风光互补发电产氢及燃料电池储能系统设计及研究

（福建卓翼能源科技发展有限公司 福建平潭 350400）

0 引言

能源研究界一直致力于清洁能源的生产和利用，包括可再生能源，如太阳能、地热、风能、水电等。特定能源的利用在很大程度上取决于有关技术和地点的可用性。太阳能利用对于具有足够太阳能潜力的国家具有重要意义，而风力涡轮机可适用于风速适当的发电国家。随着全球变暖问题的激增，可再生能源已成为科学界关注的焦点，人们正在探索用可再生能源系统取代现有传统能源系统的方法。

氢气似乎具有作为能源载体、燃料、储能系统和使用燃料电池发电的优势。氨具有高能量密度，这有助于它在液化过程中，运输和储存变得更容易。在1 个立方米的圆柱体积中，可以储存39.22 kg 的氢气，同样的圆柱体积内可以储存700 kg的氨气。此外，每摩尔的氨含有大量的氢，因此氢可以以氨的形式存储。

1 风光互补发电产氢及燃料电池储能系统概述

风能和太阳能是开发利用最多的可再生资源。根据《可再生能源全球状况报告（2020）（REN21）》，风力发电可以被认为是2019 年美国、欧洲和中国新增发电能力的主要来源。在全球范围内，风力发电新增装机容量为60 GW，总装机容量为651 GW。由于它的可靠性和低运行成本，许多公司和私营公司正在转向这种能源。此外，它提供的稳定收入也吸引了许多大型投资者。2019 年，在印度、日本、美国和中国等国市场，绿色能源容量的主要来源是太阳能光伏。

氢不仅是一种清洁能源，而且具有很高的适用性。氢本身可以作为燃料使用，也可以与有机材料结合生产合成燃料（甲烷、甲醇）。它可以用于燃料电池发电，也可以用水冷却燃烧器中的氧燃烧产生高质量的蒸汽，这反过来又可以驱动涡轮发电机发电。氢气生产和储存是唯一可以可靠地储存的可再生能源，为21 世纪的电力和燃料用户提供能源的现成技术。只有当每小时、每天和季节性的变化能够被有效地消除时，风能和太阳能才能与所有其他能源竞争。

2 研究现状分析

2.1 风光互补发电产氢技术

本文所提到的项目在实施的过程中能优先解决风光发电储能的问题，提升能量转化效率和发电效率。风光互补产氢采用先进的低压储氢材料技术储存，再配合自主研发的燃料电池发电系统发电，从而使风光发电效率大大提升。整个能量转化环节完全利用可再生能源，过程环保，无污染储存的氢能可用于燃料电池电站发电、燃料电池汽车及加氢站设施，具有广阔的应用前景。

2.2 燃料电池储能技术

在风光发电领域，与基于可再生能源的发电计划相关的主要挑战之一是它们的间歇性特征。氢动力燃料电池车技术作为解决环境和石油依赖问题的一种手段，受到了相当多的关注。考虑到燃料电池技术的现状，燃料电池系统的成本、质量和体积很可能对早期引入交通运输行业带来重大挑战。因此，最初的燃料电池动力汽车很可能是混合动力汽车。汽车与电化学储能技术，包括铅酸、镍金属氢化物、锂离子和超电容器的混合，可以为燃料电池的应用提供打破电流障碍的替代途径。

以往的研究侧重于最大限度地提高燃料经济性［1］。结果表明，大型储能系统和小型燃料电池系统主要在恒温模式下运行，并有一定的功率跟随，可以提供最大燃料经济性。对于这些研究，假设燃料电池能够在需要的基础上关闭和启动；然而这样做，能源储存没有包括在内。同样，成本和包装的限制也没有考虑。假定能量储存技术的单位功率成本低于燃料电池，并且预计在今后几年内将继续降低，因此预计增加能量储存系统将降低燃料电池车辆的成本。这可能有助于燃料电池汽车从短期有限使用过渡到长期广泛的商业成功。能源储存系统的功率和能源需求是根据它将要承担的具体角色推导出来的。根据燃料电池系统的大小和储能系统的预期作用，本研究对能量储存系统的要求范围为55 kWh～85 kWh 和0～7 kWh。研究发现，应当避免将规模缩小到连续爬坡所需的功率水平以上，因为这会导致能源储存系统的能源需求大幅度增加。目前的研究没有考虑燃料电池混合动力汽车的燃料经济性或能源储存效率的影响。然而，这项研究确定了未来优化问题的界限，其中成本、体积和质量约束可以同时进行评估，最大限度地提高燃料经济性。

3 风光互补发电产氢及燃料电池储能系统设计

3.1 电解水产氢系统

这个系统包括1 个太阳能电池阵列、1 个最大功率点跟踪器、1 个降压转换器、1 个电解槽、1 个氢储存罐、1 个氢分配站和1 个备用负载。输出电压在50 V 到62 V 直流电之间变化，而电流在满负载时达到100 A。最大功率点跟踪（MPPT）系统是用来确保当光伏电源（PV）输出低于2 kW 时，最大功率点跟踪算法将被实现。MPPT 控制系统监控来自PV 的电压和电流，并调整电压以产生来自PV 的最大功率。在这种模式下，当最大PV 功率低于2 kW 时，剩余的2 kW 电解槽输入功率将从电网中抽取。当最大PV 功率达到2 kW 时，电网关闭，所有2 kW 负荷由PV 提供。电解槽系统中，通过消耗2 kW 的电力，每天可以产生750 g 氢气，根据运行方式可以使用直流或交流电源。氧气被认为是副产品，并被排放出去。氢气储存在1 个高达24.82 MPa 的储存罐中，这受到一个反压阀（BPV）的限制。这种阀门设置在22.75 MPa，当压力在储罐达到24.82 MPa倡议关闭。系统中储罐的尺寸为直径为53.34 cm，长度为203.2 cm。气体容量为102.76 Nm3，外壳由玻璃纤维制成。氢气分配器流量额定为每分钟8 kg，电解槽系统的位置必须准备平整，能够支撑负载，并且有用于分配器和储存槽的锚。它还必须满足职业安全与卫生条例的某些要求。当电解槽不工作，例如储氢罐已满时，可使用交替电阻负载来保持PV 处于负载状态。之后将电解槽系统进行集成，能够实现风光互补发电的产氢系统的设计。

3.2 功率燃料电池系统

为了防止燃料电池可能损坏，必须对其允许工作的区域和被禁止工作的区域进行检测和研究，燃料电池不能单独提供电压稳定的直流信号［2］。它不能直接提供工作在自动化系统中的交流信号，也不能将自身产生的能量直接送入电网。另外，燃料电池控制整个供电系统需要大量的电流绝缘电压，如果不进行燃料电池输出的转换，就不能直接使用。通过使用合适的电力电子系统可以解决这些问题。

对于燃料电池中的DC/DC 转换器，具有代表性的是DC/DC 谐振变换器的电路设计，如图1。

图1 DC/DC 谐振变换器的示范方案

在这个燃料电池DC/DC 系统中，变频器的控制系统始终处于“谐振”状态，与负载无关。整个装置的输出电压由整个系统的第一个单元稳定，即由非变压器转换器稳定。与燃料电池配合使用的共振转换器的优点如下：具有更小的尺寸和更低的电磁干扰，且效率取决于电源电压和变流器功率的大小，大约为37% 。

对于电池中的DC/AC 变换器，采用PQ 法来调节和稳定有功功率和无功功率。P 是实际功率的值，q 是无功功率的值。在变流器控制系统中，类似于同步发电机调节系统，实际功率的大小由网络电压与逆变器矢量间的频率偏差角控制。无功功率由逆变器的电压控制。

在电池的储能系统中，燃料电池供电部件、电力电子能量转换器及整个控制与监控系统都需要辅助供电。按照大型发电系统的类比，这些组件被称为辅助供电系统。

4 发展前景分析

作为一种资源，风能比太阳能有许多优势。目前，风力涡轮机的峰值能量强度约为400 W/m2，是太阳能光伏发电的2倍多。太阳能光伏发电系统的发电成本通常是同等风力涡轮机系统的6 倍～18 倍。风能和太阳能都是分布不均匀的，最大的资源通常位于远离人口密集地区。虽然这样做的好处是既可以提供大面积的土地，又可以满足两者的需要，但是发电的传输成本可能会很高。风能的优势在于它允许发电场地的互补性使用：种植可以在风力发电场继续进行，但不太可能在太阳能光伏发电场进行。由于这些原因，迄今为止，风能比太阳能更为成功。从1997 年到2007 年的10 年间，全球风力发电装机容量从7.6 kMW 增长到94 kMW，2005 年全球风力发电装机容量达到0.45 kMW。相比之下，2006 年中期太阳能光伏装机容量仅为5 GW，总发电量仅为风能的五十分之一。相比之下，2005 年全年一次能源消费总量约为496 EJ。

尽管目前风力发电的规模很小，但从短期到中期来看，它可能是最有前途的间歇性氢能源发电来源。2005 年的一项综述评估了风力/氢气系统可用的技术范围，并得出结论，使用低压水电解是最有可能的。一旦生产出来，低压氢气就可以在工厂本地使用或在本地传输网络内使用，或者通过中央管道网络以高压输送到有人居住的地区。在向中央网络运送氢气之后，可以进一步压缩氢气，以满足陆路运输的需要，扩大氢气用于向家庭和工业提供低压供暖和烹饪，或送往热电站发电。如果产量足够大，储存也是可能的。考虑到对技术风能潜力的各种估计，一个全球规模的风/氢系统能产生多少氢气？利用电解器将电能和水转化为氢气，可望减少风产生的净能量。压缩机和传输系统的使用进一步减少了净能量输送。大规模的风力发电也有可能为当地消费提供电力以及生产氢气。因此，需要在全球能源系统的背景下考虑氢的生产。

5 结语

综上，随着纬度的增加，太阳系氢储存系统的成本效益增加。由于目前较高的成本的电解槽和燃料电池，氢基储存系统成本可有效降低。以氢气为基础的储存系统只有在预计不会排放温室气体时才有用。在不久的将来，当电解槽和燃料电池的目标成本达到时，以氢为基础的储存系统的范围也将扩大，而且与远程应用的柴油发电机系统的成本也将具有竞争力。