当今社会工业化程度持续上升, 经济不断发展, 但随着世界人口密度的增大, 能源短缺和环境污染等问题日益突出, 能源转型迫在眉睫。传统化石能源的燃烧和使用, 会带来严重的环境污染; 水电资源总量受限, 开发成本高, 且增长空间不大; 核电技术水平有限, 核废料难以处理, 一旦发生事故, 后果严重, 社会影响范围广, 不稳定因素极大; 新型发电形式如温差能、潮汐能、海洋能及生物质能等, 受规模、资源、成本、技术等诸多因素限制, 发展缓慢。太阳能和氢能作为清洁能源, 储量大且可持续利用, 综合各方面因素考虑, 两者将是未来低碳发展和能源转型的主力军^[1]。其中, 氢储能技术适应范围广, 其储存输出能量最长持续时间可达24 h, 且储存条件受环境影响较小; 储能转换方式多样, 能量输出形式灵活。制氢设备电解槽可以直接利用光伏系统输出的直流电进行工作, 无需交直流转换, 因此将光伏发电与氢能储能技术相结合可以大大提高能源利用率, 具有广泛的应用前景。

在政府相关政策的支持下, 我国在氢储能研究方面加大研发投入, 并取得了不错成果。例如, 在研究离网风电制氢相关技术的可行性方面, 2009年进行了离网风电结合10 m³/h(标准状态下)电解制氢系统的示范; 2013年立项并网风电耦合电解水制氢; 2014年华融天能公司在吉林承担了一项耦合氢储能的风电建设项目, 总装机容量10万kW, 其中氢储能项目装机1万kW^[2]。

光伏制氢的研究已经取得了一些成果。徐佳乐^[1]对光伏发电制氢系统的各个组件建立Simulink模型, 分析其功率与电压的特性输出曲线, 研究了利用光伏制氢混合储能系统来缓解光伏输出功率的波动, 以及用制氢负载来消耗光伏发电系统中多余电能的可行性。陈建明等人^[3]研究了将光伏发电和风力发电与氢储能系统结合起来, 解决日益严重的弃风弃光问题的可行性。

宋旭飞^[4]以邯郸地区的太阳能资源为例, 分析了太阳能光伏电池和质子膜电解槽的电气特性, 得出了太阳能光伏阵列的最大功率点分布, 并通过实验得知影响能量利用效率的主要原因是电解槽产生的废热。徐敏等人^[5]以芬兰南部现有的带有地源热泵供暖系统的独立式住宅的光伏发电为例, 研究了以氢储能为季节性储能方式的光伏离网能源系统; 在不蓄氢且电池储能能够维持夏季运行的条件下, 离网系统增加电池储能的效益仅增加到20 kWh左右。葛晓琳^[6]针对风光储混合发电系统优化设计问题, 以总系统成本最小为目标, 建立了相应的优化模型。

本文在分析光伏发电系统和氢储能发展现状的基础上, 针对光伏发电输出电能波动性大、间歇性强等特点, 提出了一种在光照条件良好地区光伏电站附近建立制氢设备, 利用光氢系统进行光电消纳和能量转存的思路。

在瞬时系统模拟程序(Transient System Simulation Program, TRNSYS)软件中搭建模型, 分析不同温度和光照辐射下光伏方阵的最大功率点分布, 以及在不同温度下碱式电解槽考虑电流效率和不考虑电流效率的输出功率和电压特性, 以验证系统的技术可行性。

光伏-储氢能系统主要由光伏电池板、光伏控制器、蓄电池和碱式电解槽组成。系统各设备参数如表 1所示。

本文采用间接连接方式将光伏系统与储氢系统连接, 如图 1所示。光伏控制器可以将光伏方阵的功率输出控制在最大功率点附近。将负载使用后的多余电能先储存在蓄电池中, 经过蓄电池缓冲后由光伏方阵输出平稳的电压电流, 可以保证电解槽在合适的工况下运行。间接连接解决了光伏方阵由于日照和温度等天气因素而造成的功率输出不稳定等问题。通过DC/AC逆变器将直流电转换为交流电供整套负载使用, 用DC/DC逆变器为电解槽提供稳定的电流制取氢气。

采用浙江万向太阳能公司的一款光伏板, 型号为WXS260P, 光伏方阵额定功率P为4 160 W; 输入电压U_ip为250~350 V; 输出电压U_op为600 V; 开关频率f_sw为5 kHz; 电流波纹为5%;电压波纹为1%。光伏方阵变量之间关系如下:

$I_{\mathrm{ip}}=\frac{P}{U_{\mathrm{ip}}}=\frac{4160}{250}=16.64 \mathrm{~A}$

(1)

${\mathit{\Delta}} I=5 \% \times I_{\mathrm{ip}}=5 \% \times 16.64=0.832 \mathrm{~A}$

(2)

$\Delta U=1 \% \times U_{\mathrm{op}}=1 \% \times 600=6 \mathrm{~V}$

(3)

$I_{\mathrm{op}}=\frac{P}{U_{\mathrm{op}}}=\frac{4\ 160}{600}=6.93 \mathrm{~A}$

(4)

$L=\frac{U_{\mathrm{ip}}\left(U_{\mathrm{op}}-U_{\mathrm{ip}}\right)}{f_{\mathrm{sw}} \times {\mathit{\Delta}} I \times U_{\mathrm{op}}}=\frac{250 \times(600-250)}{5\ 000 \times 0.832 \times 600}= \\ \ \ \ \ \ \ 0.035\ 05 \ \mathrm{H}$

(5)

$ C_{\mathrm{p}}=\frac{I_{\mathrm{op}}\left(U_{\mathrm{op}}-U_{\mathrm{ip}}\right)}{f_{\mathrm{sw}} \times {\mathit{\Delta}} U \times U_{\mathrm{op}}}=\frac{6.93 \times(600-250)}{5\ 000 \times 6 \times 600}=\\ \ \ \ \ \ \ \ 1.347 \times 10^{-5}\mathrm{F}$

(6)

式中: I_ip——输入电流;

ΔI——电流波纹;

ΔU——电压波纹;

I_op——输出电流;

L——电感;

C_p——电容。

光伏发电系统采用TRNSYS软件仿真后的发电量和光电转换效率曲线如图 2所示。

由图 2可以明显看出, 光伏发电呈现随机性和波动性, 且光电转换效率均低于20%。

根据法拉第定律, 电解槽中的电解方程为

$n=\frac{I t}{Z F}$

(7)

式中: n——摩尔数;

I——电流;

t——时间;

Z——离子价电子数;

F——法拉第常数, 为96 485 C/mol。

电解槽可以等效为一个压敏非线性负载, 单个电解槽的电压U_DT为

$\begin{gathered} U_{\mathrm{DT}}=U_{\mathrm{r}}+\frac{r_0+r_1}{M} I_{\text {cell }}+\left(K_0+K_1 T+K_2 T^2\right) \\ \lg \left(\frac{s_0+\frac{s_1}{T}+\frac{s_2}{T^2}}{M} I_{\text {cell }}+1\right) \end{gathered}$

(8)

式中: U_r——可逆电压;

r₀, r₁——电解液欧姆电阻;

M——单个电极面积;

I_cell——直流电流;

K₀, K₁, K₂, s₀, s₁, s₂——电极过电压的相关参数;

T——电解槽工作时其中电解液的温度。

在实际应用中, 电解槽的可逆电压计算公式为

$U_{\mathrm{r}}=U_{\mathrm{b}}-k_{\mathrm{r}}(T-298)$

(9)

式中: U_b——温度为23 ℃±2 K, 相对湿度为45%~55%环境下的电解槽可逆电压, 一般为1.23 V;

k_r——可逆电压温度系数。

吉布斯自由能变和热能共同影响电解槽中反应的焓变, 故有

$c \frac{\mathrm{d} T}{\mathrm{~d} t}=V_{\mathrm{p}}-V_1-V_{\mathrm{c}}$

(10)

$V_{\mathrm{p}}=N\left(U_{\mathrm{DT}}-\frac{\Delta H}{Z F}\right) I_{\text {cell }}$

(11)

$V_1=\frac{T-T_{\mathrm{g}}}{R_{\mathrm{r}}}$

(12)

$V_{\mathrm{c}}=c_{\mathrm{W}}\left(T-T_{\mathrm{W}}\right)\left[1-\exp \left(\frac{h_0+h_1 I_{\mathrm{cell}}}{c_{\mathrm{W}}}\right)\right]$

(13)

式中: c——电解槽比热容;

V_p——电解槽内部产热速度;

V_l——散热速率;

V_c——冷却水冷却速度;

N——电解槽单元数;

ΔH——化学反应焓变;

T_g, T_W——电解槽工作温度和冷却水温度;

R_r——等效热电阻;

c_W——冷却水比热容;

h₀, h₁——热交换系数。

为了达到制氢所需要的容量, 需要增大单个电解槽的制氢容量, 但是这样有可能会导致电解槽反复启停, 增加系统损坏机率。因此, 在实际工程中一般将多个电解槽串联起来，以达到项目所要求的容量。另外, 选取电解槽时, 其工作电压一定要大于电解液分解电压。将多个电解槽串联起来, 则有

$U_{\mathrm{EP}}=N U_{\mathrm{DT}}$

(14)

式中: U_EP——串联后的电解槽总电压。

电解槽的制氢速率与其内部电流成正比。制氢速率V_H2的表达式为

$V_{\mathrm{H}_2}=\eta N \frac{I_{\text {cell }}}{Z F}$

(15)

$\eta=\frac{\left(\frac{I_{\text {cell }}}{S}\right)^2}{k_{\mathrm{f} 0}+\left(\frac{I_{\text {cell }}}{S}\right)^2} k_{\mathrm{f} 1}$

(16)

式中: η——电解槽电流效率;

S——化学反应的接触面积;

k_f0, k_f1——电流效率相关参数。

电解槽运行时的电流不能超过其自身限制的电流密度, 否则会损坏设备。

蓄电池可以看作是由电压源和恒值电阻组成的等效电路, 如图 3所示。

其电池空载电势E为

$E=E_0-K \frac{Q_{\text {Bat }}}{Q_{\text {Bat }}-\int i \mathrm{~d} t}+A \exp \left(-B \int i \mathrm{~d} t\right)$

(17)

式中: E₀——电池内电势, V;

K——极化电压, V;

Q_Bat——电池标准容量, Ah;

i——电池充放电电流;

A——指数区域电压幅值, V;

B——指数区域时间常数倒数, A/h。

电池输出电压U_Bat为

$U_{\text {Bat }}=E-i R_{\mathrm{eq}}$

(18)

式中: R_eq——电池等效内电阻, Ω。

蓄电池过充或过放都会缩短蓄电池的使用寿命, 因此必须设置一个环节来判断电池是过充还是过放。蓄电池的荷电状态(State of Charge SOC)值是系统运行控制的重要参数, 可以反应蓄电池内剩余容量。如果SOC值过大, 说明电池过度充电; 如果SOC值太小, 则说明电池过度放电。正常工作状态下, SOC值在0.2~0.85。另外, 蓄电池SOC值通常以百分数的形式表示, 其公式为

$S_{\mathrm{OC}}=S_{\mathrm{OC} O}-\int \frac{i}{Q_{\mathrm{B}}} \mathrm{d} t$

(19)

式中: S_OC0——初始时刻的蓄电池容量;

Q_B——电池标准容量。

TRNSYS软件最早是由美国威斯康星大学Solar Energy实验室开发的, 后来在一些研究所的共同努力下逐步完善。该系统最大的优势在于其模块化的分析方式。所谓模块分析, 就是认为所有热传输系统均由若干个细小的系统(即模块)组成, 一个模块实现一种特定功能, 如热水器模块、单温度场分析模块、太阳辐射分析模块、输出模块等。因此, 只要调用实现这些特定功能的模块, 给定输入条件, 这些模块程序就可以对某种特定热传输现象进行模拟, 最后经过汇总就可对整个系统进行瞬时模拟分析。

根据上述模型分析, 在TRNSYS软件中建立系统仿真模型, 如图 4所示。

整个仿真系统主要由以下模块组成: 天气、环境温度模块, 仿真光伏电池板的工作温度; 计算辐射效率模块, 转换计算光伏电池板接收到的太阳辐照度; 太阳能光伏阵列模块, 仿真光伏电站的光伏阵列; 发电量模块, 计算仿真时用于电解水制氢的弃光电能; 电解槽模块, 仿真电解水制氢设备; 电量换算模块, 计算储氢设备中的氢气通过燃料电池燃烧后所产生的电能; 逆变器模块, 仿真真实系统中的逆变器; 发电量统计模块, 统计不同温度、光照幅度下光伏电池板所发出的电能; 能源管理统计模块, 管理系统中的电能记录。

经过系统仿真后, 部分结果如图 5所示。

由图 5可以看出, 红色的为光伏发电量, 具有较大的随机性和波动性; 蓝色的则为蓄电池的输出电量, 当光伏电站的发电量大于电力系统的最大传输电量时, 将这一部分弃光用于电解水制氢, 并将氢气储存, 当光伏电站发电量较小, 难以满足负荷需求时, 通过燃料电池燃烧氢气来提供电能, 由于燃料电池发出的是稳定的直流电, 因此在建模过程中可以使用蓄电池来表示这一部分电能。图 5中, 燃料电池能提供的电能最高可达250 kWh, 约占整个仿真过程中负荷所需最大电能(约700 kWh)的35.7%。由此可知, 本文所提出的光伏-储氢能系统具有一定的可行性。

本文通过TRNSYS软件仿真搭建了光伏-储氢能系统, 通过对仿真后的发电量图像曲线进行分析, 得出以下结论。

(1) 将光伏发电设备与电解水制氢设备和储氢设备相结合成光伏-储氢发电系统, 能够在很大程度上解决当前光伏发电所面临的弃光问题, 有效减少光伏发电的随机性和不稳定性, 并提高光伏发电的利用率, 从而更好地推广光伏发电, 减少碳排放量, 助力能源转型。

(2) 本文当中的光伏+氢储能模式是一种利用氢能的有效形式, 具有一定的可行性, 是推广利用氢能的新模式。