風電制氫技術研究與探討

文_顏祥洲 中海油惠州石化

近些年來，風電在我國的整體發展水平不斷提升，這也使我國逐漸成為風電增長速度最快的國家。根據我國中長期發展規劃分析，風電總裝機容量將會持續上漲，而伴隨著風電裝機容量的不斷增加，也逐漸顯現出一些問題，例如大規模不可控低品質風電并網，勢必會對電網安全性產生一定影響。與此同時，大規模風電場聚集，也會給當地電網輸送產生一定壓力，進而有棄風現象出現。為了使這些問題得到有效解決，需要對能源轉換方式進行積極探索，使風能能夠有效轉換為氫能源，從而提高氫能源的利用水平。

1 風電制氫技術概述

1.1 基本原理

風電制氫是清潔、高效的新能源利用模式，在實際應用時，可以將風力發電量超出電網系統接納能力的部分，通過非并網風電模式在電解水制氫當中進行應用，而其所產生的氫氣在經過具體的儲存和運輸之后，可以在氫燃料電池汽車等領域當中進行應用。

風電制氫系統具體包括電解水裝置、風力發電機組、儲氫裝置、電網系統以及燃料電池等組成部分。通過控制系統可以對風電上網以及電量比例進行控制，對棄風電量進行最大限度的吸納，從而使規模化風電“上網難”問題得到緩解。通過對風力發電的多余電量進行利用，可以利用電解水制氫，并通過固態和壓力儲氫等技術，使氫氣的存儲密度得到有效提高。

首先，針對風電并網部分進行分析，風電在經過低階的計測濾波單元后，可以將一部分諧波過濾掉，并通過AD-DC對變換單元進行整流，從而使交流電轉換成相應的直流電。在這之后則可以通過直流支撐電路逆變，產生的交流電可以通過高階濾波單元濾去風電諧波，從而產生滿足并網需求的高質量電能，并經過升壓變壓器來為電網進行供電。

其次，針對棄風制氫部分進行分析，風電在經過濾波之后，可以通過AD-DC整理變換單元處理，使原本的交流電轉換成直流電，之后再通過直流支撐電路在DC-DC電路當中接入，對直流電進行相應的降壓或者升壓處理，轉換直流電為制氫電能，從而有效進行制氫。對于風電并網側和制氫側，需要合理分配功率，當風電可以滿足具體的并網需求后，將剩余風能用于制氫，從而最大化的利用能源。

1.2 技術特征

首先，風力發電機具有高適應性。風力發電機不僅可以通過變流裝置將電能輸送到電網，而且還可以將棄風能源在氫電解池供電當中進行應用，因此對風力發電機適應性也提出了十分嚴格的要求，需要確保其對于風波動具有較強的抵抗能力。

其次，電解池具有高適應性、高效性、安全性以及環保性。風電制氫電解池可以將風能有效轉換成電能，而且在電解制氫過程當中需要充分確保能源轉換過程的高效性。與此同時，制氫公路波動會直接影響到氫氣純度以及制氫裝置的使用壽命，因此對電解池也提出較為嚴格的要求。通過對電解池的催化劑以及電極等材料進行優化，可以使電解成本得到降低，同時還可以使制氫效率得到提高。而通過對隔離膜進行優化，則可以使其性能得到提高。在將工藝參數合理調節后，可以使電解池抗功率波動性得到有效提高，使系統運行安全性得到提升。

最后，風電制氫控制系統具有較高的安全性、高效性以及靈活性。對于風電制氫集成控制系統而言，其具體包括燃料電池、儲氫以及制氫等相關控制系統，而通過控制系統運行可以靈活分配制氫功率。通過對制氫電壓進行控制，可以確保制氫系統維持在高效范圍內，并經過一系列控制，使制氫、用氫以及儲氫等系統的安全運行得到保證。

2 風電制氫技術的未來發展前景

風電制氫技術的快速提升，對于風電裝備、儲氫、制氫以及用氫等行業的發展具有重要推動作用。首先，在風電發電期間，需要對大量風力發電機、電控系統、軸承以及齒輪箱等基礎設施進行利用，這對我國機械制造和電機等行業發展也具有有效推動，可以更好地實現風力發電機等項目的升級和改造目標。

電解水制氫技術由于具有可靠和高效的性能，因此應用前景良好。在氫能利用方面需要有效實現氫能的安全高效儲運、廉價制取以及規模應用，這對我國電解水制氫和儲氫技術研究具有重要意義，對裝備制造產業發展也具有重要促進作用。風電制氫可以推動我國燃料電池發展，而且燃料電池的發電效率相對較高，還能夠避免出現嚴重的環境污染問題。

2.1 非并網風電制氫技術

非并網風電電解水制氫系統可以有效結合風電和新型電解水制氫設備，風電聯網但不并網，可以使風電給電網帶來的沖擊得到消除，從而有效實現風電的高效和低成本利用目標。在非并網風電制氫過程中，對于風力發電機所發出的風電，僅需要簡單的進行變壓和整流處理，可以通過變壓器將電壓調整到所需要的電壓，并使交流電轉換為直流電。當風速波動相對較大時，可以有效利用發電機發電。與此同時，還可以結合風量對氫氣產量進行調節，使風機全轉速運行范圍的電能得到有效轉換。此類制氫用風力發電機組對比并網機組成本相對較低。非并網風電制氫技術可以高效解決能源消納問題，而且產生的氫能還具有可再生和清潔等優勢。和離網、并網制氫相比。

非并網風電制氫技術可以為氫能的大規模利用創造良好條件，這也對氫能時代的到來起到了重要推動作用。對比并網制氫技術，非并網制氫技術可以產生的氫能更多，這也滿足了我國工業發展和居民生活等氫能源需求。除此之外，非并網風電制氫風力系統可以將并網制氫時需要的大量輔助設備得到節省，因此與其相比成本相對較低。

2.2 氫燃料電池汽車

氫燃料電池車是氫能的一種主要用途，在近些年來也得到了快速發展。燃料電池汽車有著無污染和節能等優勢，這也使其逐漸成為我國新能源汽車發展的主要趨勢之一。在1993年加拿大某公司便成功研制了以氫為燃料的零排放公交車，這也引發了全球性的研究熱潮，紛紛開始對燃料電池電動車開展研究工作，許多國家都在此方面研究投入了大量的人力和財力，并取得了十分顯著的發展成效。

我國氫燃料電池主要應用在物流車、公交車等領域。但從我國燃料電池汽車的發展現狀來看，還需要進一步完善基礎設施，有效加強基礎設施建設，突破燃料電池技術在壽命和續馳里程等方面的瓶頸，從而促進我國燃料電池汽車行業的快速發展，使環境問題得到有效改善。

2.3 新型風電制氫裝備

針對電解制氫技術進行分析，其可以具體分為堿性、質子交換膜以及固體氧化物等電解技術。其中堿性電解技術的研究相對比較成熟，這也使其得到了普遍的商業化應用。風力發電系統具有隨機性以及間歇性等特點，因此電解制氫系統在聯合系統中進行應用，可以在不穩定電能條件下保證制氫能力的安全、高效以及可靠。對比質子交換膜電解技術，堿性電解技術的動態響應時間相對較短，適合在風電制氫系統當中進行應用。而固體氧化物電解技術的響應時間則相對較長，因此在大規模風電制氫當中不適合進行應用。對此，伴隨著風電制氫技術的持續發展，需要進一步轉型和升級風電制氫裝備。

3 結語

氫氣是十分重要的工業氣體以及特種氣體，廣泛應用于相關領域和行業當中?，F如今，我國一直在倡導綠色發展，氫能作為重要的清潔能源，在新時代背景下也得到了快速發展。而從我國目前的風電制氫技術研究現狀來看，在實際發展過程中仍然面臨一些關鍵問題，這需要相關研究人員進一步加大研究力度，從而有效實現技術突破，全面提升風電制氫技術應用水平。