電氫氧熱漁光互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱 倩, 劉祎琳, 王希平, 趙青松

(1.北京市公用工程設(shè)計(jì)監(jiān)理有限公司, 北京 100124; 2.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司第四分公司, 北京 100176; 3.河北水利電力學(xué)院, 河北 滄州 100190)

1 概述

北方沿海地區(qū)灘涂遍布,適合水產(chǎn)養(yǎng)殖,但夏天陽(yáng)光直射不利于某些魚(yú)類生長(zhǎng),需要搭建遮陰棚或養(yǎng)殖水草遮陰,增加成本和養(yǎng)殖難度。在深秋、冬季和次年的4月之前,海水溫度比較低,無(wú)法開(kāi)展水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)。在開(kāi)放性的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘內(nèi),水體的耗氧量非常大,需要設(shè)置增氧壓縮機(jī)等養(yǎng)殖設(shè)備,停電易導(dǎo)致發(fā)生水產(chǎn)死亡的嚴(yán)重養(yǎng)殖事故。為了安全生產(chǎn),降低養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn),目前的水產(chǎn)養(yǎng)殖密度不高,單位面積的水產(chǎn)養(yǎng)殖效益非常有限。

漁光互補(bǔ)是指漁業(yè)養(yǎng)殖與光伏發(fā)電相結(jié)合,在魚(yú)塘水面上方架設(shè)光伏板陣列,光伏板下方水域可以進(jìn)行魚(yú)蝦養(yǎng)殖,形成上可發(fā)電、下可養(yǎng)魚(yú)的發(fā)電新模式。但目前不少已建成的漁光互補(bǔ)項(xiàng)目,占用了養(yǎng)殖池塘的面積,造成了養(yǎng)殖水產(chǎn)喂食和捕撈困難,降低了水產(chǎn)的產(chǎn)量[1]。

近年來(lái),大規(guī)模光伏電站不斷并網(wǎng)發(fā)電,但光伏發(fā)電功率具有隨機(jī)性和波動(dòng)性[2-3]。采用光伏發(fā)電電解制氫可實(shí)現(xiàn)就地儲(chǔ)存電能,很好解決白天光伏發(fā)電的消納問(wèn)題。在夜晚利用電網(wǎng)谷電制氫,可以保證制電解制氫工藝的連續(xù)性。因此,光伏發(fā)電電解制氫起到了電力削峰填谷的作用[4-5]。

氫能具有來(lái)源廣、能量密度高、零碳排放、易儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。電解制氫工藝過(guò)程中大量的副產(chǎn)氧氣和余熱[8-10],正是水產(chǎn)養(yǎng)殖所需要的寶貴資源。在漁光互補(bǔ)項(xiàng)目中,充分利用電氫氧熱等多種能源,在進(jìn)一步提高單位面積土地價(jià)值的同時(shí),有利于促進(jìn)漁業(yè)生產(chǎn)和節(jié)能減排,具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。

本文介紹電氫氧熱漁光互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì),對(duì)系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

2 漁光互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 漁光互補(bǔ)系統(tǒng)

隨著我國(guó)近海漁業(yè)資源的枯竭,利用灘涂進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖是提高沿海地區(qū)漁民收入、增加水產(chǎn)品供應(yīng)、豐富居民菜籃子的有效途徑。目前,我國(guó)的灘涂水產(chǎn)養(yǎng)殖大多為開(kāi)放式養(yǎng)殖,管理比較粗放,養(yǎng)殖的品種比較單一,且受天氣影響比較大,尤其是北方地區(qū),當(dāng)水溫低于15 ℃時(shí),漁業(yè)生產(chǎn)基本停止,嚴(yán)重限制了水產(chǎn)養(yǎng)殖[11]。

本研究在沿海灘涂上建設(shè)養(yǎng)殖池塘,池塘四周建設(shè)圍墻并搭建大棚。大棚具有一定的保溫和透光效果,為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境,降低外界環(huán)境的影響。電氫氧熱漁光互補(bǔ)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 電氫氧熱漁光互補(bǔ)系統(tǒng)

大棚的棚頂一側(cè)設(shè)置光伏板,另外一側(cè)設(shè)置透光板,允許陽(yáng)光進(jìn)入養(yǎng)殖池塘內(nèi),為養(yǎng)殖池塘微生物提供陽(yáng)光和照明。這種設(shè)計(jì)可以根據(jù)各地的光照靈活調(diào)節(jié)光伏板的設(shè)置比例,保障水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)。

在養(yǎng)殖大棚的側(cè)面設(shè)置排風(fēng)機(jī),調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的空氣流動(dòng),保障水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境溫度。在養(yǎng)殖池塘上方設(shè)置補(bǔ)光燈,在惡劣天氣、夜晚為養(yǎng)殖池塘補(bǔ)光,增加水產(chǎn)的采食時(shí)間,提高水產(chǎn)的產(chǎn)量。

2.2 光伏系統(tǒng)

按照自發(fā)自用、余電上網(wǎng)原則運(yùn)行。電解制氫裝置優(yōu)先使用光伏發(fā)電,不足部分由電網(wǎng)補(bǔ)充。當(dāng)光伏發(fā)電超過(guò)電解制氫裝置需求時(shí),剩余部分上網(wǎng)。光伏板產(chǎn)生的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?給補(bǔ)光燈、排風(fēng)機(jī)等供電,部分經(jīng)整流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姽╇娊庵茪溲b置,剩余部分上網(wǎng)。電解制氫裝置產(chǎn)生的副產(chǎn)氧氣通過(guò)增氧壓縮機(jī)送入養(yǎng)殖池塘內(nèi),提高水體含氧量。電解制氫裝置余熱用于池水加熱,冬天也能進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)。

2.3 電解制氫系統(tǒng)

電解制氫裝置是將電能轉(zhuǎn)變氫能的核心裝置,采用國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟的堿性電解制氫裝置。受太陽(yáng)輻照度影響,光伏發(fā)電具有波動(dòng)性和隨機(jī)性,光伏板發(fā)出的直流電波動(dòng)性較大。為確保電解制氫裝置可靠工作,先將光伏發(fā)電(直流電)經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?然后經(jīng)整流器變?yōu)橹绷麟?供給電解制氫裝置。夜間以及白天光伏板發(fā)電量不足時(shí),電解制氫裝置由電網(wǎng)補(bǔ)電。

電解制氫的產(chǎn)品是氫氣,氫氣從電解制氫裝置出來(lái)后儲(chǔ)存到氫氣儲(chǔ)罐內(nèi),然后通過(guò)管道運(yùn)輸銷(xiāo)售。副產(chǎn)氧氣從電解制氫裝置出來(lái)后儲(chǔ)存到氧氣儲(chǔ)罐內(nèi),然后通過(guò)增氧壓縮機(jī),將氧氣送入養(yǎng)殖池塘內(nèi),提高水體含氧量。電解制氫裝置在制氫過(guò)程中,需要及時(shí)將產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出,以避免催化劑高溫失效。這部分余熱可用于提高養(yǎng)殖池塘的水溫,增加水產(chǎn)的采食活性,提高水產(chǎn)的產(chǎn)量,從而在冬季實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 技術(shù)分析

電氫氧熱漁光互補(bǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種能源的高效利用,白天利用光伏發(fā)電電解制氫,降低了光伏發(fā)電棄光率。養(yǎng)殖池塘大棚為光伏板提供了安裝位置,實(shí)現(xiàn)了分布式發(fā)電,光伏發(fā)電和電解制氫又促進(jìn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的提高。

集約利用了養(yǎng)殖池塘大棚安裝光伏板。在夏季,光伏板既實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電,又為養(yǎng)殖池塘提供了部分遮陰,增加了養(yǎng)殖水產(chǎn)的活性,延長(zhǎng)了采食時(shí)間,可以縮短養(yǎng)殖期,提高產(chǎn)量。在冬季,大棚為養(yǎng)殖池塘提供了必要的保溫措施,為冬季開(kāi)展水產(chǎn)養(yǎng)殖提供了必要的條件。

光伏發(fā)電電解制氫和氫儲(chǔ)存技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電力削峰填谷,提高了制氫經(jīng)濟(jì)性。電解制氫的副產(chǎn)氧氣和熱能,可為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供必要的氧氣和熱量,提高養(yǎng)殖密度和產(chǎn)量,可養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)性更高的熱帶水產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)的多批次養(yǎng)殖,提高水產(chǎn)養(yǎng)殖效益。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

某6 000 m2養(yǎng)殖池塘建設(shè)電氫氧熱漁光互補(bǔ)系統(tǒng),總投資940×104元。漁光互補(bǔ)系統(tǒng)日耗電量為20 400 kW·h/d,光伏發(fā)電量為8 130 kW·h/d,需要從電網(wǎng)購(gòu)電12 270 kW·h/d。年運(yùn)行時(shí)間按365 d計(jì)算,電網(wǎng)合約電價(jià)為0.27 元/(kW·h),年電費(fèi)約120.92×104元/a。出售氫氣年利潤(rùn)為312.88×104元/a。每年可進(jìn)行3次水產(chǎn)養(yǎng)殖,與增設(shè)電氫氧熱漁光互補(bǔ)系統(tǒng)前相比年利潤(rùn)增加81×104元/a。經(jīng)計(jì)算,3.44 a可收回投資。

4 結(jié)語(yǔ)

電氫氧熱漁光互補(bǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多能互補(bǔ)。水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘為光伏板的安裝提供了位置,光伏板為養(yǎng)殖池塘水池提供了部分遮陰,冬季提供必要的保溫措施。光伏發(fā)電電解制氫降低了棄光率,實(shí)現(xiàn)了電力削峰填谷,電解制氫裝置的副產(chǎn)氧氣和余熱促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖價(jià)值的提升。電氫氧熱漁光互補(bǔ)系統(tǒng)技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)性合理。