氢电综合发电系统的设计与应用

李 佳 王文哲 方苗苗 张鑫茹 冯 振，3

（1.河南工学院材料科学与工程学院，河南 新乡 453003；2.河南工学院厚德书院，河南 新乡 453003；3.河南师范大学物理学院，河南 新乡 453007）

0 引言

在当前全球能源危机的背景下，我国致力于绿色发展、能源技术革新，可再生清洁能源将迎来发展新浪潮。而太阳能作为一种清洁环保且容易获取的绿色可再生能源，将是未来能源市场的主力军。

目前，我国大力推行光伏发电，大部分地区尤其是中西部地区已开始广泛使用。光伏发电是指直接将太阳的光能变成电能的太阳能利用方式。其具有获取成本低、绿色清洁无污染、使用寿命长等优点。但是，传统光伏发电方式受天气影响较大，雨雪天、阴天、雾天等都会影响光伏发电。另外，在电能储存方面，传统光伏发电主要为并网利用，远距离运输能量损耗大。

笔者研发的氢电综合发电系统以传统光伏发电和燃料电池发电为基础，通过“自产、自存、自用”模式，解决了光伏发电并网运输成本高、能量输运过程中的损耗问题，改变了电能存储方式［1］，使电能存储成本大幅度降低，产品性价比、可再生能源利用率和供电系统的可靠性提高［2］。

1 氢电综合发电系统结构

氢电综合发电系统主要由光伏电池板、电解槽、压缩机、储氢罐、燃料电池和逆变器等构成（见图1）。光伏电池板是整个系统中最基本的组件，也是整个系统的核心部分，其作用是将太阳能转化为电能。电解槽是整个系统中能量存储的最关键部分，在电能有剩余的情况下，通过电解水反应将多余的电能转化为化学能，并将能量以氢气的形式储存在储氢罐里。当光伏发电量大于居民用电量时，该部分将开展工作。储氢罐用于收集氢气，是该系统中重要的存储装置。燃料电池以储氢罐中的氢气作为燃料，通过氢氧化学反应，将化学能转化为电能。当光伏发电量小于用电负荷时（此时电量供不应求），该部分开始工作，满足用户用电需求，保证居民正常用电。逆变器用于将直流电转换成居民可直接使用的交流电。

图1 氢电综合发电系统组成结构

2 氢电综合发电系统的调度流程

受天气变化的影响，光伏电池板的输出功率会随机波动，氢负荷和电负荷也会发生变化。因此，需要根据发电侧和供电侧的变化情况合理调节氢电综合发电系统运行状态（通过互联网监控、监测及远程控制），保证氢电综合发电系统的稳定性，同时提高太阳能利用率。

根据天气情况、氢负荷与电负荷的变化情况，氢电综合发电系统主要有以下4种工作状态：有光、无氢负荷、有电负荷时，光伏发电量大于等于居民用电量，则电解槽工作，产生氢气并储存在储氢罐中；有光、有氢负荷、有电负荷时，光伏发电量小于居民用电量，光伏发电量满足不了居民的用电需求，需要燃料电池工作消耗氢气产生电能来供给部分电量；无光、有氢负荷、有电负荷时，光伏电池板停止工作，居民用电全部依靠燃料电池消耗氢气产生电能来供给；无光、无氢负荷、无电负荷时，此时整个系统停止工作［3］。氢电综合发电系统的调度流程具体如图2所示。

图2 氢电综合发电系统调度流程

3 氢电综合发电系统的应用实例

3.1 农村居民生活用电应用

随着生活水平的不断提升，农村居民购买家电的数量和使用次数大大增加，导致农村居民每个月的用电量提高许多。尤其是夏季天气炎热，空调和冰箱的使用使得农村居民每个月的用电量急剧增加。而用电量的大幅上升不仅导致电费成本增加，而且造成大部分农村地区夏季供电不足，时常出现停电现象。而将氢电综合发电系统应用在农村居民家中可减少该情况的发生。

笔者研发的氢电综合发电系统在农村居民家中的应用机制如图3所示，利用光伏电池板将太阳能转化为电能。当光照充足时，光伏电池板获得的电能一部分直接经过小型光储一体机、小型储能变流器、重要负载等，将直流电转化为可供居民使用的交流电；另一部分通过电解槽电解水转化为化学能，获取氢气并通过压缩机将氢气储存到氢气罐中。当光照不足时，以氢气为燃料，经过氢氧燃料电池把化学能变成电能，再经过逆变器把直流电变成交流电，以保证农村居民正常用电需求。

与传统的农村居民用电模式相比，应用氢电综合发电系统有以下优势：①节省电费，减轻高额电费带给农村居民造成的经济负担，降低农村居民的生活成本，提升农村居民的幸福感；②对农村居民来说，可以将此系统安装在屋顶上，如图3所示，大大缩短供电所需要的时间，提高输电效率；③减少夏季农村因供电不足而导致的停电现象，解决长期以来农村夏季用电供不应求的问题，提高农村居民的生活质量；④该供电模式较为清洁，而且能源利用效率高，可降低环境污染，符合我国绿色发展理念。

图3 氢电综合发电系统家用安装结构

3.2 温室大棚种植应用

随着多项扶持政策的出台，越来越多的乡村地区通过发展温室大棚种植业，来发展当地经济及满足人们的需求。但是，建设温室大棚前期投入成本较高，后期管理比较复杂。农户往往因对温室大棚内的温度、湿度、光照等控制不到位，如温度过高导致病害严重发生，温度过低造成作物生长缓慢，结果种植成效不理想，进而影响农户的生产积极性。将氢电综合发电系统应用在温室和大棚中，可保证供电充足，使大棚内各个自动化系统均能正常运转，可以有效改善上述情况。

以火龙果大棚种植为例，氢电综合发电系统在其中的应用如图4所示。氢电综合发电系统产生的电能具体可用于以下方面：①土壤温湿度检测传感器与土壤氮磷钾检测传感器检测发现土壤湿度与肥力不足时，氢电综合发电系统产生的电能可以保障水肥一体机的自动灌溉系统正常运转，为火龙果生长提供所需的水分与营养；②当温度监控仪检测发现大棚内温度不足时，氢电综合发电系统产生的电能可以保障温度调节系统正常运转，调节室温，以维持火龙果生长所需温度；③空气湿度监控仪检测发现棚内空气湿度较高时，氢电综合发电系统产生的电能可以保障通风系统正常运转，调节大棚内的湿度；④光强监控仪发现棚内光照不足时，氢电综合发电系统产生的电能可以保障光强调节系统正常运转，为火龙果生长提供充足的光照［4］。

图4 氢电综合发电系统在火龙果大棚种植中的应用

与传统的温室和大棚种植相比，应用氢电综合发电系统的温室和大棚种植具有以下优势：①节省电费，降低种植成本；②有助于调控温室和大棚内温度、湿度、光照、水肥等条件，为火龙果的生长提供良好的环境，使得成熟的火龙果外观更美观、味道更甜，大大提高火龙果的产量和质量，同时提高农户的收入；③可以作为附近中小学校社会活动实践点，开发建设生态园区，将现代化科技和产业多样化形式展现给当地学生、教师及家长等，并讲解相关原理和知识，增强人们的科技意识，提高人们的科技素质。

3.3 畜牧业生产应用

目前，我国畜牧业发展面临着巨大挑战：①畜禽养殖环保标准有所提高，养殖行业资本门槛不断提高，散养农户利润较以往下降了很多；②畜禽粪便污染、养殖环境不达标、动物疫病防控难度大、粪污处理成本高、资源浪费严重等问题直接影响畜牧业健康发展。随着国家加强环境污染治理，部分处于禁养区或者生态敏感地区的养殖场已相继关停。因此，养殖场做好环境治理工作至关重要［5］。而将氢电综合发电系统应用在畜牧业生产中，可减少养殖环境不达标、粪污处理成本高、资源浪费严重等问题的发生。

以养猪业为例，氢电综合发电系统在其发展中的应用如图5所示。氢电综合发电系统产生的电能，一是可以用于自动清洗设备，使猪舍环境保持干净；二是可以通过温变监控仪用于通风系统，及时给猪舍通风、降温；三是可以用于饲喂系统；四是可以用于粪便干湿分离机，使粪便干湿分离，湿粪便可运入沼气池产生沼气供家庭使用，干粪便可作为肥料用于农作物种植。

图5 氢电综合发电系统在养殖业中的应用

与传统的畜牧业相比，应用氢电综合发电系统具有以下优势：①减少高额的电费，节约劳动力，使养殖成本大大降低；②使养殖环境更加干净、卫生，降低畜禽死亡率；③通过粪便干湿分离机，使得粪便干湿分离，减轻环境污染，同时提高资源利用率；④可发挥示范带头作用，提高养殖生产率，推动养殖业结构调整，带动农民发家致富。

4 结语

笔者研发的氢电综合发电系统应用范围较广，在各种光照条件下均可使用，光能利用效率高，而且在任何条件下都能持续性供电，具有较好的应用前景。氢电综合发电系统的研究与应用可满足农村居民生活、生产用电需求，符合我国绿色发展理念，规模开发应用后可推进我国“双碳”目标的实现。