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)?；瘧?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。國際社會(huì)同時(shí)將可再生能源的開發(fā)利用作為解決問題的方案之一。20世紀(jì)以來，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)國家，尤其是發(fā)達(dá)國家，制定能源政策的基調(diào)。
風(fēng)能、太陽能分布廣泛和儲(chǔ)量巨大的特色賦予了二者空間和時(shí)間上的無限開發(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、太陽能帶來不小影響，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[1]。基于此，風(fēng)能發(fā)電和太陽能發(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，由于電能無法直接存儲(chǔ)，電網(wǎng)消納能力不足帶來的棄風(fēng)、棄光問題是風(fēng)能、太陽能開發(fā)利用中的痛點(diǎn)。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)是可再生能源開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)，其通過充電、放電的削峰填谷作用可以實(shí)現(xiàn)對電力系統(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發(fā)中的棄電問題[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)存期長的高效儲(chǔ)能方式。因此，利用氫儲(chǔ)能來調(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)、棄光問題是當(dāng)前風(fēng)能、太陽能應(yīng)用研究的發(fā)展趨勢。
氫能具備質(zhì)量能量密度高、綠色無污染等一系列優(yōu)勢，在現(xiàn)代工業(yè)中氫氣市場需求十分巨大，已在許多領(lǐng)域表現(xiàn)出替代化石能源的發(fā)展趨勢[3]。利用可再生能源（風(fēng)、光等）電解水制氫可以將無污染、零排放貫穿氫氣制備到使用的全過程，同時(shí)解決風(fēng)能、太陽能開發(fā)利用中的棄風(fēng)、棄光問題。利用清潔能源發(fā)電制氫是未來氫能發(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、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)。通過對該系統(tǒng)的深入研究，對探索可再生能源耦合開發(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]。早期人們對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的利用和研究，就是簡單將風(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)能和太陽能結(jié)合進(jìn)行混合開發(fā)利用研究，文獻(xiàn)[7]從氣象條件的角度對該問題進(jìn)行了關(guān)注和研究。文獻(xiàn)[8-10]通過概率統(tǒng)計(jì)的方法得到風(fēng)能和太陽能潛力值，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)，中國的研究者們也漸漸開始關(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)電并不是簡單地將風(fēng)電與光伏連接組合，而是經(jīng)過合理的設(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，國內(nèi)外學(xué)者開始關(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)來設(shè)計(jì)和配置系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)發(fā)電成本和可靠性優(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，美國的Hybrid2和HOMER是目前針對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)對風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的精準(zhǔn)模擬運(yùn)行，HOMER可對可再生能源混合發(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)流程相對簡單，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)工藝簡單、成本低，但存在電解效率相對較低、堿液具有一定腐蝕性等缺點(diǎn)[14]。目前，針對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題，并且電解裝置耗能相對較低，電解所得氫氣雜質(zhì)較少，具有較高的電解效率[15]。近年來，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)勢受到越來越多的學(xué)者關(guān)注，已經(jīng)成為各國電解水制氫研究的熱點(diǎn)[16]。目前，美國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)測成本等進(jìn)行比較評估，結(jié)果表明堿性電解水依然是目前最具優(yōu)勢的技術(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程消耗過多電力，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]。中國相關(guān)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展意見中指出，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。國內(nèi)儲(chǔ)氫罐研發(fā)已達(dá)到國際領(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)測運(yùn)行狀態(tài)等多種優(yōu)勢[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)勢是具有很高的體積密度，但是儲(chǔ)氫過程需要較高的能耗，并且安全性能相對較低。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)了一種可以儲(chǔ)存液氫和低溫氫氣的復(fù)合儲(chǔ)氫裝置。文獻(xiàn)[24]對同樣的復(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)氫是未來氫能應(yīng)用于新能源汽車中最值得關(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)間長和溫度要求高等問題[25]。
1.4 氫燃料電池發(fā)電
燃料電池主要有6種類型：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，國內(nèi)對質(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)?，F(xiàn)在，中國制造生產(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，氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)變革性發(fā)展給氫能產(chǎn)業(yè)帶來了機(jī)遇。目前，氫燃料電池汽車進(jìn)入了落地階段，國內(nèi)外車企研發(fā)制造的氫燃料電池汽車陸續(xù)進(jìn)入市場[29]。未來氫燃料電池汽車領(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的較高成本限制了其主導(dǎo)市場的速度，但減少碳排放所帶來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年代開始，多個(gè)國家和研究機(jī)構(gòu)開始關(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，西門子能源團(tuán)隊(duì)完成了對氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)改進(jìn)，并且在德國開展了以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%天然氣混合燃料過渡到100%純氫氣燃料，并從美國猶他州的山間電力局獲得了2臺(tái)該型號燃?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，所得氫氣通過儲(chǔ)氫罐集中存儲(chǔ)。隨后，氫能可直接通過氫燃料電池輸出穩(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)電首先滿足電網(wǎng)需要，當(dāng)電網(wǎng)消納能力不足時(shí)，通過電解水制氫生產(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)、棄電問題，在實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)儲(chǔ)的同時(shí)，減少對電網(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)氫速率對太陽輻射量最為敏感，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，不再通過氫燃料電池發(fā)電。文獻(xiàn)[34]對風(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，評估了系統(tǒng)的制氫能力。文獻(xiàn)[36]對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)的市場空間，但需要對具體地區(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)展的主要問題。因此，通過容量配置設(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，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)的容量優(yōu)化配置，獲得了較好的系統(tǒng)性能預(yù)測準(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。文獻(xiàn)[41]通過實(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)能和太陽能的開發(fā)利用潛力，并結(jié)合河北省的太陽能和風(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]對比了基于模型預(yù)測控制和基于狀態(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)目僅需4年便可實(shí)現(xiàn)收支平衡并開始盈利，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)收益較好。
3 結(jié)語
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，并對系統(tǒng)應(yīng)用類型、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)的主要問題。通過容量配置設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制優(yōu)化來降低系統(tǒng)成本、提高能量轉(zhuǎn)化效率備受關(guān)注。
