風(fēng)光儲(chǔ)氫一體化可再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

山東工業(yè)設(shè)備安裝集團(tuán)有限公司 丁玉魯

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，石油等不可再生資源的儲(chǔ)備量逐漸減少，并且這些傳統(tǒng)能源使用過(guò)程中不可避免會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染。因此，綠色清潔環(huán)保的新能源越來(lái)越多地被采納應(yīng)用，在能源市場(chǎng)的占比也越來(lái)越大。在新能源市場(chǎng)中，風(fēng)能、太陽(yáng)能作為一種取材方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的清潔資源，一直受到來(lái)自電力單位的關(guān)注，風(fēng)光儲(chǔ)氫發(fā)電技術(shù)也逐漸壯大起來(lái)[1]。當(dāng)前，我國(guó)在全力發(fā)展風(fēng)光儲(chǔ)氫發(fā)電技術(shù)的進(jìn)程中，風(fēng)光儲(chǔ)氫發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)流程還有待完善，一體化管理也需要完全建立，還需要積累更多風(fēng)光儲(chǔ)氫發(fā)電技術(shù)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，加速風(fēng)光儲(chǔ)氫發(fā)電技術(shù)進(jìn)展。

不同于傳統(tǒng)的風(fēng)光新能源供電模式，在本文所研究的系統(tǒng)中，將電解水制氫氣作為風(fēng)、光等可再生資源發(fā)電的備用渠道，充分利用風(fēng)、光等資源的同時(shí)，降低了對(duì)市電的依賴，儲(chǔ)氫模塊的增設(shè)進(jìn)一步減小了風(fēng)電、光伏波動(dòng)造成的不穩(wěn)定因素。此外，該系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用，符合國(guó)家對(duì)低碳生活的相關(guān)要求，響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能降耗的號(hào)召，減少了電力企業(yè)電費(fèi)支出，提高了企業(yè)的創(chuàng)新度和經(jīng)濟(jì)效益，保障了居民的安全可靠用電。在風(fēng)光等可再生資源發(fā)電水平不斷提升的基礎(chǔ)上，研究降低電解水制氫的生產(chǎn)成本，提升企業(yè)整體利潤(rùn)是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)新方向。

2 風(fēng)光儲(chǔ)氫一體化可再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論

2.1 太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)

太陽(yáng)能發(fā)電又稱光伏發(fā)電，主要通過(guò)光伏電池進(jìn)行太陽(yáng)能與電能的轉(zhuǎn)換，光伏電池采用串聯(lián)或并聯(lián)方式，以一定的角度在光伏支架上進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝，組成光伏陣列，較好地吸收太陽(yáng)量，并將太陽(yáng)量轉(zhuǎn)化為直流電，經(jīng)匯流箱后進(jìn)入逆變器，在逆變器中逆變?yōu)榻涣麟姾?，輸送到主電網(wǎng)中。但受晝夜光照影響，存在光伏出力不穩(wěn)定，及發(fā)電有間歇性現(xiàn)象。

2.2 風(fēng)能發(fā)電技術(shù)

風(fēng)能作為新能源系統(tǒng)中關(guān)鍵一員，利用自然界風(fēng)能，先將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，最終轉(zhuǎn)變成電能。風(fēng)能雖然儲(chǔ)備不便，但取材方便，是一種可以長(zhǎng)期反復(fù)利用的能源。然而，受季節(jié)、氣候及地理位置等因素的影響，風(fēng)能的隨機(jī)性很強(qiáng)，故需要根據(jù)風(fēng)力大小及刮風(fēng)時(shí)間對(duì)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)合理的控制，且風(fēng)能與太陽(yáng)能發(fā)電相似，存在出力不均衡性。此外，風(fēng)力發(fā)電廠可以并入電網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)行，但不能配置儲(chǔ)能系統(tǒng)。

2.3 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電技術(shù)

風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電單元一般包括風(fēng)力發(fā)電模塊、光伏太陽(yáng)能發(fā)電模塊及儲(chǔ)能模塊等。利用風(fēng)能、太陽(yáng)能可以實(shí)現(xiàn)能源互補(bǔ)，充分利用等優(yōu)勢(shì)。在炎熱的夏季，太陽(yáng)光輻射強(qiáng)因而光伏的發(fā)電出力較高，但風(fēng)力強(qiáng)度較弱因而風(fēng)電機(jī)組的出力小。相反，在嚴(yán)寒的冬季，太陽(yáng)輻射弱因而光伏的發(fā)電出力較小，風(fēng)力強(qiáng)度較大因而風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電出力大。單從每日來(lái)看，白天日照強(qiáng)、風(fēng)力較小，故光伏發(fā)電比風(fēng)機(jī)的發(fā)電出力多；而在晚上沒(méi)有日照、風(fēng)力較大，故夜晚只有風(fēng)機(jī)發(fā)電。在科學(xué)合理調(diào)配風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電容量的前提下，可以很大程度上降低風(fēng)光綜合發(fā)電的波動(dòng)性，風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電單元的應(yīng)用，能夠有效緩解環(huán)境污染等歷史難題，其次，為克服光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，引入儲(chǔ)能手段可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。而氫能作為一種清潔安全、靈活高效的二次能源，是一種綠色高效的能源儲(chǔ)存和流通載體，既可以形成獨(dú)立供應(yīng)和應(yīng)用體系，又能與電相互轉(zhuǎn)換、耦合發(fā)展，并能夠在電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)之間形成有效的協(xié)同和互補(bǔ)，增強(qiáng)能源系統(tǒng)的安全性?？傊?，風(fēng)光儲(chǔ)氫發(fā)電單元的應(yīng)用，能夠有效緩解環(huán)境污染等歷史難題，減小風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電單獨(dú)輸出并入電網(wǎng)而造成的不穩(wěn)定性，促進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

3 風(fēng)光儲(chǔ)制氫項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)以風(fēng)光儲(chǔ)氫一體化為基礎(chǔ)理念，對(duì)光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能、制氫等進(jìn)行綜合調(diào)配，使各項(xiàng)資源得到充分利用，不斷優(yōu)化風(fēng)光儲(chǔ)氫的一體化生產(chǎn)和能源可再生利用方式，提升系統(tǒng)運(yùn)行水平，某地區(qū)風(fēng)光儲(chǔ)制氫項(xiàng)目流程如圖1所示。為充分利用風(fēng)能與太陽(yáng)能資源提供電源給制氫設(shè)備進(jìn)行電解水制氫，在滿足生產(chǎn)安全的前提下，該項(xiàng)目在廠房屋頂配置15000kV光伏太陽(yáng)能發(fā)電裝置。搭配產(chǎn)量為16萬(wàn)m3/h的制氫設(shè)備，該裝置每年可生產(chǎn)氫氣7.2萬(wàn)t，且氫氣純度符合國(guó)家氫氣生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足相關(guān)企業(yè)的使用要求。針對(duì)投資成本、機(jī)組效率與使用情況等多種因素進(jìn)行衡量，該裝置能保證電能輸出的連續(xù)穩(wěn)定，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。該項(xiàng)目的特征是新增儲(chǔ)能制氫的環(huán)節(jié)，克服了傳統(tǒng)電力發(fā)電過(guò)程不可控制的缺點(diǎn)，保證發(fā)電系統(tǒng)功率輸出平穩(wěn)無(wú)沖擊，大大增強(qiáng)電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全可靠性。

圖1 風(fēng)光儲(chǔ)制氫項(xiàng)目流程

該地區(qū)風(fēng)光儲(chǔ)制氫項(xiàng)目以生產(chǎn)儲(chǔ)能及輸出功率控制為重心，通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組、光伏輸出功率的預(yù)估，聯(lián)合儲(chǔ)能模塊，實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定輸出的目的。其中，制氫設(shè)備中的儲(chǔ)氫模塊可以由氫燃料電池充當(dāng)。一般情況下，電解水制氫可依據(jù)外界風(fēng)力以及太陽(yáng)能輻射發(fā)電的出力狀況動(dòng)態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。風(fēng)光發(fā)電出力變化率較高時(shí)，可以借助儲(chǔ)能及制氫設(shè)備起到一定的平衡效果。風(fēng)光發(fā)電出力滿足制氫設(shè)備電解水制氫最低負(fù)荷門(mén)檻時(shí)，制氫設(shè)備的負(fù)荷跟隨風(fēng)光發(fā)電出力情況實(shí)時(shí)變動(dòng)調(diào)節(jié)，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電完善電網(wǎng)削峰填谷的能力，保證輸出功率的穩(wěn)定性。風(fēng)光發(fā)電出力未滿足電解水制氫設(shè)備工作的最低負(fù)荷門(mén)檻時(shí)，倘若殘存的氫氣能滿足自身合成氨的流程，則制氫系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，否則，制氫系統(tǒng)暫停。

該地區(qū)風(fēng)光儲(chǔ)制氫單元的工作控制邏輯關(guān)系如圖2所示，主要有自動(dòng)發(fā)電控制、綜合智能控制、自動(dòng)電壓控制等，以生產(chǎn)儲(chǔ)能及輸出功率控制為重心，通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組、光伏輸出功率的預(yù)估，聯(lián)合儲(chǔ)能模塊，實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定輸出的目的。系統(tǒng)采用SCADA技術(shù)[3]，分析歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象資料對(duì)功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)負(fù)荷需求制定次日生產(chǎn)計(jì)劃，實(shí)時(shí)控制光伏、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行模式，保證系統(tǒng)功率曲線平滑穩(wěn)定。其中，數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)是重中之重，需要保證數(shù)據(jù)收集及錄入的準(zhǔn)確性和完整性，可將風(fēng)電機(jī)組、光伏輸出數(shù)據(jù)按照時(shí)間、序列號(hào)、功率等項(xiàng)目進(jìn)行羅列登記，逐一錄入，慢慢積累，逐步完善風(fēng)光儲(chǔ)制氫項(xiàng)目的維護(hù)信息，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光儲(chǔ)氫一體化可再生系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的隨時(shí)生成、一鍵導(dǎo)出等。

圖2 風(fēng)光儲(chǔ)制氫項(xiàng)目單元運(yùn)行模型

4 風(fēng)光儲(chǔ)氫一體化可再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)以風(fēng)光儲(chǔ)氫一體化為基礎(chǔ)理念，對(duì)電力企業(yè)中各項(xiàng)人力物力資源進(jìn)行綜合調(diào)配，使各項(xiàng)資源得到充分利用，不斷優(yōu)化風(fēng)光儲(chǔ)氫的一體化生產(chǎn)和能源可再生利用方式，提升系統(tǒng)運(yùn)行水平，如圖3所示。

圖3 風(fēng)光儲(chǔ)氫一體化可再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主要特征為，在一體化可再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，加入了儲(chǔ)能制氫模塊，基于對(duì)系統(tǒng)供電情況動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)判別風(fēng)光等可再生資源的發(fā)電條件，精準(zhǔn)控制系統(tǒng)供電的優(yōu)先級(jí)，有效克服風(fēng)能、太陽(yáng)能等發(fā)電過(guò)程中出現(xiàn)的波動(dòng)性、間歇性等難題，保證了可再生系統(tǒng)輸出功率的平穩(wěn)性，一定程度上降低了風(fēng)光等可再生能源供電不穩(wěn)定對(duì)整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行造成影響。

本系統(tǒng)符合供電大致有四路，一路是在風(fēng)力充足情況下風(fēng)機(jī)供電，通過(guò)AC/DC/DC裝置后進(jìn)行交直流電轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)UPS逆變器后供給交流負(fù)載使用；剩余電量可并入大配電網(wǎng)，也可提供給制氫設(shè)備進(jìn)行電解水制氫，將多余電量進(jìn)行存儲(chǔ)；一路是在太陽(yáng)輻射充足情況下，通過(guò)光伏矩陣中的光伏電池，充分吸收太陽(yáng)量，并將太陽(yáng)量置換為直流電，經(jīng)DC/DC裝置后流入U(xiǎn)PS逆變器，供給交流負(fù)載使用；作為系統(tǒng)儲(chǔ)氫模塊的氫燃料電池，在風(fēng)力及光伏發(fā)電不給力時(shí)，會(huì)開(kāi)始啟用，輸出的電能經(jīng)過(guò)交直流逆變器后，經(jīng)能量管理系統(tǒng)、UPS逆變器等，最終供給交流負(fù)載使用；當(dāng)以上渠道均不通時(shí)，可使用電池組進(jìn)行供電，保證系統(tǒng)可以正常工作。減少市電及油機(jī)的使用、有效節(jié)省資源的同時(shí)也多角度避免了風(fēng)光等可再生能源供電不穩(wěn)定對(duì)整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行造成影響。

其中，能量管理系統(tǒng)作為核心控制單元，可以全天24h實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電量的分配狀態(tài)，根據(jù)外界風(fēng)力、太陽(yáng)能、氫能等條件時(shí)刻控制不同供電模塊工作的優(yōu)先級(jí)順序，如發(fā)現(xiàn)異常情況，迅速上傳到通信網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理，及時(shí)診斷出系統(tǒng)存在的隱患并進(jìn)行報(bào)警，為設(shè)備檢修提供有力支撐，有效保證后期系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

該系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)風(fēng)電等可再生資源發(fā)電輸出功率曲線的優(yōu)化，減少不穩(wěn)定因素對(duì)總電網(wǎng)運(yùn)行所造成的不良影響。在氫燃料電池的使用下，可以充分提高配電網(wǎng)對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能的吸收和接納能力，配合能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的科學(xué)調(diào)節(jié)負(fù)荷分布功能，進(jìn)一步完善電網(wǎng)削峰填谷的能力，大大緩解風(fēng)能、太陽(yáng)能這些由于氣候和天氣對(duì)發(fā)電系統(tǒng)造成的供電出力間歇性、不連續(xù)性，有效提升居民用電體驗(yàn)。

此外，在風(fēng)光儲(chǔ)氫一體化可再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，也要加強(qiáng)管理上的力度，主要分為兩個(gè)方面。

一是積極落實(shí)生產(chǎn)質(zhì)量責(zé)任制，明確各級(jí)工作人員的工作職責(zé)，利用上下級(jí)管理關(guān)系，形成萬(wàn)一工作方面發(fā)生事故，便可逐級(jí)匯報(bào)，一一落實(shí)，并將具體的責(zé)任量化，追究到個(gè)人。質(zhì)量責(zé)任制的貫徹，需要提前制定好作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，并在指導(dǎo)書(shū)中明確各步驟質(zhì)量卡控點(diǎn)，通過(guò)質(zhì)量卡控點(diǎn)的完成度來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量責(zé)任制的落實(shí)。且質(zhì)量責(zé)任制應(yīng)覆蓋整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)，在可控范圍內(nèi)量化責(zé)任、提高風(fēng)光儲(chǔ)氫系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。

二是需加強(qiáng)風(fēng)光儲(chǔ)氫一體化系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)人員的教育和培訓(xùn)工作，有條件情況下派出專業(yè)技術(shù)人員去發(fā)達(dá)國(guó)家的風(fēng)電儲(chǔ)發(fā)電廠進(jìn)行學(xué)習(xí)，參考其一體化工作方式，以“提高工作效率、降低故障發(fā)生率”為問(wèn)題導(dǎo)向，并結(jié)合自身風(fēng)光儲(chǔ)氫發(fā)電設(shè)備的實(shí)際工作情況對(duì)其進(jìn)行科學(xué)合理的改進(jìn)設(shè)計(jì)，逐步完善風(fēng)光儲(chǔ)氫發(fā)電設(shè)備一體化生產(chǎn)工作方法。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從風(fēng)光儲(chǔ)氫一體化可再生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論入手，在對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)制氫項(xiàng)目進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了風(fēng)光儲(chǔ)氫發(fā)電生產(chǎn)一體化系統(tǒng)，包含風(fēng)力充足情況下的風(fēng)機(jī)供電、太陽(yáng)輻射充足情況下的光伏供電、氫燃料電池供電以及電池組供電模式等，根本上保證了風(fēng)光儲(chǔ)氫發(fā)電設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行，有效提升了風(fēng)光儲(chǔ)氫發(fā)電一體化的生產(chǎn)質(zhì)量，推動(dòng)了電力企業(yè)健康發(fā)展。