風氫互補發(fā)電系統(tǒng)構建初探

徐 曄，陳曉寧

(解放軍理工大學，南京 210007)

1 前言

發(fā)展風力發(fā)電是我國解決能源危機的重要戰(zhàn)略方針，將風力發(fā)電與常規(guī)電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)是大規(guī)模利用風電最經(jīng)濟的方式，但風電場與電力系統(tǒng)并網(wǎng)還存在若干技術難關，增強電網(wǎng)接納風電的能力，對發(fā)展超大型風電場解決技術瓶頸問題具有重要意義。

超大風力發(fā)電場與電力系統(tǒng)并網(wǎng)的關鍵問題就是解決風電場功率輸出不平穩(wěn)及電壓波動問題。這一問題也是風電場接入電力系統(tǒng)的技術瓶頸問題。風是自然現(xiàn)象，完全是隨機的，風電場的出力具有間斷性和不可控性，然而電力系統(tǒng)每時每刻都必須保持發(fā)電量與用電量的平衡，十分強調可控性，一旦風電并網(wǎng)，其出力的不可預測性必然對電力系統(tǒng)造成不良影響，如果風電場的容量大到一定程度，甚至會危及整個系統(tǒng)安全。

改善風電場出力的不可控性，平穩(wěn)風電場的功率輸出是提高電網(wǎng)接納風電容量的主要途徑。局部風電場的發(fā)電機出力是完全不可控的，但超大風電場的發(fā)電機總出力將呈現(xiàn)某種統(tǒng)計規(guī)律，是具有“波峰”、“波谷”上下波動的曲線。文章提出并構建了風氫互補發(fā)電系統(tǒng)的方案，即將“波谷”對應的可控出力作為風電場能保證恒定輸出的功率，“波峰”至“波谷”之間對應的不可控的出力，采用“波峰”制氫進行“削峰”、“波谷”氫氣發(fā)電進行“填谷”的方式進行平衡。并以如東風電場為例進行了實例分析與計算。

2 風氫互補發(fā)電系統(tǒng)的組成與工作原理

2．1 系統(tǒng)總體方案與組成

風氫互補系統(tǒng)由裝有大量風力發(fā)電機的大型風電場、制氫站、儲氫設備、氫能發(fā)電站組成，如圖1所示。

風力發(fā)電是將機械能轉換為電能。自然界的風速是隨機變化的，風力機所產(chǎn)生的電能時大時小，風電場的出力極不穩(wěn)定。當風電場的出力較大時，可以消耗電能制氫，通過制氫站的設備(制氫單元)將電能轉換為氫氣儲存在儲氫設備(儲氫單元)中，當風速很小或無風的時候，再將存儲起來的氫氣供給氫能發(fā)電站，將氫氣的化學能再轉換為電能，調節(jié)和補償由于風速的波動而引起的風電場出力的波動，起到削峰填谷的作用，使整個發(fā)電系統(tǒng)能夠輸出平穩(wěn)，消除因大規(guī)模開發(fā)風能而對電網(wǎng)產(chǎn)生的不良影響。

圖1 風氫互補發(fā)電系統(tǒng)的組成示意圖Fig．1 Composition diagram of the w ind and hydrogen power electric generating system

2．2 制氫與儲氫系統(tǒng)

2．2．1 制氫方式的選擇

當今工業(yè)上大規(guī)模制氫方法主要有甲烷蒸汽重整(SMR)和電解水制氫。甲烷蒸汽重整是目前最經(jīng)濟的大規(guī)模制氫方法，但其消耗大量化石燃料，產(chǎn)生大量二氧化碳。

電解水制氫方法主要有3種:常規(guī)堿性、固體聚合物電解(SPE)及固體氧化物電解池(SOEC)電解制氫。常規(guī)堿性電解水制氫技術成本較高，總制氫效率較低，發(fā)電過程也是消耗化石燃料，排放二氧化碳。

固體氧化物電解水制氫系統(tǒng)制氫效率約是堿性電解制氫系統(tǒng)總制氫效率(約25%)的2倍多，SPE電解制氫系統(tǒng)(約35%)的1．5倍，是目前已知最高效率的制氫系統(tǒng)，最有希望滿足未來風電場大規(guī)模、可持續(xù)、清潔、高效的制氫要求。

2．2．2 SOEC電解水制氫系統(tǒng)效率

電解水制氫過程實際上是一種能量轉換過程，即將一次能源轉換為能源載體氫能的過程。因此電解水制氫系統(tǒng)組成主要由一次能源系統(tǒng)和電解池系統(tǒng)組成，如圖2所示。

一次能源系統(tǒng)輸出電能(ΔG)和高溫熱能(Q)至SOEC電解池系統(tǒng)，在電能和高溫熱能的共同作用下，將水蒸氣電解生成氫氣和氧氣。

電解水制氫所需的總能量(ΔH)來源由電能(ΔG)和熱能(Q)構成，即:

由于電解制氫過程本質上是將一次能源轉化為二次能源(能源載體)的過程，因此電解水制氫系統(tǒng)效率定義為:在電解制氫過程中，制備所得二次能源(氫氣)的能量含量與制氫過程所消耗的一次能源的能量含量之比。則電解制氫系統(tǒng)總制氫效率模型建立如下。

圖2 電解水制氫系統(tǒng)組成示意圖Fig．2 Com position diagram of the system of hyd rogen generated by electrolysing waters

電解水制氫過程中，所需的總能量Qt(一次能源系統(tǒng)提供)為:

式(2)中，Qth為電解池所需的熱能;Qel為產(chǎn)生電解池所需電能消耗的熱能?？傻茫娊馑茪湎到y(tǒng)的總制氫效率為:

式(3)中，ΔHH為氫的焓值。

SOEC電解池在電解過程中所消耗的能量由電能和高溫熱能兩部分組成，其總制氫效率［1］為

式(4)中，ηth為SOEC電解制氫系統(tǒng)熱效率，包括一次能源系統(tǒng)與電解池系統(tǒng)之間系統(tǒng)的熱損失、電解池系統(tǒng)自身的熱損失及電解池系統(tǒng)熱循環(huán)利用效率等。

SOEC電解池的工作溫度較高，水蒸氣分解所需的總能量ΔH由電能ΔG和高溫熱能Q構成。電解所需電能ΔG隨著溫度的升高而降低，溫度由100℃升至1 000℃時，電能ΔG占電解過程所需的總能量(ΔH)比重由93%降至約70%，從而提高了系統(tǒng)總制氫效率。另外，高溫條件下電解，使電解池的極化、傳質等能量損失顯著降低，可使SOEC電解效率高達90%以上。

由于SOEC工作溫度為800～950℃，所以一次能源系統(tǒng)一般采用可同時提供電能和高溫熱能的高溫氣冷反應堆(HTGR)。HTGR出口溫度約為750～950℃，若采用先進的氦氣透平發(fā)電技術，其發(fā)電效率可高達42%～47%。將高溫氣冷堆作為SOEC電解水制氫系統(tǒng)的一次能源，并假定SOEC電解水制氫系統(tǒng)的電解效率和熱效率均為90% ，則由電解制氫系統(tǒng)總制氫效率式(4)可計算得出實際SOEC電解水制氫系統(tǒng)的總制氫效率。

2．3 氫能發(fā)電系統(tǒng)

2．3．1 氫能發(fā)電方式的選擇

氫能發(fā)電的主體是燃料電池，其工作原理相當于水電解的“逆”過程，其結構主要由4部分組成:陽極、陰極、電解質和外部電路，如圖3所示。陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所。通常，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，以加速電極上發(fā)生的電化學反應。其反應過程如下:

1)氫氣通過管道或導氣板到達陽極。

2)在陽極催化劑作用下，一個氫分子分解為兩個氫原子，并釋放出兩個電子。陽極反應為:

圖3 PEMFC工作原理示意圖Fig．3 W orking principle diagram of PEMFC

3)氫質子穿過質子交換膜到達陰極，電子通過外電路也到達陰極(質子交換膜只能傳導質子)，在陰極催化劑的作用下，氧分子與氫質子和電子還原生成水。陰極反應為:

總的化學反應如下:

當電子通過外電路流向陰極時就產(chǎn)生了直流電，只要保證物質供應的連續(xù)性，就可以保證能量輸出的連續(xù)性。燃料電池種類繁多，按照電解質類型分為:堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC，也稱固體高聚合物電解質燃料電池)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)等。

2．3．2 氫能發(fā)電站的組成

PEMFC發(fā)電站由PEMFC發(fā)電機和氫氣儲存裝置、空氣供應保障系統(tǒng)、氫氣安全監(jiān)控與排放裝置、冷卻水庫和余熱處理系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及電站自動化系統(tǒng)構成，如圖4所示。

氫氣存儲裝置為發(fā)電機提供氫氣，其儲量按負荷所需發(fā)電量確定。氫氣安全監(jiān)控與排放裝置是氫能發(fā)電站的一個特有問題，由于氫氣是最輕的易燃易爆氣體，氫氣儲存裝置、輸送管道、閥門管件、PEMFC電堆以及電堆運行的定時排空都可能引起氫氣泄漏，為防止電站空間集聚氫氣的濃度超過爆炸極限，必須實時檢測、報警并進行排放處理。

氫氣安全監(jiān)控與排放消除裝置由氫氣敏感傳感器、監(jiān)控報警器及排放風機、管道和消氫器等組成，傳感器必須安裝在電站空間的最高處。冷卻水箱或余熱處理系統(tǒng)是吸收或處理PEMFC發(fā)電機運行產(chǎn)生的熱量，保障電站環(huán)境不超溫，特別是將余熱進行再利用，如與燃氣輪機配合實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供，可大大提高燃料利用效率。

圖4 PEM FC發(fā)電站組成示意圖Fig．4 Com position diagram of PEMFC power p lant

電氣系統(tǒng)根據(jù)整體供電方式和結構對PEMFC發(fā)電機發(fā)出電力進行處理后與電網(wǎng)并聯(lián)運行或/和直接向負載供電。電站自動化系統(tǒng)是為保障PEMFC發(fā)電站正常工作、可靠運行而設置的基于計算機參數(shù)檢測與協(xié)調控制的自動裝置，是PEMFC電站信息化、智能化的核心。

2．3．3 氫能發(fā)電站的效率

燃料電池在將燃料的化學能轉化為電能的過程中必然會造成部分能量損失，能量轉換效率直接反應能量損失的大小。

根據(jù)熱力學的法則，燃料的化學能不可能完全轉化為電能。

燃料氫H2的總能量可用焓H表示，它包含吉布斯自由能G與不可用能TS。當系統(tǒng)在定溫、定壓的條件下，發(fā)生化學反應時，自由能變化量可以寫成:

對于以氫氣作為燃料的電池反應，TΔS是不可能轉變?yōu)殡娔艿?，電池所能提供的最大電能即是反應的吉布斯自由能變ΔG，則此時燃料電池的效率為理想效率:

式(9)中，ΔG為燃料電池反應的標準生成吉布斯能變，kJ/mol;ΔH為燃料電池反應的標準生成焓變，kJ/mol。

對于標準狀態(tài)(298 K，101 325 Pa)，查熱力學物理手冊可知ΔG和ΔH的值。

燃料電池的理想電勢:

式(10)中，n為反應電子數(shù);F為法拉第常數(shù)。

在實際電池中，燃料的化學能是不可能完全轉變?yōu)殡娔艿?，當燃料電池工作時，電極上會發(fā)生一系列物理與化學變化過程，如氣體擴散、溶解、吸附、脫離、析出等。為使電板上的反應能夠持續(xù)進行，就必須消耗自身的能量去克服這些阻力，電極電勢就會偏離理想電勢En，出現(xiàn)極化現(xiàn)象。根據(jù)產(chǎn)生極化的原因不同，可以歸納為3種:a．活化極化;b．濃度極化;c．歐姆極化，因此，燃料電池的工作電壓為理想電壓減去所有極化造成的電勢:

式(11)中，i0，RΩ，B 與 b統(tǒng)稱為 Tafel參數(shù);iL為限制電流密度;i0為交換電流密度;RΩ為燃料電池的全部阻抗。iL，i0和RΩ可從實驗中直接測量，B和b可從燃料電池極化曲線經(jīng)擬合確定。

現(xiàn)假定電池反應的焓變可以完全轉化為電能，則電池的電壓為:

燃料電池的效率

如果燃料的利用率為μ，則燃料電池的效率為:

氫能發(fā)電系統(tǒng)除燃料電池外，還包括燃料與空氣循環(huán)系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)以及電能變換系統(tǒng)，所有這些輔助系統(tǒng)所消耗和損失的能量用Wloss表示，Wloss對

這種蕭散空靈，含蓄內斂的小楷特點并不是呆滯的含蓄，而是帶有一種拙而有趣的字態(tài)，王世貞曾評王寵書法：“雖結法小疏，而天骨爛然姿態(tài)橫生”[2]。這種拙趣主要受明中期刻貼的影響，整幅作品筆畫應勢而變，或端或長，筆畫之間的短處無不體現(xiàn)這種拙趣。

2．4 互補發(fā)電系統(tǒng)

2．4．1 風氫互補發(fā)電系統(tǒng)的結構

風氫互補發(fā)電的核心是“削峰”、“填谷”，即將風力發(fā)電高峰期多余的電能用于制氫儲氫，再將儲存的氫能發(fā)電來補充風力發(fā)電低谷期不足的電能。因此設計風氫互補發(fā)電系統(tǒng)的結構由風力發(fā)電、制氫儲氫、氫能發(fā)電3大子系統(tǒng)以及控制器構成，如圖5所示，其中控制器用于控制開關K1，K2，當風力發(fā)電波峰時開關K1閉合，K2打開，多余的電能制氫儲氫;波谷時開關K1打開，K2閉合，氫能發(fā)電補，并網(wǎng)至電力系統(tǒng)，以補充風力發(fā)電不足部分的電能。應的電壓損失為Eloss，則氫能發(fā)電站的效率［2］:

圖5 風氫互補發(fā)電系統(tǒng)的結構示意圖Fig．5 Structure diagram of the w ind and hydrogen power electric generating system

3 風氫互補發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量配比計算步驟

1)收集當?shù)仫L能資源和其他天氣及地理環(huán)境數(shù)據(jù)(如經(jīng)、緯度及海拔;每個月份的風速、風向、年風頻數(shù)據(jù)、年最長持續(xù)無風天數(shù)、年最大風速及發(fā)生月份，韋布爾分布系數(shù)等)，預測調度時段內風電場每日的日平均發(fā)電量Wi，計算調度時段內日平均發(fā)電量的總平均值Wav。

2)確定風氫互補發(fā)電系統(tǒng)能恒定輸出的日發(fā)電量WC:

式(16)中，Wloss為制氫及氫能發(fā)電過程中由制氫效率與氫能發(fā)電效率引起;ηε為能量裕度;ημ為制氫、儲氫及氫能發(fā)電過程中因泄露等原因造成的能量損失;ΔW為調度因子，由調度要求及儲氫量決定。

3)根據(jù)調度時段內的總盈余發(fā)電量計算所能產(chǎn)生的氫氣量Q。

調度時段內的總盈余發(fā)電量:

式(18)中，ηt為制氫效率;ρ為每度電的制氫量，m3/(W·h)。

目前通過電解水裝置制得1 m3氫氣的實際電能消耗為4．5 ～5．5 kW·h。

4)確定調度時段內氫能發(fā)電站需要補充的發(fā)電量及所需要的氫氣量。計算調度時段內氫能發(fā)電站需要補充的發(fā)電量Wq

式(19)中，Wi為第i天風電場的日平均發(fā)電量預測值。計算生產(chǎn)Wq所需要的氫氣量Qq

式(20)中，μ為生產(chǎn)每度電所需要的氫氣量，m3/(W·h);ηsys為氫能發(fā)電站的效率。

理論上，燃料電池陽極上每一個氫分子反應后可以釋放兩個電子，1個電子帶1．602×10－19C的電量，而1mol電子相當于6．022×1023個電子，因此1 mol電子則帶有964 87 C電量，由此可計算生產(chǎn)1 度電需要的氫氣量為 0．643 4 m3［3］。

5)確定氫能發(fā)電站的容量。風氫互補發(fā)電系統(tǒng)可以在3種模式下運行，即:a．風電場獨立向電網(wǎng)發(fā)電，即Wi≥ WC時;b．風能及氫能聯(lián)合向電網(wǎng)發(fā)電，即0＜Wi＜WC時;c．氫能發(fā)電站獨立向電網(wǎng)發(fā)電，即Wi=0時。

風氫互補發(fā)電系統(tǒng)工作在c模式下的連續(xù)時間，也就是氫能發(fā)電站滿負荷連續(xù)發(fā)電的時間，由此可計算氫能發(fā)電站的總裝機容量:

式(21)中，λ為設備利用率。

4 案例計算

如東風電場位于江蘇如東海岸上，有環(huán)港和凌洋兩個風電場，共有39臺1．5 sle/50 Hz風力發(fā)電機組，每臺風機額定輸出功率為1 500 kW。圖6為如東風電場2008年1—9月的月發(fā)電量。從圖6可知，由于氣候原因，每月的發(fā)電量變化較大，因此選擇的調度周期不能太長，考慮到能可靠預測發(fā)電量的時間周期，選擇調度周期為7天。圖7為如東風電場2008年9月的日發(fā)電量，現(xiàn)以7天為一周期，將其分為4個調度周期，由公式(16)至(20)計算出每個周期的周平均發(fā)電量Wav、周恒定輸出的日發(fā)電量WC、周總盈余發(fā)電量WΣ、周制氫量Q、氫能發(fā)電站的發(fā)電量Wq如表1所示。

圖6 2008年1－9月如東風電場的發(fā)電量Fig．6 Electric energy production in the Rudongfeng Power Plant from January to September in 2008

圖7 如東風電場2008年9月的日發(fā)電量Fig．7 Day output of electric energy in the Rudongfeng Power Plant in September 2008

表1 如東風電廠發(fā)電量值Table 1 Generating m agnitude of Rudongfeng Power Plant

分析計算結果可以得出:

1)文章提出并構建的風氫互補發(fā)電系統(tǒng)方案可以使整個發(fā)電系統(tǒng)在某一時段內保持平穩(wěn)出力，緩解風電場由于負荷的波動而對電網(wǎng)電壓和頻率造成的不利影響。

2)在儲氫容量允許的范圍內，風氫互補發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量可以根據(jù)電網(wǎng)調度要求進行調整，改善風電場發(fā)電量不可控的問題。

3)通過適當調整調度因子，可以保證在調度周期內利用周總盈余發(fā)電量WΣ生產(chǎn)的氫氣量Q滿足氫能發(fā)電站“填谷”所需要的氫氣量Qq。

4)9月份的最大日恒定輸出的發(fā)電量WC=795 760 kW·h，按公式(21)的計算，并考慮一定的裕度，氫能發(fā)電站的容量應在40 MVA，大容量氫能發(fā)電站的建設還有待于燃料電池技術的實用化進程。

5 結語

文章從理論上構建了一種新型的風氫互補發(fā)電系統(tǒng)，采用“波峰”制氫進行“削峰”、“波谷”氫氣發(fā)電進行“填谷”的方式平衡風電場的出力波動，使得整個互補系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的出力，解決由于風速的隨機性和波動性造成大規(guī)模開發(fā)風電時，風電場負荷的波動對電網(wǎng)電壓和頻率造成的不利影響。解決由于風能大規(guī)模開發(fā)所帶來的負荷波動問題，該方法非常有前景。

因該新型的互補發(fā)電系統(tǒng)在國內外還沒有看到相關的研究文獻，此處只是做一個初步的探討。在今后的研究中，將對這一方案的互補發(fā)電系統(tǒng)進行詳細的經(jīng)濟成本分析，探討不同的調度方案對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響，研究互補系統(tǒng)中經(jīng)濟性對主要參數(shù)的敏感性。

［1］ 劉明義，于 波，徐景明．固體氧化物電解水制氫系統(tǒng)效率［J］．清華大學學報 (自然科學版)，2009，49(6):868－871．

［2］ 黃鎮(zhèn)江．燃料電池及其應用［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2005．

［3］ 張文強，于 波，陳 靖．高溫固體氧化物電解水制氫技術［J］．化學進展，2008，20(5):778－787．