基于光伏電站的氫儲能可行性研究

葉祺賢, 孟軍磊, 宋明中, 馬昕霞, 林玉杰, 吳天予

(1.上海電力建設(shè)啟動調(diào)整試驗所有限公司, 上海 200030; 2.寶武裝備智能科技有限公司, 上海 201900; 3.上海電力大學(xué), 上海 200090)

當今社會工業(yè)化程度持續(xù)上升,經(jīng)濟不斷發(fā)展,但隨著世界人口密度的增大,能源短缺和環(huán)境污染等問題日益突出,能源轉(zhuǎn)型迫在眉睫。傳統(tǒng)化石能源的燃燒和使用,會帶來嚴重的環(huán)境污染;水電資源總量受限,開發(fā)成本高,且增長空間不大;核電技術(shù)水平有限,核廢料難以處理,一旦發(fā)生事故,后果嚴重,社會影響范圍廣,不穩(wěn)定因素極大;新型發(fā)電形式如溫差能、潮汐能、海洋能及生物質(zhì)能等,受規(guī)模、資源、成本、技術(shù)等諸多因素限制,發(fā)展緩慢。太陽能和氫能作為清潔能源,儲量大且可持續(xù)利用,綜合各方面因素考慮,兩者將是未來低碳發(fā)展和能源轉(zhuǎn)型的主力軍[1]。其中,氫儲能技術(shù)適應(yīng)范圍廣,其儲存輸出能量最長持續(xù)時間可達24 h,且儲存條件受環(huán)境影響較小;儲能轉(zhuǎn)換方式多樣,能量輸出形式靈活。制氫設(shè)備電解槽可以直接利用光伏系統(tǒng)輸出的直流電進行工作,無需交直流轉(zhuǎn)換,因此將光伏發(fā)電與氫能儲能技術(shù)相結(jié)合可以大大提高能源利用率,具有廣泛的應(yīng)用前景。

在政府相關(guān)政策的支持下,我國在氫儲能研究方面加大研發(fā)投入,并取得了不錯成果。例如,在研究離網(wǎng)風(fēng)電制氫相關(guān)技術(shù)的可行性方面,2009年進行了離網(wǎng)風(fēng)電結(jié)合10 m3/h(標準狀態(tài)下)電解制氫系統(tǒng)的示范;2013年立項并網(wǎng)風(fēng)電耦合電解水制氫;2014年華融天能公司在吉林承擔(dān)了一項耦合氫儲能的風(fēng)電建設(shè)項目,總裝機容量10萬kW,其中氫儲能項目裝機1萬kW[2]。

光伏制氫的研究已經(jīng)取得了一些成果。徐佳樂[1]對光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)的各個組件建立Simulink模型,分析其功率與電壓的特性輸出曲線,研究了利用光伏制氫混合儲能系統(tǒng)來緩解光伏輸出功率的波動,以及用制氫負載來消耗光伏發(fā)電系統(tǒng)中多余電能的可行性。陳建明等人[3]研究了將光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電與氫儲能系統(tǒng)結(jié)合起來,解決日益嚴重的棄風(fēng)棄光問題的可行性。宋旭飛[4]以邯鄲地區(qū)的太陽能資源為例,分析了太陽能光伏電池和質(zhì)子膜電解槽的電氣特性,得出了太陽能光伏陣列的最大功率點分布,并通過實驗得知影響能量利用效率的主要原因是電解槽產(chǎn)生的廢熱。徐敏等人[5]以芬蘭南部現(xiàn)有的帶有地源熱泵供暖系統(tǒng)的獨立式住宅的光伏發(fā)電為例,研究了以氫儲能為季節(jié)性儲能方式的光伏離網(wǎng)能源系統(tǒng);在不蓄氫且電池儲能能夠維持夏季運行的條件下,離網(wǎng)系統(tǒng)增加電池儲能的效益僅增加到20 kWh左右。葛曉琳[6]針對風(fēng)光儲混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計問題,以總系統(tǒng)成本最小為目標,建立了相應(yīng)的優(yōu)化模型。

本文在分析光伏發(fā)電系統(tǒng)和氫儲能發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,針對光伏發(fā)電輸出電能波動性大、間歇性強等特點,提出了一種在光照條件良好地區(qū)光伏電站附近建立制氫設(shè)備,利用光氫系統(tǒng)進行光電消納和能量轉(zhuǎn)存的思路。

在瞬時系統(tǒng)模擬程序(Transient System Simulation Program,TRNSYS)軟件中搭建模型,分析不同溫度和光照輻射下光伏方陣的最大功率點分布,以及在不同溫度下堿式電解槽考慮電流效率和不考慮電流效率的輸出功率和電壓特性,以驗證系統(tǒng)的技術(shù)可行性。

光伏-儲氫能系統(tǒng)主要由光伏電池板、光伏控制器、蓄電池和堿式電解槽組成。系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 光伏-儲氫能系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)

本文采用間接連接方式將光伏系統(tǒng)與儲氫系統(tǒng)連接,如圖1所示。光伏控制器可以將光伏方陣的功率輸出控制在最大功率點附近。將負載使用后的多余電能先儲存在蓄電池中,經(jīng)過蓄電池緩沖后由光伏方陣輸出平穩(wěn)的電壓電流,可以保證電解槽在合適的工況下運行。間接連接解決了光伏方陣由于日照和溫度等天氣因素而造成的功率輸出不穩(wěn)定等問題。通過DC/AC逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電供整套負載使用,用DC/DC逆變器為電解槽提供穩(wěn)定的電流制取氫氣。

圖1 光伏-儲氫能系統(tǒng)連接方式

2.1 光伏方陣建模

采用浙江萬向太陽能公司的一款光伏板,型號為WXS260P,光伏方陣額定功率P為4 160 W;輸入電壓Uip為250～350 V;輸出電壓Uop為600 V;開關(guān)頻率fsw為5 kHz;電流波紋為5%;電壓波紋為1%。光伏方陣變量之間關(guān)系如下:

(1)

ΔI=5%×Iip=5%×16.64=0.832 A

(2)

ΔU=1%×Uop=1%×600=6 V

(3)

(4)

0.035 05 H

(5)

1.347×10-5F

(6)

式中:Iip——輸入電流;

ΔI——電流波紋;

ΔU——電壓波紋;

Iop——輸出電流;

L——電感;

Cp——電容。

光伏發(fā)電系統(tǒng)采用TRNSYS軟件仿真后的發(fā)電量和光電轉(zhuǎn)換效率曲線如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量和光電轉(zhuǎn)換效率的仿真曲線

由圖2可以明顯看出,光伏發(fā)電呈現(xiàn)隨機性和波動性,且光電轉(zhuǎn)換效率均低于20%。

2.2 堿式電解槽建模

根據(jù)法拉第定律,電解槽中的電解方程為

(7)

式中:n——摩爾數(shù);

I——電流;

t——時間;

Z——離子價電子數(shù);

F——法拉第常數(shù),為96 485 C/mol。

電解槽可以等效為一個壓敏非線性負載,單個電解槽的電壓UDT為

(8)

式中:Ur——可逆電壓;

r0,r1——電解液歐姆電阻;

M——單個電極面積;

Icell——直流電流;

K0,K1,K2,s0,s1,s2——電極過電壓的相關(guān)參數(shù);

T——電解槽工作時其中電解液的溫度。

在實際應(yīng)用中,電解槽的可逆電壓計算公式為

Ur=Ub-kr(T-298)

(9)

式中:Ub——溫度為23 ℃±2 K,相對濕度為45%～55%環(huán)境下的電解槽可逆電壓,一般為1.23 V;

kr——可逆電壓溫度系數(shù)。

吉布斯自由能變和熱能共同影響電解槽中反應(yīng)的焓變,故有

(10)

(11)

(12)

(13)

式中:c——電解槽比熱容;

Vp——電解槽內(nèi)部產(chǎn)熱速度;

Vl——散熱速率;

Vc——冷卻水冷卻速度;

N——電解槽單元數(shù);

ΔH——化學(xué)反應(yīng)焓變;

Tg,TW——電解槽工作溫度和冷卻水溫度;

Rr——等效熱電阻;

cW——冷卻水比熱容;

h0,h1——熱交換系數(shù)。

為了達到制氫所需要的容量,需要增大單個電解槽的制氫容量,但是這樣有可能會導(dǎo)致電解槽反復(fù)啟停,增加系統(tǒng)損壞機率。因此,在實際工程中一般將多個電解槽串聯(lián)起來，以達到項目所要求的容量。另外,選取電解槽時,其工作電壓一定要大于電解液分解電壓。將多個電解槽串聯(lián)起來,則有

UEP=NUDT

(14)

式中:UEP——串聯(lián)后的電解槽總電壓。

電解槽的制氫速率與其內(nèi)部電流成正比。制氫速率VH2的表達式為

(15)

(16)

式中:η——電解槽電流效率;

S——化學(xué)反應(yīng)的接觸面積;

kf0,kf1——電流效率相關(guān)參數(shù)。

電解槽運行時的電流不能超過其自身限制的電流密度,否則會損壞設(shè)備。

2.3 蓄電池建模

蓄電池可以看作是由電壓源和恒值電阻組成的等效電路,如圖3所示。

圖3 蓄電池等效電路示意

其電池空載電勢E為

(17)

式中:E0——電池內(nèi)電勢,V;

K——極化電壓,V;

QBat——電池標準容量,Ah;

i——電池充放電電流;

A——指數(shù)區(qū)域電壓幅值,V;

B——指數(shù)區(qū)域時間常數(shù)倒數(shù),A/h。

電池輸出電壓UBat為

UBat=E-iReq

(18)

式中:Req——電池等效內(nèi)電阻,Ω。

蓄電池過充或過放都會縮短蓄電池的使用壽命,因此必須設(shè)置一個環(huán)節(jié)來判斷電池是過充還是過放。蓄電池的荷電狀態(tài)(State of Charge SOC)值是系統(tǒng)運行控制的重要參數(shù),可以反應(yīng)蓄電池內(nèi)剩余容量。如果SOC值過大,說明電池過度充電;如果SOC值太小,則說明電池過度放電。正常工作狀態(tài)下,SOC值在0.2～0.85。另外,蓄電池SOC 值通常以百分數(shù)的形式表示,其公式為

(19)

式中:SOC0——初始時刻的蓄電池容量;

QB——電池標準容量。

2.4 系統(tǒng)整體模型

TRNSYS軟件最早是由美國威斯康星大學(xué)Solar Energy實驗室開發(fā)的,后來在一些研究所的共同努力下逐步完善。該系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于其模塊化的分析方式。所謂模塊分析,就是認為所有熱傳輸系統(tǒng)均由若干個細小的系統(tǒng)(即模塊)組成,一個模塊實現(xiàn)一種特定功能,如熱水器模塊、單溫度場分析模塊、太陽輻射分析模塊、輸出模塊等。因此,只要調(diào)用實現(xiàn)這些特定功能的模塊,給定輸入條件,這些模塊程序就可以對某種特定熱傳輸現(xiàn)象進行模擬,最后經(jīng)過匯總就可對整個系統(tǒng)進行瞬時模擬分析。

根據(jù)上述模型分析,在TRNSYS軟件中建立系統(tǒng)仿真模型,如圖4所示。

圖4 光伏電站制氫系統(tǒng)模型

整個仿真系統(tǒng)主要由以下模塊組成:天氣、環(huán)境溫度模塊,仿真光伏電池板的工作溫度;計算輻射效率模塊,轉(zhuǎn)換計算光伏電池板接收到的太陽輻照度;太陽能光伏陣列模塊,仿真光伏電站的光伏陣列;發(fā)電量模塊,計算仿真時用于電解水制氫的棄光電能;電解槽模塊,仿真電解水制氫設(shè)備;電量換算模塊,計算儲氫設(shè)備中的氫氣通過燃料電池燃燒后所產(chǎn)生的電能;逆變器模塊,仿真真實系統(tǒng)中的逆變器;發(fā)電量統(tǒng)計模塊,統(tǒng)計不同溫度、光照幅度下光伏電池板所發(fā)出的電能;能源管理統(tǒng)計模塊,管理系統(tǒng)中的電能記錄。

經(jīng)過系統(tǒng)仿真后,部分結(jié)果如圖5所示。

圖5 光伏系統(tǒng)仿真結(jié)果

由圖5可以看出,紅色的為光伏發(fā)電量,具有較大的隨機性和波動性;藍色的則為蓄電池的輸出電量,當光伏電站的發(fā)電量大于電力系統(tǒng)的最大傳輸電量時,將這一部分棄光用于電解水制氫,并將氫氣儲存,當光伏電站發(fā)電量較小,難以滿足負荷需求時,通過燃料電池燃燒氫氣來提供電能,由于燃料電池發(fā)出的是穩(wěn)定的直流電,因此在建模過程中可以使用蓄電池來表示這一部分電能。圖5中,燃料電池能提供的電能最高可達250 kWh,約占整個仿真過程中負荷所需最大電能(約700 kWh)的35.7%。由此可知,本文所提出的光伏-儲氫能系統(tǒng)具有一定的可行性。

3 結(jié) 論

本文通過TRNSYS軟件仿真搭建了光伏-儲氫能系統(tǒng),通過對仿真后的發(fā)電量圖像曲線進行分析,得出以下結(jié)論。

(1)將光伏發(fā)電設(shè)備與電解水制氫設(shè)備和儲氫設(shè)備相結(jié)合成光伏-儲氫發(fā)電系統(tǒng),能夠在很大程度上解決當前光伏發(fā)電所面臨的棄光問題,有效減少光伏發(fā)電的隨機性和不穩(wěn)定性,并提高光伏發(fā)電的利用率,從而更好地推廣光伏發(fā)電,減少碳排放量,助力能源轉(zhuǎn)型。

(2)本文當中的光伏+氫儲能模式是一種利用氫能的有效形式,具有一定的可行性,是推廣利用氫能的新模式。