风光储氢一体化可再生系统设计与实现

中国能源建设集团科技发展有限公司 蒋星坚

1 引言

在当今社会，能源安全、环境污染和气候变化等问题已成为全球性挑战。在这一背景下，可再生能源的开发和利用成为解决方案的重要组成部分。风光储氢一体化系统作为一种创新的能源转化和储存方式，具有显著的潜力，不仅能够满足能源需求，还能降低对传统能源的依赖，减少对环境的负面影响。基于此，本研究通过深入探讨风光储氢一体化可再生系统的设计，旨在为发展更为可持续的能源系统提供新的思路和方向。

2 风光储氢一体化可再生系统建设背景

随着社会经济的发展和全球气候的变化，石油等不可再生能源利用的降低，使低碳绿色新能源迎来了重要发展时期。目前，我国风电、光伏和氢能等清洁能源发展不断提速，在能源市场的占比也越来越大。在新能源市场中，风能、太阳能作为一种取材方便、经济实惠的清洁资源，一直备受电力单位的关注，风光储氢发电技术也逐渐发展起来[1]。当前，我国在全力发展风光储氢发电技术的进程中，随着氢能产业发展成熟，风、光等可再生能源与氢能、储能融合发展的创新技术将不断涌现，推动风、光、储、氢“同行”时代到来。

不同于传统的风光新能源供电模式，本文所研究的系统，将电解水制氢气作为风、光等可再生资源发电的储能单位，充分利用风、光等资源的同时，降低对市电的依赖，储氢模块的增设进一步减小了风电、光伏波动造成的不稳定因素。此外，该系统的研发和应用，符合国家对低碳生活的相关要求，响应了国家低碳环保的要求，提高了企业的创新度和经济效益，保障了用户的安全可靠用电。在风光等可再生资源发电水平不断提升的基础上，研究如何减小电解水制氢的生产成本，提升发电企业整体利润是未来发展的一个新方向。

3 风光储氢一体化可再生系统设计理论

3.1 太阳能发电技术

太阳能发电又称光伏发电，主要通过光伏电池进行太阳能与电能的转换，光伏电池采用串联或并联方式，以一定的角度在光伏支架上进行设计安装，组成光伏阵列，尽可能地吸收太阳量，并将太阳量转化为直流电，经汇流箱后进入逆变器，在逆变器中逆变为交流电后，输送到主电网中。但受昼夜光照影响，存在光伏出力不稳定、发电有间歇性现象。

3.2 风能发电技术

与太阳能发电技术相似，风能发电技术是另一种重要的可再生能源形式。风能发电主要依赖风力驱动风力发电机，利用自然界风能，先将其转换为机械能，最终转变成电能。风力发电机通常安装在高大的风力发电塔上，以便更好地捕捉高空中的风能。风力发电的方式，风能被有效地转化为电力，从而为电力系统提供清洁能源。风力资源取材较为方便，是一种可以长期反复利用的能源。然而，风能与太阳能类似，受季节、气候及地理位置等因素的影响，风能发电也存在一定的波动性。风速的变化导致风力发电机输出电力的不稳定性，影响整个电力系统的平稳运行，故需要根据风力大小及刮风时间对发电系统进行适当合理的控制。因此，在风能发电技术中，如何应对风速波动、提高风力发电机的效率以及解决发电的间歇性问题，成为需要深入研究和解决的关键问题。

3.3 风光储氢联合发电技术

风光储氢联合发电单元一般包括风力发电模块、光伏太阳能发电模块及制氢储能模块等。首先，利用风能、太阳能可以实现能源互补，充分利用等优势。在炎热的夏季，太阳光辐射强导致光伏的发电出力较高，但风力强度较弱导致风电机组的出力小。相反，在严寒的冬季，太阳辐射弱导致光伏的发电出力较小，风力强度较大导致风电机组的发电出力大。从每日看，白天日照强、风力较小，故光伏发电比风机的发电出力多；而在晚上没有日照、风力较大，故夜晚只有风机发电。在科学合理调配风能、太阳能发电容量的前提下，可以很大程度上降低风光综合发电的波动性。其次，为克服光伏发电和风力发电的不稳定性，引入储能手段可以解决这个问题。氢能作为一种清洁安全、灵活高效的二次能源，是一种绿色高效的能源储存和流通载体，既可以形成独立供应和应用体系，又能够与电相互转换、耦合发展，并能够在电网、热网、气网之间形成有效的协同互补，增强能源系统的安全性。总之，储氢技术的应用有助于解决风能和太阳能发电的间歇性问题，使得系统能够在需要时释放储存的能量，从而提高整体的能源利用效率。同时，储氢技术也为系统提供了一种灵活的能量储备手段，能够应对电力需求的波动性[2]。

4 风光储氢一体化可再生系统设计

4.1 系统设计

以风光储氢一体化为基础理念，对光伏发电、风力发电、储能、制氢等进行综合调配，使各项资源得到充分利用，不断优化风光储氢的一体化生产和能源可再生利用方式，提升系统运行水平，其工作原理如图1所示。

图1 风光储氢一体化可再生系统工作原理

该系统的主要特征为：在一体化可再生系统设计过程中，加入了储能制氢模块，基于对系统供电情况动态监测数据，实时判别风光等可再生资源的发电条件，精准控制系统供电的优先级，有效克服风能、太阳能等发电过程中出现的波动性、间歇性等问题，保证可再生系统输出功率的平稳性，一定程度上降低了风光等可再生能源供电不稳定对整个电网运行造成影响。

由图1可知，当外界风力充足情况下并且风机发电时，通过交直流转换装置后进行转换，然后经UPS 逆变器后供给项目自身的局域电网中负载使用，剩余电量可以并入大配电网，也可以提供给制氢设备进行电解水制氢，将多余电量进行存储。当外界太阳辐射充足情况下，通过屋顶光伏矩阵中的光伏电池，充分吸收太阳量，并将太阳量置换为直流电，经交直流转换装置后流入UPS 逆变器，供给项目自身的局域电网中负载使用，剩余电量途径与风力充足时供电流程一致，在风力及光伏发电不给力时，储能模块会开始启用，输出的电能经过交直流逆变器后，可以实现与电网的双向互通，保证系统可以正常工作[3]。

制氢设备中的储氢模块可以由氢燃料电池充当。一般情况下，电解水制氢可以依据外界风力及太阳能辐射发电的出力状况动态进行相应的调整。风光发电出力变化率较高时，可以借助储能及制氢设备起到一定的平衡效果。风光发电出力满足制氢设备电解水制氢最低负荷时，制氢设备的负荷跟随风光发电出力情况实时变动调节，利用储能系统充放电完善电网削峰填谷的能力，保证输出功率的稳定性。风光发电出力未满足电解水制氢设备工作的最低负荷时，倘若残存的氢气能够满足自身合成氨的流程，则制氢系统继续运行，否则，制氢系统暂停。

该风光储制氢系统的工作控制逻辑关系如图2所示，主要有自动发电控制、综合智能控制、自动电压控制等，以生产储能及输出功率控制为重心，通过对风电机组、光伏输出功率的预估，联合储能模块，实现功率稳定输出的目的。系统采用SCADA技术[4]，分析历史数据，结合气象资料对功率进行预测，根据负荷需求制定次日生产计划，实时控制光伏、风机、储能设备的运行模式，保证系统功率曲线平滑稳定。其中，综合智能控制系统作为核心控制单元，可以全天24h 实时采集数据，动态监测系统电量的分配状态，根据外界风力、太阳能、氢能等条件时刻控制不同供电模块工作的优先级顺序，若发现异常情况，迅速上传到通信网络，经过计算机处理，及时诊断出系统存在的潜在隐患并进行报警，为设备检修提供有力支撑，有效保证后期系统的供电质量。

图2 风光储氢一体化系统控制逻辑

该系统主要是实现对整个风电等可再生资源发电输出功率曲线的优化，减少不稳定因素对总电网运行所造成的不良影响。在储氢制氢模块的搭配使用下，可以充分提高配电网对风能、太阳能的吸收和接纳能力，配合能量存储系统的科学调节负荷分布功能，进一步完善电网削峰填谷的能力，有效缓解风能、太阳能由于气候和天气对发电系统造成的供电出力间歇性、不连续性，提升居民用电体验。

4.2 系统应用及相关配置

以小规模用电基站应用场景为例，为充分利用风能与太阳能资源提供电源给制氢设备进行电解水制氢。在满足生产安全的前提下，结合投资成本、机组效率与使用情况等多种因素进行综合衡量，可以在基站的厂房屋顶配置光伏太阳能发电装置，并搭配相应规格的制氢设备，常见系统应用配置见表1[5]，倘若是0.3～0.6kW 的小规模用电基站，优先使用风力、太阳能光伏供电，配置的储备氢能瓶一般为5～15个，数量相对较少；倘若是1.5～3kW 的功率较大的用电基站，对系统供电的安全可靠性要求较高，必须科学提高新能源系统储氢单元、风电控制器、太阳能光伏控制器以及储氢瓶数量，以便更好地实现对基站供电。经试验，该系统每年生产的氢气纯度符合国家氢气生产行业标准，满足相关企业的使用要求，从根本上保证电能输出的连续稳定，具有较高的应用价值。该系统新增了储能制氢的环节，克服了传统风力发电输出电能不稳定的缺点，保证发电系统功率输出平稳无冲击，有效增强电力网络运行的安全可靠性。

表1 常见系统应用配置

5 结语

本文从风光储氢技术融合应用背景入手，介绍了风光储氢一体化可再生系统的设计理论，设计了风光储氢一体化可再生系统，包含风力充足情况下的风机供电、太阳辐射充足情况下的光伏供电以及制氢模块制氢等，根本上保证风光储氢发电设备的安全平稳运行，为风光储氢发电一体化技术提供参考。本文的成果不仅有望推动可再生能源技术的发展，还为解决全球能源与环境问题提供了实际可行的方案。在未来的研究中，将继续关注该领域的创新，并致力于进一步改进和优化风光储氢一体化系统，以实现更为可持续的能源未来。