風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)研究綜述
荊濤1, 陳庚2, 王子豪2, 許朋江1, 李高潮1, 賈明曉1, 王躍社2, 師進(jìn)文2, 李明濤2
（1. 西安熱工研究院有限公司, 陜西 西安 710045; 2. 西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710049）
摘要：基于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電、電解水制氫、儲(chǔ)氫、氫燃料電池等技術(shù)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)，以氫能為能源載體，是實(shí)現(xiàn)可再生能源-氫能-電能規(guī)模化應(yīng)用的重要途徑。介紹了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電、電解水制氫、儲(chǔ)氫和氫燃料電池等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)中的離網(wǎng)型、并網(wǎng)型系統(tǒng)和容量配置優(yōu)化等研究熱點(diǎn)進(jìn)行了分析，為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的進(jìn)一步技術(shù)研究和工程應(yīng)用提供參考。
引文信息
荊濤, 陳庚, 王子豪, 等. 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)研究綜述[J]. 中國(guó)電力, 2022, 55(1): 75-83.
JING Tao, CHEN Geng, WANG Zihao, et al. Research overview on the integrated system of wind-solar hybrid power generation coupled with hydrogen-based energy storage[J]. Electric Power, 2022, 55(1): 75-83.
引言
當(dāng)前，資源枯竭、生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題正隨著化石能源的大量使用而愈發(fā)突出，已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)繁榮和人民生活品質(zhì)提升必須逾越的鴻溝。國(guó)際社會(huì)同時(shí)將可再生能源的開(kāi)發(fā)利用作為解決問(wèn)題的方案之一。20世紀(jì)以來(lái)，強(qiáng)化可再生能源的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究、提高可再生能源占比已經(jīng)成為世界上多數(shù)國(guó)家，尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家，制定能源政策的基調(diào)。
風(fēng)能、太陽(yáng)能分布廣泛和儲(chǔ)量巨大的特色賦予了二者空間和時(shí)間上的無(wú)限開(kāi)發(fā)利用潛力，被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的可再生能源。雖然天氣和氣候的多變起伏給風(fēng)能、太陽(yáng)能帶來(lái)不小影響，使其出力難以擺脫日常波動(dòng)和隨機(jī)多變的自然缺陷，但是二者在時(shí)間（晝和夜、夏秋和冬春）和空間上具有天然性的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)[1]?；诖耍L(fēng)能發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電可以組成功率輸出在時(shí)間上互補(bǔ)、可調(diào)節(jié)范圍大的高效電力系統(tǒng)。實(shí)際上，由于電能無(wú)法直接存儲(chǔ)，電網(wǎng)消納能力不足帶來(lái)的棄風(fēng)、棄光問(wèn)題是風(fēng)能、太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用中的痛點(diǎn)。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)是可再生能源開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)，其通過(guò)充電、放電的削峰填谷作用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)功率和能量的轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)，從而有效緩解可再生能源開(kāi)發(fā)中的棄電問(wèn)題[2]。目前，光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電主要采用效率較高的蓄電池儲(chǔ)能，但是能量密度低、儲(chǔ)存時(shí)間短等劣勢(shì)限制了蓄電池儲(chǔ)能的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用。氫能是一種質(zhì)量能量密度高、儲(chǔ)存期長(zhǎng)的高效儲(chǔ)能方式。因此，利用氫儲(chǔ)能來(lái)調(diào)節(jié)、儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化能量，緩解風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的棄風(fēng)、棄光問(wèn)題是當(dāng)前風(fēng)能、太陽(yáng)能應(yīng)用研究的發(fā)展趨勢(shì)。
氫能具備質(zhì)量能量密度高、綠色無(wú)污染等一系列優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代工業(yè)中氫氣市場(chǎng)需求十分巨大，已在許多領(lǐng)域表現(xiàn)出替代化石能源的發(fā)展趨勢(shì)[3]。利用可再生能源（風(fēng)、光等）電解水制氫可以將無(wú)污染、零排放貫穿氫氣制備到使用的全過(guò)程，同時(shí)解決風(fēng)能、太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用中的棄風(fēng)、棄光問(wèn)題。利用清潔能源發(fā)電制氫是未來(lái)氫能發(fā)展的重要方向[4]。在氫能的直接利用方面，氫燃料電池是實(shí)現(xiàn)高效、清潔地將氫能穩(wěn)定轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式，將從根本上改變目前以氫碳為基礎(chǔ)的能源體系。氫燃料電池供電與其他傳統(tǒng)供電系統(tǒng)相比，具有更高的能量密度和能量轉(zhuǎn)化效率，能夠?qū)崿F(xiàn)有害溫室氣體超低排放甚至零排放（如CO2、NOx、SOx等）。目前，航空航天和潛艇動(dòng)力等領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用氫燃料電池，在新能源電力汽車(chē)、電站和便攜電源等民用領(lǐng)域也實(shí)現(xiàn)了一定規(guī)模的應(yīng)用示范和商業(yè)使用。采用氫燃料電池作為能源轉(zhuǎn)換裝置是當(dāng)前發(fā)展“氫經(jīng)濟(jì)”的主要用氫方式，是實(shí)現(xiàn)綠色清潔的能源利用理想路徑[5]。
綜上所述，將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電、電解水制氫、儲(chǔ)氫、氫燃料電池等技術(shù)集成于一體的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)，是具有重要開(kāi)發(fā)利用價(jià)值和推廣應(yīng)用前景的可再生能源轉(zhuǎn)化利用技術(shù)。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的深入研究，對(duì)探索可再生能源耦合開(kāi)發(fā)利用，平抑風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電波動(dòng)性以及氫能的高效綠色生產(chǎn)具有重要意義。
1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
1.1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電
風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源利用方面具有時(shí)空互補(bǔ)性，同時(shí)在系統(tǒng)配置方面具有合理性。研究表明，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)比風(fēng)力或光伏發(fā)電獨(dú)立系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本更低[6]。早期人們對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的利用和研究，就是簡(jiǎn)單將風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電結(jié)合。20世紀(jì)90年代初，人們最早將風(fēng)能和太陽(yáng)能結(jié)合進(jìn)行混合開(kāi)發(fā)利用研究，文獻(xiàn)[7]從氣象條件的角度對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了關(guān)注和研究。文獻(xiàn)[8-10]通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)的方法得到風(fēng)能和太陽(yáng)能潛力值，科學(xué)地支撐論證了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究前景。與此同時(shí)，中國(guó)的研究者們也漸漸開(kāi)始關(guān)注風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究，從理論研究到電機(jī)轉(zhuǎn)換設(shè)備設(shè)計(jì)等領(lǐng)域均有學(xué)者投入其中。
風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電并不是簡(jiǎn)單地將風(fēng)電與光伏連接組合，而是經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)，達(dá)到系統(tǒng)輸出穩(wěn)定、降低運(yùn)行維護(hù)成本等一系列目的。在早期研究的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始關(guān)注系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)運(yùn)行中的控制調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[9-10]對(duì)孤立的小規(guī)模風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)根據(jù)負(fù)載和當(dāng)?shù)仫L(fēng)光儲(chǔ)量數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)和配置系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)發(fā)電成本和可靠性?xún)?yōu)化的有效途徑，且研究表明在一些獨(dú)立應(yīng)用中單獨(dú)使用風(fēng)力系統(tǒng)或光伏組件是不經(jīng)濟(jì)的。文獻(xiàn)[11]基于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究，利用CAD軟件，提出了一整套風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化精確配置的方法。文獻(xiàn)[12]總結(jié)了3種常用的風(fēng)能太陽(yáng)能混合發(fā)電系統(tǒng)的選型方法，根據(jù)負(fù)載需要選擇和配置組件的最優(yōu)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)早期投資成本最小，同時(shí)保持系統(tǒng)可靠性。值得注意的是，模擬仿真軟件的開(kāi)發(fā)一直是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)研究的重要方向，美國(guó)的Hybrid2和HOMER是目前針對(duì)主流可再生能源部件和系統(tǒng)進(jìn)行混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的代表性成果。其中，Hybrid2可以根據(jù)混合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、安裝地點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)和負(fù)載參數(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的精準(zhǔn)模擬運(yùn)行，HOMER可對(duì)可再生能源混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估[13]。
1.2 電解水制氫
目前，氫氣的化學(xué)制備方法主要包括：電解水制氫、光化學(xué)法制氫、熱化學(xué)法和等離子體化學(xué)法等。其中，電解水制氫是發(fā)展應(yīng)用比較完善的傳統(tǒng)制氫方法，其工藝機(jī)制和生產(chǎn)流程相對(duì)簡(jiǎn)單，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)操作容易實(shí)現(xiàn)，并且所得氫氣純度高達(dá)99％~99.9％（雜質(zhì)主要是H2O和O2），可以直接在氫燃料電池和許多工業(yè)生產(chǎn)中使用，是最有發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模制氫技術(shù)。
電解水制氫的常用方法包括：堿性電解、固體聚合物電解和高溫固體氧化物電解3種方法。其中，堿性電解水制氫是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中最為成熟的技術(shù)，其原理如圖1所示。堿性電解水制氫技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、成本低，但存在電解效率相對(duì)較低、堿液具有一定腐蝕性等缺點(diǎn)[14]。目前，針對(duì)堿性電解水制氫技術(shù)的研究主要集中在堿性電解池設(shè)備的開(kāi)發(fā)和性能提高方面。固體聚合物電解水制氫不存在堿性電解水制氫的堿液流失和腐蝕問(wèn)題，并且電解裝置耗能相對(duì)較低，電解所得氫氣雜質(zhì)較少，具有較高的電解效率[15]。近年來(lái)，固體聚合物電解水制氫技術(shù)因環(huán)境友好、氣體純度和電解效率高等優(yōu)勢(shì)受到越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注，已經(jīng)成為各國(guó)電解水制氫研究的熱點(diǎn)[16]。目前，美國(guó)掌握著固體聚合物電解水制氫的領(lǐng)先技術(shù)，其應(yīng)用主要集中在航天技術(shù)和水下裝備供氧等軍事相關(guān)領(lǐng)域。日本在WE-NET項(xiàng)目中針對(duì)固體聚合物電解水制氫進(jìn)行了探索試驗(yàn)，其電解水制氫的電流效率可達(dá)99.2％。高溫固體氧化物電解水制氫的裝置需要在700~1000℃的反應(yīng)環(huán)境下進(jìn)行電解，其電極不再使用貴金屬材料，成本較低、性能穩(wěn)定。高溫環(huán)境雖然可以降低電能消耗、提高系統(tǒng)制氫效率，但在設(shè)備選材、使用壽命和大規(guī)模工業(yè)部署等方面要求較高，導(dǎo)致高溫固體氧化物電解水制氫應(yīng)用較少[17]。文獻(xiàn)[18]對(duì)不同電解水技術(shù)的具體能源需求、碳足跡以及2030年生產(chǎn)預(yù)測(cè)成本等進(jìn)行比較評(píng)估，結(jié)果表明堿性電解水依然是目前最具優(yōu)勢(shì)的技術(shù)。
圖1 堿性電解水制氫原理
Fig.1 Principle of hydrogen production by alkaline water electrolysis
在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，制約電解水制氫發(fā)展的主要原因是電解過(guò)程消耗過(guò)多電力，電力成本在整個(gè)電解水制氫成本中約占到總成本的80%。當(dāng)前，采用電解水制氫生產(chǎn)的氫氣產(chǎn)量約占世界氫氣總產(chǎn)量4％，電力主要來(lái)源于常規(guī)燃煤電廠供電。因此，利用可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的溢網(wǎng)電力進(jìn)行電解水制氫，能夠以較低成本生產(chǎn)氫氣，不僅生產(chǎn)過(guò)程綠色清潔，而且容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模建設(shè)，具有光明的發(fā)展前景[19]。中國(guó)相關(guān)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展意見(jiàn)中指出，部分含可再生能源電網(wǎng)的城市可發(fā)展谷段電力制氫，作為城市減少碳排放的重要措施。文獻(xiàn)[12]依據(jù)不同電解水制氫技術(shù)的特點(diǎn)，研究指出風(fēng)力發(fā)電更適宜與堿性電解水制氫技術(shù)進(jìn)行耦合配置，光伏發(fā)電與固體聚合物電解水制氫技術(shù)搭配更能發(fā)揮其系統(tǒng)效率。
1.3 儲(chǔ)氫
儲(chǔ)氫技術(shù)主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫[20]。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是當(dāng)前儲(chǔ)氫技術(shù)中最具經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的儲(chǔ)氫技術(shù)，目前氫燃料電池新能源汽車(chē)采用的就是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)[21]。以70 MPa標(biāo)準(zhǔn)的塑料內(nèi)膽纖維纏繞（四型）儲(chǔ)氫瓶為依托的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)已經(jīng)能夠大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫罐研發(fā)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，實(shí)現(xiàn)了77 MPa和98 MPa儲(chǔ)氫罐的制造，并且具有抗爆性能好、可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)等多種優(yōu)勢(shì)[22]。液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)主要有液化儲(chǔ)氫和液體有機(jī)氫化物儲(chǔ)氫，液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是具有很高的體積密度，但是儲(chǔ)氫過(guò)程需要較高的能耗，并且安全性能相對(duì)較低。液體有機(jī)氫化物儲(chǔ)氫和液氨低溫儲(chǔ)氫2種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的儲(chǔ)氫量，但需要復(fù)雜的反應(yīng)裝置，并且可能產(chǎn)生氣體和蒸汽雜質(zhì)。目前，中國(guó)制造生產(chǎn)的液態(tài)儲(chǔ)氫罐和液態(tài)儲(chǔ)氫裝備在航天產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用較多。文獻(xiàn)[23]設(shè)計(jì)了一種可以?xún)?chǔ)存液氫和低溫氫氣的復(fù)合儲(chǔ)氫裝置。文獻(xiàn)[24]對(duì)同樣的復(fù)合儲(chǔ)氫裝置進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示復(fù)合裝置不僅可以提高儲(chǔ)氫密度，而且能夠減少儲(chǔ)存過(guò)程中的氫氣蒸發(fā)量。固態(tài)儲(chǔ)氫以金屬氫化物或化學(xué)氫化物作為儲(chǔ)氫載體，通過(guò)化學(xué)吸附方式進(jìn)行儲(chǔ)氫，其儲(chǔ)氫密度比其他2種儲(chǔ)氫方式要高。因此，固態(tài)儲(chǔ)氫是未來(lái)氫能應(yīng)用于新能源汽車(chē)中最值得關(guān)注和研究的儲(chǔ)氫技術(shù)，但需要進(jìn)一步研究解決儲(chǔ)氫效率低以及充放氫所需時(shí)間長(zhǎng)和溫度要求高等問(wèn)題[25]。
1.4 氫燃料電池發(fā)電
燃料電池主要有6種類(lèi)型：質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、微生物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。其中，前4種工作在低溫條件（50~200℃），后2種則在較高溫度（650~1000℃）下運(yùn)行。質(zhì)子交換膜燃料電池的工作運(yùn)行溫度相對(duì)較低，啟動(dòng)快，已廣泛使用于交通、預(yù)備電源和移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域，研究和應(yīng)用最為成熟[26]，典型的質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。成本、穩(wěn)定性和基礎(chǔ)設(shè)施等問(wèn)題是質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的主要障礙[27]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的研究主要集中在電極材料方面，重點(diǎn)探索低成本催化劑的研發(fā)[28]。此外，質(zhì)子交換膜、電池?zé)峁芾硪约半娊庖毫鲃?dòng)動(dòng)力學(xué)等方面會(huì)對(duì)氫燃料電池整體能量轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生重要影響，也是質(zhì)子交換膜燃料電池的研究重點(diǎn)。現(xiàn)在，中國(guó)制造生產(chǎn)氫燃料電池的技術(shù)和質(zhì)量有待改進(jìn)，在使用時(shí)間和成本投資方面還有很大追趕空間。
圖2 質(zhì)子交換膜燃料電池
Fig.2 Proton exchange membrane hydrogen fuel cell
值得注意的是，氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)變革性發(fā)展給氫能產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了機(jī)遇。目前，氫燃料電池汽車(chē)進(jìn)入了落地階段，國(guó)內(nèi)外車(chē)企研發(fā)制造的氫燃料電池汽車(chē)陸續(xù)進(jìn)入市場(chǎng)[29]。未來(lái)氫燃料電池汽車(chē)領(lǐng)域重點(diǎn)研發(fā)方向是小型化、集成化和低成本。雖然氫燃料電池汽車(chē)的較高成本限制了其主導(dǎo)市場(chǎng)的速度，但減少碳排放所帶來(lái)的公共利益可以顯著優(yōu)化生活環(huán)境。
1.5 氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電
氫氣是一種能量密度很高的清潔燃料，其標(biāo)準(zhǔn)熱值為143 kJ/g，遠(yuǎn)高于天然氣（標(biāo)準(zhǔn)熱值為38.97 kJ/g）。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，多個(gè)國(guó)家和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始關(guān)注并制定了氫燃?xì)廨啓C(jī)的相關(guān)研究計(jì)劃[3]。
2005年，美國(guó)能源部啟動(dòng)了“先進(jìn)IGCC/H2燃?xì)廨啓C(jī)研究”項(xiàng)目，該項(xiàng)目主要開(kāi)展了氫燃料和富氫燃料的燃燒研究、氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)的材料研究、冷卻研究與整體系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究等工作。2008年，歐盟將氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)的相關(guān)研究列為歐盟第七框架中一項(xiàng)重要的研究項(xiàng)目。日本也將“高效富氫燃料IGCC系統(tǒng)研究”列入“新日光計(jì)劃”之中，其目的是研制出低污染且效率大于60%的煤基IGCC系統(tǒng)[30]。2019年2月，西門(mén)子能源團(tuán)隊(duì)完成了對(duì)氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)改進(jìn)，并且在德國(guó)開(kāi)展了以100%氫氣作為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)原型機(jī)試驗(yàn)；2020年3月，日本三菱日立公司改進(jìn)了氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，將燃料從30%氫氣和70%天然氣混合燃料過(guò)渡到100%純氫氣燃料，并從美國(guó)猶他州的山間電力局獲得了2臺(tái)該型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)訂單[31]。
雖然關(guān)于氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)的研究已較為全面，相應(yīng)成品也實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但是氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)依然面臨一些穩(wěn)定性與安全性問(wèn)題：氫氣燃燒易回火、非純氧燃燒易生成氮氧化物以及氫燃燒溫度較高需要新材料等；同時(shí)，由于富氫燃料組分較為復(fù)雜，需要進(jìn)一步研究，以便在燃料預(yù)混階段找到最佳的空氣燃料比。
2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化策略
典型的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電制氫、儲(chǔ)氫、用氫一體化應(yīng)用系統(tǒng)主要包括光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電裝置、逆變器和系統(tǒng)控制器，以及由蓄電池、電解槽、氫氣儲(chǔ)罐和氫燃料電池組成的氫儲(chǔ)能單元，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)主要裝置布局如圖3所示。光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電裝置分別利用太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電，是該系統(tǒng)的能量輸入單元。逆變器可以完成系統(tǒng)交流、直流電力轉(zhuǎn)換，保證系統(tǒng)內(nèi)部各裝置單元之間的能量傳輸平衡。電解槽用于電解水制氫，將非穩(wěn)態(tài)電能轉(zhuǎn)化為氫能，所得氫氣通過(guò)儲(chǔ)氫罐集中存儲(chǔ)。隨后，氫能可直接通過(guò)氫燃料電池輸出穩(wěn)定電能?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)各單元工作狀態(tài)的監(jiān)控以及系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的綜合調(diào)控。蓄電池存儲(chǔ)少量電能，用于系統(tǒng)開(kāi)機(jī)、短時(shí)電力輸出補(bǔ)充和緊急情況等，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。
圖3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)主要裝置布局
Fig.3 Main device layout for the integrated system of wind-solar hybrid power generation coupled with hydrogen-based energy storage
按照是否并網(wǎng)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)可以分為離網(wǎng)與并網(wǎng)2種類(lèi)型。在離網(wǎng)型系統(tǒng)中，風(fēng)、光發(fā)電模塊不接入電網(wǎng)，系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，投資及運(yùn)行維護(hù)成本較低。在并網(wǎng)型系統(tǒng)中，風(fēng)、光發(fā)電首先滿(mǎn)足電網(wǎng)需要，當(dāng)電網(wǎng)消納能力不足時(shí)，通過(guò)電解水制氫生產(chǎn)制備氫氣進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)儲(chǔ)。并網(wǎng)型設(shè)計(jì)主要用于解決棄風(fēng)、棄電問(wèn)題，在實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)儲(chǔ)的同時(shí)，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，系統(tǒng)較為復(fù)雜。
2.1 離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)
當(dāng)前對(duì)離網(wǎng)型系統(tǒng)的研究和應(yīng)用較并網(wǎng)型更為廣泛，學(xué)者們針對(duì)離網(wǎng)型系統(tǒng)進(jìn)行了大量的建模和仿真研究。文獻(xiàn)[32]基于Matlab/Simulink建立了風(fēng)光互補(bǔ)制氫系統(tǒng)模型，使用冀中南地區(qū)的氣候參數(shù)和正交模擬實(shí)驗(yàn)研究了各種因素對(duì)系統(tǒng)制氫速率的影響，研究結(jié)果表明系統(tǒng)的產(chǎn)氫速率對(duì)太陽(yáng)輻射量最為敏感，其次是大氣溫度、電解水溫度和風(fēng)速。文獻(xiàn)[33]較早提出了獨(dú)立運(yùn)行使用的風(fēng)光氫發(fā)電系統(tǒng)，以西藏地區(qū)村落條件和相關(guān)數(shù)據(jù)為例，對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)特性等進(jìn)行了模擬分析，證明了所提發(fā)電系統(tǒng)適合風(fēng)資源和太陽(yáng)能儲(chǔ)量較為豐富且變化較快的地區(qū)。此外，研究還指出在系統(tǒng)中使用超級(jí)電容堆有利于克服氫燃料電池存在的最大負(fù)荷響應(yīng)慢的問(wèn)題。
部分離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)采取了直接制氫模式。在該系統(tǒng)中，氫氣作為最終產(chǎn)物，不再通過(guò)氫燃料電池發(fā)電。文獻(xiàn)[34]對(duì)風(fēng)光混合發(fā)電直接制氫系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。文獻(xiàn)[35]對(duì)獨(dú)立風(fēng)光直接制氫系統(tǒng)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)研究，評(píng)估了系統(tǒng)的制氫能力。文獻(xiàn)[36]對(duì)比研究了氫能的多種利用途徑，發(fā)現(xiàn)氫氣多樣利用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)收益存在較為嚴(yán)格的風(fēng)速（4.66 m/s）和氫氣價(jià)格（10 美元/kg）限制條件。將氫氣以多種方式加以利用，雖然一定程度上可以拓寬風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的市場(chǎng)空間，但需要對(duì)具體地區(qū)風(fēng)、光資源及發(fā)電規(guī)模和氫氣利用方式等多種因素進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。
2.2 并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)
并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)雖然利用風(fēng)、光資源的時(shí)空互補(bǔ)性，對(duì)本身固有波動(dòng)性進(jìn)行了一定程度平抑，但其不確定性仍然較大，接入電網(wǎng)后的安全性和穩(wěn)定性仍存在較大問(wèn)題。因此，目前并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)仍處于研究驗(yàn)證階段，實(shí)際建設(shè)案例較少。文獻(xiàn)[37]采用凈能量分析法驗(yàn)證了將超出電網(wǎng)消納能力部分的電能用于電解水制氫在技術(shù)上的可行性。文獻(xiàn)[38]對(duì)并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了全面的經(jīng)濟(jì)性分析，研究結(jié)果表明，太陽(yáng)輻照、風(fēng)力條件和組件成本是影響氫氣售價(jià)的主要因素，并且氫氣銷(xiāo)售價(jià)格在系統(tǒng)建成的10年內(nèi)須維持較高水平。
2.3 系統(tǒng)容量配置與控制優(yōu)化
投資建設(shè)和運(yùn)維成本是阻礙風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的主要問(wèn)題。因此，通過(guò)容量配置設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制優(yōu)化可以有效降低系統(tǒng)運(yùn)維成本、提高整體能量轉(zhuǎn)化效率。
近年來(lái)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置與控制優(yōu)化研究總結(jié)如表1所示。合理的容量配置不僅能保證各裝置單元高效協(xié)同運(yùn)行，而且最大限度地降低成本。文獻(xiàn)[39]將基于模糊邏輯算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用于系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)化配置，獲得了較好的系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[40]運(yùn)用迭代最優(yōu)化的方法確定系統(tǒng)的最優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)配置和總成本，證明了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電混合系統(tǒng)與化石燃料相比在成本和效率方面有一定優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[41]通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真和數(shù)據(jù)分析指出，基于當(dāng)?shù)氐奶鞖鈹?shù)據(jù)及環(huán)境特征進(jìn)行風(fēng)力、太陽(yáng)能發(fā)電和儲(chǔ)能等模塊的容量配置設(shè)計(jì)，才能更好地挖掘風(fēng)能和太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用潛力，并結(jié)合河北省的太陽(yáng)能和風(fēng)能資源，分析了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)在河北省不同地區(qū)的適用性。
表1 系統(tǒng)容量配置與控制優(yōu)化研究總結(jié)
Table 1 Research summary of system capacity configuration and control optimization
太陽(yáng)輻照量、風(fēng)速等也是影響風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)制氫效率的重要因素。優(yōu)化風(fēng)電、光電機(jī)組的控制策略有利于提高系統(tǒng)的產(chǎn)氫量和能量傳輸效率。文獻(xiàn)[42]提出了一種風(fēng)力發(fā)電最優(yōu)控制方法，并重新設(shè)計(jì)了基于最大功率跟蹤的光伏發(fā)電控制模式，提高了系統(tǒng)的制氫效率。文獻(xiàn)[43]對(duì)比了基于模型預(yù)測(cè)控制和基于狀態(tài)控制的系統(tǒng)調(diào)度方法，發(fā)現(xiàn)基于模型預(yù)測(cè)控制的調(diào)度方法具有更高的能量轉(zhuǎn)化效率。文獻(xiàn)[44]將模糊法與最大功率點(diǎn)跟蹤相結(jié)合應(yīng)用于風(fēng)力和光伏發(fā)電控制，并在風(fēng)力發(fā)電控制中加入脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制。實(shí)驗(yàn)仿真運(yùn)行結(jié)果表明這一控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)供電的穩(wěn)定和可靠輸出，明顯改善系統(tǒng)運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)特性。
2.4 其他相關(guān)研究
通過(guò)分析系統(tǒng)中影響系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率和制氫效率的主要因素，可以進(jìn)一步為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)指明方向。文獻(xiàn)[45]利用仿真模擬對(duì)可能影響系統(tǒng)制氫效率的主要因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)光照輻射量、風(fēng)速和電解溫度是主要影響條件，為提高系統(tǒng)效率指明了一定方向。文獻(xiàn)[46]以邯鄲地區(qū)的氣象參數(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)邯鄲地區(qū)風(fēng)能發(fā)電能力較弱，采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的互補(bǔ)性不大，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性與獨(dú)立光伏發(fā)電相當(dāng)；研究還指出在風(fēng)能資源豐富的地區(qū)可以加大風(fēng)力機(jī)配置。另外，部分學(xué)者分析了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，為當(dāng)前的投資及建設(shè)提供了參考。文獻(xiàn)[47]分析了在上海東海風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電制氫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，分析表明該項(xiàng)目?jī)H需4年便可實(shí)現(xiàn)收支平衡并開(kāi)始盈利，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)收益較好。
3 結(jié)語(yǔ)
本文展示了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究現(xiàn)狀。針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電、電解水制氫、儲(chǔ)氫和氫燃料電池等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，并對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用類(lèi)型、容量配置以及控制優(yōu)化等方面的研究進(jìn)行了分析。
風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)可依據(jù)電力與電網(wǎng)有無(wú)連接關(guān)系分為離網(wǎng)型與并網(wǎng)型。離網(wǎng)型因系統(tǒng)簡(jiǎn)單靈活，應(yīng)用較多。而并網(wǎng)型尚處于研究驗(yàn)證階段，應(yīng)用相對(duì)較少。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)風(fēng)光資源、系統(tǒng)規(guī)模和負(fù)載參數(shù)等合理選擇相應(yīng)類(lèi)型。當(dāng)前，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵組件在技術(shù)上已相對(duì)成熟，投資建設(shè)和運(yùn)維成本是阻礙風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電耦合氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要問(wèn)題。通過(guò)容量配置設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制優(yōu)化來(lái)降低系統(tǒng)成本、提高能量轉(zhuǎn)化效率備受關(guān)注。
