對新能源汽車再生制動技術(shù)的淺析

胡偉銜 陳燕瑜

摘 要：隨著時代的不斷發(fā)展，風(fēng)力、太陽能、潮汐能等可再生能源的應(yīng)用受到的重視越來越高，這不僅僅是因為這類能源儲量近乎無窮無盡，而且具有顯著的環(huán)保性能，對于環(huán)境保護具有重要意義。因此“可再生能源+儲能”是未來能源發(fā)展的必然選擇。本文將就新能源汽車再生制動技術(shù)在可再生能源汽車耗能中的應(yīng)用進行探討分析。

關(guān)鍵詞：新能源汽車再生制動技術(shù);可再生能源發(fā)電;氫發(fā)電技術(shù)

1 前言

近些年來，風(fēng)力、光伏發(fā)電等可再生能源增長迅速，使得我國能源系統(tǒng)難以做到有效的消納，在這樣的情況下，如何將多余的能源儲存起來就成了我國面臨的問題之一。新能源汽車再生制動技術(shù)具有容量大、可調(diào)節(jié)等特征，將其應(yīng)用于可再生能源汽車耗能領(lǐng)域具有十分廣闊的前景。

2 新能源汽車再生制動技術(shù)介紹

進行新能源汽車再生制動技術(shù)介紹，主要可以將研究內(nèi)容總結(jié)為再生制動儲能系統(tǒng)簡介、再生制動儲能系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)分析兩點，具體研究內(nèi)容可以總結(jié)歸納如下：

2.1 再生制動儲能系統(tǒng)簡介

再生制動儲能系統(tǒng)主要由制氫系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)以及氫發(fā)電系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其中制氫系統(tǒng)的主要作用是將利用富余的可再生能源電力通過電解水的方法制取氫氣，之后輸送到儲氫系統(tǒng)中進行儲存。在需要的情況下，就可以通過燃料電池發(fā)電技術(shù)將電能輸送到電網(wǎng)中。如圖1所示，為可再生能源和再生制動儲能綜合能源系統(tǒng)。此外，再生制動儲能系統(tǒng)還可以應(yīng)用到氫產(chǎn)業(yè)鏈中的其他領(lǐng)域。該系統(tǒng)利用能量流轉(zhuǎn)的原理使得電網(wǎng)電能質(zhì)量和氫氣的附加價值都實現(xiàn)了大幅度的提升。

2.2 再生制動儲能系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)分析

在再生制動儲能系統(tǒng)中，能量轉(zhuǎn)換和利用循環(huán)的過程中應(yīng)用到了幾項關(guān)鍵性技術(shù)，分別是制氫技術(shù)、儲氫技術(shù)以及氫發(fā)電技術(shù)。

再生制動儲能系統(tǒng)采用的是電解水的制氫技術(shù)，該技術(shù)具有工藝操作便捷、氫氣純度高、無污染等優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。而電解水制氫技術(shù)可以進一步細分為堿性電解法、固體高分子電解質(zhì)電解法以及的高溫固體氧化物電解法。以上三種方法中堿性電解法在工業(yè)中的應(yīng)用最為廣泛，因為其設(shè)備投資成本最低。在具體應(yīng)用的過程中，通常以濃度為25%～30%的氫氧化鉀水溶液作為電解質(zhì)，電極采用鐵、鎳或鎳合金等堿性金屬，工作溫度只需70～80℃，由此可見，堿性電解法應(yīng)用所需的條件很低。相應(yīng)的，使用該方法的電解效率也不高，最高只能達到60%。固體高分子電解質(zhì)電解法采用離子聚合物膜作為固體電解質(zhì)，實現(xiàn)陽離子的傳輸，同時隔離電極，完成純水點解。該方法的工作溫度為80℃左右，電解效率相較于堿性電解法要高出不少，可以達到75%以上，但其成本卻要高出不少，因為電極材料中含有的鉑系金屬價格很高。高溫固體氧化物電解法則是以摻雜稀土金屬氧化物的氧化鋯陶瓷作為電解質(zhì)好，將處于高溫蒸汽態(tài)的電解為氫氣和氧氣。該方法的工作溫度為800～950℃，電解效率在三種方法中居于最高，可以達到95%以上。因此現(xiàn)階段很多研究機構(gòu)都從該方法切入尋求制氫技術(shù)的突破。

其次，儲氫技術(shù)。相較于其他燃料，氫能具有質(zhì)量能量密度大、體積能量密度低的特征，現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的幾種儲氫技術(shù)有高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)、低溫液化儲氫技術(shù)以及金屬固體儲氫技術(shù)。其中高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)是對氣態(tài)氫氣進行儲存，這是最常規(guī)的一種方式。該技術(shù)對氫氣儲存容器具有較高的要求，因為氫氣儲存量和壓力成正比，現(xiàn)階段國外應(yīng)用較廣泛的容器為碳纖維復(fù)合鋼瓶，其壓力為15～35MPa。需要注意的是，采用該技術(shù)存儲氫氣時涉及到一個氫氣壓縮的中間環(huán)節(jié)，會導(dǎo)致存儲成本的增加。低溫液化儲氫技術(shù)則是利用了氫氣在極低溫度下會液化的物理特征，在液化后氫氣的體積會出現(xiàn)大幅度的縮小，但是其能耗較氣態(tài)也出現(xiàn)了大幅度的增長，且很容易出現(xiàn)汽化逃逸現(xiàn)象，造成損失。因此該技術(shù)的適用范圍相對較為狹窄。金屬固體儲氫技術(shù)是將氫氣和金屬或是合金轉(zhuǎn)化為氫化合物，以此達到氫氣存儲的目的。通過低溫加壓的方式可以使氫氣和鈉鎂鋁等金屬或合金產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，相應(yīng)的，只需對氫化合物進行升溫降壓處理，就可以將其中的氫氣釋放出來。這種儲氫技術(shù)的能耗遠低于低溫液化儲氫技術(shù)，而體積能量密度卻是氣態(tài)和液態(tài)儲氫技術(shù)的數(shù)倍，因此具有廣闊的發(fā)展前景。但在推廣該技術(shù)前，要解決其重量密度低、價格昂貴、材料易中毒等方面的問題。

最后，氫發(fā)電技術(shù)。氫氣具有可燃性，可以通過燃燒發(fā)電，但卻會產(chǎn)生較大的損耗，對此，可以通過燃料電池將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，以此實現(xiàn)發(fā)電效率的提升。以工作溫度作為分類依據(jù)，可以將燃料電池分為低溫燃料電池、高溫燃料電池兩大類，前者包括堿性燃料電池、磷酸型燃料電池高分子質(zhì)子交換膜燃料電池等，后者包括熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化型燃料電池等。

其中高分子質(zhì)子交換膜燃料電池若是以純氫作為燃料具有功率密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、啟動溫度低等優(yōu)點，因此在可再生能源氫能存儲領(lǐng)域受到了越來越多的重視。在該燃料電池應(yīng)用的過程中，質(zhì)子交換膜、膜電極、電催化劑等材料是決定電池性能的關(guān)鍵。而且由于實際生活中發(fā)電規(guī)模很大，燃料電池通常需要組合成電堆，進而形成具有較大容量的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，在這方面還有許多技術(shù)難關(guān)未能突破，例如電堆均一性問題的、電池動態(tài)相應(yīng)輔助技術(shù)等。

3 新能源汽車再生制動技術(shù)在可再生能源汽車耗能中的具體應(yīng)用

3.1 新能源汽車再生制動技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀介紹

很早之前，歐美發(fā)達國家就已經(jīng)注意到新能源汽車再生制動技術(shù)的發(fā)展前景，相繼制定并推行了氫能發(fā)展戰(zhàn)略，經(jīng)過多年的探索實踐已經(jīng)取得了一定的成果。如德國多年來將許多新型新能源汽車再生制動技術(shù)應(yīng)用到商業(yè)領(lǐng)域，同時探索利用風(fēng)能進行大規(guī)模制氫。美國則更加注重燃料電池的發(fā)展，相較過去，美國燃料電池中昂貴金屬的用量出現(xiàn)了大幅度的減少，實現(xiàn)了成本的降低，與此同時燃料電池的循環(huán)壽命也得到了一定的提高，應(yīng)用領(lǐng)域拓展到了公交、移動照明等諸多領(lǐng)域。

和以上發(fā)達國家相比，我國新能源汽車再生制動技術(shù)的發(fā)展則落后許多。雖然我國現(xiàn)如今已經(jīng)是世界上第一大氫氣生產(chǎn)國，但氫氣的應(yīng)用卻局限在石油化工領(lǐng)域。直到2014年，國務(wù)院和國家能源局等相關(guān)部門先后下發(fā)文件，將氫能作為解決新能源消納的新思路，之后新能源汽車再生制動技術(shù)才開始步入快速發(fā)展的軌道，并在可再生能源儲能中得到應(yīng)用。整體上來看，我國新能源汽車再生制動技術(shù)想要達到國際領(lǐng)先水平還需要很長一段時期的努力。

3.2 新能源汽車再生制動技術(shù)的工程應(yīng)用實例

現(xiàn)如今，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)有很多新能源汽車再生制動技術(shù)在可再生能源汽車耗能領(lǐng)域應(yīng)用的工程實例。在國外，德國2011年在勃蘭登堡州的普倫茨勞市建成的世界第一座風(fēng)電—氫氣混合發(fā)電站，其采用了風(fēng)能、氫能和沼氣混合發(fā)電的模式，共設(shè)置了3臺2MW的風(fēng)電機，其中的大部分電能直接并網(wǎng)使用，小部分通過電解水制氫并進行加壓儲存。在需要時，可以和附近啤酒廠的沼氣混合作為燃料進行發(fā)電。除此之外，燃燒產(chǎn)生的熱能還可以用于供暖。儲存的氫能還可以用于燃料電池汽車。再如，法國阿?，m集團在科西嘉島投建的“MYRET”項目則是將光伏發(fā)電和新能源汽車再生制動技術(shù)結(jié)合構(gòu)建再生制動儲能系統(tǒng)，利用系統(tǒng)調(diào)峰和平穩(wěn)作用促進光伏發(fā)電并網(wǎng)。

在國內(nèi)，新能源汽車再生制動技術(shù)在可在可再生能源儲能的應(yīng)用始于2015年在河北和吉林地區(qū)開展的可再生能源制氫示范工作，在那之后新能源發(fā)電和再生制動儲能系統(tǒng)開始飛速發(fā)展。例如，河北張家口依托可再生能源示范區(qū)發(fā)展規(guī)劃，在全市范圍內(nèi)建設(shè)了7000MW的風(fēng)電和500MW的光伏發(fā)電。2016年同濟大學(xué)依托國家科技部“十二五”963項目，集成可再生能源現(xiàn)場制氫、70MPa加氫、90MPA超高壓氫氣壓縮儲存等技術(shù)，在大連建成了國內(nèi)第一座風(fēng)光互補發(fā)電制氫的加氫站。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著世界能源領(lǐng)域的不斷發(fā)展，以清潔能源為主導(dǎo)、能源高效轉(zhuǎn)化利用的新趨勢已經(jīng)逐漸形成?？稍偕茉窗l(fā)電和氫能的結(jié)合具有顯著的優(yōu)勢，能夠很好的解決新時期我國可再生能源消納能力不足的問題。本文深入探討了再生制動儲能系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)，希望可以為我國該領(lǐng)域的發(fā)展提供一定的助力。

參考文獻：

[1]陳丁躍，陳李吳等.新能源節(jié)能動力汽車及電工電子設(shè)計研發(fā)[J].中國科技論壇，2007（12）：46-49.

[2]趙偉，李紀云，張騰龍.電子設(shè)計在汽車新能源中的運用[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2016（11）.

[3]賀永躍，喬建虎.電子設(shè)計在汽車新能源中的運用[J].工程技術(shù)：文摘版，2016，7（3）：00281-00281.

[4]肖靜杰，楊鴻展.淺談新能源節(jié)能動力汽車及電工電子設(shè)計研發(fā)[J].科學(xué)中國人，2015（17）.

[5]苗杰，孫蓮英.能源替代助推智能電網(wǎng)信息化建設(shè)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016，（12）：78.

[6]陳安偉.智能電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟綜合評價研究[D].重慶大學(xué)，2015.

[7]張憲昌.中國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策研究[D].中共中央黨校，2015.