
US11309832B2 (en) 2006-12-06 2022-04-19 Solaredge Technologies Ltd. Distributed power harvesting systems using DC power sources
US11735910B2 (en) 2006-12-06 2023-08-22 Solaredge Technologies Ltd. Distributed power system using direct current power sources
US8319471B2 (en) 2006-12-06 2012-11-27 Solaredge, Ltd. Battery power delivery module
US8319483B2 (en) 2007-08-06 2012-11-27 Solaredge Technologies Ltd. Digital average input current control in power converter
US11569659B2 (en) 2006-12-06 2023-01-31 Solaredge Technologies Ltd. Distributed power harvesting systems using DC power sources
US8947194B2 (en) 2009-05-26 2015-02-03 Solaredge Technologies Ltd. Theft detection and prevention in a power generation system
US8013472B2 (en) 2006-12-06 2011-09-06 Solaredge, Ltd. Method for distributed power harvesting using DC power sources
WO2009046279A2 (en) 2007-10-04 2009-04-09 Tennant Company Method and apparatus for neutralizing electrochemically activated liquids
CA2737134C (en) 2007-10-15 2017-10-10 Ampt, Llc Systems for highly efficient solar power
US7919953B2 (en) 2007-10-23 2011-04-05 Ampt, Llc Solar power capacitor alternative switch circuitry system for enhanced capacitor life
JP2011507465A (en) 2007-12-05 2011-03-03 ソラレッジ テクノロジーズ リミテッド Safety mechanism, wake-up method and shutdown method in distributed power installation
WO2009072076A2 (en) 2007-12-05 2009-06-11 Solaredge Technologies Ltd. Current sensing on a mosfet
US11264947B2 (en) 2007-12-05 2022-03-01 Solaredge Technologies Ltd. Testing of a photovoltaic panel
US9000617B2 (en) 2008-05-05 2015-04-07 Solaredge Technologies, Ltd. Direct current power combiner
WO2009149327A2 (en) 2008-06-05 2009-12-10 Global Opportunities Investment Group, Llc Fuel combustion method and system
MX2010014391A (en) 2008-06-19 2011-03-29 Tennant Co Electrolysis de-scaling method with constant output.
CA2728737C (en) 2008-06-19 2016-04-19 Tennant Company Tubular electrolysis cell comprising concentric electrodes and corresponding method
US8371315B2 (en) 2008-12-17 2013-02-12 Tennant Company Washing systems incorporating charged activated liquids
SG175717A1 (en) 2009-04-17 2011-12-29 Ampt Llc Methods and apparatus for adaptive operation of solar power systems
US9466737B2 (en) 2009-10-19 2016-10-11 Ampt, Llc Solar panel string converter topology
US12418177B2 (en) 2009-10-24 2025-09-16 Solaredge Technologies Ltd. Distributed power system using direct current power sources
US10673222B2 (en) 2010-11-09 2020-06-02 Solaredge Technologies Ltd. Arc detection and prevention in a power generation system
GB2485527B (en) 2010-11-09 2012-12-19 Solaredge Technologies Ltd Arc detection and prevention in a power generation system
US10673229B2 (en) 2010-11-09 2020-06-02 Solaredge Technologies Ltd. Arc detection and prevention in a power generation system
US10230310B2 (en) 2016-04-05 2019-03-12 Solaredge Technologies Ltd Safety switch for photovoltaic systems
GB2483317B (en) 2011-01-12 2012-08-22 Solaredge Technologies Ltd Serially connected inverters
US10140401B1 (en) 2011-07-25 2018-11-27 Clean Power Research, L.L.C. System and method for inferring a photovoltaic system configuration specification with the aid of a digital computer
US9411073B1 (en) 2011-07-25 2016-08-09 Clean Power Research, L.L.C. Computer-implemented system and method for correlating satellite imagery for use in photovoltaic fleet output estimation
US11068563B2 (en) 2011-07-25 2021-07-20 Clean Power Research, L.L.C. System and method for normalized ratio-based forecasting of photovoltaic power generation system degradation with the aid of a digital computer
US10797639B1 (en) 2011-07-25 2020-10-06 Clean Power Research, L.L.C. System and method for performing power utility remote consumer energy auditing with the aid of a digital computer
US10663500B2 (en) 2011-07-25 2020-05-26 Clean Power Research, L.L.C. System and method for estimating photovoltaic energy generation through linearly interpolated irradiance observations with the aid of a digital computer
CN102904474A (en) * 2011-07-29 2013-01-30 上海亿福新能源技术有限公司 Self-regulation tracking method for tracking maximum power point of photovoltaic inverter
US8570005B2 (en) 2011-09-12 2013-10-29 Solaredge Technologies Ltd. Direct current link circuit
GB2498365A (en) 2012-01-11 2013-07-17 Solaredge Technologies Ltd Photovoltaic module
GB2498791A (en) 2012-01-30 2013-07-31 Solaredge Technologies Ltd Photovoltaic panel circuitry
GB2498790A (en) 2012-01-30 2013-07-31 Solaredge Technologies Ltd Maximising power in a photovoltaic distributed power system
US9853565B2 (en) 2012-01-30 2017-12-26 Solaredge Technologies Ltd. Maximized power in a photovoltaic distributed power system
GB2499991A (en) 2012-03-05 2013-09-11 Solaredge Technologies Ltd DC link circuit for photovoltaic array
US9548619B2 (en) 2013-03-14 2017-01-17 Solaredge Technologies Ltd. Method and apparatus for storing and depleting energy
US9397497B2 (en) 2013-03-15 2016-07-19 Ampt, Llc High efficiency interleaved solar power supply system
US10747914B1 (en) 2014-02-03 2020-08-18 Clean Power Research, L.L.C. Computer-implemented system and method for estimating electric baseload consumption using net load data
US10719636B1 (en) 2014-02-03 2020-07-21 Clean Power Research, L.L.C. Computer-implemented system and method for estimating gross energy load of a building
US10789396B1 (en) 2014-02-03 2020-09-29 Clean Power Research, L.L.C. Computer-implemented system and method for facilitating implementation of holistic zero net energy consumption
US10719789B1 (en) 2014-02-03 2020-07-21 Clean Power Research, L.L.C. Computer-implemented method for interactively evaluating personal energy-related investments
US11921478B2 (en) 2015-02-25 2024-03-05 Clean Power Research, L.L.C. System and method for estimating periodic fuel consumption for cooling of a building with the aid of a digital computer
US10203674B1 (en) 2015-02-25 2019-02-12 Clean Power Research, L.L.C. System and method for providing constraint-based heating, ventilation and air-conditioning (HVAC) system optimization with the aid of a digital computer
US10156554B1 (en) 2015-02-25 2018-12-18 Clean Power Research, L.L.C. System and method for determining infiltration of a building through empirical testing using a CO2 concentration monitoring device
US10339232B1 (en) 2015-02-25 2019-07-02 Clean Power Research, L.L.C. Computer-implemented system and method for modeling building heating energy consumption
US12057807B2 (en) 2016-04-05 2024-08-06 Solaredge Technologies Ltd. Chain of power devices
US11018623B2 (en) 2016-04-05 2021-05-25 Solaredge Technologies Ltd. Safety switch for photovoltaic systems
US11177663B2 (en) 2016-04-05 2021-11-16 Solaredge Technologies Ltd. Chain of power devices
US10359206B1 (en) 2016-11-03 2019-07-23 Clean Power Research, L.L.C. System and method for forecasting seasonal fuel consumption for indoor thermal conditioning with the aid of a digital computer
WO2018202926A1 (en) * 2017-06-02 2018-11-08 H2B2 Electrolysis Technologies, S.L. Operating procedure for an electrolyser plant supplied with renewable energy
EP3533905A1 (en) 2018-03-01 2019-09-04 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Method of configuring a water electrolysis system
US11423199B1 (en) 2018-07-11 2022-08-23 Clean Power Research, L.L.C. System and method for determining post-modification building balance point temperature with the aid of a digital computer
JP7416088B2 (en) * 2019-12-09 2024-01-17 富士通株式会社 water electrolysis system
CN111826669B (en) * 2020-03-31 2024-02-27 同济大学 Large-scale electrolytic water hydrogen production system with wide power fluctuation adaptability and control method
WO2022112732A1 (en) * 2020-11-27 2022-06-02 Clean Power Hydrogen Group Limited Solar power installation
JP2022129264A (en) * 2021-02-24 2022-09-05 株式会社日立製作所 Energy management device and energy management method
CN115323434B (en) * 2021-04-23 2025-08-05 中国石油化工股份有限公司 Power conversion control system and method for producing hydrogen by electrolysis of water
CN113235121B (en) * 2021-05-07 2022-08-23 宝武清洁能源有限公司 Hybrid multi-tank hydrogen production system and control method thereof
CN114069661B (en) * 2021-10-15 2023-07-28 国网浙江省电力有限公司嘉善县供电公司 Performance optimization method of electrolytic water hydrogen production system suitable for fluctuation input
CN113880200A (en) * 2021-10-29 2022-01-04 杭州回水科技股份有限公司 Electroflocculation equipment combined with multiple reaction tanks
CN114561660B (en) * 2022-03-31 2024-01-09 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 A photovoltaic electrolysis hydrogen production system and method
CN114990600B (en) * 2022-04-29 2024-05-10 阳光氢能科技有限公司 A new energy hydrogen production system and control method thereof
WO2023222676A1 (en) 2022-05-20 2023-11-23 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Methods and systems to provide electric power from solar energy equipment
CN115404492B (en) * 2022-09-26 2024-07-23 云南电网有限责任公司电力科学研究院 Wind and solar power source hydrogen production device and hydrogen production method
CN115720079B (en) * 2022-11-29 2025-11-14 合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室) A method for power balance and optimal voltage control in photovoltaic electrolysis of alkaline water for hydrogen production
CN117051433B (en) * 2023-09-11 2024-12-17 上海磐动电气科技有限公司 Multi-stack PEM water electrolysis hydrogen production system and control method
CN117674375B (en) * 2023-11-15 2024-06-07 燕山大学 New energy multi-energy complementary hydrogen production system energy management method
CN117833296B (en) * 2024-01-12 2024-06-21 北京飔合科技有限公司 Energy storage device performance optimization system and method based on electric power spot transaction data
CN117867587B (en) * 2024-01-18 2025-06-10 浙江大学 Alkaline solution electrolysis bath variable-temperature operation control method for improving efficiency of hydrogen production system
CN118232407B (en) * 2024-03-21 2025-04-29 山东大学 Photovoltaic power generation direct-drive CO2Modularized power supply control method, modularized power supply control device and power supply system
CN119726621A (en) * 2024-12-20 2025-03-28 嘉庚创新实验室 Energy dispatch control method and system for off-grid photovoltaic electrolysis hydrogen production
CN120272940B (en) * 2025-04-08 2025-11-25 云南省能源研究院有限公司 Mixed hydrogen production system coupled with photovoltaic renewable energy sources and optimal configuration method

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4341607A (en) * 1980-12-08 1982-07-27 E:F Technology, Inc. Solar power system requiring no active control device
ES2137349T3 (en) * 1992-11-25 1999-12-16 John Beavis Lasich PRODUCTION OF HIGH PERFORMANCE HYDROGEN FROM SOLAR RADIATION.
US6583523B1 (en) * 2000-08-09 2003-06-24 Inverters Unlimited, Inc. Parallel DC power sources with different characteristics
US6887601B2 (en) * 2000-09-28 2005-05-03 Proton Energy Systems, Inc. Regenerative electrochemical cell system and method for use thereof
JP4119081B2 (en) * 2000-11-29 2008-07-16 本田技研工業株式会社 Power supply system with solar cell
US20040219398A1 (en) * 2003-05-02 2004-11-04 Calhoon John C. Fuel cell control and data reporting
US7510640B2 (en) * 2004-02-18 2009-03-31 General Motors Corporation Method and apparatus for hydrogen generation

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102024119758A1 (en) 2023-09-15 2025-03-20 Peter Britz Device for generating energy

Also Published As

Publication number Publication date
WO2007142693A2 (en) 2007-12-13
WO2007142693A3 (en) 2008-04-03
CN101374978A (en) 2009-02-25
CN101374978B (en) 2010-12-08

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Maroufmashat et al. Hydrogen generation optimization in a hybrid photovoltaic-electrolyzer using intelligent techniques
Meryem et al. Simulation and Implementation of a Modified ANFIS MPPT Technique

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