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基于氢储能的光伏发电系统

2021-11-09张江丰华丽云李建伟

电源技术 2021年10期
关键词:储氢电解槽制氢

王 振,苏 烨,张江丰,华丽云,李建伟

(1.杭州意能电力技术有限公司,浙江杭州310014;2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院,浙江杭州310014)

截至2019年第一季度末,我国可再生能源(含风能、太阳能、生物质能及水电等)发电累计装机量达到740 GW,可再生能源发电量占总发电量的23.2%。其中,光伏发电装机量为180 GW。全国平均弃光率达到2.7%,主要集中在新疆、甘肃和青海地区[1]。光伏发电具有不连续和波动大的特点,大规模并网将会直接影响电力系统稳定性和可靠性。因此,氢储能技术可作为平衡可再生能源装机容量与电网之间供需矛盾的一种潜在解决方案[2-3]。

目前,已有很多研究工作聚焦在用氢储能解决光伏弃光问题的可行性方面。文献[4]通过将氢储能与压缩空气储能进行对比,分析氢储能系统的潜在机会和风险,认为利用氢储能技术解决中国西部地区弃风弃光问题,在一定程度上具有技术可行性。文献[5]介绍了氢储能在综合能源系统中解决工业用户、交通运输和热电联供的问题上具有良好的应用前景和经济效益。文献[6]建立太阳能光伏阵列与质子交换膜水电解直接耦合系统分析模型,为太阳能光伏−PEM 水电解氢储能直接耦合技术奠定理论基础。文献[7-8]分别提出基于氢储能的光伏能量管理的建模和仿真,为二者协调控制做了深入研究。文献[9]提出一种含氢储能的风/光/储并网微电网混合储能系统结构,仿真结果表明,相较于传统单一的蓄电池储能系统成本高且寿命短的缺点,其在经济性和实用性方面表现出较好优势。文献[10]设计的燃料电池微型热电联供系统,实现了能源的梯级利用,将可再生能源剩余电能转化为化学能进行储存,实现剩余电能的有效转化。由此可见,氢储能技术在未来电力技术和储能技术发展中占据重要的地位。

本文提出在光伏发电系统中应用氢储能技术,构建光伏-氢-燃料电池系统,该系统能将电能用于电解制氢并存储,需要时通过燃料电池发电,将存储在氢气中的能量释放。通过数学模型,结合实验,量化计算氢储-光伏系统的能量利用效率,给出多工况下可行性求解的约束条件。

1 氢储能

氢储能是指利用电能通过电解槽制氢并用储氢罐储氢的过程。氢气是一种优质的能量储存介质。它具有储能密度高、绿色、环境友好等特点,贮存时能量形式不受空间地域的限制。因水-氢-电转换效率高,因此具备大规模储能的潜力。在一定条件下以特定装置将能量释放出来,实现灵活供电和供热的需求[4]。光伏-氢-燃料电池系统主要结构见图1。

图1 光伏-氢-燃料电池系统结构示意图

1.1 氢气制备与存储

目前多采用碱水电解制氢。较为典型电解制氢装置为固体聚合物电解质(SPE)电解槽。相比常规水电解制氢,该法成本低、设备体积小、制氢效率高,且制备的氢气纯度高[5]。

储氢方式主要包括高压气态储氢、低温液态储氢和金属氢化物固态储氢。金属氢化物固态储氢体积储氢密度比前两种高、安全性好、不易泄露,但仅适用于小规模储氢。

1.2 燃料电池发电

燃料电池是一种将氢气转化为电能的特殊发电装置,以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例,其原理相当于电解水的逆反应。在催化剂作用下,氢气和氧气在电极上发生电化学反应,在外电路形成电流。它可以低温运行,启动快速,能量转化效率可达60%[11]。

2 系统构成

2.1 PEMFC 系统

反应气体在PEMFC 堆内传输及离子移动过程会产生能量损耗,导致实际开路电压低于理论值,根据电压损失产生原因,可分为活化损失、欧姆损失和浓差损失。PEMFC 等效输出特性模型如图2所示。

图2 PEMFC等效电路图

其输出电压对应关系为:

式中:Vstack为电堆输出电压;N为电堆单元数;ENernst为热力学电动势;ηact为活化过电势;ηohm为欧姆过电势;ηcon为浓差过电势。

由Nernst 方程以及吉布斯自由能变化关系,将热力学电动势表示为式(2):

式中:ΔG为吉布斯自由能变化量,J/mol;ΔS为熵的变化值,J/mol;pH2为氢气在阳极的分压,MPa;pO2为氧气在阴极的分压,MPa;Tref为参考温度,取303 K。

活化过电势ηact通常用Tafel 公式描述,包括阴极和阳极活化过电势之和[11-13],如式(3)所示:

式中:i为电流密度,A/cm2;i0为交换电流密度,A/cm2;α 为电荷转移系数,α=0.5;n为电化学反应转移电荷数,n=2;F为法拉第常数,96 485 C/mol。

通常情况下式(3)可用式(4)近似表示[11-13]:

式中:ξ1~ξ4为模型拟合参数,取值分别为:ξ1= -0.944,ξ2=-1.96×10-4,CH2为阳极氢气的液相浓度,mol/cm3;CO2为阴极氧气的液相浓度,mol/cm3;Istack为电堆输出电流,A。

浓差过电势ηcon为[12-13]:

式中:iL为电堆极限电流密度。

电堆输出功率记作Pstack:

PEMFC 输出特性受工作温度、湿度等操作条件影响较大。通过设置操作条件,工作在RHstack=80%,pH2=0.3 MPa 的条件下,在Tstack为323、333、343 和353 K 四种情况下,通过实验获得的V-I和P-I曲线如图3所示。

图3 PEMFC 的V-I和P-I曲线

由图3 可知,电堆输出功率随工作温度的升高而增大。电堆的工作温度、湿度、压力等操作条件可通过改变电堆冷却水流量、进气加湿度等方式实现控制与调节。

2.2 SPE 电解槽模型

在直流电流作用下,电解槽的阴、阳极会分别产生氢气和氧气。通入电流越大,制氢速率与产量越高。不同温度下电解槽U-I特性描述见式(7)[6]:

式中:Urev为可逆电压;r1,r2为电解液欧姆内阻;Te为电解槽温度;Ie为电解槽电流;ke、kT1、kT2、kT3为过压系数;A为电解槽极板面积;Uele为电解槽电压。

氢气的产生速率为:

式中:nF为实际的电流效率;Nele是电解槽数量。

2.3 太阳电池

光伏阵列由光伏组件构成,光伏组件是串并在电路中的多个单元太阳电池组成的。太阳电池等效电路模型见图4。

图4 太阳电池单二极管等效电路图

图4 中,Iph为光生电流,Id为二极管电流,Rs、Rsh为寄生电阻(串、并联电阻),IRsh为并联电阻电流。电流表达式见式(9):

进一步地,可得太阳电池U-I输出特性方程[9]:

式中:Io为二极管反向饱和电流,A;Rs为串联电阻,Ω;Rsh为并联电阻,Ω;n为二极管理想因子;q为电子电荷量,1.6×10-19C;k为玻尔兹曼常数,1.38×10-23J/K;T为电池工作温度,K。

太阳电池工作时,输出功率受外界光照强度和环境温度等影响较大,其输出功率PPV见式(11)[14]:

式中:PSTC为光伏电池在STC 下额定输出功率;SSTC为STC 下太阳辐照强度;S为当前工作时刻的辐照强度;T为当前工作时刻的环境温度;k为温度系数。

不同光照强度下,太阳电池的I-U和P-U曲线见图5。

图5 太阳电池I-U和P-U曲线

由图5 可知,辐照强度主要影响光伏电池的短路电流,而对开路电压影响较小;其输出功率随太阳辐照强度的增加而增加。利用最大功率点跟踪方法,能保证系统维持以最大功率输出。

通过上述各环节输出特性规律的分析,表明光伏-氢-燃料电池系统是可以实现光伏能量的储存转化再利用的,设置合理工作条件可以提高光伏发电的能量利用率。

3 案例分析

3.1 案例计算与分析

以2019年6月3日浙江嘉兴某地额定装机容量为4.4 kW的屋面分布式光伏电站数据为例进行分析。该电站设计两串,每串8 块光伏组件板,每块光伏组件最大发电功率0.275 kW,配置2 台单相逆变器,每串功率最大功率2.2 kW。

当日天气状况:晴朗无云,东南微风,环境最高温度为31 ℃,相对湿度为65%。

在08:00~16:00 时间段内,采用PC-6 型环境辐照仪采集辐照强度数据并存储。GCI-XX-2000-XX 型单相组串式逆变器的数据如表1所示,该逆变器最大效率为97.2%。

表1 逆变器参数

当日的电站总功率变化曲线和辐照强度变化见图6。

图6 某地当日功率变化曲线和辐照强度变化曲线

从图6 可知,在晴朗天气下,光伏功率输出与当前时刻的辐照强度密切相关,变化规律与图5 得到的规律是一致的。在共8 h 的时间内,组件输出功率基本均在2 kW 以上。

选用的2 台EL500 型SPE 制氢机的具体参数如表2所示。

表2 电解槽参数

2 串光伏组件功率输出经光伏逆变器与电解槽相连。电解槽规格相同,且额定功率为2 kW。监测实时氢气流量数据,一天的制氢速率曲线如图7所示。

图7 制氢速率曲线

由图7 可知,制氢速率与光伏的辐照强度相关。当辐照强度增大、环境温度升高时,光伏组件发电功率增大,电解槽输入功率也随之增大。当输入电压稳定时,增大输入电流能提升制氢量。

8 h 的时间内,电解槽工作在20 ℃,出口压力为3 MPa 的工况下,共消耗电能14.64 kWh,共计向氢瓶内充氢约为4 Nm3,质量约为0.36 kg。氢气经减压阀释氢供额定功率为1.5 kW 水冷型PEMFC 堆,恒稳定在Tstack=333 K,RHstack=80%,pH2=0.3 MPa 条件下,为电子负载提供稳定48 V 输入下消耗电能为5.94 kWh,由此计算出光伏发电到产氢到燃料电池发电的全过程的能量转化效率。部分实验数据如表3所示。

表3 实验数据

经计算,所制的4 Nm3的H2能量完全释放并转化,其效率约为40.57%。对比文献[15-16]氢储能闭环系统一般效率为48%,产生差异的主要原因有:(1)测试方法与设备文献存在差异性;(2)电解制氢过程中热量的散失以及副产品氧气的耗能;(3)除选取的08:00~16:00 时间段外的光伏发电的电能未进行计算。如若实现热电联产以及氧气的利用,可进一步提高能量转化利用率。

3.2 可行性分析

上述光伏发电、制氢储氢、燃料电池发电等分系统之间运行方式存在差异性,导致光伏-氢-燃料电池系统整体能量转化效率较低,尤其是在多种运行场景下,无法达到最优。为实现经济最优化,在满足系统稳定运行前提下,选择并设置各分系统之间相关功率约束条件是有必要的。但这需要一个前提,就是假设光伏发电能够被氢储能系统消纳,氢气中能量完全通过燃料电池所释放。

以系统最大利用效率Max(ηsys)为目标函数,不考虑电力电子设备转换产生能量损失。主要损失集中在光伏-电解槽、H2-PEMFC 两阶段,如式(12)所示:

(1)光伏约束条件

式中:PPV(t)为光伏组件在t时刻功率;MinPPV(t)、MaxPPV(t)为t时刻功率最小值和最大值。

(2)制氢约束条件

式中:MaxPH2(t)为制氢功率的最大值,可取光伏发电当前时刻功率的最大值。

(3)燃料电池约束条件

式中:MaxPFC(t)为电堆功率的最大值,可取光伏当前时刻功率的最小值。

在上述条件下,实时计算系统各时刻的效率值。本文采用最简单直接的约束条件计算,计算过程略掉,以节省篇幅。但应指出的是,燃料电池发电效率受操作条件影响较大,确定其最优工作条件是提升系统整体效率的关键。

4 结论

本文通过分析一种光伏-氢-燃料电池系统混合系统,建立各环节计算模型,分析和归纳系统的输出特性,结合实验数据对能量利用进行量化计算。结果表明,氢储能的加入能够提高光伏系统的能量利用效率,验证了氢储能在光伏发电系统中实施的可行性,具有一定参考意义,系统在多工况运行方式下的经济性及求解方法将成为下一步研究的重点。

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