周 蕾，喻濟(jì)兵

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陸/湖氫能綜合運(yùn)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 蕾1，喻濟(jì)兵2

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所， 武漢 430064；2. 海軍駐武漢七一二所軍事代表室， 武漢 430064）

本文介紹了陸/湖氫能綜合運(yùn)用系統(tǒng)的特點(diǎn)，描述了具體設(shè)計(jì)方案，包括工作原理，系統(tǒng)組成及參數(shù)，不同階段運(yùn)行模式及運(yùn)行參數(shù)，對(duì)類似的氫能系統(tǒng)具有一定的參考價(jià)值。

氫能 燃料電池

0 引言

目前，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家和國(guó)際組織都對(duì)氫能研發(fā)和實(shí)現(xiàn)向氫經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)化給予了極大重視，投入巨資進(jìn)行氫能相關(guān)技術(shù)研發(fā)。在氫能系統(tǒng)中，氫制備是應(yīng)用基礎(chǔ)，氫的安全存儲(chǔ)和運(yùn)輸是應(yīng)用的關(guān)鍵，氫燃料電池是當(dāng)前氫能最具潛力的應(yīng)用方式。只有將氫的制備、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用三方面有機(jī)結(jié)合才能使氫能迅速走向?qū)嵱没痆1]。

風(fēng)能是取之不盡用之不竭的可再生能源，并且具有無污染、無噪音、不產(chǎn)生廢棄物的優(yōu)點(diǎn)。風(fēng)電技術(shù)成熟，在可再生能源中成本相對(duì)較低，具有廣闊的發(fā)展前景。風(fēng)電制氫技術(shù)就是將風(fēng)力發(fā)電與水解制氫結(jié)合起來，利用風(fēng)力發(fā)電電解水制取氫氣。陸/湖氫能綜合運(yùn)用系統(tǒng)是一種集氫能的制備、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用于一體的氫能應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)初始能源來自風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能，供給電解水裝置制得氫氣，通過增壓將氫氣儲(chǔ)存在高壓儲(chǔ)氫罐內(nèi)。

燃料電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的先進(jìn)發(fā)電裝置，是當(dāng)前最具潛力的氫能應(yīng)用方式。該系統(tǒng)具有環(huán)境友好、振動(dòng)與噪音小、能量密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、功率組合靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]。通過將儲(chǔ)存的高壓氫氣供應(yīng)給固定式燃料電池電站，可以輸出電能，使氫能合理利用。

1 特點(diǎn)

傳統(tǒng)的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)都存在一定的缺陷，例如單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電或太陽能發(fā)電，由于受季節(jié)和天氣變化的影響，存在發(fā)電量不穩(wěn)定的缺陷。雖然燃料電池技術(shù)是氫能應(yīng)用最具潛力的方向，但是傳統(tǒng)的氫氣制備成本較高，無形中降低了整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電效率[3~4]，陸/湖氫能綜合運(yùn)用系統(tǒng)結(jié)合了風(fēng)電制氫和燃料電池技術(shù)，具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）可再生能源的高效儲(chǔ)存

風(fēng)電機(jī)組電解水制氫具有簡(jiǎn)單易行、成本低、充放氣快等優(yōu)點(diǎn)，目前電解水制氫效率可達(dá)60%-70%，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫壓力可達(dá)450 bar以上，這種風(fēng)電制氫儲(chǔ)氫方式，還可以有效彌補(bǔ)風(fēng)能發(fā)電不穩(wěn)定的缺陷，平衡風(fēng)電輸出，有利于風(fēng)能的廣泛應(yīng)用。

2）安全可靠、輸送方便、可移動(dòng)式的氫能應(yīng)用

通過小型高壓儲(chǔ)氫罐將氫氣儲(chǔ)存起來，作為氫燃料直接安裝在游船、汽車、潛器等移動(dòng)式運(yùn)載工具上，通過加氫站對(duì)高壓儲(chǔ)氫罐進(jìn)行補(bǔ)給[5]，與目前汽油應(yīng)用類似。還可以將高壓儲(chǔ)氫罐通過車輛或輪船進(jìn)行長(zhǎng)距離的輸送，這種輸送方法安全可靠，在技術(shù)上已經(jīng)相當(dāng)成熟。

3）環(huán)境友好、高效低噪的綠色電能應(yīng)用

燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、無環(huán)境污染物排放、振動(dòng)和噪聲等級(jí)低等特點(diǎn)，被認(rèn)為是 21 世紀(jì)首選的高效潔凈的發(fā)電技術(shù)?；谝陨咸攸c(diǎn)，燃料電池作為發(fā)電裝置，將大幅節(jié)省燃料費(fèi)用、減少環(huán)境污染，作為游船的動(dòng)力裝置還能提升舒適度。

4）風(fēng)能有效利用率高

并網(wǎng)模式的風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)速小時(shí)產(chǎn)生的電能不夠，不能并網(wǎng)。風(fēng)速太大時(shí)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組因?yàn)榘踩珕栴}會(huì)進(jìn)行“自動(dòng)保護(hù)動(dòng)作”突然脫離電網(wǎng)，造成電網(wǎng)電壓的大幅度下降，影響整個(gè)電網(wǎng)的平穩(wěn)，降低了發(fā)電效率。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組制氫模式，無論風(fēng)速大小，發(fā)電機(jī)發(fā)出電能能夠完全利用，該種制氫模式相對(duì)于并網(wǎng)模式來說是一個(gè)更高效的風(fēng)能利用方法。

5）制氫模式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成本低

傳統(tǒng)的并網(wǎng)模式，需要高精度的電能控制設(shè)備將風(fēng)電調(diào)整到與電網(wǎng)一致的電壓、周率、波形、相序，還要調(diào)整有功和無功功率，達(dá)到電網(wǎng)最基本的并網(wǎng)需求，才能夠并入電網(wǎng)。這些大功率的電子調(diào)控設(shè)備價(jià)格極高，又極容易損壞，占到整個(gè)機(jī)組造價(jià)的50%左右。制氫模式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的風(fēng)電只需進(jìn)行最簡(jiǎn)單的變壓、整流處理，將電壓通過變壓器調(diào)整到所需電壓，交流電整流為直流電即可，成本相對(duì)低。

2 技術(shù)方案

2.1 工作原理

陸/湖氫能綜合運(yùn)用系統(tǒng)初始能源來自于風(fēng)能，利用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過電解水制氫技術(shù)將大部分電能轉(zhuǎn)化為氫能，并儲(chǔ)存起來；少部分電能以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在蓄電池中，可作為系統(tǒng)輔助電源。儲(chǔ)存的氫能通過燃料電池發(fā)電技術(shù)再次轉(zhuǎn)化為電能，并用于游船電力推進(jìn)、輔助用電和陸上路燈照明、生活用電。

具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在氫能部分中，氫源單元消耗水生成氫氣、氧氣（以純氧形式）和熱量，船用和陸上燃料電池發(fā)電單元消耗氫氣和氧氣（以空氣形式）生成水和熱量。由于燃料電池氫氧利用率高達(dá)99%，所以生成的氫氣和氧氣量與消耗的氫氣和氧氣量近似相等，同樣消耗的水量與生成的水量也近似相等，即氫能部分輸出只有電能和熱量。

2.2 系統(tǒng)組成及參數(shù)

陸/湖氫能綜合運(yùn)用系統(tǒng)主要由發(fā)電、氫能與應(yīng)用三個(gè)部分組成，其中氫能部分由氫源、船用燃料電池發(fā)電和陸上燃料電池發(fā)電三個(gè)單元組成。

陸/湖氫能綜合運(yùn)用系統(tǒng)圖如圖2所示。各部分、單元主要設(shè)備、功能及參數(shù)如表1所示。

2.3 運(yùn)行模式及運(yùn)行參數(shù)

陸/湖氫能綜合運(yùn)用系統(tǒng)運(yùn)行模式分為風(fēng)電為蓄電池充電、風(fēng)電制氫儲(chǔ)氫、氫能發(fā)電三個(gè)階段。

2.3.1風(fēng)電為蓄電池充電階段

首先啟動(dòng)風(fēng)電機(jī)組，產(chǎn)生的電能用于為陸上和船用蓄電池充電，運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

由表2可以看出，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)只需要數(shù)小時(shí)的充電時(shí)間，此后即可獨(dú)立運(yùn)行，自給自足。

2.3.2風(fēng)電制氫儲(chǔ)氫階段

完成蓄電池充電后，將風(fēng)電切換到氫源單元開始制氫，并通過陸上蓄電池為氫源增壓等輔助設(shè)備供電，重復(fù)蓄電池充電和制氫儲(chǔ)氫，直到陸上儲(chǔ)氫罐充滿為止，運(yùn)行參數(shù)如表3所示。

由表3可以看出，風(fēng)電制氫儲(chǔ)存時(shí)間根據(jù)風(fēng)電工況變化而變化，而且根據(jù)需要可以通過改變儲(chǔ)氫裝置容量調(diào)節(jié)。

2.3.3氫能發(fā)電階段

停運(yùn)風(fēng)電機(jī)組，將氫氣分別供應(yīng)給陸上燃料電池發(fā)電單元和船用燃料電池發(fā)電單元，產(chǎn)生的電能供應(yīng)給用電設(shè)備。其中陸上蓄電池供應(yīng)陸上設(shè)備輔助用電，船上蓄電池除了供應(yīng)船上設(shè)備輔助用電外，還要配合燃料電池發(fā)電機(jī)作為游船推進(jìn)動(dòng)力。

圖1 陸/湖氫能綜合運(yùn)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)風(fēng)力情況，可分為無風(fēng)運(yùn)行和有風(fēng)運(yùn)行。

表2風(fēng)電為蓄電池充電階段運(yùn)行參數(shù)

1）無風(fēng)運(yùn)行

氫能發(fā)電階段，蓄電池是制約系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的瓶頸，可用于蓄電池充電的電能可來自于風(fēng)電機(jī)組或燃料電池電站。因?yàn)轱L(fēng)電的波動(dòng)性，用燃料電池電站為蓄電池充電不僅可以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，還可以有效延長(zhǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。

表3風(fēng)電制氫儲(chǔ)氫階段運(yùn)行參數(shù)

項(xiàng)目單位風(fēng)電機(jī)組平均工況風(fēng)電機(jī)組最大工況 風(fēng)電機(jī)組功率kW5001500 制氫速率kg/h927 制氫耗時(shí)h190～21060～70 總儲(chǔ)氫量kg16181618

表4 氫能發(fā)電（無風(fēng)運(yùn)行）階段運(yùn)行參數(shù)

采用燃料電池和蓄電池聯(lián)用、船用儲(chǔ)氫罐和陸用儲(chǔ)氫罐聯(lián)用的方案，在無風(fēng)情況下氫能發(fā)電階段運(yùn)行參數(shù)如表4所示。

由表4可以看出，在儲(chǔ)氫罐及蓄電池充滿、連續(xù)無風(fēng)的情況下，游船最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間約19天，照明最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間約28天。

2）有風(fēng)運(yùn)行

風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)只影響氫氣的產(chǎn)量而不影響制氫設(shè)備的工作性能，可根據(jù)風(fēng)速大小（風(fēng)電功率）調(diào)節(jié)制氫設(shè)備投運(yùn)數(shù)量和充電蓄電池?cái)?shù)量，以最大效率的利用風(fēng)力資源。

陸上儲(chǔ)氫罐壓力低于一定值時(shí)，開啟風(fēng)電機(jī)組制氫；船上蓄電池或陸上蓄電池電量低于一定值時(shí)，開啟風(fēng)電機(jī)組充電。風(fēng)電制氫和蓄電池充電交替進(jìn)行，最后要保證儲(chǔ)氫罐和蓄電池充滿。

在有風(fēng)的條件下，以一年為時(shí)間段，經(jīng)過計(jì)算得到的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表5所示。

由表5可以看出，假設(shè)年平均有風(fēng)時(shí)間為97天，可以保證全年每天照明10小時(shí)，全年游船出勤率80%。

3 結(jié)論

本文介紹了集氫能的制備、儲(chǔ)運(yùn)、應(yīng)用于一體的陸/湖氫能綜合運(yùn)用系統(tǒng)，闡述了該套系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)組成，并針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景給出了主要設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行模式和關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，相關(guān)的計(jì)算和分析對(duì)類似的氫能系統(tǒng)具有一定的參考價(jià)值。

表5 氫能發(fā)電（有風(fēng)運(yùn)行）階段運(yùn)行參數(shù)

[1] 翁震平, 謝俊元. 重視海洋開發(fā)戰(zhàn)略研究強(qiáng)化海洋裝備創(chuàng)新發(fā)展. 海洋開發(fā)與管理, 2012.1: 1 - 7.

[2] 衣寶廉. 燃料電池—原理·技術(shù)·應(yīng)用.北京化學(xué)工業(yè)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] ?ystein 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] 許輝庭. 加氫站用多功能全多層高壓儲(chǔ)氫容器研究 [D]. 杭州: 浙江大學(xué), 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，碩士，工程師。研究方向：新能源。E-mail: 19871010carrie@163.com