呂澤偉，韓敏芳

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光伏、光熱聯(lián)合SOC制氫、發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

呂澤偉，韓敏芳

（清華大學(xué)熱能工程系，電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100084）

為了解決光伏發(fā)電和光熱發(fā)電共同面臨的儲能困難問題，構(gòu)建了一種結(jié)合光熱制汽、光伏發(fā)電、固體氧化物電解池（SOEC）電解水制氫以及固體氧化物燃料電池（SOFC）發(fā)電互補的可持續(xù)發(fā)電系統(tǒng)，并進行了系統(tǒng)參數(shù)以及能效優(yōu)化平衡計算。結(jié)果表明，以日光照5 h為基礎(chǔ)時，1 MW發(fā)電量的發(fā)電系統(tǒng)由8.407 MW的光伏系統(tǒng)、加熱功率6.756 MW的光熱系統(tǒng)、制氫速率0.0698 kg/s的SOEC系統(tǒng)以及1 MW的SOFC發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)全天發(fā)電效率可以達到9.4%，考慮到假設(shè)條件比較嚴苛，能夠說明系統(tǒng)整體具有可行性。此外，系統(tǒng)的產(chǎn)出還包括制取的純氧，可以作為副產(chǎn)品加以存儲利用。該系統(tǒng)利用光熱系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫蒸汽進行高溫電解，能夠有效降低電能消耗，從而提高儲能效率。這種抽取部分過剩電力電解高溫蒸汽的儲能方式也可以應(yīng)用到其它可再生能源發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，在高效儲能的同時起到削峰填谷的作用。

光伏發(fā)電；光熱發(fā)電；固體氧化物燃料電池；固體氧化物電解池；太陽能制氫

目前太陽能發(fā)電技術(shù)主要有光伏發(fā)電和光熱發(fā)電兩類。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)日趨成熟，達到了商業(yè)使用所要求的能級，但也存在著電能難以儲存，對電網(wǎng)沖擊較大的缺點，使得單一的光伏發(fā)電遭遇發(fā)展瓶頸。太陽能光熱發(fā)電憑借其可儲熱、可調(diào)峰、可連續(xù)發(fā)電的優(yōu)點，逐漸成為可再生能源領(lǐng)域研發(fā)和投資的熱點[1]。從長遠來看，光伏發(fā)電和光熱發(fā)電各具優(yōu)勢，未來將相輔相成，共同發(fā)展。

但是，無論是光伏發(fā)電還是光熱發(fā)電，都面臨著儲能困難的問題。光伏發(fā)電一般利用蓄電池儲能，但蓄電池壽命較短且成本很高；光熱發(fā)電一般利用熔鹽儲熱，但儲熱相較于儲電而言儲能時間短且換熱過程損失較大，同時熔鹽儲熱也面臨著易凍堵、價格波動較大等應(yīng)用障礙。

氫儲能方式能量密度高、運行維護成本低、可長時間存儲且可實現(xiàn)過程無污染，是少有的能夠大量儲存、且可同時適用于極短或極長時間供電的能量儲備技術(shù)方式，被認為是極具潛力的新型大規(guī)模儲能技術(shù)[2]。此外，隨著燃料電池以及電解池技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，氫能和電力的相互轉(zhuǎn)換逐漸受到人們的關(guān)注。氫能代表了與電力系統(tǒng)相結(jié)合的新途徑，它們可以共同組成一個具有兩種主要能源載體的未來能量系統(tǒng)[3]。

在現(xiàn)有的制氫方法中，固體氧化物電解池（SOEC）電解水制氫的系統(tǒng)效率可達到50%以上，是目前已知的效率最高的制氫系統(tǒng)[4]。SOEC電解水制氫實際上是固體氧化物燃料電池（SOFC）的逆過程，水蒸氣在陰極分解為氫氣和氧離子，氧離子透過電解質(zhì)在陽極生成氧氣。SOEC需要在幾百攝氏度的高溫下工作，而光熱發(fā)電過程中產(chǎn)生高溫水蒸氣，能夠降低電解過程中的電能消耗，提高系統(tǒng)效率。

本文提出并構(gòu)建了一種結(jié)合光熱制汽、光伏發(fā)電、SOEC電解水制氫以及SOFC發(fā)電的互補方案，并進行了能效優(yōu)化和平衡計算。

1 系統(tǒng)總體方案與組成

光伏、光熱聯(lián)合制氫、發(fā)電系統(tǒng)主要由光熱制汽單元、光伏發(fā)電單元、固體氧化物電解池（SOEC）電解制氫單元、固體氧化物電池（SOFC）發(fā)電單元、儲氫單元等組成，如圖1所示。

由于太陽輻射能具有很強的周期性和不穩(wěn)定性，每天的輻射能主要集中在中午的幾個小時，并且在夜間沒有光照，光伏和光熱系統(tǒng)無法工作。因此，系統(tǒng)在日間或陽光充足時，主要由光伏系統(tǒng)發(fā)電，在保證輸出穩(wěn)定的前提下抽取一部分電用于SOEC電解水制氫，制氫需要的高溫水蒸氣由光熱系統(tǒng)提供。在陽光不足和夜間時段，光伏系統(tǒng)無法滿足穩(wěn)定輸出的要求，系統(tǒng)主要由SOFC系統(tǒng)發(fā)電。此外，制取氫氣時產(chǎn)生的純氧可作為附屬產(chǎn)品做其它用途。

系統(tǒng)在日間由光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，多余的電能用于SOEC系統(tǒng)電解制氫，在夜間則由SOFC發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電。為了維持輸出功率的穩(wěn)定，需要對光熱系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、SOEC系統(tǒng)和SOFC系統(tǒng)的規(guī)模進行優(yōu)化組合，使之相互匹配，日間SOEC系統(tǒng)制取的氫氣需要能夠滿足夜間SOFC系統(tǒng)發(fā)電的需求，保證整體系統(tǒng)全天候持續(xù)運行。

2 系統(tǒng)各單元熱力學(xué)計算

2.1 日照條件的設(shè)定

假定系統(tǒng)發(fā)電功率為1 MW，SOFC和SOEC系統(tǒng)的工作溫度均為1000 K。

為了便于計算，對真實的日照條件進行簡化[5]，假定太陽輻射集中在10時到15時之間，并且輻射強度穩(wěn)定（可取為平均值），其它時間輻射強度為0，如圖2所示。

系統(tǒng)的光伏發(fā)電端在10時到15時之間穩(wěn)定工作5 h，其余19 h則由SOFC發(fā)電端供電，由此分別計算需要匹配的光熱系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、SOEC電解系統(tǒng)的規(guī)模以及系統(tǒng)效率。計算中需要用到的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，包括1000 K、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氫氣、氧 氣和水蒸氣的總焓、熵以及吉布斯生成焓列于表1中[6]。

表1 計算中使用的熱力學(xué)數(shù)據(jù)（1000 K，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件）[6]

2.2 SOFC發(fā)電單元

考慮到未反應(yīng)的氫氣可分離回收，假定燃料利用率為95%。

由于熱力學(xué)第二定律的限制，SOFC系統(tǒng)的理論發(fā)電效率為

1000 K條件下SOFC系統(tǒng)的理論發(fā)電效率可達77%，實際中由于存在活化極化、濃差極化和歐姆極化等各種損失，計算中取發(fā)電效率為60%，則SOFC系統(tǒng)一天內(nèi)消耗氫氣的速率及總量等參數(shù)的計算結(jié)果見表2。

表2 SOFC系統(tǒng)參數(shù)

2.3 SOEC制氫單元及儲氫單元

SOEC的工作過程實際上是SOFC的逆過程，電解水制氫所需的總能量來源由電能和熱能構(gòu)成，即

計算中取水蒸氣利用率為50%，電解效率為90%，查取相關(guān)物性參數(shù)，則SOEC系統(tǒng)消耗水蒸氣速率、耗電功率、制氫速率及制氧速率等參數(shù)的計算結(jié)果見表3。

表3 SOEC系統(tǒng)參數(shù)

SOEC系統(tǒng)產(chǎn)生的氫氣輸運到儲氫單元進行存儲，從目前的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)條件來看，高壓儲氫、液化儲氫及金屬氫化物儲氫3種方式更適用于商用要求[8]。

高壓儲氫通過高壓壓縮的方式存儲氣態(tài)氫，其優(yōu)點是技術(shù)比較成熟、成本比較低，但是儲氫體積密度和重量密度都很低，而且安全性不好。液化儲氫是將純氫冷卻到20 K使之液化，然后裝到“低溫儲罐”儲存，其優(yōu)點是吸放氫性能好，但氫氣液化成本很高，并且有泄漏的危險。金屬氫化物儲氫通過氫氣與某些金屬反應(yīng)后形成金屬氫化物來儲氫，金屬氫化物在被加熱后可釋放出氫。相比于高壓儲氫和液化儲氫，金屬氫化物儲氫的重量密度和體積密度很大，并且安全性能好，成本較低，是一種比較理想的儲氫方式[9]。

2.4 光伏發(fā)電單元及光熱制汽單元

光伏發(fā)電單元將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，其光電效率為

式中，為產(chǎn)生的電能，s為光伏系統(tǒng)接受的太陽輻射能。單晶硅電池的實驗室最高轉(zhuǎn)換效率可達24.7%，商業(yè)化電池效率一般為16%～20%。多晶硅太陽能電池的實驗室最高效率也超過了20%，商業(yè)化電池效率一般為15%～18%[10]。

光熱制汽單元將水加熱為高溫蒸汽，其光熱效率為

式中，為水被加熱吸收的熱量，s為光熱系統(tǒng)所接受的太陽輻射能。光熱效率與集熱的形式有關(guān)，槽式集熱管常用的鍍銀玻璃聚光鏡的集熱效率為80%左右，鋁反射板可達85%。塔式技術(shù)的聚光效率低，但是熱損失較小，集熱效率高，南京70 kW塔式實驗電站的實測聚光集熱效率為76.3%[11]。

計算中取光熱單元的光熱效率為75%，光伏單元的光電效率為20%，集熱器將298 K的液態(tài)水加熱成1000 K的高溫蒸汽并提供電解過程消耗的熱能。查取相關(guān)物性參數(shù)，則光伏系統(tǒng)、光熱系統(tǒng)的規(guī)模及工作5 h內(nèi)接受太陽輻射量等參數(shù)的計算結(jié)果見表4。

表4 光伏及光熱系統(tǒng)參數(shù)

2.5 系統(tǒng)效率

系統(tǒng)效率即系統(tǒng)產(chǎn)出與投入之比。投入系統(tǒng)的能量即光伏系統(tǒng)、光熱系統(tǒng)接受的太陽輻射能，系統(tǒng)的產(chǎn)出包括發(fā)出的電能、制取的氫氣及氧氣。若制取的氫氣全部用于發(fā)電，則系統(tǒng)發(fā)電效率可按照式(5)計算

表5 系統(tǒng)效率參數(shù)

在計算系統(tǒng)的綜合效率時，需要考慮到系統(tǒng)的產(chǎn)出還包括制取的純氧，可以作為副產(chǎn)品加以存儲利用。

3 系統(tǒng)能效平衡和優(yōu)化

3.1 能效平衡

以全天穩(wěn)定輸出1 MW電力為目標(biāo)，首先選定SOFC發(fā)電單元持續(xù)19 h（當(dāng)天15時到第二天10時）輸出功率1 MW，確定需要的H2儲備量為

（1）SOFC系統(tǒng)需要的氫氣由SOEC系統(tǒng)在日間5 h（當(dāng)天10時到15時）內(nèi)制取，由2.3中的計算結(jié)果，制氫速率為0.0698 kg/s。

（2）SOEC系統(tǒng)制氫所需的電能由光伏系統(tǒng)提供，制氫消耗的電功率為

（3）SOEC系統(tǒng)電解制氫所需的高溫蒸汽及熱能由光熱系統(tǒng)提供，由2.3中的計算結(jié)果，若取蒸汽利用率為50%，則制氫消耗高溫蒸汽的速率為1.2469 kg/s。光熱系統(tǒng)的加熱功率為

（4）1 MW發(fā)電規(guī)模的整體系統(tǒng)由8.407 MW的光伏系統(tǒng)、加熱功率6.756 MW的光熱系統(tǒng)、制氫速率0.0698 kg/s的SOEC系統(tǒng)、儲氫量1255.74 kg的儲氫系統(tǒng)以及1 MW的SOFC系統(tǒng)構(gòu)成，如表6所示。由2.5中的計算結(jié)果，系統(tǒng)全天發(fā)電效率為9.4%。

表6 1 MW整體系統(tǒng)參數(shù)表

3.2 可行性分析

（1）系統(tǒng)全天發(fā)電效率能達到9.4%，考慮到光伏系統(tǒng)、光熱系統(tǒng)、SOEC系統(tǒng)日間工作5 h的條件比較保守，日間SOEC系統(tǒng)5 h的制氫量需要滿足其余19 h SOFC系統(tǒng)發(fā)電的需求，而實際中SOEC系統(tǒng)每天工作的時間會大于5 h，因此計算結(jié)果中光伏系統(tǒng)、光熱系統(tǒng)和SOEC系統(tǒng)的規(guī)模都會偏大，而系統(tǒng)發(fā)電效率則會偏低。

（2）實際工作時可以對系統(tǒng)的發(fā)電量及制氫量進行調(diào)控。若日間用電負荷較大，光伏系統(tǒng)無法滿足，則可以利用SOFC系統(tǒng)發(fā)電進行補充。若日間光伏系統(tǒng)發(fā)電能夠滿足用電需求，在儲氫設(shè)備允許的前提下，陽光充足時多制氫，陽光不足時少制氫。發(fā)電量及制氫量也需要根據(jù)天氣情況進行調(diào)整，若預(yù)計會出現(xiàn)連續(xù)的陰雨天氣，則需要減少光伏系統(tǒng)電力輸出以增加制氫量，因此儲氫系統(tǒng)的容量需要有較大的波動。

（3）系統(tǒng)的最大發(fā)電功率為光伏系統(tǒng)規(guī)模與SOFC系統(tǒng)規(guī)模之和，1 MW系統(tǒng)的最大發(fā)電功率即為8.407 MW，但此時SOEC系統(tǒng)不再制取氫氣，系統(tǒng)在最大功率下連續(xù)工作的時間由儲氫系統(tǒng)的容量決定。當(dāng)沒有用電需求時系統(tǒng)也可以完全作為制氫站，生產(chǎn)氫氣和純氧作為化工產(chǎn)品。

（4）將光伏系統(tǒng)和光熱系統(tǒng)聯(lián)合進行建造，可以提高土地利用率，有效降低成本。光伏電站和光熱電站的建設(shè)需要占用大量土地，隨著發(fā)電規(guī)模的擴大，土地問題和用地矛盾日益突出，而光伏與光熱系統(tǒng)的聯(lián)合建設(shè)提供了一種有效的解決辦法。

4 結(jié) 論

本工作提出并構(gòu)建了一種結(jié)合光熱制汽、光伏發(fā)電、SOEC電解水制氫以及SOFC發(fā)電的互補方案，系統(tǒng)在日間或陽光充足時由光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，同時抽取一部分電力電解光熱系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫水蒸汽制取氫氣，夜間或陽光不足時則由SOFC系統(tǒng)利用存儲的氫氣發(fā)電，以保證全天輸出電力的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)充分利用光伏發(fā)電成本低、光熱轉(zhuǎn)換效率高并產(chǎn)生高溫蒸汽易與SOEC系統(tǒng)配合的優(yōu)勢，在日間由光伏系統(tǒng)發(fā)電并由SOEC系統(tǒng)電解水制氫儲能，夜間則由SOFC系統(tǒng)發(fā)電，儲能和發(fā)電效率較高。此外，系統(tǒng)的光伏發(fā)電端可與風(fēng)電、核電等多種能源相結(jié)合，起到削峰填谷的作用。

關(guān)于此類互補發(fā)電系統(tǒng)的研究文獻還比較少，此處只是做一個方案設(shè)計和能效平衡探討。在今后的研究中，將陸續(xù)開展模型模擬計算、經(jīng)濟成本分析，并建立示范工程予以驗證，相關(guān)結(jié)果將陸續(xù) 發(fā)布。

[1] 袁煒東. 國內(nèi)外太陽能光熱發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J]. 電力與能源, 2015, 36(4): 487-490.

YUAN Weidong. Current development and prospect of solar-thermal power generation in china and abroad[J]. Power & Energy, 2015, 36(4): 487-490.

[2] 荊平, 徐桂芝, 趙波, 等. 面向全球能源互聯(lián)網(wǎng)的大容量儲能技術(shù)[J]. 智能電網(wǎng), 2015, 3(6): 486-492.

JING Ping, XU Guizhi, ZHAO, Bo, et al. Large-scale energy storage technology for global energy internet[J]. Smart Grid, 2015, 3(6): 486-492.

[3] 霍現(xiàn)旭, 王靖, 蔣菱, 等. 氫儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用綜述[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2016, 5(2): 197-203.

HUO Xianxu, WANG Jing, JIANG Ling, et al. Review on key technologies and applications of hydrogen energy storage system[J]. Energy Storage Science and Technology, 2016, 5(2): 197-203.

[4] 徐曄, 陳曉寧. 風(fēng)氫互補發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建初探[J]. 中國工程科學(xué), 2010, 12(11): 83-88.

XU Ye, CHEN Xiaoning. A preliminary study on the construction of wind and hydrogen power electric generating system[J]. Engineering Sciences, 2010, 12(11): 83-88.

[5] 盧奇, 周建偉. 全國主要城市晴天逐時太陽輻射強度與太陽能集熱器最佳傾斜角度的模擬計算[J]. 建筑科學(xué), 2012, 28(增刊2): 22-26.

[6] 特納斯. 燃燒學(xué)導(dǎo)論: 概念與應(yīng)用[M]. 姚強, 李水清, 王宇譯. 第3版. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2015: 560-577.

TURNS S R. An introduction to combustion: Concepts and applications[M]. YAO Qiang, LI Shuiqing, WANG Yu, trans. 3nd Ed.. Beijing: Tsinghua University Press, 2015: 560-577.

[7] 張文強, 于波, 陳靖, 等. 高溫固體氧化物電解水制氫技術(shù)[J]. 化學(xué)進展, 2008, 20(5): 778-787.

ZHANG Wenqiang, YU Bo, CHEN Jing, et al. Hydrogen production through solid oxide electrolysis at elevated temperatures[J]. Progress in Chemistry, 2008, 20(5): 778-787.

[8] EBERLE U, FELDERHOFF M, SCHUETH F. Chemical and physical solutions for hedrogen storage[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2009, 48(36): 6608-6630．

[9] 徐麗, 馬光, 盛鵬, 等. 儲氫技術(shù)綜述及在氫儲能中的應(yīng)用展望[J]. 智能電網(wǎng), 2016, 4(2): 166-171.

XU Li, MA Guang, SHENG Peng, et al. Overview of hydrogen storage technologies and their application prospects in hydrogen-based energy storage[J]. Progress in Chemistry, 2016, 4(2): 166-171.

[10] 呂貝, 邱河梅, 張宇. 太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 華電技術(shù), 2010, 32(1): 73-76.

LV Bei, QIU Hemei, ZHANG Yu. Situation and development of solar photovoltaic power generation industry[J]. Huadian Technology, 2010, 32(1): 73-76.

[11] 陳愚, 易經(jīng)緯, 劉清輝. 聚光熱發(fā)電技術(shù)的分析和簡評[J]. 能源與環(huán)境, 2011(3): 20-37.

CHEN Yu, YI Jingwei, LIU Qinghui. Analysis and review of solar thermal power generation technology[J]. Energy And Environment, 2011(3): 20-37.

Design of solar cogeneration system of hydrogen and power with solid oxide cells

LV Zewei, HAN Minfang

(Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, State Key Lab of Power Systems, Beijing 100084, China)

A novel cogeneration system of hydrogen and power is designed to solve the energy storage problem faced by both photovoltaic and solar thermal generation technologies. In this system, solar energy collection, photovoltaic generation, solid oxide electrolysis cell (SOEC) and solid oxide fuel cell (SOFC) are synergistically combined. A simplification of solar insolation curve was made before thermodynamic calculation. Based on the simplification, it shows that 1 MW system consists of 8.407 MW photovoltaic system, solar thermal collector with heating power of 6.756 MW, SOEC system with hydrogen produce rate of 0.0698 kg/s and 1 MW SOFC system. Power generating efficiency can reach 9.4% throughout the day, which partly demonstrates the feasibility of the system. In addition, oxygen can be produced in the system, which can be further utilized. Moreover, high temperature steam electrolysis which significantly reduces the electric energy consumption, provides a potential pathway for the interconversion of electricity and hydrogen. This method can be used to stockpile the electrical energy harvested from fluctuant renewable energy sources.

photovoltaic generation; solar thermal generation; solid oxide fuel cell; solid oxide electrolysis cell; solar hydrogen production

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0067

TK 519；TK 91

A

2095-4239（2017）02-275-05

2016-09-05；修改稿日期：2016-12-09。

科技北京百名領(lǐng)軍人才培養(yǎng)工程（Z151100000315031），電力系統(tǒng)國家重點實驗室（SKLD16Z11）。

呂澤偉（1996—），男，本科生，研究方向為固體氧化物燃料電池，E-mail：lvzw13@mails.tsinghua.edu.cn；

韓敏芳，教授，主要研究方向為固體氧化物燃料電池、煤氣制氫、新材料開發(fā)和固體廢棄物綜合利用，E-mail：hanminfang@sina.com。