本公開(kāi)涉及智能控制，尤其涉及智能氫氣儲(chǔ)存管理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、氫能作為一種清潔、高效的能源載體，正逐步成為未來(lái)能源體系的重要組成部分。氫能的高能量密度和零碳排放特性，使其在燃料電池、儲(chǔ)能、交通運(yùn)輸及工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，氫氣的高揮發(fā)性、低密度以及在常溫常壓下的存儲(chǔ)難題，成為氫能大規(guī)模應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸。為了實(shí)現(xiàn)高效、安全、經(jīng)濟(jì)的氫氣存儲(chǔ)與管理，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)氫氣的物理儲(chǔ)存、化學(xué)儲(chǔ)存及材料儲(chǔ)存技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，并開(kāi)發(fā)了多種氫氣存儲(chǔ)管理系統(tǒng)。然而，現(xiàn)有技術(shù)仍然存在儲(chǔ)存效率低、系統(tǒng)穩(wěn)定性差、能耗高及智能化程度不足等問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)足氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。因此，本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有氫氣存儲(chǔ)管理系統(tǒng)的不足，提出了一種智能氫氣儲(chǔ)存管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化和智能調(diào)控氫氣存儲(chǔ)過(guò)程，以提高儲(chǔ)存效率、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性并降低運(yùn)行成本。

2、目前，氫氣的儲(chǔ)存方式主要包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫三種。其中，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是最常見(jiàn)的方法，通過(guò)將氫氣壓縮至35mpa或70mpa，并存儲(chǔ)在高壓儲(chǔ)氫罐中。然而，這種方法存在能量損耗大、材料強(qiáng)度要求高及安全性隱患等問(wèn)題。由于氫氣分子體積小，極易發(fā)生泄漏，且高壓氫氣在材料中的滲透效應(yīng)可能導(dǎo)致儲(chǔ)氫容器的氫脆現(xiàn)象，降低儲(chǔ)氫罐的長(zhǎng)期使用壽命。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)則通過(guò)將氫氣冷卻至-253℃使其液化，并存儲(chǔ)于絕熱容器中。雖然該方法可以顯著提高儲(chǔ)氫密度，但由于液氫極低的溫度要求，其制備過(guò)程需要大量的能源消耗，同時(shí)，液氫存在蒸發(fā)損失，長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的氫氣揮發(fā)率，增加了運(yùn)行成本。此外，固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)近年來(lái)受到廣泛關(guān)注，其通過(guò)金屬氫化物、多孔材料、碳納米管等材料的吸附或化學(xué)結(jié)合實(shí)現(xiàn)氫氣的高效存儲(chǔ)。雖然該方法在安全性和能效方面優(yōu)于前兩種方式，但由于儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫容量有限、吸放氫速率較慢、溫度敏感性強(qiáng)等問(wèn)題，其工程化應(yīng)用仍然受到一定制約。因此，當(dāng)前氫氣存儲(chǔ)技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，亟需一種更加智能化、高效、安全的氫氣存儲(chǔ)管理系統(tǒng)，以?xún)?yōu)化氫氣的存儲(chǔ)和釋放過(guò)程，提高氫能利用效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供智能氫氣儲(chǔ)存管理系統(tǒng)，本發(fā)明通過(guò)精準(zhǔn)的吸附建模、智能的熱力學(xué)優(yōu)化、基于性能評(píng)估的存儲(chǔ)穩(wěn)定性管理以及自適應(yīng)控制策略，實(shí)現(xiàn)了氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)的智能化升級(jí)。相比于傳統(tǒng)的氫氣存儲(chǔ)管理系統(tǒng)，本發(fā)明能夠更精準(zhǔn)地計(jì)算氫氣的存儲(chǔ)狀態(tài)，優(yōu)化存儲(chǔ)過(guò)程，提高存儲(chǔ)效率，并在不同工況下保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。通過(guò)智能化的參數(shù)優(yōu)化和控制策略，本發(fā)明不僅能夠有效降低能耗，還能夠提升系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，減少人為干預(yù)，使氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)更加高效、智能和可靠。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、智能氫氣儲(chǔ)存管理系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：傳感器部分、數(shù)據(jù)分析部分、性能評(píng)估部分和自適應(yīng)控制部分；所述傳感器部分，用于獲取氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)中當(dāng)前時(shí)間的運(yùn)行數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)分析部分，用于根據(jù)當(dāng)前時(shí)間運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)中的儲(chǔ)氫材料的當(dāng)前時(shí)間最大吸附容量，并以此建立氫氣在儲(chǔ)氫材料中的動(dòng)態(tài)吸附過(guò)程模型和熱力學(xué)狀態(tài)模型；所述性能評(píng)估部分，用于根據(jù)動(dòng)態(tài)吸附過(guò)程模型和熱力學(xué)狀態(tài)模型，計(jì)算當(dāng)前時(shí)間的性能指標(biāo)；所述自適應(yīng)控制部分，用于根據(jù)當(dāng)前時(shí)間的性能指標(biāo)，使用比例-積分調(diào)節(jié)機(jī)制，自動(dòng)調(diào)節(jié)氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)的壓力、溫度和氫氣流量。

4、進(jìn)一步的，所述傳感器部分包括：溫度傳感器、壓力傳感器、吸附量傳感器和流量傳感器；所述當(dāng)前時(shí)間運(yùn)行數(shù)據(jù)包括：?jiǎn)挝粸閗的當(dāng)前時(shí)間溫度、單位為pa的當(dāng)前時(shí)間壓力、單位為mol/kg的當(dāng)前時(shí)間吸附量和單位為kg/s的當(dāng)前時(shí)間氫氣流量；為當(dāng)前時(shí)間。

5、進(jìn)一步的，計(jì)算氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)中的儲(chǔ)氫材料的當(dāng)前時(shí)間最大吸附容量：

6、；

7、其中，為在當(dāng)前時(shí)間溫度和當(dāng)前時(shí)間壓力下的儲(chǔ)氫材料的當(dāng)前時(shí)間最大吸附容量；為標(biāo)準(zhǔn)條件下的參考吸附容量，單位mol/kg；為溫度依賴(lài)的吸附平衡常數(shù)，單位為1/pa；為吸附焓變，單位為j/mol；為氣體常數(shù)，取值為8.314j/(mol·k)；為參考溫度，取值為298k；為儲(chǔ)氫材料的孔隙率；為孔徑，單位為nm；參考孔徑，單位為nm；為自然底數(shù)。

8、進(jìn)一步的，溫度依賴(lài)的吸附平衡常數(shù)使用如下公式計(jì)算得到：

9、；

10、其中，為參考溫度下的平衡常數(shù)，單位為1/pa；為吸附活化能，單位為j/mol。

11、進(jìn)一步的，通過(guò)如下公式，建立氫氣在儲(chǔ)氫材料中的動(dòng)態(tài)吸附過(guò)程模型：

12、；

13、其中，為吸附速率常數(shù)；為解吸速率常數(shù)；為解吸活化能，單位j/mol；為解吸焓變，單位j/mol；為當(dāng)前時(shí)間的平均吸附量。

14、進(jìn)一步的，，單位為1/s；為吸附頻率因子，單位為1/s，為設(shè)定值；，單位1/s；為解吸頻率因子，單位1/s。

15、進(jìn)一步的，通過(guò)如下公式，建立氫氣在儲(chǔ)氫材料中的熱力學(xué)狀態(tài)模型：

16、；

17、其中，為有效熱導(dǎo)率，單位為w/(m·k)；為儲(chǔ)氫材料平均密度，單位為kg/m3；為平均比熱容，單位為j/(kg·k)；為儲(chǔ)氫材料床層堆積密度，單位為kg/m3；為對(duì)流換熱系數(shù)，單位為w/(m2·k)；為儲(chǔ)氫材料換熱面積，單位為m2；為儲(chǔ)氫材料體積，單位為m3；為環(huán)境溫度，單位為k；為當(dāng)前時(shí)間的臨界溫度。

18、進(jìn)一步的，通過(guò)如下公式，計(jì)算當(dāng)前時(shí)間的性能指標(biāo)：

19、；

20、其中，為第一權(quán)重系數(shù)；為第二權(quán)重系數(shù)；為第三權(quán)重系數(shù)；；為當(dāng)前時(shí)間的平均吸附量；為參考溫度下的最大吸附容量；為最佳操作溫度。

21、進(jìn)一步的，通過(guò)如下公式，根據(jù)當(dāng)前時(shí)間的性能指標(biāo)，使用比例-積分調(diào)節(jié)機(jī)制，計(jì)算在下一個(gè)時(shí)間步的控制參數(shù)，以自動(dòng)調(diào)節(jié)氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)的壓力、溫度和氫氣流量：

22、；

23、其中，為下一個(gè)時(shí)間步的調(diào)節(jié)氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)的壓力；為下一個(gè)時(shí)間步的調(diào)節(jié)氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)的溫度；為下一個(gè)時(shí)間步的調(diào)節(jié)氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)的氫氣流量；為壓力設(shè)定值；為溫度設(shè)定值；為氫氣流量設(shè)定值；為壓力比例控制系數(shù)；為溫度比例控制系數(shù)；為氫氣流量控制系數(shù)；為壓力積分控制系數(shù)；為溫度積分控制系數(shù)；為氫氣流量積分控制系數(shù)；為時(shí)間積分變量。

24、本發(fā)明的智能氫氣儲(chǔ)存管理系統(tǒng)，具有以下有益效果：

25、本發(fā)明的有益效果首先體現(xiàn)在吸附過(guò)程的精準(zhǔn)建模。氫氣的存儲(chǔ)依賴(lài)于儲(chǔ)氫材料的吸附能力，而吸附過(guò)程受溫度、壓力以及儲(chǔ)氫材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)等多種因素的影響。傳統(tǒng)的氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)往往采用靜態(tài)的吸附模型，無(wú)法準(zhǔn)確描述氫氣在動(dòng)態(tài)工況下的吸附行為，導(dǎo)致存儲(chǔ)能力無(wú)法最大化利用。本發(fā)明采用了一種基于溫度、壓力和材料特性的動(dòng)態(tài)吸附模型，該模型能夠精確預(yù)測(cè)氫氣的最大吸附容量，并隨著環(huán)境參數(shù)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使得儲(chǔ)氫材料的存儲(chǔ)能力得到充分發(fā)揮。這種動(dòng)態(tài)建模方法確保了系統(tǒng)在不同的工況下都能保持高效的存儲(chǔ)狀態(tài)，減少了由于參數(shù)設(shè)定不當(dāng)而導(dǎo)致的吸附效率下降問(wèn)題。

26、其次，本發(fā)明通過(guò)構(gòu)建熱力學(xué)狀態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫氣吸附和解吸過(guò)程中溫度變化的精確計(jì)算。氫氣的吸附通常是一個(gè)放熱過(guò)程，而解吸則需要吸收一定的熱量，因此溫度的變化直接影響儲(chǔ)氫材料的吸附能力。如果溫度過(guò)高，氫氣的吸附能力會(huì)下降，導(dǎo)致存儲(chǔ)效率降低；如果溫度過(guò)低，氫氣的解吸速率可能受限，影響系統(tǒng)的供氫能力。本發(fā)明建立的熱力學(xué)狀態(tài)模型能夠準(zhǔn)確計(jì)算氫氣吸附和解吸過(guò)程中的溫度變化，并結(jié)合環(huán)境換熱情況，優(yōu)化儲(chǔ)氫系統(tǒng)的熱管理策略，從而確保儲(chǔ)氫材料始終處于最佳溫度范圍內(nèi)。相比于傳統(tǒng)依賴(lài)固定溫度控制策略的管理系統(tǒng)，本發(fā)明的智能溫度管理機(jī)制能夠更好地適應(yīng)不同的工況，提高系統(tǒng)的能效，減少額外的溫控能耗，使氫氣存儲(chǔ)更加高效和穩(wěn)定。

27、本發(fā)明的另一個(gè)重要有益效果在于優(yōu)化了氫氣的存儲(chǔ)穩(wěn)定性。在氫氣存儲(chǔ)過(guò)程中，壓力和溫度的波動(dòng)會(huì)影響吸附和解吸過(guò)程的平衡狀態(tài)，如果控制不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致氫氣的快速泄放或存儲(chǔ)效率的降低，甚至影響系統(tǒng)的安全性。本發(fā)明通過(guò)性能評(píng)估模型，對(duì)當(dāng)前的氫氣存儲(chǔ)狀態(tài)進(jìn)行量化分析，并引入了性能指標(biāo)，以全面衡量系統(tǒng)的運(yùn)行情況。該性能指標(biāo)不僅考慮了氫氣的存儲(chǔ)效率，還結(jié)合了溫度偏差和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，使得系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確評(píng)估自身的運(yùn)行質(zhì)量，從而在早期階段發(fā)現(xiàn)并修正可能的異常情況。這種基于性能指標(biāo)的優(yōu)化方法使得氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中始終保持在最佳狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，避免了傳統(tǒng)氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行中可能出現(xiàn)的存儲(chǔ)衰減和效率下降問(wèn)題。