風光互補發電產氫及燃料電池儲能系統設計及研究

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0 引言

能源研究界一直致力于清潔能源的生產和利用，包括可再生能源，如太陽能、地熱、風能、水電等。特定能源的利用在很大程度上取決于有關技術和地點的可用性。太陽能利用對于具有足夠太陽能潛力的國家具有重要意義，而風力渦輪機可適用于風速適當的發電國家。隨著全球變暖問題的激增，可再生能源已成為科學界關注的焦點，人們正在探索用可再生能源系統取代現有傳統能源系統的方法。

氫氣似乎具有作為能源載體、燃料、儲能系統和使用燃料電池發電的優勢。氨具有高能量密度，這有助于它在液化過程中，運輸和儲存變得更容易。在1 個立方米的圓柱體積中，可以儲存39.22 kg 的氫氣，同樣的圓柱體積內可以儲存700 kg的氨氣。此外，每摩爾的氨含有大量的氫，因此氫可以以氨的形式存儲。

1 風光互補發電產氫及燃料電池儲能系統概述

風能和太陽能是開發利用最多的可再生資源。根據《可再生能源全球狀況報告（2020）（REN21）》，風力發電可以被認為是2019 年美國、歐洲和中國新增發電能力的主要來源。在全球范圍內，風力發電新增裝機容量為60 GW，總裝機容量為651 GW。由于它的可靠性和低運行成本，許多公司和私營公司正在轉向這種能源。此外，它提供的穩定收入也吸引了許多大型投資者。2019 年，在印度、日本、美國和中國等國市場，綠色能源容量的主要來源是太陽能光伏。

氫不僅是一種清潔能源，而且具有很高的適用性。氫本身可以作為燃料使用，也可以與有機材料結合生產合成燃料（甲烷、甲醇）。它可以用于燃料電池發電，也可以用水冷卻燃燒器中的氧燃燒產生高質量的蒸汽，這反過來又可以驅動渦輪發電機發電。氫氣生產和儲存是唯一可以可靠地儲存的可再生能源，為21 世紀的電力和燃料用戶提供能源的現成技術。只有當每小時、每天和季節性的變化能夠被有效地消除時，風能和太陽能才能與所有其他能源競爭。

2 研究現狀分析

2.1 風光互補發電產氫技術

本文所提到的項目在實施的過程中能優先解決風光發電儲能的問題，提升能量轉化效率和發電效率。風光互補產氫采用先進的低壓儲氫材料技術儲存，再配合自主研發的燃料電池發電系統發電，從而使風光發電效率大大提升。整個能量轉化環節完全利用可再生能源，過程環保，無污染儲存的氫能可用于燃料電池電站發電、燃料電池汽車及加氫站設施，具有廣闊的應用前景。

2.2 燃料電池儲能技術

在風光發電領域，與基于可再生能源的發電計劃相關的主要挑戰之一是它們的間歇性特征。氫動力燃料電池車技術作為解決環境和石油依賴問題的一種手段，受到了相當多的關注。考慮到燃料電池技術的現狀，燃料電池系統的成本、質量和體積很可能對早期引入交通運輸行業帶來重大挑戰。因此，最初的燃料電池動力汽車很可能是混合動力汽車。汽車與電化學儲能技術，包括鉛酸、鎳金屬氫化物、鋰離子和超電容器的混合，可以為燃料電池的應用提供打破電流障礙的替代途徑。

以往的研究側重于最大限度地提高燃料經濟性［1］。結果表明，大型儲能系統和小型燃料電池系統主要在恒溫模式下運行，并有一定的功率跟隨，可以提供最大燃料經濟性。對于這些研究，假設燃料電池能夠在需要的基礎上關閉和啟動；然而這樣做，能源儲存沒有包括在內。同樣，成本和包裝的限制也沒有考慮。假定能量儲存技術的單位功率成本低于燃料電池，并且預計在今后幾年內將繼續降低，因此預計增加能量儲存系統將降低燃料電池車輛的成本。這可能有助于燃料電池汽車從短期有限使用過渡到長期廣泛的商業成功。能源儲存系統的功率和能源需求是根據它將要承擔的具體角色推導出來的。根據燃料電池系統的大小和儲能系統的預期作用，本研究對能量儲存系統的要求范圍為55 kWh～85 kWh 和0～7 kWh。研究發現，應當避免將規模縮小到連續爬坡所需的功率水平以上，因為這會導致能源儲存系統的能源需求大幅度增加。目前的研究沒有考慮燃料電池混合動力汽車的燃料經濟性或能源儲存效率的影響。然而，這項研究確定了未來優化問題的界限，其中成本、體積和質量約束可以同時進行評估，最大限度地提高燃料經濟性。

3 風光互補發電產氫及燃料電池儲能系統設計

3.1 電解水產氫系統

這個系統包括1 個太陽能電池陣列、1 個最大功率點跟蹤器、1 個降壓轉換器、1 個電解槽、1 個氫儲存罐、1 個氫分配站和1 個備用負載。輸出電壓在50 V 到62 V 直流電之間變化，而電流在滿負載時達到100 A。最大功率點跟蹤（MPPT）系統是用來確保當光伏電源（PV）輸出低于2 kW 時，最大功率點跟蹤算法將被實現。MPPT 控制系統監控來自PV 的電壓和電流，并調整電壓以產生來自PV 的最大功率。在這種模式下，當最大PV 功率低于2 kW 時，剩余的2 kW 電解槽輸入功率將從電網中抽取。當最大PV 功率達到2 kW 時，電網關閉，所有2 kW 負荷由PV 提供。電解槽系統中，通過消耗2 kW 的電力，每天可以產生750 g 氫氣，根據運行方式可以使用直流或交流電源。氧氣被認為是副產品，并被排放出去。氫氣儲存在1 個高達24.82 MPa 的儲存罐中，這受到一個反壓閥（BPV）的限制。這種閥門設置在22.75 MPa，當壓力在儲罐達到24.82 MPa倡議關閉。系統中儲罐的尺寸為直徑為53.34 cm，長度為203.2 cm。氣體容量為102.76 Nm3，外殼由玻璃纖維制成。氫氣分配器流量額定為每分鐘8 kg，電解槽系統的位置必須準備平整，能夠支撐負載，并且有用于分配器和儲存槽的錨。它還必須滿足職業安全與衛生條例的某些要求。當電解槽不工作，例如儲氫罐已滿時，可使用交替電阻負載來保持PV 處于負載狀態。之后將電解槽系統進行集成，能夠實現風光互補發電的產氫系統的設計。

3.2 功率燃料電池系統

為了防止燃料電池可能損壞，必須對其允許工作的區域和被禁止工作的區域進行檢測和研究，燃料電池不能單獨提供電壓穩定的直流信號［2］。它不能直接提供工作在自動化系統中的交流信號，也不能將自身產生的能量直接送入電網。另外，燃料電池控制整個供電系統需要大量的電流絕緣電壓，如果不進行燃料電池輸出的轉換，就不能直接使用。通過使用合適的電力電子系統可以解決這些問題。

對于燃料電池中的DC/DC 轉換器，具有代表性的是DC/DC 諧振變換器的電路設計，如圖1。

圖1 DC/DC 諧振變換器的示范方案

在這個燃料電池DC/DC 系統中，變頻器的控制系統始終處于“諧振”狀態，與負載無關。整個裝置的輸出電壓由整個系統的第一個單元穩定，即由非變壓器轉換器穩定。與燃料電池配合使用的共振轉換器的優點如下：具有更小的尺寸和更低的電磁干擾，且效率取決于電源電壓和變流器功率的大小，大約為37% 。

對于電池中的DC/AC 變換器，采用PQ 法來調節和穩定有功功率和無功功率。P 是實際功率的值，q 是無功功率的值。在變流器控制系統中，類似于同步發電機調節系統，實際功率的大小由網絡電壓與逆變器矢量間的頻率偏差角控制。無功功率由逆變器的電壓控制。

在電池的儲能系統中，燃料電池供電部件、電力電子能量轉換器及整個控制與監控系統都需要輔助供電。按照大型發電系統的類比，這些組件被稱為輔助供電系統。

4 發展前景分析

作為一種資源，風能比太陽能有許多優勢。目前，風力渦輪機的峰值能量強度約為400 W/m2，是太陽能光伏發電的2倍多。太陽能光伏發電系統的發電成本通常是同等風力渦輪機系統的6 倍～18 倍。風能和太陽能都是分布不均勻的，最大的資源通常位于遠離人口密集地區。雖然這樣做的好處是既可以提供大面積的土地，又可以滿足兩者的需要，但是發電的傳輸成本可能會很高。風能的優勢在于它允許發電場地的互補性使用：種植可以在風力發電場繼續進行，但不太可能在太陽能光伏發電場進行。由于這些原因，迄今為止，風能比太陽能更為成功。從1997 年到2007 年的10 年間，全球風力發電裝機容量從7.6 kMW 增長到94 kMW，2005 年全球風力發電裝機容量達到0.45 kMW。相比之下，2006 年中期太陽能光伏裝機容量僅為5 GW，總發電量僅為風能的五十分之一。相比之下，2005 年全年一次能源消費總量約為496 EJ。

盡管目前風力發電的規模很小，但從短期到中期來看，它可能是最有前途的間歇性氫能源發電來源。2005 年的一項綜述評估了風力/氫氣系統可用的技術范圍，并得出結論，使用低壓水電解是最有可能的。一旦生產出來，低壓氫氣就可以在工廠本地使用或在本地傳輸網絡內使用，或者通過中央管道網絡以高壓輸送到有人居住的地區。在向中央網絡運送氫氣之后，可以進一步壓縮氫氣，以滿足陸路運輸的需要，擴大氫氣用于向家庭和工業提供低壓供暖和烹飪，或送往熱電站發電。如果產量足夠大，儲存也是可能的。考慮到對技術風能潛力的各種估計，一個全球規模的風/氫系統能產生多少氫氣？利用電解器將電能和水轉化為氫氣，可望減少風產生的凈能量。壓縮機和傳輸系統的使用進一步減少了凈能量輸送。大規模的風力發電也有可能為當地消費提供電力以及生產氫氣。因此，需要在全球能源系統的背景下考慮氫的生產。

5 結語

綜上，隨著緯度的增加，太陽系氫儲存系統的成本效益增加。由于目前較高的成本的電解槽和燃料電池，氫基儲存系統成本可有效降低。以氫氣為基礎的儲存系統只有在預計不會排放溫室氣體時才有用。在不久的將來，當電解槽和燃料電池的目標成本達到時，以氫為基礎的儲存系統的范圍也將擴大，而且與遠程應用的柴油發電機系統的成本也將具有競爭力。