光伏儲熱儲氫綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

張 穎, 楊劉元, 王浩翔, 劉祖英, 宋曉敏, 徐 蒙, 黃增光?

(1.江蘇海洋大學(xué) 理學(xué)院,江蘇 連云港 222005;2.四季沐歌科技集團(tuán)有限公司,江蘇 連云港 222000)

0 引言

光伏技術(shù)是國家“雙碳”目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)的重要組成部分。 近十幾年來,我國光伏產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展,目前已經(jīng)位居世界光伏的龍頭地位[1]。 在光伏發(fā)電過程中也存在著一些問題,例如西部大型地面光伏電站在夏天日照充足的時(shí)候,仍然存在“棄光”現(xiàn)象[2],造成了能量和資源的浪費(fèi)。 通過將這部分損失的能量利用技術(shù)手段將之存儲起來,在必要的時(shí)候釋放出來,可以最大限度地利用光伏發(fā)電能源。

在目前能源緊缺、棄光問題嚴(yán)峻的背景下,基于光伏加儲能的理念,由光伏系統(tǒng)余電儲能,分別通過電熱系統(tǒng)儲熱和電解氫系統(tǒng)儲氫,本文建立了光伏儲熱儲氫綜合能源系統(tǒng)[3]。 光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能一方面為家用電器供電或并網(wǎng),另一方面充分利用“棄光”部分電能,為電解氫系統(tǒng)和電熱系統(tǒng)供電,實(shí)現(xiàn)儲氫和儲熱綜合儲能。 電解水制解氫氣,并供給氫燃料電池運(yùn)行。 當(dāng)陰天或晚上光伏系統(tǒng)無法工作時(shí),通過氫燃料電池為家用電器供電。 儲熱系統(tǒng)儲存的熱量在必要的時(shí)候釋放出來,用于采暖、供電、生產(chǎn)熱水,大大提高了清潔能源利用率,實(shí)現(xiàn)太陽能高效利用[4]。

綜合以上設(shè)計(jì),將光伏技術(shù)、光伏熱轉(zhuǎn)換技術(shù)、電解制氫技術(shù)結(jié)合,并進(jìn)行能源的系統(tǒng)綜合優(yōu)化,能夠解決大型光伏電站的棄光問題,實(shí)現(xiàn)太陽能的充分利用。 以上應(yīng)用在節(jié)能減排方面具有重大現(xiàn)實(shí)意義,也將為我國碳中和的光伏解決方案提供有益示范[5]。

1 綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建

綜合能源系統(tǒng)工作示意圖及實(shí)物系統(tǒng)圖如圖1—2 所示。

圖1 綜合能源系統(tǒng)

圖2 綜合能源系統(tǒng)實(shí)物

碳減排量分析:以發(fā)電功率1 GW(1GW=109W)的光伏系統(tǒng)為例,取削峰棄光能量損失15%、棄光時(shí)間1 h,增加儲能系統(tǒng)后節(jié)省出的電能為1×109W×0.15×1 h=1.5×105kWh;按消耗1 kWh 電排放CO2為0.997 kg,則一天CO2減排量為1.5×105kWh×0.997 kg/kWh×24=0.36 萬t,按一年發(fā)電320 d,則可實(shí)現(xiàn)年CO2減排量0.36 萬t/d×320 d=115.2 萬t,具有顯著的節(jié)能減排效果。

2 光伏儲熱儲氫系統(tǒng)性能分析

2.1 光伏熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)性能分析

本研究采用等效的方法進(jìn)行光伏熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)性能分析[6],將連云港地區(qū)全年輻照度隨時(shí)間的變化,等效成一天內(nèi)的輻照度變化,數(shù)據(jù)如表1 所示。 由表1 中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,可得出全年水平面強(qiáng)度輻射均值等效在一天內(nèi)的變化基本符合高斯分布,該曲線的擬合如式(1):

其中:u=195.17,σ=238.97[7]。 μ 為正態(tài)分布的位置參數(shù),σ 描述正態(tài)分布資料數(shù)據(jù)分布的離散程度。通過測量某一固定電阻在不同輻照度下的功率輸出,然后通過對功率在時(shí)間上的積分,可以得出此固定電阻在該時(shí)間段上產(chǎn)生的熱能。 設(shè)置若干電阻,測試對應(yīng)電阻產(chǎn)生的熱能,則可以找到最佳匹配阻值。

在本系統(tǒng)中,根據(jù)對各電阻功率—時(shí)間的積分可確定最佳電阻范圍依舊在5~8 Ω,如圖3 所示。 可以看到,在09:00 至15:00 時(shí)間段內(nèi)阻值越大其功率變化越小,功率基本處于水平穩(wěn)定狀態(tài),即輻照度越大時(shí)對電阻功率幾乎無影響,輻照度減小后,功率隨之減小,這直接導(dǎo)致大電阻全天工作功率低[8]。

圖3 阻值為5 Ω、6 Ω、8 Ω 電阻功率對比

大電阻在輻照度上升至一定值后基本保持不變,且功率較小,不適用于全天輸出最大功率,故最佳電阻依舊在5~8 Ω。 從積分結(jié)果看6 Ω、8 Ω 全天總功率相近,且6 Ω 大于8 Ω 總功率,如圖3 所示。 上午8 Ω 功率先與6 Ω 相交后再與5 Ω 相交,下午則先與5 Ω 相交再與6 Ω 相交,但下午相交時(shí)間相近,原因可能為下午輻照度相對穩(wěn)定。 根據(jù)對比得出最佳電阻應(yīng)為6 Ω。

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪圖3 可發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)并不是規(guī)則的,原因有以下可能:(1)測量時(shí)間不同,會導(dǎo)致電壓電流不匹配,但是相差值很小;(2)太陽輻照度變化影響太陽能電池輸出;(3)溫度對太陽能電池板產(chǎn)生影響,溫度的改變會影響電池輸出特性,溫度越高,太陽能電池的輸出效率越低。

由圖3 可分析當(dāng)太陽能輻照度上午低于500 W/m2,下午低于460 W/m2時(shí),電阻越大功率越大,但是輻照度上升時(shí),其增幅緩慢,峰值最小,全天功率小,不能最大效率地將全天太陽能電池輸出電能轉(zhuǎn)換為熱能。 對每組6 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖積分可基本確定最佳電阻值在5 Ω、6 Ω、8 Ω 之間選擇,在根據(jù)3 次實(shí)驗(yàn)比對選取功率-時(shí)間積分的平均值,最終可確定在連云港地區(qū)對于實(shí)驗(yàn)使用型號的電池板最佳匹配電阻為6 Ω[9],如圖4 所示。

圖4 6 Ω 電阻功率積分

2.2 光伏儲氫系統(tǒng)性能分析

以太陽能電池作為穩(wěn)定電源給電解氫設(shè)備供電,測量在相同高度下的水,在不同溫度下電解相同體積的氫氣所需要的時(shí)間,尋找最佳溫度,并用收集的氫氣供給燃料電池發(fā)電[10]。 圖5 是光伏制氫子系統(tǒng)實(shí)物圖,主要由光伏供電、電解氫系統(tǒng)、氫氣收集容器、燃料電池組成。 電解氫系統(tǒng)基于質(zhì)子交換膜技術(shù)(PEM),主要由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層組成的膜電極、雙極板和密封圈、防護(hù)片、端板等組成。PEM 電解池在工作時(shí)需要外接直流電源。 陽極代表電解池正極,發(fā)生氧化反應(yīng)(析氧);陰極代表電解池負(fù)極,發(fā)生還原反應(yīng)(析氫)。

圖5 制氫設(shè)備和燃料電池

為了探究溫度對制氫速率的影響并確定光伏制氫子系統(tǒng)最佳的工作溫度,通過改變電解水的溫度,測試了實(shí)際的制氫速率,如圖6 所示。 可以看出,當(dāng)電解水溫度較低處于20~38 ℃時(shí),制氫速率雖然有波動(dòng),但基本上處于1.46~1.48 L/h,隨著電解水溫度的升高,特別是當(dāng)溫度在40~50 ℃時(shí),制氫速率可達(dá)1.52 L/h;溫度繼續(xù)升高,制氫速率開始下降,甚至低于20~38 ℃的水平。 可能的原因是:溫度適度升高時(shí),提升了水分子的活性,使得電解水時(shí)所需能量更低,因此制氫的還原反應(yīng)速率加快,但當(dāng)溫度更高時(shí),水中會產(chǎn)生大量氣泡,這些氣泡可能阻止電極上的氧化還原反應(yīng)過程,從而降低制氫速率。 另外,適當(dāng)?shù)臏囟纫部梢蕴嵘帢O與陽極間氣體擴(kuò)散的效率、質(zhì)子交換膜催化的性能等,從而提升制氫速率。 綜上,對于純水的電解制氫系統(tǒng),電解溫度處于40~50 ℃區(qū)間時(shí),系統(tǒng)的制氫速率最快。 因此,在光伏驅(qū)動(dòng)的電解制氫系統(tǒng)中,除了提高電解電壓,還要考慮光伏直流加熱電解水,使電解水溫度處于最佳溫度區(qū)間,以獲得最高的系統(tǒng)制氫效率。

圖6 不同工作溫度下的系統(tǒng)電解氫速率

3 結(jié)語

本文基于光伏+儲能的理念,設(shè)計(jì)了一款由光伏系統(tǒng)余電儲能,分別通過電熱系統(tǒng)儲熱和電解氫系統(tǒng)儲氫的綜合光伏儲熱儲氫綜合系統(tǒng)。 光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能一方面為家用電器供電或并網(wǎng),另一方面充分利用“棄光”部分電能,為電解氫系統(tǒng)和電熱系統(tǒng)供電,實(shí)現(xiàn)儲氫和儲熱綜合儲能。 將光伏進(jìn)行熱轉(zhuǎn)化和氫能轉(zhuǎn)化結(jié)合,通過光伏+儲熱/儲氫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的調(diào)峰功能。

該綜合能源系統(tǒng)注重于各個(gè)子系統(tǒng)之間的溫度耦合,從兩個(gè)方面提升了轉(zhuǎn)換效率。 一方面,光伏熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測量了連云港地區(qū)兩個(gè)日期照射在太陽能電池表面的太陽輻照度以及太陽能電池的I—V曲線,計(jì)算最大功率點(diǎn)處Vmax,Imax,以其比值確定電阻,并與太陽輻照度形成函數(shù),進(jìn)行分析。 確定最佳電阻范圍,選取6 組電阻,將其接入太陽能電池輸出電路中,測量電阻發(fā)熱時(shí)的電流電壓,計(jì)算功率,對功率—時(shí)間進(jìn)行積分,最終取得全天最佳匹配阻值為6 Ω。 另一方面,光伏制氫系統(tǒng)研究通過溫度對制氫速率的影響,得到最適溫度范圍為40~50 ℃。 并且該系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)光伏自主供電,系統(tǒng)安裝不受地點(diǎn)條件的限制,真正實(shí)現(xiàn)了“零能耗”。

綜上,儲氫系統(tǒng)可以供給氫燃料電池為家用電器供電,或通過氫氣發(fā)電再并網(wǎng),實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)系統(tǒng)的“削峰填谷”。 光伏熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)也可以拓展很多應(yīng)用場景,不適用于大型光伏電站發(fā)熱儲能,對于小型離散型光伏系統(tǒng),應(yīng)用方面光伏熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)可以與建筑物結(jié)合,實(shí)現(xiàn)冬季采暖。 本系統(tǒng)大大提高了清潔能源利用率,在節(jié)能減排方面具有重大現(xiàn)實(shí)意義。