电氢氧热渔光互补系统设计

朱 倩, 刘祎琳, 王希平, 赵青松

(1.北京市公用工程设计监理有限公司, 北京 100124; 2.北京市燃气集团有限责任公司第四分公司, 北京 100176; 3.河北水利电力学院, 河北 沧州 100190)

1 概述

北方沿海地区滩涂遍布,适合水产养殖,但夏天阳光直射不利于某些鱼类生长,需要搭建遮阴棚或养殖水草遮阴,增加成本和养殖难度。在深秋、冬季和次年的4月之前,海水温度比较低,无法开展水产养殖生产。在开放性的水产养殖池塘内,水体的耗氧量非常大,需要设置增氧压缩机等养殖设备,停电易导致发生水产死亡的严重养殖事故。为了安全生产,降低养殖风险,目前的水产养殖密度不高,单位面积的水产养殖效益非常有限。

渔光互补是指渔业养殖与光伏发电相结合,在鱼塘水面上方架设光伏板阵列,光伏板下方水域可以进行鱼虾养殖,形成上可发电、下可养鱼的发电新模式。但目前不少已建成的渔光互补项目,占用了养殖池塘的面积,造成了养殖水产喂食和捕捞困难,降低了水产的产量[1]。

近年来,大规模光伏电站不断并网发电,但光伏发电功率具有随机性和波动性[2-3]。采用光伏发电电解制氢可实现就地储存电能,很好解决白天光伏发电的消纳问题。在夜晚利用电网谷电制氢,可以保证制电解制氢工艺的连续性。因此,光伏发电电解制氢起到了电力削峰填谷的作用[4-5]。

氢能具有来源广、能量密度高、零碳排放、易储存等优点[6-7]。电解制氢工艺过程中大量的副产氧气和余热[8-10],正是水产养殖所需要的宝贵资源。在渔光互补项目中,充分利用电氢氧热等多种能源,在进一步提高单位面积土地价值的同时,有利于促进渔业生产和节能减排,具有重大的经济价值和社会效益。

本文介绍电氢氧热渔光互补系统设计,对系统技术经济性进行分析。

2 渔光互补系统设计

2.1 渔光互补系统

随着我国近海渔业资源的枯竭,利用滩涂进行水产养殖是提高沿海地区渔民收入、增加水产品供应、丰富居民菜篮子的有效途径。目前,我国的滩涂水产养殖大多为开放式养殖,管理比较粗放,养殖的品种比较单一,且受天气影响比较大,尤其是北方地区,当水温低于15 ℃时,渔业生产基本停止,严重限制了水产养殖[11]。

本研究在沿海滩涂上建设养殖池塘,池塘四周建设围墙并搭建大棚。大棚具有一定的保温和透光效果,为水产养殖提供一个相对封闭的环境,降低外界环境的影响。电氢氧热渔光互补系统见图1。

图1 电氢氧热渔光互补系统

大棚的棚顶一侧设置光伏板,另外一侧设置透光板,允许阳光进入养殖池塘内,为养殖池塘微生物提供阳光和照明。这种设计可以根据各地的光照灵活调节光伏板的设置比例,保障水产养殖生产。

在养殖大棚的侧面设置排风机,调节大棚内的空气流动,保障水产养殖环境温度。在养殖池塘上方设置补光灯,在恶劣天气、夜晚为养殖池塘补光,增加水产的采食时间,提高水产的产量。

2.2 光伏系统

按照自发自用、余电上网原则运行。电解制氢装置优先使用光伏发电,不足部分由电网补充。当光伏发电超过电解制氢装置需求时,剩余部分上网。光伏板产生的直流电经逆变器转变为交流电,给补光灯、排风机等供电,部分经整流器转变为直流电供电解制氢装置,剩余部分上网。电解制氢装置产生的副产氧气通过增氧压缩机送入养殖池塘内,提高水体含氧量。电解制氢装置余热用于池水加热,冬天也能进行水产养殖生产。

2.3 电解制氢系统

电解制氢装置是将电能转变氢能的核心装置,采用国内技术成熟的碱性电解制氢装置。受太阳辐照度影响,光伏发电具有波动性和随机性,光伏板发出的直流电波动性较大。为确保电解制氢装置可靠工作,先将光伏发电(直流电)经逆变器转变为交流电,然后经整流器变为直流电,供给电解制氢装置。夜间以及白天光伏板发电量不足时,电解制氢装置由电网补电。

电解制氢的产品是氢气,氢气从电解制氢装置出来后储存到氢气储罐内,然后通过管道运输销售。副产氧气从电解制氢装置出来后储存到氧气储罐内,然后通过增氧压缩机,将氧气送入养殖池塘内,提高水体含氧量。电解制氢装置在制氢过程中,需要及时将产生的热量导出,以避免催化剂高温失效。这部分余热可用于提高养殖池塘的水温,增加水产的采食活性,提高水产的产量,从而在冬季实现水产养殖。

3 技术经济性分析

3.1 技术分析

电氢氧热渔光互补系统实现了多种能源的高效利用,白天利用光伏发电电解制氢,降低了光伏发电弃光率。养殖池塘大棚为光伏板提供了安装位置,实现了分布式发电,光伏发电和电解制氢又促进了水产养殖产量的提高。

集约利用了养殖池塘大棚安装光伏板。在夏季,光伏板既实现了光伏发电,又为养殖池塘提供了部分遮阴,增加了养殖水产的活性,延长了采食时间,可以缩短养殖期,提高产量。在冬季,大棚为养殖池塘提供了必要的保温措施,为冬季开展水产养殖提供了必要的条件。

光伏发电电解制氢和氢储存技术实现了电力削峰填谷,提高了制氢经济性。电解制氢的副产氧气和热能,可为水产养殖提供必要的氧气和热量,提高养殖密度和产量,可养殖经济性更高的热带水产。实现了水产的多批次养殖,提高水产养殖效益。

3.2 经济性分析

某6 000 m2养殖池塘建设电氢氧热渔光互补系统,总投资940×104元。渔光互补系统日耗电量为20 400 kW·h/d,光伏发电量为8 130 kW·h/d,需要从电网购电12 270 kW·h/d。年运行时间按365 d计算,电网合约电价为0.27 元/(kW·h),年电费约120.92×104元/a。出售氢气年利润为312.88×104元/a。每年可进行3次水产养殖,与增设电氢氧热渔光互补系统前相比年利润增加81×104元/a。经计算,3.44 a可收回投资。

4 结语

电氢氧热渔光互补系统实现了多能互补。水产养殖池塘为光伏板的安装提供了位置,光伏板为养殖池塘水池提供了部分遮阴,冬季提供必要的保温措施。光伏发电电解制氢降低了弃光率,实现了电力削峰填谷,电解制氢装置的副产氧气和余热促进水产养殖价值的提升。电氢氧热渔光互补系统技术可行、经济性合理。