将内部光源引入直接吸收式太阳能集热器中，以提高纳米流体的光热转换性能

《Renewable Energy》：Introducing internal light source into direct absorption solar collector for enhancing photothermal conversion performance of nanofluids

多堆燃料电池系统（MFCS）集成空气供应结构优化及部分前馈解耦IMC控制器设计，通过单压缩机调节缓冲压力和背压阀控制质量流量，简化系统结构并降低43%压缩机能耗。提出的IMC控制器将稳态时间缩短并减少62.6%质量流量超调及20%压力波动，部分前馈解耦IMC（PFD-IMC）进一步消除超调并降低69.4%压力波动，提升系统动态响应与效率。

　　近年来，随着极端气候事件的频繁发生以及工业活动的持续扩展，全球对可再生能源解决方案的需求显著上升。这种增长不仅推动了太阳能、风能和潮汐能等可再生能源技术的发展，还促使人们探索更高效、更可靠的能源存储和分配方式。在此背景下，将可再生能源转化为氢气进行储存，并通过微电网系统或小型分布式发电设施输送至终端用户，成为一种可行的策略。由于质子交换膜燃料电池（PEMFC）能够高效地将化学能转化为电能，因此在多堆燃料电池系统（MFCS）中，其性能表现尤为突出，特别是在兆瓦级输出的应用场景中。

MFCS通常由多个燃料电池堆组成，与传统的单堆燃料电池系统（SFCS）相比，其优势体现在更高的输出功率、更长的使用寿命以及更优的系统稳定性。在实际应用中，MFCS的配置形式多样，包括串联、并联和混合连接。这些配置不仅涉及电气耦合，还整合了热管理、氢气供应和空气供应系统。其中，空气供应系统对于燃料电池子系统的性能尤为关键。它确保为每个堆提供精确的气体流量、适当的压力和最佳的湿度，从而防止诸如水淹或膜干等常见问题，确保燃料电池的高效和稳定运行。

当前，MFCS中的空气供应系统主要分为两种类型：独立供应和集成供应。独立供应方式为每个SFCS配备单独的空气供应系统，但随着堆数的增加，系统成本也会相应上升。为解决这一问题，研究人员提出了集成供应方案，即通过单一空气压缩机为多个堆提供空气。这种方案不仅减少了所需空气压缩机的数量，也有效降低了整体成本。然而，不同的MFCS空气供应系统配置会导致堆之间或堆与缓冲罐之间的压力和流量耦合关系发生变化，因此需要对解耦问题和控制器设计进行深入优化研究。

尽管已有大量关于SFCS空气供应系统控制与优化的研究，但针对MFCS空气供应系统的相关工作仍显不足。目前，学术界对MFCS空气供应系统的控制策略和解耦技术研究较少，多数研究仍集中在SFCS的优化控制上。例如，Tao Zeng等人提出了一种基于前馈结构的解耦控制方法，通过实验数据建立的查找表快速提供前馈控制参考，同时利用反馈环设计消除控制误差，提高了控制精度和稳定性。Yuan H等人则提出了一种基于观测器的级联系统解耦控制方案，外环结合滑模控制器与模糊扩展状态观测器，实现氧气过量比（OER）的跟踪控制；内环则采用逆向解耦控制器与主动扰动抑制控制相结合的方式，实现空气质量和压力的解耦控制。实验结果表明，该方法在存在初始偏差、噪声和参数不确定性的情况下，表现出更好的控制性能。Zhao D等人开发了一种基于主动扰动抑制控制（ADRC）框架的动态解耦策略，能够同时控制空气质量和压力。实验结果表明，与传统的比例积分（PI）控制器相比，该控制器在动态和稳态下均表现出更优的性能。

在MFCS中，空气压缩机通常消耗15%到20%的堆输出功率，因此优化空气压缩机的控制策略对于提升系统净输出功率至关重要。Chen Xi等人提出了一种基于分数阶PID的动态控制模型，用于管理PEMFC系统的氧气过量比。实验结果表明，分数阶PID在阶跃电流条件下能够实现高精度和快速响应的实时氧气过量比调节，优于传统的PID和模糊PID控制。此外，MFCS的结构复杂性也给解耦控制带来了挑战，尤其是在多个参数之间存在强耦合的情况下，传统控制方法难以实现精确的调节，进而影响整个系统的性能和稳定性。

针对这些问题，本文提出了一种改进的集成空气供应系统设计及其解耦控制器。该系统通过简化结构，降低了控制器设计的复杂性，同时提高了系统的控制能力和经济性。具体来说，该系统采用单一空气压缩机调节所有堆的缓冲压力，而回压阀则用于控制每个堆的空气质量流量。这种设计不仅减少了对独立比例阀的需求，还显著降低了空气压缩机的能耗，提升了系统净输出功率。此外，本文还提出了一种部分前馈解耦内部模型控制器（PFD-IMC），该控制器能够有效缓解空气质量流量变化对缓冲压力的影响，并在不同工况下维持系统的稳定性和效率。

与传统的比例积分控制方法相比，PFD-IMC在阶跃响应条件下显著缩短了系统响应时间，并减少了空气质量流量的超调量，降低了缓冲压力的波动。此外，PFD-IMC在解耦性能方面与全前馈解耦内部模型控制器（FFD-IMC）相近，但其结构更为简单，因此在实际应用中更具优势。实验结果表明，PFD-IMC不仅消除了空气质量流量阶跃响应中的超调现象，还进一步减少了缓冲压力的波动，提升幅度达到69.4%。这种控制器在处理压力阶跃响应、单流量变化和动态操作方面表现出卓越的性能，从而显著提高了系统的整体效率。

本文的研究成果对于推动可再生能源系统中MFCS的应用具有重要意义。通过优化空气供应系统的结构和控制策略，不仅能够降低系统复杂性，还能提高系统的经济性和运行效率。此外，PFD-IMC作为一种新型控制器，能够在不牺牲解耦性能的前提下，实现更简单的控制结构，为未来MFCS的控制设计提供了新的思路。本文的研究还揭示了当前MFCS空气供应系统在控制策略和解耦技术方面的不足，指出了进一步研究的方向。

在实际应用中，空气供应系统的优化对于提升MFCS的运行性能至关重要。本文提出的改进结构和控制方法不仅适用于可再生能源系统，也具备一定的通用性，可以推广到其他需要高效空气供应的场景。例如，在电动汽车、航空航天和大型工业设备等领域，空气供应系统的优化同样具有重要意义。因此，本文的研究不仅对可再生能源领域具有贡献，也为其他相关领域提供了有价值的参考。

此外，本文的研究还强调了系统设计与控制策略之间的相互作用。在优化空气供应系统的同时，也需要对控制器进行相应的调整，以确保其能够适应新的系统结构和运行条件。这种系统与控制器的协同优化，是提升MFCS整体性能的关键所在。因此，在未来的系统设计中，需要更加注重空气供应系统与控制策略的综合优化，以实现更高的效率和更低的能耗。

本文的研究方法和成果对于推动可再生能源系统的可持续发展具有重要意义。通过优化空气供应系统的结构和控制策略，不仅能够降低系统成本，还能提高系统的可靠性和稳定性。这种优化不仅有助于提升MFCS的运行效率，也为其他相关技术的发展提供了借鉴。因此，本文的研究不仅具有理论价值，也具备实际应用意义。

总之，本文的研究为可再生能源系统中MFCS的空气供应系统优化提供了新的思路和方法。通过改进的集成空气供应系统设计和PFD-IMC控制策略，不仅能够降低系统复杂性，还能提升系统的运行效率和经济性。此外，本文还指出了当前MFCS空气供应系统在控制策略和解耦技术方面存在的不足，为未来的研究提供了方向。这些研究成果对于推动可再生能源技术的发展，提升能源利用效率，具有重要的意义。