陆/湖氢能综合运用系统设计

周 蕾，喻济兵



陆/湖氢能综合运用系统设计

周 蕾1，喻济兵2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所， 武汉 430064；2. 海军驻武汉七一二所军事代表室， 武汉 430064）

本文介绍了陆/湖氢能综合运用系统的特点，描述了具体设计方案，包括工作原理，系统组成及参数，不同阶段运行模式及运行参数，对类似的氢能系统具有一定的参考价值。

氢能 燃料电池

0 引言

目前，世界主要发达国家和国际组织都对氢能研发和实现向氢经济的转化给予了极大重视，投入巨资进行氢能相关技术研发。在氢能系统中，氢制备是应用基础，氢的安全存储和运输是应用的关键，氢燃料电池是当前氢能最具潜力的应用方式。只有将氢的制备、储运、应用三方面有机结合才能使氢能迅速走向实用化[1]。

风能是取之不尽用之不竭的可再生能源，并且具有无污染、无噪音、不产生废弃物的优点。风电技术成熟，在可再生能源中成本相对较低，具有广阔的发展前景。风电制氢技术就是将风力发电与水解制氢结合起来，利用风力发电电解水制取氢气。陆/湖氢能综合运用系统是一种集氢能的制备、储运、应用于一体的氢能应用系统。该系统初始能源来自风力发电机组产生的电能，供给电解水装置制得氢气，通过增压将氢气储存在高压储氢罐内。

燃料电池是一种将化学能转化为电能的先进发电装置，是当前最具潜力的氢能应用方式。该系统具有环境友好、振动与噪音小、能量密度高、能量转换效率高、功率组合灵活等诸多优点[2]。通过将储存的高压氢气供应给固定式燃料电池电站，可以输出电能，使氢能合理利用。

1 特点

传统的可再生能源发电系统都存在一定的缺陷，例如单独的风力发电或太阳能发电，由于受季节和天气变化的影响，存在发电量不稳定的缺陷。虽然燃料电池技术是氢能应用最具潜力的方向，但是传统的氢气制备成本较高，无形中降低了整个燃料电池系统的发电效率[3~4]，陆/湖氢能综合运用系统结合了风电制氢和燃料电池技术，具有以下优势：

1）可再生能源的高效储存

风电机组电解水制氢具有简单易行、成本低、充放气快等优点，目前电解水制氢效率可达60%-70%，高压气态储氢压力可达450 bar以上，这种风电制氢储氢方式，还可以有效弥补风能发电不稳定的缺陷，平衡风电输出，有利于风能的广泛应用。

2）安全可靠、输送方便、可移动式的氢能应用

通过小型高压储氢罐将氢气储存起来，作为氢燃料直接安装在游船、汽车、潜器等移动式运载工具上，通过加氢站对高压储氢罐进行补给[5]，与目前汽油应用类似。还可以将高压储氢罐通过车辆或轮船进行长距离的输送，这种输送方法安全可靠，在技术上已经相当成熟。

3）环境友好、高效低噪的绿色电能应用

燃料电池具有能量转化效率高、无环境污染物排放、振动和噪声等级低等特点，被认为是 21 世纪首选的高效洁净的发电技术。基于以上特点，燃料电池作为发电装置，将大幅节省燃料费用、减少环境污染，作为游船的动力装置还能提升舒适度。

4）风能有效利用率高

并网模式的风电机组在风速小时产生的电能不够，不能并网。风速太大时并网发电机组因为安全问题会进行“自动保护动作”突然脱离电网，造成电网电压的大幅度下降，影响整个电网的平稳，降低了发电效率。对于风电机组制氢模式，无论风速大小，发电机发出电能能够完全利用，该种制氢模式相对于并网模式来说是一个更高效的风能利用方法。

5）制氢模式风力发电机组成本低

传统的并网模式，需要高精度的电能控制设备将风电调整到与电网一致的电压、周率、波形、相序，还要调整有功和无功功率，达到电网最基本的并网需求，才能够并入电网。这些大功率的电子调控设备价格极高，又极容易损坏，占到整个机组造价的50%左右。制氢模式风力发电机组发出的风电只需进行最简单的变压、整流处理，将电压通过变压器调整到所需电压，交流电整流为直流电即可，成本相对低。

2 技术方案

2.1 工作原理

陆/湖氢能综合运用系统初始能源来自于风能，利用风力发电技术将风能转化为电能，通过电解水制氢技术将大部分电能转化为氢能，并储存起来；少部分电能以化学能的形式储存在蓄电池中，可作为系统辅助电源。储存的氢能通过燃料电池发电技术再次转化为电能，并用于游船电力推进、辅助用电和陆上路灯照明、生活用电。

具体结构如图1所示。在氢能部分中，氢源单元消耗水生成氢气、氧气（以纯氧形式）和热量，船用和陆上燃料电池发电单元消耗氢气和氧气（以空气形式）生成水和热量。由于燃料电池氢氧利用率高达99%，所以生成的氢气和氧气量与消耗的氢气和氧气量近似相等，同样消耗的水量与生成的水量也近似相等，即氢能部分输出只有电能和热量。

2.2 系统组成及参数

陆/湖氢能综合运用系统主要由发电、氢能与应用三个部分组成，其中氢能部分由氢源、船用燃料电池发电和陆上燃料电池发电三个单元组成。

陆/湖氢能综合运用系统图如图2所示。各部分、单元主要设备、功能及参数如表1所示。

2.3 运行模式及运行参数

陆/湖氢能综合运用系统运行模式分为风电为蓄电池充电、风电制氢储氢、氢能发电三个阶段。

2.3.1风电为蓄电池充电阶段

首先启动风电机组，产生的电能用于为陆上和船用蓄电池充电，运行参数如表2所示。

由表2可以看出，系统启动时只需要数小时的充电时间，此后即可独立运行，自给自足。

2.3.2风电制氢储氢阶段

完成蓄电池充电后，将风电切换到氢源单元开始制氢，并通过陆上蓄电池为氢源增压等辅助设备供电，重复蓄电池充电和制氢储氢，直到陆上储氢罐充满为止，运行参数如表3所示。

由表3可以看出，风电制氢储存时间根据风电工况变化而变化，而且根据需要可以通过改变储氢装置容量调节。

2.3.3氢能发电阶段

停运风电机组，将氢气分别供应给陆上燃料电池发电单元和船用燃料电池发电单元，产生的电能供应给用电设备。其中陆上蓄电池供应陆上设备辅助用电，船上蓄电池除了供应船上设备辅助用电外，还要配合燃料电池发电机作为游船推进动力。

图1 陆/湖氢能综合运用系统结构图

根据风力情况，可分为无风运行和有风运行。

表2风电为蓄电池充电阶段运行参数

1）无风运行

氢能发电阶段，蓄电池是制约系统连续运行的瓶颈，可用于蓄电池充电的电能可来自于风电机组或燃料电池电站。因为风电的波动性，用燃料电池电站为蓄电池充电不仅可以保证系统运行的稳定性，还可以有效延长系统运行时间。

表3风电制氢储氢阶段运行参数

项目单位风电机组平均工况风电机组最大工况 风电机组功率kW5001500 制氢速率kg/h927 制氢耗时h190～21060～70 总储氢量kg16181618

表4 氢能发电（无风运行）阶段运行参数

采用燃料电池和蓄电池联用、船用储氢罐和陆用储氢罐联用的方案，在无风情况下氢能发电阶段运行参数如表4所示。

由表4可以看出，在储氢罐及蓄电池充满、连续无风的情况下，游船最长运行时间约19天，照明最长运行时间约28天。

2）有风运行

风电机组输出功率的波动只影响氢气的产量而不影响制氢设备的工作性能，可根据风速大小（风电功率）调节制氢设备投运数量和充电蓄电池数量，以最大效率的利用风力资源。

陆上储氢罐压力低于一定值时，开启风电机组制氢；船上蓄电池或陆上蓄电池电量低于一定值时，开启风电机组充电。风电制氢和蓄电池充电交替进行，最后要保证储氢罐和蓄电池充满。

在有风的条件下，以一年为时间段，经过计算得到的运行统计参数如表5所示。

由表5可以看出，假设年平均有风时间为97天，可以保证全年每天照明10小时，全年游船出勤率80%。

3 结论

本文介绍了集氢能的制备、储运、应用于一体的陆/湖氢能综合运用系统，阐述了该套系统的工作原理和系统组成，并针对具体应用场景给出了主要设备的关键参数、系统运行模式和关键运行参数，相关的计算和分析对类似的氢能系统具有一定的参考价值。

表5 氢能发电（有风运行）阶段运行参数

[1] 翁震平, 谢俊元. 重视海洋开发战略研究强化海洋装备创新发展. 海洋开发与管理, 2012.1: 1 - 7.

[2] 衣宝廉. 燃料电池—原理·技术·应用.北京化学工业出版社, 2003:71-78.

[3] M. Suha, Yazici, H. Ayhan, Yavasoglu, M.Eroglu. A mobile off-grid platform powered with photovoltaic/wind/ battery/fuel cell hybrid power systems. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38: 11639-1645.

[4] Øystein Ulleberg, Torgeir Nakken , Arnaud Ete´. The wind/hydrogen demonstration system at Utsira in Norway: Evaluation of system performance using operational data and updated hydrogen energy system modeling tools. International Journal of Hydrogen Energy 2010, 35: 1841-1852.

[5] 许辉庭. 加氢站用多功能全多层高压储氢容器研究 [D]. 杭州: 浙江大学, 2008.

Design of Land/Lake Hybrid Hydrogen Energy Systems Design

Zhou Lei1, Yu Jibing2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Naval Representatives Office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China)

TM911.4

A

1003-4862（2017）12-0039-04

2017-09-15

周蕾（1987-），女，硕士，工程师。研究方向：新能源。E-mail: 19871010carrie@163.com