Kawalan dan pengurusan optimum bagi penjana teragih berasaskan sel fuel menggunakan teknik logik kabur dan rangkaian neural

KAWALAN DAN PENGURUSAN OPTIMUM BAGI PENJANA TERAGIH BERASASKAN SEL FUEL MENGGUNAKAN TEKNIK LOGIK KABUR

DAN RANGKAIAN NEURAL

NOR AIRA ZAMBRI

TESIS YANG DIKEMUKAKAN UNTUK MEMPEROLEH IJAZAH DOKTOR FALSAFAH

FAKULTI KEJURUTERAAN DAN ALAM BINA UNIVERSITI KEBANGSAAN MALAYSIA

BANGI 2014

v

ABSTRAK

Pengurangan bahan api fosil, kenaikan harga minyak serta kesedaran terhadap alam sekitar telah menarik perhatian penggunaan sistem penjana teragih (PT) berasaskan tenaga bolehbaharu. Antara pelbagai jenis PT berasaskan tenaga bolehbaharu, teknologi sel fuel telah menunjukkan potensi yang besar dalam penjanaan tenaga elektrik disebabkan oleh pembangunan teknologi yang cepat, kecekapan yang tinggi, operasi yang bersih serta tidak dipengaruhi oleh keadaan cuaca. Di dalam tesis ini, dua model dinamik sel fuel telah dibina, iaitu, model sel fuel ditambah baik jenis membran penukaran proton dan model baru sel fuel oksida pepejal jenis satah. Bagi mengatasi masalah kebuluran bahan api dalam sel fuel sewaktu perubahan beban yang besar disebabkan oleh reaksi pemprosesan gas serta masalah dinamik sel fuel itu sendiri, sistem penyimpanan tenaga seperti bateri telah ditambah kepada sistem PT sel fuel. Fokus utama bagi tesis ini adalah untuk membangunkan strategi kawalan bagi sistem PT hibrid menggunakan sel fuel bersama bateri jenis asid plumbum untuk operasian tersambung ke grid dengan objektif untuk mengurangkan komponen harmonik yang disuntik ke grid utiliti. Sel fuel menggunakan teknik pengesanan titik kuasa maksima untuk menjana kitar tugas bagi penukar boost untuk memastikan pengekstrakan kuasa maksimum dari sel fuel. Untuk memperbaiki pengaturan bas AT, tenaga bateri disambung ke penukar dwiarah turun/naik bagi memastikan aliran kuasa yang berterusan antara bas AT dan bateri. Untuk mengawal penyongsang sumber voltan (PSV) bagi sistem sel fuel/bateri, kaedah konvensional kawalan mod-voltan dan mod-arus dengan pengawal yang ditambah baik kamiran-perkadaran (KP)-logik kabur bagi kedua-dua gelung kawalan arus dalaman dan voltan keluaran telah dibina. Pengawal KP- logik kabur yang dicadangkan mempunyai kelebihan berbanding pengawal logik kabur di samping mengekalkan kesederhanaan dan keteguhan pengawal KP. Modulasi lebar denyut jenis vektor ruang telah digunakan bagi pengawal PSV untuk menjana gelombang bentuk sinus. Model PT berasaskan penyongsang yang dicadangkan diaplikasikan kepada sistem grid-mikro untuk meninjau keberkesanannya sebagai model yang lengkap serta untuk menilai prestasi penggunaannya dalam sistem rangkaian yang besar. Memandangkan model PSV dibina berdasarkan skim kawalan P-Q yang membolehkan kawalan berasingan bagi keluaran kuasa aktif dan reaktif, PT boleh beroperasi secara terus berdasarkan kepada rujukan kuasa aktif dan reaktif pada penyongsang. Satu teknik pintar terbaru telah dibangunkan untuk menguruskan rujukan kuasa aktif dan reaktif bagi PT dengan menggunakan rangkaian neural tiruan untuk memastikan unit PT beroperasi pada nilai kuasa yang optimum di samping mengurangkan jumlah kehilangan kuasa serta mengekalkan profil voltan dalam had yang boleh diterima. Hasil keputusan menunjukkan teknik rangkaian neural buatan yang dicadangkan dapat meramalkan dengan tepat rujukan kuasa aktif dan reaktif bagi PT dengan ralat yang minima. Satu perbandingan telah dilakukan antara pengawal KP-logik kabur dan pengawal KP bagi PSV dari segi penjanaan jumlah herotan harmonik (JHH). Hasil kajian menunjukkan bahawa dengan menggunakan pengawal KP-logik kabur, JHH bagi voltan dan arus dikurangkan masing-masing kepada 0.40 % dan 3.77 % berbanding 0.43 % bagi JHH voltan dan 14.08 % bagi JHH arus jika menggunakan pengawal KP yang konvensional.

vi

ABSTRACT

The depletion of fossil fuel, the rise in oil prices and environmental concerns has attracted interest in employing renewable energy based distributed generation (DG) system. Among the various types of renewable energy based DG, fuel cell technology has shown great potential in electricity generation due to its fast technology development, high efficiency, clean operation and immune to adverse effects of weather condition. In this thesis, two fuel cell dynamic models have been developed, namely, the improved proton exchange membrane fuel cell and a new planar solid oxide fuel cell. To overcome the fuel starvation problem in fuel cells during variation of large loads due to the gas processing reaction and fuel cell dynamics, an energy storage system such as battery is added to the fuel cell DG system. The main focus of the thesis is to develop control strategies for a hybrid DG system employing fuel cell with lead-acid battery storage for grid-connected operation with the objectives of minimizing the harmonics injected to the utility grid. The fuel cell utilizes a maximum power point tracking technique to generate duty cycle for the boost converter so as to ensure maximum power extraction from the fuel cell. To enhance DC bus regulation, the battery storage is interfaced with a bidirectional buck/boost converter to ensure continuity of power flow between the DC bus and the battery. To control the fuel cell/battery grid-side voltage source inverter (VSI), the conventional voltage-mode and current-mode control schemes with improved proportional-integral (PI)-fuzzy controller for both inner current and outer voltage control loops have been developed. The proposed PI-fuzzy controller has the advantage of fuzzy control while maintaining the simplicity and robustness of the PI controller. The space-vector pulse width modulation technique has been applied to the VSI control to generate a sinusoidal waveform. The proposed DG-based inverter model is then applied to a micro-grid system to see the effectiveness of the complete model and to evaluate its application performance to a large network system. Since the VSI developed is based on a P-Q control scheme that allows the execution of active and reactive power outputs to be independently controlled, the DG can be directly operated based on the active and reactive power references of the inverter. A new intelligent technique has been developed for managing the active and reactive powers of DG references using artificial neural networks to ensure that the DG units operate at its optimal value while reducing total power losses and maintaining voltage profile within its acceptable limit. The results showed that the proposed artificial neural network technique can correctly predict the optimal DG active and reactive power references with minimal errors. A comparison has been made between the PI-fuzzy controller and the PI controller in the VSI in terms of the generated total harmonic distortion (THD). The results showed that by applying PI-Fuzzy controller, the voltage and current THD are reduced to 0.40 % and 3.77 %, respectively compared to 0.43 % voltage THD and 14.08 % current THD using the conventional PI controller.

vii KANDUNGAN Halaman PENGAKUAN iii PENGHARGAAN iv ABSTRAK v ABSTRACT vi KANDUNGAN vii

SENARAI JADUAL xii

SENARAI RAJAH xiv

SENARAI SIMBOL xx

SENARAI SINGKATAN xxvi

BAB I PENGENALAN 1

1.1 Latar Belakang Kajian 1

1.2 Penyataan Masalah Kajian 4

1.3 Objektif Kajian dan Skop Kerja 7

BAB II TINJAUAN KEPUSTAKAAN 9

2.1 Pengenalan 9

2.2 Jenis dan Ciri Sel Fuel 9

2.3 Model Dinamik Sel Fuel 12

2.3.1 Model Simulasi SFMPP 2.3.2 Model Simulasi SFOP

13 16 2.4 Sistem Penjana Teragih Berasaskan Sel Fuel Hibrid 19

2.4.1 Jenis Bateri

2.4.2 Kaedah Kawalan Sistem Penyimpanan Tenaga 2.4.3 Konfigurasi Sistem Penjana Teragih Hibrid

20 21 22 2.5 Komponen Sistem Penjana Teragih Berasaskan Sel Fuel 24

2.5.1 Unit Pemproses Bahan Api 2.5.2 Unit Tindanan Sel Fuel 2.5.3 Unit Penyesuai Kuasa

2.5.4 Pengawal Unit Penyesuai Kuasa

25 25 26 27

viii

2.6 Kesan Penjana Teragih Terhadap Kualiti Kuasa 29

2.7 Pengurusan Kuasa Aktif Dan Reaktif Bagi Penjana Teragih Dalam Grid Mikro

31

2.8 Ringkasan Bab 32

BAB III PEMODELAN DINAMIK SEL FUEL 33

3.1 Pengenalan 33

3.2 Asas Pengoperasian Sel Fuel 33

3.2.1 Asas Operasi Sel Fuel Membran Penukaran Proton 3.2.2 Asas Operasi Sel Fuel Oksida Pepejal Jenis Satah

34 35 3.3 Pemodelan Dinamik Bagi Sel Fuel Membran Penukaran Proton 36

3.3.1 Unit Pemproses Bahan Api

3.3.2 Model Unit Sel Fuel Membran Penukaran Proton

37 39 3.4 Pemodelan Dinamik Sel Fuel Oksida Pepejal Jenis Satah 46 3.5 Pembangunan Model Simulasi Sel Fuel Menggunakan Perisian

MATLAB/Simulink

49 3.5.1 Model Simulasi SFMPP

3.5.2 Model Simulasi SFOP Jenis Satah

50 52

3.6 Pengesahan Model Sel Fuel 54

3.7 Ringkasan Bab 54

BAB IV PEMBANGUNAN MODEL HIBRID SEL FUEL DAN BATERI SEBAGAI PENJANA TERAGIH

55

4.1 Pengenalan 55

4.2 Pembangunan Model Hibrid Sel Fuel Dan Bateri Sebagai PT Beroperasi Secara Kendiri

55 4.2.1 Model Hibrid Sel Fuel dan Bateri Sebagai PT Tanpa

Pengesanan Titik Kuasa Maksima

4.2.2 Model Hibrid Sel Fuel dan Bateri Sebagai PT Dengan Pengesanan Titik Kuasa Maksima

4.2.2.1Penukar Naik AT/AT 4.2.2.2Penukar Dwiarah AT/AT

56 58 59 62 4.3 Pembangunan Model Hibrid Sel Fuel Dan Bateri Sebagai PT

Beroperasi Secara Tersambung Ke Grid Dengan Pengawal KP-Logik Kabur Baru

64

ix

4.3.1.1Konfigurasi Bagi Pengawal KP-Logik Kabur 4.3.1.2Teknik Modulasi Lebar Denyut Jenis Vektor Ruang

4.3.2 Pengurusan Sumber Kuasa

73 83 86 4.4 Pembinaan Model PT Hibrid Sel Fuel Dan Bateri

Menggunakan Perisian MATLAB/Simulink

87 4.4.1 Model Simulasi PT Hibrid Bagi Operasian Kendiri

4.4.2 Model Simulasi PT Hibrid Bagi Operasian Tersambung ke Grid

87 91

4.5 Ringkasan Bab 93

BAB V PENGURUSAN KUASA AKTIF DAN REAKTIF BAGI PENJANA TERAGIH DALAM GRID MIKRO

94

5.1 Pengenalan 94

5.2 Sistem Grid Mikro 94

5.3 Penyelarasan Kuasa Aktif dan Reaktif Bagi Penjana Teragih Dalam Sistem Grid Mikro

96 5.4 Pengoptimuman Kuasa Aktif dan Reaktif Bagi Penjana Teragih

Dalam Sistem Grid Mikro

99

5.5 Teori Rangkaian Neural Tiruan 100

5.5.1 Rangkaian Neural Perseptron Berbilang Lapisan 5.5.2 Rangkaian Neural Fungsi Asas Jejari

5.5.3 Algoritma Levenberg-Marquardt 5.5.4 Fungsi Pengaktifan dalam RNT

100 101 103 103 5.6 Penggunaan RNT Bagi Pengurusan Kuasa Rujukan Penjana

Teragih Dalam Sistem Grid Mikro

105 5.6.1 Penjana Teragih Berasaskan Penyongsang

5.6.2 Perihal Sistem Ujian

5.6.3 Ramalan Kuasa Rujukan bagi Penjana Teragih Menggunakan RNPBL dan RNFAJ

5.6.4 Penjanaan Set Data Latihan dan Ujian 5.6.5 Penormalan Data

5.6.6 Penilaian Prestasi RNT

5.6.7 Perlaksanaan RNPBL dan RNFAJ Untuk Ramalan Kuasa Rujukan PT 106 107 108 110 113 113 114

5.7 Penggunaan RNT dalam sistem grid mikro 115

x

BAB VI KEPUTUSAN DAN PERBINCANGAN 117

6.1 Pengenalan 117

6.2 Keputusan simulasi bagi model dinamik sel fuel 117

6.2.1 Pengesahan Model SFMPP

6.2.2 Pengesahan Model SFOP jenis satah

6.2.3 Perbandingan Model SFMPP dan SFOP Jenis Satah

118 122 123 6.3 Keputusan simulasi model hibrid bagi penjana teragih 127

6.3.1 Keberkesanan PT Hibrid Beroperasi Secara Kendiri 6.3.1.1PT Hibrid Tanpa PTKM

6.3.1.2PT Hibrid Dengan PTKM

6.3.2 Keberkesanan PT Hibrid Tersambung Ke Grid Dengan Strategi Kawalan KP-Logik Kabur Yang Baru

6.3.2.1Mod operasi I: Tersambung ke grid 6.3.2.2Mod operasi II: Terasing dari grid 6.3.2.3Analisis Jumlah Herotan Harmonik

127 127 131 134 135 141 144 6.4 Keputusan pengurusan kuasa aktif dan reaktif bagi penjana

teragih dalam grid mikro

146 6.4.1 Keputusan Latihan RNT

6.4.2 Keputusan Ujian RNT

6.4.3 Perbandingan Kehilangan Kuasa dan Kos dalam Sistem 6.4.4 Penilaian Profil Voltan Sistem

146 148 153 156

6.5 Ringkasan bab 158

BAB VII KESIMPULAN DAN CADANGAN 159

7.1 Kesimpulan ₁₅₉

7.2 Sumbangan utama kajian ₁₆₁

7.3 Cadangan kajian lanjutan ₁₆₂

RUJUKAN

xi

LAMPIRAN

A Model Simulasi Bagi Penukar Naik dan Penukar Bateri 173

B Model Simulasi Bagi Penyongsang 175

C Data Bagi Sistem Ujian 8 Bas 178

D Set Data Latihan dan Ujian Bagi RNT 184

E Jumlah Herotan Harmonik 188

xii

SENARAI JADUAL

Nombor Jadual Halaman

2.1 Perbandingan jenis-jenis sel fuel 11

2.2 Model simulasi SFMPP 13

2.3 Ciri bateri dan kapasitor ultra 19

2.4 Perbandingan jenis-jenis bateri 21

3.1 Parameter bagi model SFMPP 52

3.2 Parameter bagi model SFOP jenis satah 53

4.1 Peraturan logik kabur bagi pengawal voltan luaran penyongsang 77

4.2 Peraturan logik kabur bagi menentukan α 77

4.3 Peraturan logik kabur bagi menentukan β 77

4.4 Peraturan logik kabur bagi pengawal arus dalaman penyongsang bagi koordinat-d

81 4.5 Peraturan logik kabur bagi pengawal arus dalaman penyongsang

bagi koordinat-q

81 4.6 Peraturan logik kabur bagi menentukan α dan β bagi

koordinat-d

81 4.7 Peraturan logik kabur bagi menentukan α dan β bagi

koordinat-q

81

4.8 Masa pensuisan tiga fasa bagi MLDVR 86

4.9 Data bagi model sel fuel dan bateri 88

4.10 Data sel fuel, bateri dan penukar 90

xiii

5.1 Persamaan fungsi pengaktifan 105

5.2 Penerangan komponen dalam sistem ujian 108

5.3 Jumlah taburan data bagi aplikasi RNT 111

5.4 Parameter bagi RNPBL dan RNFAJ 111

6.1 Perbandingan prestasi herotan harmonik bagi pengawal KP-logik kabur dan KP

145 6.2 Perbandingan prestasi JHH bagi pengawal KP-logik kabur dan

MLDVR menggunakan indeks modulasi yang berlainan

146

6.3 Prestasi bagi ujian RNPBL dan RNFAJ 150

6.4 Perbandingan kehilangan kuasa 154

194

SENARAI PENERBITAN YANG DIHASILKAN DARI TESIS (2011-2014)

JURNAL

Zambri, N. A., Mohamed, A. & Shareef, H. 2011. Performance comparison of dynamic models of proton exchange membrane and planar solid oxide fuel cells subjected to load change. IREMOS. 4(6): 3402-3409

Zambri, N. A.; Mohamed, A. ; Shareef, H. & Wanik, M. Z. C. 2013. Design of a Hybrid Fuel Cell with Battery Energy Storage for Stand-Alone Distributed Generation Applications, World Academy of Science, Engineering and

Technology, International Science Index 78. 7(6): 1588 - 1593.

Zambri, N. A., Mohamed, A., Shareef, H. & Wanik, M. Z. C. 2013. Hybrid Proton Exchange Membrane Fuel Cell with Battery Energy Storage for Stand-Alone Distributed Generation Applications. Przegląd Elektrotechniczny. 89(5): 161-166.

Zambri, N. A. & Mohamed, A. 2014. Utilization of fuel cell energy source for distribution power generation: theory, modeling and review of research work.

Przegląd Elektrotechniczny. 90(5): 189-200.

Zambri, N. A., Mohamed, A. & Wanik, M. Z. C. 2014. Performance Comparison of Neural Networks for Intelligent Management of Distributed Generators in a Distribution System. International Journal of Electrical Power & Energy

Systems. (Under review).

Zambri, N. A., Mohamed, A. & Wanik, M. Z. C. 2014. Performance of Grid-Connected Fuel Cell System with Battery Energy Storage. International

Journal of Electrical Power & Energy Systems. (Under review).

KERTAS PERSIDANGAN

Zambri, N. A., Mohamed, A. & Shareef, H. 2011. Dynamic Modeling of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell in MATLAB/Simulink. Regional Engineering

Postgraduate Conference (EPC), hlm. 1-7.

Wanik, M. Z. C., Zambri, N. A., Mohamed, A. & Shareef, H. 2011. Dynamic modelling of a pemfc generation system for grid connection studies.

195

Zambri, N. A.; Mohamed, A. ; Shareef, H. & Wanik, M. Z. C. 2013. Design of a Hybrid Fuel Cell with Battery Energy Storage for Stand-Alone Distributed Generation Applications, International Conference of Electtrical Engineering 2013, hlm. 2419-2424.

Zambri, N. A., Mohamed, A. & Wanik, M. Z. C. 2014. Coordinated Control of Green Energy-Based Distributed Generation in Distribution Networks Using Artificial Neural Networks. Annual Conference of Engineering and

Information Technology2014, hlm. 342-352.

Zambri, N. A., Mohamed, A. & Wanik, M. Z. C. 2014. Intelligent Power Management Strategy of Hybrid Distributed Generation System Using Artificial Neural Networks. 2014 IEEE Innovative Smart Grid Technologies Conference, hlm. 1-6.

xiv

SENARAI RAJAH

Nombor Rajah Halaman

2.1 Kesan pengecasan dua lapisan 16

2.2 SFOP konfigurasi tiub 17

2.3 SFOP konfigurasi satah 17

2.4 Struktur selari bagi sistem sel fuel hibrid 20

2.5 Struktur penyambungan-AT bagi sistem PT hibrid 23

2.6 Struktur penyambungan-AU bagi sistem PT hibrid 24

3.1 Sel tunggal bagi SFMPP 34

3.2 Sel tunggal bagi SFOP jenis satah 36

3.3 Sistem penjanaan SFMPP 37

3.4 Model unit pemproses bahan api bagi SFMPP yang dibangunkan

39

3.5 Litar setara bagi SFMPP 42

3.6 Model unit SFMPP yang dicadangkan 45

3.7 Model unit SFOP jenis satah yang dicadangkan 49

3.8 Model unit pemproses bahan api yang dibangunkan menggunakan MATLAB/Simulink

50 3.9 Model simulasi SFMPP yang dibangunkan menggunakan

MATLAB/Simulink

51

3.10 Model simulasi SFOP jenis satah yang dibangunkan menggunakan MATLAB/Simulink

xv

4.1 Tindak balas yang perlahan terhadap kuasa keluaran sel fuel 56 4.2 Konfigurasi PT berasaskan hibrid sel fuel dan bateri tanpa

PTKM

57

4.3 Model bateri jenis asid-plumbum 58

4.4 Konfigurasi PT berasaskan hibrid sel fuel dan bateri dengan PTKM yang dibangunkan

59 4.5 Penukar naik AT/AT dengan pengawal PTKM yang

dibangunkan

60

4.6 Carta alir bagi algoritma U&C 61

4.7 Pengawal PTKM 62

4.8 Litar penukar dwiarah naik/turun AT/AT yang dibangunkan 63

4.9 Pengawal bagi penukar bateri yang dibangunkan 63

4.10 Konfigurasi sistem PT hibrid sel fuel/bateri tersambung ke grid yang dicadangkan

64 4.11 Carta alir algoritma kawalan bagi sistem PT hibrid tersambung

ke grid

67 4.12 Pengawal bagi penukar bateri bagi model PT hibrid tersambung

ke grid

68

4.13 Konfigurasi dq-GTF pada PSV yang dibangunkan 69

4.14 Konfigurasi PSV yang dibangunkan beserta strategi kawalannya 69 4.15 Pengawal KP-logik kabur untuk gelung kawalan arus dalaman

bagi penyongsang yang dibangunkan

72

4.16 Gelung kawalan arus dalaman bagi penyongsang 72

4.17 Gelung kawalan voltan luaran bagi penyongsang 73

xvi

dibangunkan

4.19 Fungsi keahlian bagi E dan EC 75

4.20 Fungsi keahlian bagi U 75

4.21 Fungsi keahlian bagi U (a) untuk menentukan α (b) untuk menentukan β

76 4.22 Fungsi keahlian bagi E dan EC dalam gelung kawalan arus

dalaman

80 4.23 Fungsi keahlian bagi U dalam gelung kawalan arus dalaman 80 4.24 Gambarajah sektor dan asas bagi vektor pensuisan 84

4.25 Corak pensuisan MLDVR tak-simetri 85

4.26 Carta alir bagi pengurusan sumber kuasa 87

4.27 Model PT hibrid tanpa PTKM 88

4.28 Carta alir pengawal pengecasan bagi bateri 89

4.29 Model PT hibrid dengan unit PTKM 90

4.30 Model lengkap bagi sistem PT hibrid berasaskan sel fuel dan bateri

92 4.31 Sistem PT hibrid sel fuel dan bateri beserta beban AT dan blok

pengurusan sumber kuasa

92

5.1 Kaedah pengurusan PT dalam sistem grid mikro 96

5.2 Sistem kuasa pengagihan menggambarkan kejatuhan voltan 97

5.3 Sistem grid mikro ringkas dengan dua unit PT 98

5.4 Seni bina bagi tiga lapisan RNPBL dengan fungsi pengaktifan yang berbeza

101

xvii

5.6 Fungsi pengaktifan di dalam RNT 104

5.7 Fungsi pengaktifan (a) lelurus, (b) sigmoid, (c) tangen hiperbola dan (d) Gaussian di dalam RNT

105

5.8 Penyongsang sumber voltan 106

5.9 Gambarajah bagi sistem ujian 107

5.10 Proses pengoptimuman untuk menentukan kuasa rujukan optima PT

109 5.11 Pelaksanaan RNPBL dan RNFAJ untuk meramal kuasa rujukan

PT

110

5.12 Kuasa aktif beban untuk set data ujian RNT 112

5.13 Kuasa reaktif beban untuk set data ujian RNT 112

5.14 Kuasa aktif bagi fotovolta (PT1) untuk set data ujian RNT 112

5.15 Carta alir pelaksanaan latihan RNT 114

5.16 Model simulasi sistem grid mikro dalam MATLAB/Simulink 116 6.1 Perbandingan lengkung pengutuban dan lengkung kuasa

SFMPP (a) lengkung pengutuban model simulasi (b) lengkung kuasa model simulasi (c) data pengilang

119

6.2 Voltan keluaran SFMPP dengan model termodinamik dan tanpa model termodinamik

120

6.3 Beban yang dikenakan ke atas SFMPP 120

6.4 Perubahan suhu di dalam tindanan SFMPP 120

6.5 Kadar aliran hidrogen menggunakan pengawal KP dan KPT 121 6.6 Perbandingan lengkung pengutuban dan lengkung kuasa bagi

SFOP jenis satah (a) lengkung pengutuban model imulasi (b) lengkung kuasa model simulasi (c) lengkung pengutuban dan kuasa dari Bum et al. (2006)

123

xviii

6.8 Arus beban masukan 126

6.9 Voltan keluaran SFMPP 126

6.10 Voltan keluaran SFOP jenis satah 126

6.11 Permintaan perubahan beban 128

6.12 Kuasa keluaran sel fuel dan bateri 128

6.13 Keadaan SOC bagi bateri asid-plumbum 129

6.14 Perbandingan prestasi tiga jenis bateri (a) ketika permulaan (b) pada 2.5 s sehingga 3 s

130 6.15 Keputusan simulasi bagi kuasa beban serta kuasa keluaran sel

fuel dan bateri asid-plumbum

131 6.16 Keputusan simulasi PT hibrid dengan PTKM (a) SOC bagi

bateri (b) arus pengkalan bateri

133 6.17 Pensuisan bagi penukar dwiarah AT/AT (a) IGBT1 (b) IGBT2 133

6.18 Voltan bas AT 134

6.19 Kuasa beban (a) beban AT dan (b) beban AU 135

6.20 Keputusan simulasi bagi kuasa keluaran sel fuel, bateri dan beban AT

136 6.21 Keputusan simulasi PT hibrid (a) SOC bagi bateri (b) arus

pengkalan bateri

137

6.22 Pensuisan bagi penukar (a) IGBT1 (b) IGBT2 137

6.23 Voltan bas AT dengan pengurusan sumber kuasa 138

6.24 Kuasa keluaran bagi grid dan PT hibrid bersama beban AU 139

6.25 Voltan dan arus pada TGS 139

xix

6.27 Jumlah herotan harmonik bagi arus pada TGS 140

6.28 Voltan grid ketika kerosakan berlaku 141

6.29 Kuasa keluaran PT hibrid dan grid ketika kerosakan 142 6.30 Keputusan simulasi SOC bagi bateri asid-plumbum (a) tiada

kerosakan berlaku pada talian (b) terdapat kerosakan berlaku pada talian

142

6.31 Voltan pada TGS (a) ketika kerosakan (b) ketika penyambungan semula ke grid

144 6.32 Analisis regresi antara keluaran RNT dan sasaran bagi RNPBL

dan RNFAJ dengan berlainan fungsi pengaktifan (a) Sigmoid (b) Tangen hiperbola (c) Lelurus (d) Gaussian

148

6.33 Rujukan kuasa aktif bagi PT2 151

6.34 Rujukan kuasa aktif bagi PT3 151

6.35 Rujukan kuasa reaktif bagi PT1 152

6.36 Rujukan kuasa reaktif bagi PT2 152

6.37 Rujukan kuasa reaktif bagi PT3 153

xx

SENARAI SIMBOL

2

k

c

x Jarak Euclidean antara vektor masukan dan pusat

% Peratus

α Faktor terbaharu bagi αKp bagi pengawal KP-logik kabur

β Faktor terbaharu bagi βKi bagi pengawal KP-logik kabur

∆G Perubahan tenaga Gibbs bebas

∆H Perubahan entalpi bagi reaksi kimia

∆S Perubahan entropi

a Pemalar empirik

A Ampere

A Kawasan aliran saluran

Ah Ampere-Hour

atm Atmosfera

b Pemalar empirik

b1, b2 Vektor bias

bi Keluaran bagi peraturan i

C Jumlah kapasitans

C Kapasitor

CH4 Gas metana

CO Gas karbon monoksida

CO2 Gas karbon dioksida

Ct Kemuatan haba bagi sel fuel

CV Faktor penukaran

eff a

D Pekali resapan berkesan bagi anod eff

k

D Pekali resapan berkesan bagi katod

d Kitar tugas

xxi

e- Elektron negatif

E Pemboleh ubah linguistik yang merujuk kepada e(t)

e(t) Ralat nisbah lengah

E0 Voltan tetap bateri

EC Pemboleh ubah linguistik yang merujuk kepada ev(t)

emax Ralat maksima

Eo Keupayaan piawai elektrod

EOCV Voltan litar terbuka

erms Ralat punca min kuasa dua

ev(t) Masukan bagi kadar ralat

Exp(s) Zon dinamik eksponen

F Pemalar Faraday

H Jumlah kemuatan terma bagi semua jisim SFMPP

H+ Ion hidrogen

H2 Gas hidrogen

H2O Air

I Arus

i(t) Isyarat kawalan

ias Ketumpatan arus pada elektrod

Ib Arus terminal bateri

Id_ruj Arus rujukan pada kerangka-d

Ig Aliran arus melalui pearuh

Igd Arus nyata bagi grid

Igq Arus khayalan bagi grid

iks Ketumpatan arus pada permukaan elektrolit

Ilimit Had bagi arus tindan sel fuel

io,a Penukaran ketumpatan arus bagi anod

io,k Penukaran ketumpatan arus bagi katod

Iq_ruj Arus rujukan pada kerangka-q

it Kapasiti tersari

xxii

kd Gandaan terbitan

kHz Kilo-Hertz

ki Gandaan perkadaran

Ki Gandaan bagi kamiran

kmol Kilo mol

kp Gandaan kamiran

Kp Gandaan bagi perkadaran

kVA Kilo Volt-Amperes

kVar Kilovolt ampere reactive

kW Kilo Watt

kWh KiloWatt-hour

L Pearuh

Lg Kearuhan setara bagi penapis

m Indeks modulasi

max Maksima

mH Mili-Henry

min Minima

MVAr Megavolt ampere reactive

MW Megawatt

mW MiliWatt

n Jumlah elektron yang terhasil dari tindakbalas kimia o  Pemalar empirik conc η Kehilangan kepekatan ohm  Kehilangan ohm act η Kehilangan pengaktifan N Negatif

N0 Bilangan sel fuel yang disambung secara sesiri di dalam tindanan

N0 Jumlah sel bagi sel fuel

NS Negatif sifar

xxiii ºC Darjah celcius ºF Darjah ferenheit Oq Vektor keluaran a O H P _,

2 Tekanan separa bagi air di anod a

H

P _,

2 Tekanan separa bagi gas hidrogen di anod

k O

P2, Tekanan separa bagi gas oksigen di katod

P Positif

p.u Per-unit

PH2 Tekanan separa bagi gas hidrogen

PL Kuasa aktif beban

Ploss Kehilangan kuasa dalam talian

Pmax Kuasa aktif maksima

Pmin Kuasa aktif minima

PO2 Tekanan separa bagi gas oksigen

ppm Parts per million

PPT Kuasa aktif yang disuntik oleh unit PT

Pruj Kuasa rujukan bagi kuasa aktif

PS Positif sifar

req H q

2 Amaun aliran hidrogen yang diperlukan untuk memenuhi

perubahan beban

ref a me

q _{tan _} Rujukan masukan bagi metana in

H q

2 Aliran masukan hidrogen

2 H

q Aliran molar hidrogen

q Kadar aliran molar masukan bagi gas hidrogen dan oksigen

Q Kapasiti maksima bagi bateri

QL Kuasa reaktif beban

Qmax Kuasa reaktif maksima

qmetana Kadar aliran bahan api

xxiv

QPT Kuasa reaktif yang disuntik oleh unit PT

Qruj Kuasa rujukan bagi kuasa reaktif

R Pemalar semesta bagi gas

Rconc Rintangan kepekatan

rh-o Nisbah aliran hidrogen dan oksigen

RM Ringgit Malaysia

Rohm Rintangan ohm

s Saat

S Sektor

Sel(s) Mod operasian bateri

T Suhu

T1, T2, T0 Tempoh masa pensuisan

Tcm1,Tcm2 Tempoh pensuisan tiga fasa

Tcm3 Tempoh pensuisan tiga fasa

Tq Vektor sasaran

Tref Suhu rujukan

Tx Pengubah

U Kadar penggunaan

U Pemboleh ubah linguistik yang merujuk kepada keluaran

umax Voltan maksima

umin Voltan minima

Uref Vektor rujukan

V Volt

Va Isipadu bagi anod

Vact Kehilangan pengaktifan

Vat Voltan bas AT

Vb Voltan pengkalan bateri

Vc Kesan pengecasan dua lapisan

Vconc Kehilangan kepekatan

xxv

vg Voltan grid

vgd Voltan nyata bagi grid

vgq Voltan khayalan bagi grid

vi Voltan keluaran penyongsang

vid Voltan keluaran nyata bagi penyongsang

viq Voltan keluaran khayalan bagi penyongsang

Vk Isipadu bagi katod

Voc Voltan litar terbuka bagi bateri

Vohm Kehilangan ohm

vq_ruj Voltan rujukan pada kerangka-q

Vsel Voltan operasi bagi SFOP

VSF Voltan keluaran sel fuel

w1 Pemberat antara neuron di dalam lapisan tersembunyi dan masukan

w1k Pemberat pada lapisan keluaran

w2 Pemberat sinaps antara neuron di dalam lapisan tersembunyi dan keluaran

X Regangan talian

z Jumlah elektron yang terlibat semasa tindakbalas

Z Sifar

δ Sudut fasa

μ Pekali gabungan

μF Mikro-Farad

μi Nilai keahlian bagi peraturan i

ρ Kepadatan molar

σ Kekonduksian

τ Ketebalan

τ1,τ2 Pemalar masa

Φ Fungsi pengaktifan

φ0 Fungsi pengaktifan bagi neuron pada lapisan keluaran

φh Fungsi pengaktifan bagi neuron pada lapisan tersembunyi

xxvi

SENARAI SINGKATAN

AT Arus terus

AU Arus ulang alik

GTF Gelung terkunci fasa

JHH Jumlah herotan harmonik

KP Kamiran-perkadaran

KPT Kamiran-perkadaran-terbitan

LM Levenberg-Marquardt

MLDS Modulasi lebar denyut sinus

MLDVR Modulasi lebar denyut jenis vektor ruang

PSV Penyongsang sumber voltan

PT Penjana teragih

PTKM Pengesanan titik kuasa maksima RNFAJ Rangkaian neural fungsi asas jejari

RNPBL Rangkaian neural perseptron berbilang lapis RNT Rangkaian neural tiruan

SFA Sel fuel alkali

SFAF Sel fuel asid fosforik SFKL Sel fuel karbonat lebur

SFMPP Sel fuel membran penukaran proton SFOP Sel fuel oksida pepejal

SOC State of charge

SPT Sistem penyimpanan tenaga

xxvii

TKM Titik kuasa maksima

U&C Usik dan cerap UPK Unit penyesuai kuasa

1

BAB I

PENGENALAN

1.1 LATAR BELAKANG KAJIAN

Semenjak tahun 1990, penggunaan tenaga elektrik dunia bertambah dua kali ganda ekoran dari pertambahan penduduk dunia dan nilai ini dijangka akan bertambah kira-kira 56% antara tahun 2010 sehingga tahun 2040 (EIA 2014). Pertambahan penggunaan tenaga elektrik menyumbang kepada pertambahan penggunaan sumber bahan api bagi penjanaan tenaga elektrik. Walaubagaimanapun, sumber bahan api dunia semakin berkurangan dan arang batu dijangka akan habis digunakan dalam masa 125 tahun akan datang (Nasar 1994). Selain itu, dengan pertambahan kepadatan penduduk, pembinaan talian penghantaran di kawasan bandar juga menjadi semakin rumit. Malah, kesedaran yang semakin meningkat di kalangan pengguna terhadap kualiti alam sekitar serta kesihatan penduduk telah menyumbang kepada pencarian penjanaan tenaga alternatif yang baru di kalangan pembekal tenaga elektrik serta penyelidik. Bagi mengatasi krisis tenaga yang berlarutan ini, penggabungan antara tenaga bolehbaharu dengan sistem tenaga nyahpusat yang lebih dikenali dengan penjana teragih (PT) telah diperkenalkan.

Sistem PT biasanya ditempatkan di lokasi strategik, iaitu, berhampiran pusat beban yang bekembang dengan pesat dan mempunyai beberapa kelebihan seperti kecekapan operasi yang tinggi, kehilangan kuasa yang rendah serta keboleharapan yang tinggi (Guerrero et al. 2010). Selain itu, kos pembinaan penjana teragih (PT) ini adalah lebih rendah berbanding kos pembinaan loji penjanaan hidro atau terma kerana saiznya lebih kecil dan lebih mudah untuk diselenggara. Kaedah pemasangan PT juga tidak memerlukan pembinaan talian penghantaran jarak jauh yang mengambil masa lama untuk dibina dan memerlukan peruntukan kos yang tinggi. Julat tenaga yang

2

biasanya dihasilkan oleh PT adalah dari 10 kW hingga hampir 100 kW bergantung kepada keperluan aplikasi yang berbeza seperti kediaman, komersial dan industri ringan. Pemilihan sumber tenaga bagi penjanaan elektrik oleh PT bergantung kepada tiga faktor, iaitu, sumber tenaga yang sedia ada, kestabilan keluaran penjana dan keupayaan sumber tenaga menampung keperluan beban. Tenaga bolehbaharu merupakan sumber tenaga yang paling sesuai untuk PT dan tenaga bolehbaharu ini boleh dibahagikan kepada dua jenis, iaitu, sumber yang boleh dikawal seperti sel fuel dan turbin mikro manakala sumber tenaga yang tidak boleh dikawal adalah seperti fotovolta, angin dan ombak. Sumber tenaga yang tidak boleh dikawal ini biasanya bergantung kepada keadaan cuaca serta persekitaran yang sukar diramal. Oleh itu, jika dibandingkan dengan sumber tenaga bolehbaharu yang lain, sel fuel dianggap sebagai tenaga yang paling sesuai untuk PT kerana kelebihan sel fuel seperti kecekapan yang tinggi, tiada pembebasan kepulan asap yang mengandungi gas beracun serta strukturnya yang mudah alih.

Sel fuel adalah peralatan elektrokimia yang menukar tenaga kimia kepada tenaga elektrik hasil daripada satu tindak balas dan tidak melibatkan bahagian yang bergerak (Nehrir et al. 2006). Ciri utama ini menjadikan sel fuel sebagai teknologi yang senyap yang sesuai digunakan sebagai penjanaan kuasa yang berhampiran dengan pengguna. Malah, sisa haba dan air yang dihasilkan daripada tidak balas dalaman sel fuel boleh disalurkan untuk kegunaan pembekalan air panas bagi kawasan perumahan berhampiran yang seterusnya dapat meningkatkan kecekapan sistem sel fuel. Walau bagaimanapun, berikutan dari tindak balas elektrokimia dalaman serta tindak balas unit pemprosesan bahan api yang perlahan dan ciri termodinamiknya, sel fuel tidak dapat menghasilkan tenaga secepat yang dikehendaki oleh beban (Fadali 2008). Permasalahan ini boleh di atasi dengan memasang sistem penstoran tenaga kepada PT berasaskan sel fuel bagi melaksanakan sistem PT hibrid (Davat 2009). Dengan penggabungan ini, tenaga storan dapat membantu sel fuel membekalkan kuasa dalam keadaan beban tinggi dan seterusnya meningkatkan kecekapan bagi keseluruhan sistem.

Terdapat dua jenis sel fuel yang sesuai digunakan untuk PT, iaitu, sel fuel membran penukaran proton (SFMPP) dan sel fuel oksida pepejal (SFOP). Sel fuel

3

jenis membran penukaran proton sesuai digunakan untuk keperluan perumahan kerana suhu operasinya rendah, mempunyai ketumpatan kuasa yang tinggi, permulaan operasian yang cepat dan beroperasi dalam keadaan yang selamat (Nehrir et al. 2006). SFOP juga sesuai diaplikasi sebagai PT kerana kecekapannya, kepelbagaian dalam pemilihan bahan api serta kebolehannya untuk memproses bahan api sendiri tanpa memerlukan unit pemproses bahan api. Untuk menganalisa prestasi dan tindak balas dinamik sel fuel sebelum di aplikasikan di dalam sistem kuasa sebagai PT, adalah penting untuk membangunkan model simulasi dinamik bagi kedua-dua sel fuel ini.

Untuk membolehkan PT berasaskan sel fuel membekalkan voltan, arus dan kuasa yang sesuai serta memenuhi permintaan beban, peranti elektronik kuasa yang terdiri daripada penukar AT/AT dan penyongsang AT/AU memainkan peranan penting. Cabaran utama bagi peranti elektronik kuasa dan kawalannya adalah untuk memaksimumkan prestasi sel fuel serta memastikan kecekapan yang tinggi bagi sel fuel yang mempunyai voltan rendah dan tindak balas yang perlahan (Fadali 2008). Dengan membangunkan pengawal penukar dan penyongsang yang baik, dapat mengurangkan kehilangan tenaga bagi sistem sel fuel serta merendahkan jumlah komponen harmonik yang disuntik ke grid utiliti. Jumlah herotan harmonik (JHH) di dalam sistem PT perlu dikawal supaya berada di dalam julat yang dibenarkan kerana JHH yang besar boleh mengakibatkan pelbagai masalah seperti pemanasan berlebihan pada konduktor neutral dan pengubah serta kerosakan pada peranti perlindungan (Bollen 2003). Oleh itu, strategi kawalan yang sesuai perlulah dibangunkan untuk sistem PT berasaskan sel fuel supaya dapat mengurangkan komponen harmonik dalam keseluruhan sistem.

PT berasaskan sel fuel biasanya disambung ke sistem pengagihan kuasa yang berhampiran dengan beban dan kajian juga dilakukan untuk menilai kesan penyambungan PT terhadap keseluruhan sistem. Bagi sistem yang mempunyai bilangan PT yang banyak, kehilangan kuasa pada sistem akan meningkat serta magnitud voltan pada bas tertentu akan melebihi had yang dibenarkan. Bagi mengurangkan kehilangan kuasa serta memperbaiki profil voltan di dalam sistem agihan, penyelarasan kuasa bagi setiap unit PT perlu dilakukan untuk memastikan setiap unit PT yang disambung ke grid utiliti beroperasi pada nilai yang optimum.

4

Pengoperasian PT pada nilai yang tidak optimum akan menyebabkan kehilangan kuasa yang tinggi serta meningkatkan kos pengoperasian malah menyebabkan ketakstabilan voltan dalam sistem (Toma et al. 2008: Rau & Wan 1994). Oleh itu, teknik pengoptimuman biasanya diaplikasikan terhadap unit PT untuk menentukan penjanaan kuasa yang optimum dalam sistem pengagihan.

1.2 PENYATAAN MASALAH KAJIAN

Pada masa kini, usaha membangunkan teknologi PT berasaskan sel fuel telah mendapat perhatian yang meluas di kalangan penyelidik. Penyelidikan telah dilakukan dalam membina model simulasi sel fuel sebagai sistem PT dan pelbagai perisian telah digunakan. Model simulasi SFMPP telah diperkenalkan oleh El-Sharkh et al. (2004) untuk penjana kuasa yang tidak disambung ke grid. Model ini telah ditambahbaik oleh Pathapati et al. (2005) dengan mengkaji fenomena fana ke atas sistem SFMPP. Pasricha & Shaw (2006) telah membina model simulasi SFMPP yang mengambil kira kesan penumpuan di dalam model ini. Dalam pembinaan model simulasi SFMPP, pelbagai andaian telah dibuat yang mana penumpuan oksida serta perubahan suhu dianggap tetap. Walau bagaimanapun, faktor perubahan suhu adalah penting kerana ia akan mempengaruhi prestasi sel fuel. Justeru, perubahan suhu tidak boleh diabaikan kerana tindak balas kimia dalam tindanan sel fuel akan menghasilkan haba. Oleh itu, model simulasi bagi SFMPP yang lebih terperinci yang mengambil kira kesan suhu di dalam tindanan perlu dibangunkan. Bagi SFOP, terdapat dua jenis konfigurasi, iaitu, tiub dan satah. Model simulasi SFOP jenis tiub telah banyak dimodelkan dengan mengambil kira tindakbalas elektrokimia di dalam tindanan SFOP (Sedghisigarchi & Feliachi 2004; Padulles et al. 2000; Wang & Nehrir 2007). Walau bagaimanapun, model simulasi SFOP jenis satah untuk kegunaan sebagai PT masih belum dibangunkan. SFOP jenis satah merupakan sel fuel yang boleh mengurangkan jumlah tindanan dan kos.

Satu cabaran dalam penggunaan PT berasaskan sel fuel adalah masalah kebuluran bahan api yang berpunca daripada tindakbalas dinamik yang lambat di dalam tindanan sel fuel serta reaksi unit pemprosesan gas yang perlahan. Untuk memperolehi prestasi sel fuel yang baik apabila pertambahan beban berlaku, sistem

5

penyimpanan tenaga seperti bateri atau ultra kapasitor perlu disambung kepada sistem sel fuel untuk dijadikan konfigurasi PT hibrid (Uzunoglu & Alam 2006; Zambri et al. 2013). Walau bagaimanapun, cabaran utama dalam pembinaan sistem PT hibrid adalah pembangunan pengawal bagi peranti elektronik kuasa. Kebanyakan penyelidik menggunakan pengawal kamiran-perkadaran (KP) kerana ianya mudah dibina serta aplikasinya ringkas (Sedghisigarchi & Feliachi 2004; Tanrioven & Alam 2006; Ghareeb et al. 2010). Namun, proses penalaan bagi pengawal KP adalah sangat sukar untuk memperolehi JHH yang kurang dan tambahan pula, pengawal KP memberikan hasil simulasi yang kurang memuaskan bagi pengawalan sistem tak lelurus. Untuk meningkatkan prestasi sistem PT hibrid, pengawal pintar berasaskan logik kabur telah dibangunkan (Kwi-Seong et al. 2005). Pengawal logik kabur menentukan kuasa keluaran sel fuel bergantung pada status pengecasan bateri untuk meningkatkan kecekapan sistem. Malah, pengawal logik kabur juga digunakan untuk mengendalikan aliran kuasa antara sel fuel dan ultra kapasitor pada bas AT (Hajizadeh & Golkar 2010). Walau bagaimanapun, pengawal logik kabur memerlukan algoritma pengawal yang kompleks dan terdapat banyak parameter yang perlu ditala dengan tepat dan keperluan ini menimbulkan kesukaran untuk membina keseluruhan sistem. Oleh itu, diperlukan pengawal yang lebih berkesan untuk mengawal peranti elektronik kuasa dalam pembinaan PT hibrid dengan mempertimbangkan pengurangan jumlah komponen harmonik dalam sistem.

Dengan penambahan jumlah PT dalam rangkaian pengagihan kuasa, sistem akan beroperasi sebagai sistem aktif. Isu penting dalam sistem aktif adalah untuk mengekalkan tahap voltan pada aras yang dibenarkan dan mengawal kehilangan kuasa. Operasian keluaran PT yang tidak sesuai boleh menjejaskan profil voltan dan meningkatkan kehilangan kuasa dalam sistem pengagihan. Masalah ini boleh diatasi dengan mengurus kuasa reaktif bagi setiap PT dalam sistem pengagihan untuk meningkatkan kebolehpercayaan sistem serta mengurangkan kehilangan kuasa dalam sistem (Toma et al. 2008). Namun, kuasa reaktif yang tidak dikawal secara berpusat akan menyebabkan nilai keluarannya jauh dari nilai optimum. Untuk memastikan keluaran PT yang optimum, unit PT haruslah di selaraskan dengan mengguna pengawal voltan dan teknik pengoptimuman untuk menentukan nilai voltan dan kuasa keluaran PT yang optimum (Hatta & Kobayashi 2007; Marcela-Rojas 2011). Bagi

6

setiap perubahan beban, nilai voltan serta kuasa rujukan akan berubah dan proses pengoptimuman perlu diulang dan dilaksanakan semula. Proses pengoptimuman ini adalah tidak praktikal dan tidak sesuai bagi aplikasi secara atas talian. Oleh itu, satu teknik kepintaran buatan perlu dibangunkan untuk menentukan dengan cepat kuasa rujukan serta profil voltan supaya penyelarasan setiap unit PT dapat dilakukan dengan pantas.

Pemasalahan kajian bagi penyelidikan ini boleh dirumuskan seperti berikut:

i. Dalam pembinaan sistem PT berasaskan sel fuel, pemodelan dinamik yang jitu bagi sel fuel adalah penting. Kesan suhu perlu diambil kira kerana apabila suhu dianggap malar, voltan keluaran bagi model sel fuel yang dibangunkan akan berkurang. Oleh itu, model dinamik bagi SFMPP yang mengambil kira tindakbalas terma atau kesan suhu dalam tindanannya dibangunkan dalam kajian ini. Model dinamik SFOP jenis satah turut dibangunkan memandangkan masih tidak terdapat dalam kajian literatur model simulasi SFOP jenis satah.

ii. Masalah utama bagi sel fuel adalah masalah kebuluran bahan api disebabkan oleh tindakbalas dalamannya yang perlahan serta masalah kelembapan unit pemprosesan bahan api. Oleh itu, masalah ini perlu diatasi dengan baik dan kaedahnya adalah dengan menambah unit pengstoran tenaga seperti bateri di dalam sistem PT berasaskan sel fuel ini.

iii. Pada masa kini, kebanyakan penyongsang mengaplikasikan pengawal KP masih memberikan nilai JHH bagi arus yang tinggi. Oleh itu, pembinaan pengawal baru bagi peranti elektronik kuasa adalah sangat penting untuk memastikan operasian lancar bagi keseluruhan sistem dan mengurangkan komponen harmonik dalam sistem. Oleh itu, satu kaedah pengawal perlu dibangunkan untuk memastikan JHH dalam sistem tidak melebihi hadnya. iv. Kuasa rujukan yang tidak optimum bagi PT akan mengakibatkan kehilangan

kuasa yang besar dalam sistem pengagihan serta profil voltan yang jauh dari julat yang dibenarkan. Maka, terdapat keperluan untuk meneroka teknik kepintaran buatan untuk menyelaraskan kuasa rujukan bagi setiap unit PT dalam rangkaian pengagihan dengan objektif meminimumkan kehilangan kuasa serta memperbaiki profil voltan.

7

1.3 OBJEKTIF KAJIAN DAN SKOP KERJA

Tujuan utama kajian adalah untuk mengkaji keberkesanan sistem PT hibrid berasaskan sel fuel dan bateri yang disambungkan ke rangkaian pengagihan kuasa dengan mempertimbangkan JHH dan kehilangan kuasa yang rendah dalam sistem. Objektif terpeinci bagi penyelidikan ini dijelaskan seperti berikutnya:

i. Untuk membina model dinamik yang jitu bagi SFMPP dan SFOP jenis satah untuk digunakan sebagai PT.

ii. Untuk mengkaji keberkesanan sistem PT hibrid berasaskan sel fuel dan bateri bagi mengatasi masalah pada sel fuel apabila beroperasi sebagai sistem kendiri.

iii. Untuk membangunkan strategi kawalan yang cekap bagi sistem PT hibrid berasaskan sel fuel dan bateri apabila beroperasi sebagai sistem tersambung ke grid.

iv. Untuk membangunkan kaedah kepintaran buatan untuk menyelaras kuasa optimum bagi setiap unit PT yang disambung dalam sistem grid-mikro. Kerja awal yang dijalankan dalam kajian ini melibatkan pembangunan model dinamik bagi sel fuel model SFMPP dan SFOP jenis satah. Persamaan setara bagi setiap model sel fuel diterbitkan dan digunakan dalam pembinaan model dinamik yang dibangunkan dalam perisian MATLAB/Simulink. Seterusnya, model sel fuel yang dibina disambung kepada bateri untuk beroperasi sebagai sistem kendiri. Kajian ke atas sistem PT hibrid ini turut dilakukan dengan menggunakan teknik penjejakan titik kuasa maksimum bagi sistem sel fuel dan membangunkan model simulasi bateri yang tepat dan sesuai untuk digunakan dalam sistem ini.

Sistem hibrid PT yang dibangunkan sebagai sistem kendiri kemudian digunakan untuk beroperasi sebagai sistem tersambung ke grid dengan menambahkan unit penyongsang sebagai antaramuka sistem PT hibrid dengan grid utiliti. Kaedah pengawal penyongsang yang baru telah dibangunkan berasaskan KP-logik kabur untuk diaplikasikan dalam kedua-dua gelung kawalan arus dalaman dan voltan keluaran. Kaedah pengawal yang dibangunkan perlu memastikan JHH yang disuntik ke grid adalah kecil dan proses aliran kuasa antara PT, grid dan beban adalah lancar.

8

Untuk bahagian terakhir dalam kajian ini, sistem PT berasaskan penyongsang yang telah dibina diaplikasikan sebagai sistem grid-mikro untuk meninjau keberkesanan PT sel fuel sebagai model yang lengkap. Model PT yang dibina akan beroperasi pada nilai rujukan kuasa aktif dan reaktif yang telah ditetapkan pada penyongsang. Satu teknik kepintaran buatan berasaskan rangkaian neural telah dibangunkan untuk menguruskan rujukan kuasa aktif dan reaktif bagi setiap unit PT dengan memastikan PT beroperasi pada nilai kuasa yang optimum di samping mengurangkan jumlah kehilangan kuasa serta mengekalkan profil voltan dalam had yang boleh diterima. Perbandingan antara beberapa jenis rangkaian neural turut dilakukan untuk menentukan jenis rangkaian neural yang paling tepat digunakan dalam aplikasi ini.

9

BAB II

TINJAUAN KEPUSTAKAAN

2.1 PENGENALAN

Penjana teragih (PT) merupakan tenaga alternatif untuk menyokong keperluan tenaga dan mengatasi masalah penjanaan tenaga yang dihadapi sebelum ini. Penjana teragih merujuk kepada penjanaan yang bersambung kepada grid dan ditempatkan berhampiran pengguna berdasarkan kapasiti kuasa keluaran dan jenis PT itu sendiri. Sistem PT menggunakan sel fuel sebagai sumber kuasa merupakan satu kaedah penjanaan yang berkesan dengan faedah yang telah dibincangkan sebelum ini. Dalam bab ini, tinjauan kepustakaan telah dilakukan untuk memperihalkan pemodelan PT berasaskan sel fuel dan sistem penyimpanan tenaga untuk membantu sel fuel memenuhi keperluan beban. Pemodelan dinamik bagi unit sel fuel, unit penyesuaian kuasa, serta isu-isu terkini berkaitan dengan sel fuel turut dibincangkan di dalam bab ini.

2.2 JENIS DAN CIRI SEL FUEL

Sel fuel adalah satu alat elektrokimia statik yang menukar tenaga kimia secara terus kepada tenaga elektrik. Ia boleh dikategorikan sebagai sumber elektrik yang baik kerana kebolehannya menghasilkan kuasa yang tetap pada muatan penuh. Operasi sel fuel boleh dianggap hampir sama dengan sistem bateri. Namun demikian, sel fuel boleh terus membekalkan kuasa elektrik AT ke dalam sesuatu sistem selagi gas hidrogen dibekalkan, dan ini merupakan satu ciri yang mana bateri tidak mampu melakukannya. Sistem penjanaan sel fuel memerlukan gas oksigen dan hidrogen untuk menghasilkan satu tindak balas kimia dan menjana tenaga elektrik dalam bentuk AT. Gas oksigen yang diperlukan untuk masukan sel fuel boleh diperolehi daripada

10

udara yang dipam masuk pada katod. Gas hidrogen pula boleh dibekalkan secara langsung atau juga boleh dihasilkan oleh unit pemproses bahan api dari bahan api yang sedia ada, seperti metana, gas asli, gasolin, dan alkohol. Produk utama dari tindakbalas kimia ini adalah tenaga elektrik, air dan haba. Tindakbalas keseluruhan yang berlaku di dalam timbunan sel fuel boleh dihuraikan melalui persamaan (Wingelaar et al. 2005):

 

gas O

 

gas H O kuasa haba

H₂  ₂  2 ₂  

2 _(2.1)

dengan H2, O2 dan H2O adalah masing-masing gas hidrogen, gas oksigen dan air.

Pada masa kini, terdapat kira-kira enam jenis sel fuel yang maju dan antara sel fuel yang menunjukkan potensi yang baik untuk aplikasi sebagai PT adalah sel fuel membran penukaran proton (SFMPP), sel fuel oksida pepejal (SFOP), sel fuel asid fosforik (SFAF), dan sel fuel karbonat lebur (SFKL). Sel fuel jenis alkali didapati tidak sesuai untuk kegunaan penjanaan tenaga elektrik kerana ia memerlukan hidrogen dan oksigen dengan keaslian yang tinggi untuk menghasilkan tindakbalas dalaman. Sel fuel metana secara terus pula hanya boleh membekalkan voltan antara 0.3 V sehingga 0.5 V dalam keadaan beban, maka ia bukanlah satu pilihan yang baik untuk sistem PT. Sel fuel metana biasanya digunakan sebagai bateri kamera, komputer riba, serta alat elektronik mudah alih yang lain. Secara am, sel fuel boleh dikelaskan kepada dua bahagian, iaitu, sel fuel dengan suhu operasi yang rendah dan tinggi. SFMPP dan SFAF adalah antara sel fuel yang beroperasi pada suhu rendah, manakala SFKL dan SFOP pula beroperasi pada suhu yang tinggi. Jadual 2.1 menunjukkan perbandingan ciri bagi empat jenis sel fuel ini.

11

Jadual 2.1 Perbandingan jenis-jenis sel fuel

Ciri SFMPP SFAF SFKL SFOP

Suhu operasi ~ 75 ºC (~ 180 ºF) ~ 200 ºC (~ 400 ºF) ~ 650 ºC (~ 1,200 ºF) ~ 1,000 ºC (~ 1,800 ºF) Tekanan 1 – 5 atm 1 – 8 atm 1 – 3 atm 1 – 15 atm Kecekapan 40 – 50 % > 40 % > 50 % > 50 % Voltan sel 1.1 V 1.1 V 0.7 – 1.0 V 0.8 – 1.0 V Kos ($/kW) 4000 3000-3500 800-2000 1300-2000 Pemprosesan bahan api sendiri Tidak Tidak Ya Ya Penjanaan bersama

Tidak sesuai Sesuai Sesuai Sesuai

Elektrolit Membran polimer pepejal

Asid fosforik Logam alkali berkabonat

Oksida seramik Anod Gas hidrogen Gas hidrogen Gas hidrogen,

metana

Gas hidrogen, metana Katod Oksigen asli,

udara

Oksigen, Udara Oksigen, udara Oksigen, udara Masa

permulaan

< 0.1 jam 1 – 4 jam >10 jam 5 – 10jam Aplikasi Kediaman,

hospital, komersial, pengangkutan

Pengangkutan, alat mudah alih, komersial, penjanaan elektrik Pengangkutan, industri, loji kuasa Kediaman, loji kuasa, komersial, alat mudah alih Kelebihan Ketumpatan kuasa tinggi, masa permulaan pantas, pepejal elektrolit tidak terhakis, keselamatan tinggi, operasi ringkas, Menghasilkan sisa haba gred tinggi, ciri elektrolit stabil, pemprosesan bahan api kurang peka terhadap CO Kecekapan tinggi, tidak memerlukan pemangkin logam, kebolehan memproses bahan api sendiri Kecekapan tinggi, hasilkan sisa haba gred tinggi, mudah memproses bahan api Kelemahan Pemangkin platinum mahal, peka terhadap ketidakaslian bahan api, tidak boleh memproses bahan api sendiri Elektrolit cecair menghakis, peka terhadap ketidakaslian bahan api, tidak boleh memproses bahan api sendiri, kos tinggi Kos tinggi, elektrolit cecair menghakis, masa permulaan lambat, tidak bertoleransi terhadap sulfur Kos tinggi, masa permulaan lambat, tidak bertoleransi terhadap sulfur, ciri dinamik lemah Sumber : Jung 2005; Fadali 2008

12

Dari Jadual 2.1, didapati SFMPP adalah sesuai digunakan ditempat kediaman dan komersial kerana ia mempunyai suhu operasi yang rendah dan permulaan operasi yang pantas. Penjanaan SFMPP juga sesuai dilakukan di lokasi yang mempunyai gas hidrogen dengan kos rendah, seperti loji kimia, yang mana hidrogen biasanya sedia ada di lokasi tersebut. Sel fuel jenis SFOP, SFKL, dan SFAF merupakan pilihan yang lebih baik untuk penjanaan kuasa sederhana dan tinggi. Walau bagaimanapun, kecekapan SFAF agak rendah dan tidak mampu untuk memproses bahan api dengan sendiri lalu menjadikannya kurang popular berbanding SFKL dan SFOP. Didapati pembangunan SFAF semakin berkurang dari tahun 2002 sehingga 2004 disebabkan tiga factor utama (Carlson et al. 2007), iaitu, i) kos permulaan jauh lebih tinggi berbanding dengan jenis sel fuel lain; ii) potensi untuk meningkatkan keberkesanan penjanaan elektrik kepada aras yang diperlukan adalah terhad; dan iii) SFAF mempunyai aras kebolehpercayaan dan jangka hayat yang rendah.

SFOP merupakan jenis sel fuel yang beroperasi pada suhu yang paling tinggi dan mempunyai beberapa kelebihan, seperti keberkesanannya untuk mencecah sehingga 80% dari kecekapan keseluruhan sistem apabila haba yang terjana boleh digunakan untuk pemanasan. Selain itu, masa permulaan bagi setiap operasi SFOP adalah lebih pendek berbanding SFKL. Namun begitu, kakisan pada suhu tinggi yang berlaku dalam tindanan memerlukan penggunaan bahan yang mahal, dan seterusnya meningkatkan lagi kos pembinaan SFOP. Kajian semasa lebih menjurus kepada rekabentuk sistem SFOP jenis satah kerana ia berpotensi tinggi untuk mencapai tindanan yang lebih rendah serta mengurangkan kos pembinaan awal bagi SFOP. Oleh itu, kajian pemodelan dinamik bagi sel fuel seterusnya lebih menumpu kepada SFMPP dan SFOP jenis satah berdasarkan kelebihannya berbanding dengan sel fuel lain. 2.3 MODEL DINAMIK SEL FUEL

Pembangunan model simulasi bagi sistem sel fuel adalah penting untuk menganalisa perubahan langkah dalam keadaan pengoperasian. Model simulasi sel fuel yang telah dibangunkan boleh dibahagikan kepada model matematik dan model separa-empirik. Model simulasi matematik adalah berdasarkan tindakbalas kimia yang digunakan untuk menilai operasi sel fuel, manakala model semi-empirik pula menggabungkan

13

data eksperimen dengan persamaan parametrik yang diselaraskan melalui perbandingan pembolehubah fizikal bagi sel fuel (Kristina 2005).

2.3.1 Model Simulasi SFMPP

SFMPP adalah salah satu jenis sel fuel yang beroperasi pada suhu rendah selain SFA dan SFAF. Ciri operasi sel fuel pada suhu rendah membolehkan permulaan operasi yang pendek dan mengurangkan kakisan pada tindanan. Oleh itu, SFMPP dianggap jenis sel fuel yang paling sesuai untuk penjanaan kuasa teragih dan aplikasi kenderaan elektrik. Model simulasi SFMPP yang telah dibangunkan oleh beberapa penyelidik telah diringkaskan seperti dalam Jadual 2.2. Dari Jadual 2.2, beberapa andaian telah dibuat dalam beberapa model yang dibangunkan, iaitu, suhu dan kepekatan oksigen dianggap malar. Kriteria perubahan suhu adalah penting kerana ia boleh menjejaskan prestasi SFMPP. Dalam kes sebenar, ciri suhu tidak boleh diandaikan sebagai malar kerana tindakbalas kimia dalam tindanan telah menghasilkan jumlah penjanaan haba bersih (Vielstich et al. 2003).

Jadual 2.2 Model simulasi SFMPP

Penyelidik Kaedah Hasil Masalah

El-Shark et al. (2004)

Membangunkan model simulasi elektrokimia dinamik SFMPP 5 kW yang terdiri dari unit pemproses bahan api dengan menggunakan Matlab/Simulink.

Keputusan menunjukkan sambutan sel fuel yang cepat terhadap perubahan beban. - Konsentrasi suhu dan oksigen dianggap malar maka kehilangan kepekatan telah diabaikan. - Mengabaikan kesan pengecasan dwi-lapisan Pathapati et al. (2005) Membangunkan model matematik untuk simulasi fenomena fana bagi SFMPP yang

mengambil kira kesan pengecasan dwi-lapisan.

Model mampu meramal kesan fana dalam profil kadar aliran molar, voltan, suhu dan tekanan.

- Sistem kendiri - Kehilangan kepekatan diabaikan - Tidak mengambilkira perubahan beban yang pantas Georgakis et al. (2005) Membangunkan satu tindanan sel fuel 1kW yang di sambung ke grid, bersama unit

Reaksi keluaran UPK adalah pantas tetapi sistem memerlukan hampir - Kesan pengecasan dwi-lapisan diabaikan. - Simulasi untuk bersambung…

14

penyesuai kuasa (UPK) dan sistem kawalannya.

20 saat untuk

mencapai nilai baru disebabkan

kelambatan semulajadi

sambutan sel fuel.

satu langkah peningkatan beban dan bukan dari pelbagai perubahan beban. Uzunoglu & Alam (2006) Membangunkan model SFMPP untuk kegunaan kediaman dengan menggabungkan kapasitor ultra bagi tujuan meningkatkan kuasa dengan

menggunakan MATLAB/Simulink.

Kombinasi selari sel fuel dan kapasitor ultra memberikan prestasi yang baik untuk aplikasi kediaman pada keadaan mantap dan pertambahan beban. - Tidak disambung ke grid - Suhu dan kepekatan oksigen dianggap malar - Kehilangan kepekatan diabaikan - Tidak mengambilkira perubahan beban. Younis et al. (2008) Membangunkan satu model simulasi dinamik PEMFC menggunakan Matlab/Simulink dengan mempertimbangkan ketiga-tiga jenis kehilangan Voltan keluaran adalah berkadar langsung dengan perubahan arus sel fuel. - Model mengabaikan kesan pengecasan dwi-lapisan. - Unit pemproses bahan api tidak diambil kira. - Perubahan suhu tidak diambil kira. Bibin et al.

(2009)

Mengkaji rintangan sentuhan pada SFMPP. - Model jangka pendek : tekanan dan suhu dianggap malar dan hanya mengambilkira kesan pengecasan dwi-lapisan.

- Model jangka sederhana: kesan tekanan separa

dipertimbangkan, suhu dianggap malar dan kesan pengecasan dwi-lapisan diabaikan. - Model jangka panjang: hanya kesan suhu dipertimbangkan, sementara tekanan dan kesan pengecasan dwi-lapisan diabaikan.

Keputusan

menunjukkan model dinamik SFMPP jangka pendek boleh mewakili ciri-ciri statik dan dinamik bagi sistem sel fuel dengan tepat.

- Validasi hanya dibuat untuk model dinamik jangka pendek.

- Tiada analisis bagi model jangka sederhana dan panjang. - Simulasi tidak mempertimbangkan perubahan beban. - Model tidak mempertimbangkan kombinasi tekanan dan perubahan suhu serta kesan pengecasan dwi-lapisan. Jia et al. (2009) Membentangkan satu model dinamik SFMPP

Kawalan tak lelurus memberi sambutan

- Tidak menimbang unit pemproses

bersambung… sambungan…

15

dengan pendekatan kawalan tak lelurus untuk memastikan tekanan keseluruhan bagi gas di katod dan anod adalah sama dengan nilai yang dikehendaki.

fana yang baik terhadap perubahan beban dan ia mungkin boleh mengelakkan kerosakan pada selaput dengan meminimakan perbezaan tekanan antara gas-gas di elektrod.

bahan api, aspek pengurusan air dan haba. – Untuk kegunaan sistem kendiri. - Tidak mempertimbangkan kesan pengecasan dwi-lapisan. Tesfahunegn et al. (2010) Mencadangkan gabungan model keadaan mantap dan dinamik bagi SFMPP untuk kegunaan penjana teragih.

Keputusan menunjukkan model tidak dapat mengikuti

perubahan beban yang pantas.

- Hidrogen dibekalkan secara terus dan bukan melalui unit pemproses bahan api. - Model mengabaikan kesan cas dwi-lapisan Kesan pengecasan dua lapisan seperti Rajah 2.1 juga penting dalam pemodelan dinamik sel fuel kerana pengumpulan cas pada permukaan kedua-dua elektrod akan menghasilkan voltan elektrik yang tidak boleh diabaikan. Lapisan yang berdekatan dengan permukaan elektrod ini menyimpan cas elektrik dan bertindak seperti satu kapasitor yang besar (Nehrir & Wang 2009). Jadual 2.2 juga menunjukkan bahawa kebanyakan model yang dibangunkan adalah untuk kegunaan kendiri dan tidak disambung ke grid. Selain itu, beberapa model sel fuel dalam Jadual 2.2 menggunakan hidrogen sedia ada yang dibekalkan secara terus ke sel fuel. Namun demikian, hidrogen yang sedia ada adalah sukar untuk disimpan dan secara kasarnya, ia adalah lebih mahal daripada harga bahan api itu sendiri. Oleh itu, unit pemproses bahan api adalah salah satu bahagian yang penting dalam pemodelan SFMPP kerana ia diperlukan untuk menukar bahan api sedia ada seperti metana kepada gas hidrogen asli. Di dalam tesis ini, satu model SFMPP yang ditambah baik telah dibangunkan dengan menimbang kesemua kesan penting seperti kesan pengecasan dua lapisan, dan kesan suhu di dalam tindanan apabila berlaku tindak balas. Model SFMPP yang dibina disambung ke model unit pemproses bahan api yang menggunakan pengawal KPT untuk mengawal aliran hidrogen pada masukan tindanan SFMPP. Model yang dibangunkan sebelum ini tidak mengambilkira kesan perubahan suhu di dalam tindanan dan menganggap suhu adalah malar sepanjang tindakbalas kimia berlaku.

16

Namun, suhu akan berubah mengikut keperluan beban yang mana suhu akan meningkat apabila arus beban meningkat dan suhu akan jatuh apabila arus permintaan beban berkurang.

2.3.2 Model Simulasi SFOP

Sel fuel jenis SFOP terbahagi kepada dua jenis, iaitu, SFOP konfigurasi tiub dan SFOP konfigurasi satah. SFOP konfigurasi tiub berbentuk tindanan dengan menggunakan satu lapisan tiub untuk menyokong tiub-tiub yang lain, manakala SFOP konfigurasi satah berbentuk sel-sel plat nipis yang disusun antara plat-plat yang bersambung (Zogg et al. 2006) dan masing-masing ditunjukkan dalam Rajah 2.2 dan Rajah 2.3. Kedua-dua jenis konfigurasi ini mempunyai kelebihannya tersendiri, bergantung kepada konfigurasi fizikalnya. Konfigurasi tiub menjanjikan kekuatan, daya rintangan terhadap kerosakan mekanikal, dan proses pengedapan yang mudah, sementara konfigurasi satah pula adalah lebih padat dan mempunyai ketumpatan kuasa yang tinggi, yang mana ia dapat mengurangkan isi kandungan bahan dan seterusnya mengurangkan kos pemodelan awal. Model dinamik SFOP telah dibangunkan untuk mengkaji ciri SFOP serta tindak balasnya bagi tujuan kajian simulasi sistem kuasa.

Rajah 2.1 (a) Kesan pengecasan dua lapisan pada permukaan elektrod sel fuel (b) litar elektrik setara bagi kesan pengecasan dua lapisan

17

Rajah 2.2 SFOP konfigurasi tiub Sumber: Georgis 2013

Rajah 2.3 SFOP konfigurasi satah Sumber: Georgis 2013

Pemodelan SFOP bermula dengan model fana dan statik bagi SFOP konfigurasi tiub dengan kuasa keluaran 3 kW, dan mempertimbangkan kesan aliran elektrokimia, terma dan jisim (Hall & Colclaser 1999). Bahagian-bahagian

18

elektrokimia dan terma telah ditentusahkan secara berasingan terlebih dahulu sebelum digabungkan kedua-duanya untuk membentuk satu model fana (Hall & Colclaser 1999). Model ini telah digunakan untuk mengkaji kesan fana apabila kegagalan, pusuan dan pengsuisan berlaku ke atas sistem. Walau bagaimanapun, model ini tidak mengambilkira tindakbalas kimia dinamik di dalam tindanan. Tambahan pula, masukan bahan api ke tindanan sel fuel dianggap malar. Padulles et al. (2000) membangunkan satu model dinamik SFOP dengan mengambilkira kejatuhan daya gerak elektrik teraruh dari kehilangan ohm tetapi mengabaikan dinamik suhu serta kehilangan kepekatan, dan pengaktifan. Perilaku fana bagi model sel fuel dalam sistem PT dikaji oleh Sedghisigarchi & Feliachi (2004), yang mana satu model dinamik SFOP tak lelurus yang komprehensif telah dibangunkan. Model tersebut mempertimbangkan aspek haba bagi tindak balas kimia dalam tindanan sel fuel. Li et al. (2005) juga membentangkan model dinamik SFOP tak lelurus berdasarkan persamaan elektrik dan terma bagi tujuan kajian dinamik sistem sel fuel kendiri dan sambungan ke grid. Kajian seterusnya melihat pada isu pengoperasian yang berkaitan dengan faktor kuasa sel fuel (Li et al. 2007). Model SFOP yang dibina oleh Wang & Nehrir (2007) dan Liu et al. (2011) mengambilkira semua kehilangan dalam sel fuel. Wang & Nehrir (2007) membangunkan model SFOP jenis tiub berdasarkan ciri elektrokimia dan termodinamik yang menimbangkan resapan, pemuliharaan bahan dan kesan pengecasan dwi-lapisan yang berlaku di dalam tindanan. Liu et al. (2011) pula membangunkan model SFOP dengan mengambilkira semua kehilangan voltan dalam kedua-dua elektrod dan proses penggunaan bahan api.

Untuk membangunkan model-model SFOP yang dibincangkan tadi, beberapa andaian telah dibuat. Beberapa bahagian di dalam unit SFOP telah dianggap malar yang mana ia boleh menjejaskan prestasi SFOP sebenar dan tidak menunjukkan tindak balas sebenar yang berlaku dalam tindanan. Model SFOP yang dibincangkan ini juga hanya tertumpu kepada rekabentuk SFOP jenis tiub. Model dinamik bagi SFOP jenis satah adalah terhad, dan kebanyakan kajian yang dilakukan ke atas SFOP jenis satah hanya menjurus pada analisis kimia dalam tindanan. SFOP jenis satah merupakan fokus baru dalam rekabentuk sistem SFOP, yang mana sistem ini berpotensi untuk mencapai tindanan yang lebih rendah, dan dengan itu dapat menangani masalah kos