風(fēng)電制氫技術(shù)研究與探討

文_顏祥洲 中海油惠州石化

近些年來(lái)，風(fēng)電在我國(guó)的整體發(fā)展水平不斷提升，這也使我國(guó)逐漸成為風(fēng)電增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家。根據(jù)我國(guó)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃分析，風(fēng)電總裝機(jī)容量將會(huì)持續(xù)上漲，而伴隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增加，也逐漸顯現(xiàn)出一些問(wèn)題，例如大規(guī)模不可控低品質(zhì)風(fēng)電并網(wǎng)，勢(shì)必會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全性產(chǎn)生一定影響。與此同時(shí)，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)聚集，也會(huì)給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)輸送產(chǎn)生一定壓力，進(jìn)而有棄風(fēng)現(xiàn)象出現(xiàn)。為了使這些問(wèn)題得到有效解決，需要對(duì)能源轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行積極探索，使風(fēng)能能夠有效轉(zhuǎn)換為氫能源，從而提高氫能源的利用水平。

1 風(fēng)電制氫技術(shù)概述

1.1 基本原理

風(fēng)電制氫是清潔、高效的新能源利用模式，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以將風(fēng)力發(fā)電量超出電網(wǎng)系統(tǒng)接納能力的部分，通過(guò)非并網(wǎng)風(fēng)電模式在電解水制氫當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用，而其所產(chǎn)生的氫氣在經(jīng)過(guò)具體的儲(chǔ)存和運(yùn)輸之后，可以在氫燃料電池汽車等領(lǐng)域當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用。

風(fēng)電制氫系統(tǒng)具體包括電解水裝置、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)氫裝置、電網(wǎng)系統(tǒng)以及燃料電池等組成部分。通過(guò)控制系統(tǒng)可以對(duì)風(fēng)電上網(wǎng)以及電量比例進(jìn)行控制，對(duì)棄風(fēng)電量進(jìn)行最大限度的吸納，從而使規(guī)?；L(fēng)電“上網(wǎng)難”問(wèn)題得到緩解。通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的多余電量進(jìn)行利用，可以利用電解水制氫，并通過(guò)固態(tài)和壓力儲(chǔ)氫等技術(shù)，使氫氣的存儲(chǔ)密度得到有效提高。

首先，針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)部分進(jìn)行分析，風(fēng)電在經(jīng)過(guò)低階的計(jì)測(cè)濾波單元后，可以將一部分諧波過(guò)濾掉，并通過(guò)AD-DC對(duì)變換單元進(jìn)行整流，從而使交流電轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直流電。在這之后則可以通過(guò)直流支撐電路逆變，產(chǎn)生的交流電可以通過(guò)高階濾波單元濾去風(fēng)電諧波，從而產(chǎn)生滿足并網(wǎng)需求的高質(zhì)量電能，并經(jīng)過(guò)升壓變壓器來(lái)為電網(wǎng)進(jìn)行供電。

其次，針對(duì)棄風(fēng)制氫部分進(jìn)行分析，風(fēng)電在經(jīng)過(guò)濾波之后，可以通過(guò)AD-DC整理變換單元處理，使原本的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，之后再通過(guò)直流支撐電路在DC-DC電路當(dāng)中接入，對(duì)直流電進(jìn)行相應(yīng)的降壓或者升壓處理，轉(zhuǎn)換直流電為制氫電能，從而有效進(jìn)行制氫。對(duì)于風(fēng)電并網(wǎng)側(cè)和制氫側(cè)，需要合理分配功率，當(dāng)風(fēng)電可以滿足具體的并網(wǎng)需求后，將剩余風(fēng)能用于制氫，從而最大化的利用能源。

1.2 技術(shù)特征

首先，風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有高適應(yīng)性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)不僅可以通過(guò)變流裝置將電能輸送到電網(wǎng)，而且還可以將棄風(fēng)能源在氫電解池供電當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用，因此對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)適應(yīng)性也提出了十分嚴(yán)格的要求，需要確保其對(duì)于風(fēng)波動(dòng)具有較強(qiáng)的抵抗能力。

其次，電解池具有高適應(yīng)性、高效性、安全性以及環(huán)保性。風(fēng)電制氫電解池可以將風(fēng)能有效轉(zhuǎn)換成電能，而且在電解制氫過(guò)程當(dāng)中需要充分確保能源轉(zhuǎn)換過(guò)程的高效性。與此同時(shí)，制氫公路波動(dòng)會(huì)直接影響到氫氣純度以及制氫裝置的使用壽命，因此對(duì)電解池也提出較為嚴(yán)格的要求。通過(guò)對(duì)電解池的催化劑以及電極等材料進(jìn)行優(yōu)化，可以使電解成本得到降低，同時(shí)還可以使制氫效率得到提高。而通過(guò)對(duì)隔離膜進(jìn)行優(yōu)化，則可以使其性能得到提高。在將工藝參數(shù)合理調(diào)節(jié)后，可以使電解池抗功率波動(dòng)性得到有效提高，使系統(tǒng)運(yùn)行安全性得到提升。

最后，風(fēng)電制氫控制系統(tǒng)具有較高的安全性、高效性以及靈活性。對(duì)于風(fēng)電制氫集成控制系統(tǒng)而言，其具體包括燃料電池、儲(chǔ)氫以及制氫等相關(guān)控制系統(tǒng)，而通過(guò)控制系統(tǒng)運(yùn)行可以靈活分配制氫功率。通過(guò)對(duì)制氫電壓進(jìn)行控制，可以確保制氫系統(tǒng)維持在高效范圍內(nèi)，并經(jīng)過(guò)一系列控制，使制氫、用氫以及儲(chǔ)氫等系統(tǒng)的安全運(yùn)行得到保證。

2 風(fēng)電制氫技術(shù)的未來(lái)發(fā)展前景

風(fēng)電制氫技術(shù)的快速提升，對(duì)于風(fēng)電裝備、儲(chǔ)氫、制氫以及用氫等行業(yè)的發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。首先，在風(fēng)電發(fā)電期間，需要對(duì)大量風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電控系統(tǒng)、軸承以及齒輪箱等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行利用，這對(duì)我國(guó)機(jī)械制造和電機(jī)等行業(yè)發(fā)展也具有有效推動(dòng)，可以更好地實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)等項(xiàng)目的升級(jí)和改造目標(biāo)。

電解水制氫技術(shù)由于具有可靠和高效的性能，因此應(yīng)用前景良好。在氫能利用方面需要有效實(shí)現(xiàn)氫能的安全高效儲(chǔ)運(yùn)、廉價(jià)制取以及規(guī)模應(yīng)用，這對(duì)我國(guó)電解水制氫和儲(chǔ)氫技術(shù)研究具有重要意義，對(duì)裝備制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展也具有重要促進(jìn)作用。風(fēng)電制氫可以推動(dòng)我國(guó)燃料電池發(fā)展，而且燃料電池的發(fā)電效率相對(duì)較高，還能夠避免出現(xiàn)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。

2.1 非并網(wǎng)風(fēng)電制氫技術(shù)

非并網(wǎng)風(fēng)電電解水制氫系統(tǒng)可以有效結(jié)合風(fēng)電和新型電解水制氫設(shè)備，風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)但不并網(wǎng)，可以使風(fēng)電給電網(wǎng)帶來(lái)的沖擊得到消除，從而有效實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的高效和低成本利用目標(biāo)。在非并網(wǎng)風(fēng)電制氫過(guò)程中，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)出的風(fēng)電，僅需要簡(jiǎn)單的進(jìn)行變壓和整流處理，可以通過(guò)變壓器將電壓調(diào)整到所需要的電壓，并使交流電轉(zhuǎn)換為直流電。當(dāng)風(fēng)速波動(dòng)相對(duì)較大時(shí)，可以有效利用發(fā)電機(jī)發(fā)電。與此同時(shí)，還可以結(jié)合風(fēng)量對(duì)氫氣產(chǎn)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使風(fēng)機(jī)全轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍的電能得到有效轉(zhuǎn)換。此類制氫用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)比并網(wǎng)機(jī)組成本相對(duì)較低。非并網(wǎng)風(fēng)電制氫技術(shù)可以高效解決能源消納問(wèn)題，而且產(chǎn)生的氫能還具有可再生和清潔等優(yōu)勢(shì)。和離網(wǎng)、并網(wǎng)制氫相比。

非并網(wǎng)風(fēng)電制氫技術(shù)可以為氫能的大規(guī)模利用創(chuàng)造良好條件，這也對(duì)氫能時(shí)代的到來(lái)起到了重要推動(dòng)作用。對(duì)比并網(wǎng)制氫技術(shù)，非并網(wǎng)制氫技術(shù)可以產(chǎn)生的氫能更多，這也滿足了我國(guó)工業(yè)發(fā)展和居民生活等氫能源需求。除此之外，非并網(wǎng)風(fēng)電制氫風(fēng)力系統(tǒng)可以將并網(wǎng)制氫時(shí)需要的大量輔助設(shè)備得到節(jié)省，因此與其相比成本相對(duì)較低。

2.2 氫燃料電池汽車

氫燃料電池車是氫能的一種主要用途，在近些年來(lái)也得到了快速發(fā)展。燃料電池汽車有著無(wú)污染和節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，這也使其逐漸成為我國(guó)新能源汽車發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。在1993年加拿大某公司便成功研制了以氫為燃料的零排放公交車，這也引發(fā)了全球性的研究熱潮，紛紛開(kāi)始對(duì)燃料電池電動(dòng)車開(kāi)展研究工作，許多國(guó)家都在此方面研究投入了大量的人力和財(cái)力，并取得了十分顯著的發(fā)展成效。

我國(guó)氫燃料電池主要應(yīng)用在物流車、公交車等領(lǐng)域。但從我國(guó)燃料電池汽車的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，還需要進(jìn)一步完善基礎(chǔ)設(shè)施，有效加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，突破燃料電池技術(shù)在壽命和續(xù)馳里程等方面的瓶頸，從而促進(jìn)我國(guó)燃料電池汽車行業(yè)的快速發(fā)展，使環(huán)境問(wèn)題得到有效改善。

2.3 新型風(fēng)電制氫裝備

針對(duì)電解制氫技術(shù)進(jìn)行分析，其可以具體分為堿性、質(zhì)子交換膜以及固體氧化物等電解技術(shù)。其中堿性電解技術(shù)的研究相對(duì)比較成熟，這也使其得到了普遍的商業(yè)化應(yīng)用。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有隨機(jī)性以及間歇性等特點(diǎn)，因此電解制氫系統(tǒng)在聯(lián)合系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，可以在不穩(wěn)定電能條件下保證制氫能力的安全、高效以及可靠。對(duì)比質(zhì)子交換膜電解技術(shù)，堿性電解技術(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較短，適合在風(fēng)電制氫系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用。而固體氧化物電解技術(shù)的響應(yīng)時(shí)間則相對(duì)較長(zhǎng)，因此在大規(guī)模風(fēng)電制氫當(dāng)中不適合進(jìn)行應(yīng)用。對(duì)此，伴隨著風(fēng)電制氫技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)型和升級(jí)風(fēng)電制氫裝備。

3 結(jié)語(yǔ)

氫氣是十分重要的工業(yè)氣體以及特種氣體，廣泛應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域和行業(yè)當(dāng)中?，F(xiàn)如今，我國(guó)一直在倡導(dǎo)綠色發(fā)展，氫能作為重要的清潔能源，在新時(shí)代背景下也得到了快速發(fā)展。而從我國(guó)目前的風(fēng)電制氫技術(shù)研究現(xiàn)狀來(lái)看，在實(shí)際發(fā)展過(guò)程中仍然面臨一些關(guān)鍵問(wèn)題，這需要相關(guān)研究人員進(jìn)一步加大研究力度，從而有效實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，全面提升風(fēng)電制氫技術(shù)應(yīng)用水平。