基于氫儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)

王 振，蘇 燁，張江豐，華麗云，李建偉

(1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，浙江杭州310014；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江杭州310014)

截至2019年第一季度末，我國可再生能源(含風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能及水電等)發(fā)電累計(jì)裝機(jī)量達(dá)到740 GW，可再生能源發(fā)電量占總發(fā)電量的23.2%。其中，光伏發(fā)電裝機(jī)量為180 GW。全國平均棄光率達(dá)到2.7%，主要集中在新疆、甘肅和青海地區(qū)[1]。光伏發(fā)電具有不連續(xù)和波動大的特點(diǎn)，大規(guī)模并網(wǎng)將會直接影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。因此，氫儲能技術(shù)可作為平衡可再生能源裝機(jī)容量與電網(wǎng)之間供需矛盾的一種潛在解決方案[2-3]。

目前，已有很多研究工作聚焦在用氫儲能解決光伏棄光問題的可行性方面。文獻(xiàn)[4]通過將氫儲能與壓縮空氣儲能進(jìn)行對比，分析氫儲能系統(tǒng)的潛在機(jī)會和風(fēng)險(xiǎn)，認(rèn)為利用氫儲能技術(shù)解決中國西部地區(qū)棄風(fēng)棄光問題，在一定程度上具有技術(shù)可行性。文獻(xiàn)[5]介紹了氫儲能在綜合能源系統(tǒng)中解決工業(yè)用戶、交通運(yùn)輸和熱電聯(lián)供的問題上具有良好的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[6]建立太陽能光伏陣列與質(zhì)子交換膜水電解直接耦合系統(tǒng)分析模型，為太陽能光伏?PEM 水電解氫儲能直接耦合技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[7-8]分別提出基于氫儲能的光伏能量管理的建模和仿真，為二者協(xié)調(diào)控制做了深入研究。文獻(xiàn)[9]提出一種含氫儲能的風(fēng)/光/儲并網(wǎng)微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)單一的蓄電池儲能系統(tǒng)成本高且壽命短的缺點(diǎn)，其在經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性方面表現(xiàn)出較好優(yōu)勢。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)的燃料電池微型熱電聯(lián)供系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了能源的梯級利用，將可再生能源剩余電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進(jìn)行儲存，實(shí)現(xiàn)剩余電能的有效轉(zhuǎn)化。由此可見，氫儲能技術(shù)在未來電力技術(shù)和儲能技術(shù)發(fā)展中占據(jù)重要的地位。

本文提出在光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用氫儲能技術(shù)，構(gòu)建光伏-氫-燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)能將電能用于電解制氫并存儲，需要時(shí)通過燃料電池發(fā)電，將存儲在氫氣中的能量釋放。通過數(shù)學(xué)模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，量化計(jì)算氫儲-光伏系統(tǒng)的能量利用效率，給出多工況下可行性求解的約束條件。

1 氫儲能

氫儲能是指利用電能通過電解槽制氫并用儲氫罐儲氫的過程。氫氣是一種優(yōu)質(zhì)的能量儲存介質(zhì)。它具有儲能密度高、綠色、環(huán)境友好等特點(diǎn)，貯存時(shí)能量形式不受空間地域的限制。因水-氫-電轉(zhuǎn)換效率高，因此具備大規(guī)模儲能的潛力。在一定條件下以特定裝置將能量釋放出來，實(shí)現(xiàn)靈活供電和供熱的需求[4]。光伏-氫-燃料電池系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 光伏-氫-燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 氫氣制備與存儲

目前多采用堿水電解制氫。較為典型電解制氫裝置為固體聚合物電解質(zhì)(SPE)電解槽。相比常規(guī)水電解制氫，該法成本低、設(shè)備體積小、制氫效率高，且制備的氫氣純度高[5]。

儲氫方式主要包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫和金屬氫化物固態(tài)儲氫。金屬氫化物固態(tài)儲氫體積儲氫密度比前兩種高、安全性好、不易泄露，但僅適用于小規(guī)模儲氫。

1.2 燃料電池發(fā)電

燃料電池是一種將氫氣轉(zhuǎn)化為電能的特殊發(fā)電裝置，以質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)為例，其原理相當(dāng)于電解水的逆反應(yīng)。在催化劑作用下，氫氣和氧氣在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在外電路形成電流。它可以低溫運(yùn)行，啟動快速，能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)60%[11]。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 PEMFC 系統(tǒng)

反應(yīng)氣體在PEMFC 堆內(nèi)傳輸及離子移動過程會產(chǎn)生能量損耗，導(dǎo)致實(shí)際開路電壓低于理論值，根據(jù)電壓損失產(chǎn)生原因，可分為活化損失、歐姆損失和濃差損失。PEMFC 等效輸出特性模型如圖2所示。

圖2 PEMFC等效電路圖

其輸出電壓對應(yīng)關(guān)系為：

式中：Vstack為電堆輸出電壓；N為電堆單元數(shù)；ENernst為熱力學(xué)電動勢；ηact為活化過電勢；ηohm為歐姆過電勢；ηcon為濃差過電勢。

由Nernst 方程以及吉布斯自由能變化關(guān)系，將熱力學(xué)電動勢表示為式(2)：

式中：ΔG為吉布斯自由能變化量，J/mol；ΔS為熵的變化值，J/mol；pH2為氫氣在陽極的分壓，MPa；pO2為氧氣在陰極的分壓，MPa；Tref為參考溫度，取303 K。

活化過電勢ηact通常用Tafel 公式描述，包括陰極和陽極活化過電勢之和[11-13]，如式(3)所示：

式中：i為電流密度，A/cm2；i0為交換電流密度，A/cm2；α 為電荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，α=0.5；n為電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)移電荷數(shù)，n=2；F為法拉第常數(shù)，96 485 C/mol。

通常情況下式(3)可用式(4)近似表示[11-13]：

式中：ξ1～ξ4為模型擬合參數(shù)，取值分別為：ξ1= -0.944，ξ2=-1.96×10-4，CH2為陽極氫氣的液相濃度，mol/cm3；CO2為陰極氧氣的液相濃度，mol/cm3；Istack為電堆輸出電流，A。

濃差過電勢ηcon為[12-13]：

式中：iL為電堆極限電流密度。

電堆輸出功率記作Pstack：

PEMFC 輸出特性受工作溫度、濕度等操作條件影響較大。通過設(shè)置操作條件，工作在RHstack=80%，pH2=0.3 MPa 的條件下，在Tstack為323、333、343 和353 K 四種情況下，通過實(shí)驗(yàn)獲得的V-I和P-I曲線如圖3所示。

圖3 PEMFC 的V-I和P-I曲線

由圖3 可知，電堆輸出功率隨工作溫度的升高而增大。電堆的工作溫度、濕度、壓力等操作條件可通過改變電堆冷卻水流量、進(jìn)氣加濕度等方式實(shí)現(xiàn)控制與調(diào)節(jié)。

2.2 SPE 電解槽模型

在直流電流作用下，電解槽的陰、陽極會分別產(chǎn)生氫氣和氧氣。通入電流越大，制氫速率與產(chǎn)量越高。不同溫度下電解槽U-I特性描述見式(7)[6]：

式中：Urev為可逆電壓；r1，r2為電解液歐姆內(nèi)阻；Te為電解槽溫度；Ie為電解槽電流；ke、kT1、kT2、kT3為過壓系數(shù)；A為電解槽極板面積；Uele為電解槽電壓。

氫氣的產(chǎn)生速率為：

式中：nF為實(shí)際的電流效率；Nele是電解槽數(shù)量。

2.3 太陽電池

光伏陣列由光伏組件構(gòu)成，光伏組件是串并在電路中的多個(gè)單元太陽電池組成的。太陽電池等效電路模型見圖4。

圖4 太陽電池單二極管等效電路圖

圖4 中，Iph為光生電流，Id為二極管電流，Rs、Rsh為寄生電阻(串、并聯(lián)電阻)，IRsh為并聯(lián)電阻電流。電流表達(dá)式見式(9)：

進(jìn)一步地，可得太陽電池U-I輸出特性方程[9]：

式中：Io為二極管反向飽和電流，A；Rs為串聯(lián)電阻，Ω；Rsh為并聯(lián)電阻，Ω；n為二極管理想因子；q為電子電荷量，1.6×10-19C；k為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；T為電池工作溫度，K。

太陽電池工作時(shí)，輸出功率受外界光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度等影響較大，其輸出功率PPV見式(11)[14]：

式中：PSTC為光伏電池在STC 下額定輸出功率；SSTC為STC 下太陽輻照強(qiáng)度；S為當(dāng)前工作時(shí)刻的輻照強(qiáng)度；T為當(dāng)前工作時(shí)刻的環(huán)境溫度；k為溫度系數(shù)。

不同光照強(qiáng)度下，太陽電池的I-U和P-U曲線見圖5。

圖5 太陽電池I-U和P-U曲線

由圖5 可知，輻照強(qiáng)度主要影響光伏電池的短路電流，而對開路電壓影響較小；其輸出功率隨太陽輻照強(qiáng)度的增加而增加。利用最大功率點(diǎn)跟蹤方法，能保證系統(tǒng)維持以最大功率輸出。

通過上述各環(huán)節(jié)輸出特性規(guī)律的分析，表明光伏-氫-燃料電池系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)光伏能量的儲存轉(zhuǎn)化再利用的，設(shè)置合理工作條件可以提高光伏發(fā)電的能量利用率。

3 案例分析

3.1 案例計(jì)算與分析

以2019年6月3日浙江嘉興某地額定裝機(jī)容量為4.4 kW的屋面分布式光伏電站數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。該電站設(shè)計(jì)兩串，每串8 塊光伏組件板，每塊光伏組件最大發(fā)電功率0.275 kW，配置2 臺單相逆變器，每串功率最大功率2.2 kW。

當(dāng)日天氣狀況：晴朗無云，東南微風(fēng)，環(huán)境最高溫度為31 ℃，相對濕度為65%。

在08:00～16:00 時(shí)間段內(nèi)，采用PC-6 型環(huán)境輻照儀采集輻照強(qiáng)度數(shù)據(jù)并存儲。GCI-XX-2000-XX 型單相組串式逆變器的數(shù)據(jù)如表1所示，該逆變器最大效率為97.2%。

表1 逆變器參數(shù)

當(dāng)日的電站總功率變化曲線和輻照強(qiáng)度變化見圖6。

圖6 某地當(dāng)日功率變化曲線和輻照強(qiáng)度變化曲線

從圖6 可知，在晴朗天氣下，光伏功率輸出與當(dāng)前時(shí)刻的輻照強(qiáng)度密切相關(guān)，變化規(guī)律與圖5 得到的規(guī)律是一致的。在共8 h 的時(shí)間內(nèi)，組件輸出功率基本均在2 kW 以上。

選用的2 臺EL500 型SPE 制氫機(jī)的具體參數(shù)如表2所示。

表2 電解槽參數(shù)

2 串光伏組件功率輸出經(jīng)光伏逆變器與電解槽相連。電解槽規(guī)格相同，且額定功率為2 kW。監(jiān)測實(shí)時(shí)氫氣流量數(shù)據(jù)，一天的制氫速率曲線如圖7所示。

圖7 制氫速率曲線

由圖7 可知，制氫速率與光伏的輻照強(qiáng)度相關(guān)。當(dāng)輻照強(qiáng)度增大、環(huán)境溫度升高時(shí)，光伏組件發(fā)電功率增大，電解槽輸入功率也隨之增大。當(dāng)輸入電壓穩(wěn)定時(shí)，增大輸入電流能提升制氫量。

8 h 的時(shí)間內(nèi)，電解槽工作在20 ℃，出口壓力為3 MPa 的工況下，共消耗電能14.64 kWh，共計(jì)向氫瓶內(nèi)充氫約為4 Nm3，質(zhì)量約為0.36 kg。氫氣經(jīng)減壓閥釋氫供額定功率為1.5 kW 水冷型PEMFC 堆，恒穩(wěn)定在Tstack=333 K，RHstack=80%，pH2=0.3 MPa 條件下，為電子負(fù)載提供穩(wěn)定48 V 輸入下消耗電能為5.94 kWh，由此計(jì)算出光伏發(fā)電到產(chǎn)氫到燃料電池發(fā)電的全過程的能量轉(zhuǎn)化效率。部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

經(jīng)計(jì)算，所制的4 Nm3的H2能量完全釋放并轉(zhuǎn)化，其效率約為40.57%。對比文獻(xiàn)[15-16]氫儲能閉環(huán)系統(tǒng)一般效率為48%，產(chǎn)生差異的主要原因有：(1)測試方法與設(shè)備文獻(xiàn)存在差異性；(2)電解制氫過程中熱量的散失以及副產(chǎn)品氧氣的耗能；(3)除選取的08:00～16:00 時(shí)間段外的光伏發(fā)電的電能未進(jìn)行計(jì)算。如若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)以及氧氣的利用，可進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)化利用率。

3.2 可行性分析

上述光伏發(fā)電、制氫儲氫、燃料電池發(fā)電等分系統(tǒng)之間運(yùn)行方式存在差異性，導(dǎo)致光伏-氫-燃料電池系統(tǒng)整體能量轉(zhuǎn)化效率較低，尤其是在多種運(yùn)行場景下，無法達(dá)到最優(yōu)。為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行前提下，選擇并設(shè)置各分系統(tǒng)之間相關(guān)功率約束條件是有必要的。但這需要一個(gè)前提，就是假設(shè)光伏發(fā)電能夠被氫儲能系統(tǒng)消納，氫氣中能量完全通過燃料電池所釋放。

以系統(tǒng)最大利用效率Max(ηsys)為目標(biāo)函數(shù)，不考慮電力電子設(shè)備轉(zhuǎn)換產(chǎn)生能量損失。主要損失集中在光伏-電解槽、H2-PEMFC 兩階段，如式(12)所示：

(1)光伏約束條件

式中：PPV(t)為光伏組件在t時(shí)刻功率；MinPPV(t)、MaxPPV(t)為t時(shí)刻功率最小值和最大值。

(2)制氫約束條件

式中：MaxPH2(t)為制氫功率的最大值，可取光伏發(fā)電當(dāng)前時(shí)刻功率的最大值。

(3)燃料電池約束條件

式中：MaxPFC(t)為電堆功率的最大值，可取光伏當(dāng)前時(shí)刻功率的最小值。

在上述條件下，實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)各時(shí)刻的效率值。本文采用最簡單直接的約束條件計(jì)算，計(jì)算過程略掉，以節(jié)省篇幅。但應(yīng)指出的是，燃料電池發(fā)電效率受操作條件影響較大，確定其最優(yōu)工作條件是提升系統(tǒng)整體效率的關(guān)鍵。

4 結(jié)論

本文通過分析一種光伏-氫-燃料電池系統(tǒng)混合系統(tǒng)，建立各環(huán)節(jié)計(jì)算模型，分析和歸納系統(tǒng)的輸出特性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對能量利用進(jìn)行量化計(jì)算。結(jié)果表明，氫儲能的加入能夠提高光伏系統(tǒng)的能量利用效率，驗(yàn)證了氫儲能在光伏發(fā)電系統(tǒng)中實(shí)施的可行性，具有一定參考意義，系統(tǒng)在多工況運(yùn)行方式下的經(jīng)濟(jì)性及求解方法將成為下一步研究的重點(diǎn)。