錢宇，陳耀熙，史曉斐，楊思宇

（華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東廣州 510640）

引 言

在全球向清潔低碳能源轉(zhuǎn)型的大背景下，總發(fā)電量中煤電占比將逐步減少，而風(fēng)能光能等可再生能源的發(fā)電占比將大幅提升。據(jù)國際能源署預(yù)測，到2024年，全球風(fēng)電和光伏的總裝機(jī)容量將超過煤炭[1]。中國的陸地風(fēng)能和光能資源儲(chǔ)量豐富，分別為5.0×109kW 和1.9×1012kW[2]，居世界前列[3-4]。大力利用風(fēng)能與光能有助于減少煤炭消耗量，加快中國的能源轉(zhuǎn)型，被寄予厚望。

太陽能廣義上包括風(fēng)能和光能，具有較大的隨機(jī)性和間歇性。常規(guī)電網(wǎng)當(dāng)面臨大比例的高波動(dòng)風(fēng)電光電接入時(shí)，有時(shí)不得不棄風(fēng)棄電[5]，或采用大容量儲(chǔ)能裝置[6]等手段，在安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面都有較大的技術(shù)障礙[7-8]。長期以來，人們對(duì)風(fēng)能光能的波動(dòng)特性有一定的感性認(rèn)識(shí)，但缺乏對(duì)其變化規(guī)律的科學(xué)分析。圖1中示出一組全年風(fēng)速與太陽光輻照強(qiáng)度的代表性數(shù)據(jù)，較小時(shí)間尺度的數(shù)據(jù)見圖2。太陽光輻照具有日夜的間歇性，以及夏強(qiáng)冬弱的周期波動(dòng)性，更具有陰晴雨雪導(dǎo)致的氣象隨機(jī)性。而風(fēng)能也因太陽相對(duì)位置導(dǎo)致的季節(jié)、晝夜變化而具有周期性；還有因地理位置(緯度、海拔、陸地、高原、峽谷、海洋)的特異性以及大氣運(yùn)動(dòng)而帶來的隨機(jī)波動(dòng)性。

圖1 我國新疆準(zhǔn)東風(fēng)速與太陽光輻射強(qiáng)度2020年波動(dòng)數(shù)據(jù)圖Fig.1 Fluctuation curves of wind speed and solar radiation in Xinjiang，China in 2020

圖2 風(fēng)電與光電晝夜波動(dòng)曲線Fig.2 Day and night fluctuation curves of wind power and photovoltaic power

近年來，有研究者關(guān)注風(fēng)能光能互補(bǔ)的研究。風(fēng)能光能互補(bǔ)指風(fēng)能光能共同出力，以尋求平抑供能的波動(dòng)性，提升系統(tǒng)的可靠性，并降低發(fā)電成本。風(fēng)光互補(bǔ)程度越佳，系統(tǒng)產(chǎn)出的穩(wěn)定性越高。一些研究者從數(shù)據(jù)相關(guān)性的角度，提出了以相關(guān)性系數(shù)[9-10]來評(píng)價(jià)風(fēng)光互補(bǔ)程度。相關(guān)性系數(shù)越接近-1，代表該地的風(fēng)光互補(bǔ)程度越好。然而，迄今仍未有人從風(fēng)能光能波動(dòng)性變化規(guī)律的角度出發(fā)，提出新的風(fēng)光互補(bǔ)程度評(píng)價(jià)方法。

將風(fēng)能光能用于電解水制取高純度氫氣，可以減輕并網(wǎng)所需復(fù)雜調(diào)峰技術(shù)[11]與高昂成本[12]的負(fù)擔(dān)，制取的氫氣又可本地化利用，應(yīng)用空間也廣泛。李燦等[13]以太陽能規(guī)?；纸馑迫「呒兌葰洌僖詺渑cCO2反應(yīng)制取液態(tài)甲醇。其他學(xué)者也提出電解水制取高純度氫可用于合成如甲烷[14]、DME[15]、氨[16]等大宗化工產(chǎn)品。高純度氫也可作為氫燃料電池汽車的燃料，預(yù)期市場規(guī)模巨大[17]。然而，風(fēng)能與光能具有間歇性與波動(dòng)性，間歇或波動(dòng)供電將導(dǎo)致電解槽頻繁啟閉，無法安全運(yùn)行，需要使用大容量蓄電池抑峰填谷以穩(wěn)定電解槽用電需求，或帶來安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性等技術(shù)瓶頸問題。

針對(duì)上述問題，本文探尋風(fēng)能光能隨機(jī)性波動(dòng)和間歇性的科學(xué)規(guī)律和理論基礎(chǔ)；從波動(dòng)周期性角度提出風(fēng)能光能互補(bǔ)程度的新評(píng)價(jià)方法；通過對(duì)波動(dòng)性的抑制，設(shè)計(jì)制取穩(wěn)定可靠低碳?xì)湓吹娘L(fēng)光耦合制氫系統(tǒng)；并對(duì)風(fēng)能光能電解制氫系統(tǒng)各單元裝置進(jìn)行合理容量配置。以期形成推動(dòng)大規(guī)模風(fēng)光互補(bǔ)利用的重要技術(shù)創(chuàng)新。

1 風(fēng)能光能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集調(diào)研與處理分析

1.1 風(fēng)能與光能的數(shù)據(jù)采集

本文數(shù)據(jù)采自世界氣象組織(World Meteorological Organization，WMO)的數(shù)據(jù)庫與美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的再分析數(shù)據(jù)庫(The Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications Version 2，MERRA2)。相關(guān)研究表明這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫在風(fēng)力和光照數(shù)據(jù)上具備可靠性[18-20]。本文從NASA-MERRA2 氣象數(shù)據(jù)庫獲取在2010—2020 年11 年間的光輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)和距地表50 m 逐小時(shí)風(fēng)速；選取我國北方已有或適宜建設(shè)大型風(fēng)電站和光伏電場的大型能源基地所在區(qū)域，重點(diǎn)考察區(qū)域內(nèi)蒙古通遼、包頭，甘肅酒泉，新疆準(zhǔn)東。

風(fēng)力發(fā)電電功率Pw由式(1)可求[21]：

其中，hland和vland分別為參考地面的高度和風(fēng)速；λ為地表的粗糙度系數(shù)，取1/7[22]。

光伏輸出功率受天氣等自然條件影響，影響因素包括季節(jié)、太陽輻射強(qiáng)度、天氣類型、溫度等。計(jì)算光伏輸出功率Pp[21]：

1.2 風(fēng)能與光能的周期波動(dòng)特性分析

風(fēng)電和光電輸出功率數(shù)據(jù)的隨機(jī)性強(qiáng)，常規(guī)的數(shù)學(xué)分析方法難以從中剔除無效的隨機(jī)性波動(dòng)，獲得周期性波動(dòng)規(guī)律。根據(jù)傅里葉原理，任何連續(xù)測量的時(shí)序或信號(hào)都可分解為不同頻率的正弦波。對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，獲取分解波的頻率、幅值等特征的過程稱為頻譜分析，獲取的特征在頻譜圖中以峰表示。本文為了分析風(fēng)電與光電的波動(dòng)特性，采用快速傅里葉變換[23](fast Fourier transform，F(xiàn)FT)對(duì)風(fēng)電及光電功率數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，得到各分解波的頻率，為體現(xiàn)出時(shí)間尺度，又將頻率換算為對(duì)應(yīng)的時(shí)間，頻譜圖如圖3 所示。頻譜分析結(jié)果表明：風(fēng)能，光能的波動(dòng)均存在著晝夜(24 h)和年度(8760 h)兩個(gè)周期性。事實(shí)上，風(fēng)能光能的強(qiáng)度變化，與地球自轉(zhuǎn)(24 h)、公轉(zhuǎn)以及赤道與黃道面相應(yīng)夾角的周期性變化(8760 h)密切相關(guān)。這構(gòu)成了風(fēng)能光能波動(dòng)特性分析的科學(xué)基礎(chǔ)。

圖3 經(jīng)頻譜分析獲取的風(fēng)速與光強(qiáng)波動(dòng)頻率特征Fig.3 Frequency characteristics of wind speed and light intensity fluctuation obtained with the spectral analysis

太陽光能具有白天12 h 日照、夜晚12 h 黑夜的間歇性，也具有從黎明至黃昏的周期波動(dòng)性。由此建立光能間歇性波動(dòng)的基礎(chǔ)模型：

由頻譜分析圖可見，風(fēng)力也具有晝夜24 h 的周期波動(dòng)。建立風(fēng)能波動(dòng)基礎(chǔ)模型：

圖4 光能與風(fēng)能的基礎(chǔ)模型仿真與實(shí)際數(shù)據(jù)的比較Fig.4 Comparison of the basic model simulations and actual data of solar and wind energy

運(yùn)用濾波分析方法，可過濾篩分特定的頻率波。取濾波寬度2Ω＞24 h，可濾去風(fēng)力，光強(qiáng)曲線中的24 h 及以下的波動(dòng)，從而提取出較長周期的波動(dòng)特征。

從圖5可以明顯看出風(fēng)力和光強(qiáng)的8760 h年度波動(dòng)周期，并且呈現(xiàn)出強(qiáng)弱互補(bǔ)的特征。

圖5 濾波后8760 h周期特征的風(fēng)力和光強(qiáng)波動(dòng)曲線Fig.5 Wind and light fluctuation curves with 8760 h periodic characteristics after filtering

根據(jù)上面濾波得到的年度波動(dòng)特征，提出光強(qiáng)和風(fēng)力的年周期波動(dòng)基礎(chǔ)模型和：

將風(fēng)能光能的海量原始數(shù)據(jù)，用于擬合上述基礎(chǔ)模型，可確定風(fēng)能光能的波動(dòng)幅值、周期、相位、有效輸出功率等關(guān)鍵參數(shù)。風(fēng)力光強(qiáng)實(shí)際數(shù)據(jù)因氣候氣象、云霧雨雪等因素而存在隨機(jī)波動(dòng)，在理論分析時(shí)采用上述濾波分析和數(shù)據(jù)整合等仿真擬合技術(shù)，在實(shí)際系統(tǒng)中則采用蓄電池及濾波器將其平抑。

1.3 風(fēng)能光能互補(bǔ)耦合的可行性分析

由日常經(jīng)驗(yàn)可知，太陽晝出夜沒夏強(qiáng)冬弱，風(fēng)力晝緩夜急夏熏冬朔。風(fēng)能和光能的實(shí)際波動(dòng)曲線見圖6(上)。將風(fēng)能與光能耦合，如圖6(下)所示，似乎有一定的互補(bǔ)效果。

圖6 風(fēng)能光能波動(dòng)互補(bǔ)平抑波動(dòng)Fig.6 Wind energy and solar energy complement each other to suppress fluctuations

科學(xué)研究不能僅憑直觀經(jīng)驗(yàn)。頻譜分析表明了風(fēng)能光能的波動(dòng)都有顯著的8760 h 和24 h 周期，但幅值和相位有可能是不同的。理論上，兩能疊加可以得到以下不同的效果：(1)光能風(fēng)能波動(dòng)周期的相位相同(φp=φw)，兩種波動(dòng)峰峰相疊，兩者不能相互抵消；(2)兩種波動(dòng)有一定的相位差(φp-φw)，部分互補(bǔ)，兩能耦合輸出將平抑互補(bǔ)，可以部分平緩波動(dòng)性；(3)若風(fēng)與光的年度波動(dòng)相位差為6個(gè)月，晝夜波動(dòng)相位差為12 h，則在年與日時(shí)間尺度上，風(fēng)與光波動(dòng)的波峰波谷完全吻合，可視為兩者達(dá)到年與日時(shí)間尺度上的最佳互補(bǔ)。

將上述光強(qiáng)基礎(chǔ)模型gp(t,φ)與實(shí)際光電功率曲線Pp(t)的數(shù)據(jù)集合，風(fēng)能基礎(chǔ)模型gw(t,φ)與實(shí)際風(fēng)能功率曲線Pw(t)數(shù)據(jù)集合，分別進(jìn)行最小平方差擬合，可以分別獲取該數(shù)據(jù)集所在地的光照周期相位φp和風(fēng)力周期相位φw。

對(duì)內(nèi)蒙古通遼、包頭，甘肅酒泉，新疆準(zhǔn)東四地的風(fēng)能光能數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析、基波提取、擬合，可分析各地風(fēng)能與光能的初相位與相位差。四地的風(fēng)能光能初相位與相位差數(shù)據(jù)列于表1。風(fēng)電光電初相位代表風(fēng)電光電功率為均值時(shí)并不斷增強(qiáng)的起始點(diǎn)；自初相位開始過四分之一個(gè)周期(年周期3個(gè)月或日周期6 個(gè)小時(shí))，風(fēng)電光電功率達(dá)到峰值。表1 初相位數(shù)據(jù)分析可體現(xiàn)出，各地具有一定的風(fēng)光互補(bǔ)性，但又不盡相同。例如酒泉的風(fēng)能的規(guī)律便有較大的不同。相關(guān)研究也表明酒泉的風(fēng)確有該現(xiàn)象存在[24]。

表1 四地點(diǎn)風(fēng)能光能8760 h與24 h周期初相位Table 1 The initial phases of 8760 h and 24 h cycles of wind energy and solar energy in four locations

為進(jìn)一步表示地點(diǎn)的風(fēng)能光能互補(bǔ)水平，以圖7表示各地點(diǎn)的風(fēng)能光能相位差與完全互補(bǔ)相位差的比值。地點(diǎn)的對(duì)應(yīng)比值越接近于1，風(fēng)能光能互補(bǔ)水平越好。四地點(diǎn)的互補(bǔ)程度由高到低依次為：準(zhǔn)東、通遼、包頭、酒泉。準(zhǔn)東的風(fēng)能與光能的晝夜波動(dòng)相位差為7 小時(shí)42 分鐘，年度波動(dòng)相位差為5 個(gè)月1 天；其風(fēng)能光能互補(bǔ)程度最高。通遼、包頭的風(fēng)能光能互補(bǔ)性居中，酒泉?jiǎng)t風(fēng)能光能互補(bǔ)性最差。

圖7 四地點(diǎn)風(fēng)能光能互補(bǔ)水平Fig.7 Complementary levels of wind energy and solar energy in the four locations

2 風(fēng)能光能互補(bǔ)耦合制氫系統(tǒng)的集成

本文選取風(fēng)光能互補(bǔ)程度較為適宜的準(zhǔn)東進(jìn)行風(fēng)能-光能互補(bǔ)耦合，在理論分析和論證的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)風(fēng)能-光能互補(bǔ)耦合能源制氫集成系統(tǒng)，包含風(fēng)電、光電、耦合供電、蓄電、電解和儲(chǔ)氫等單元，如圖8所示。

圖8 風(fēng)光耦合制氫系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.8 Topological structure of the wind-photovoltaic to hydrogen system

2.1 集成系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

波動(dòng)率常用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)或單元輸出量的穩(wěn)定性。T時(shí)段內(nèi)的波動(dòng)率δ定義為：

式中，o(t)為t時(shí)刻的輸出量，即供電功率或供氫流率；oavg為輸出量在T時(shí)段內(nèi)的平均值。δ越接近零，波動(dòng)程度越小。本文以波動(dòng)率作為系統(tǒng)穩(wěn)定性的技術(shù)指標(biāo)。從集成系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性考慮，蓄電池的供電波動(dòng)率應(yīng)小于45%；常見堿性電解槽承受的輸入電流波動(dòng)范圍在15%～100%額定功率之間；儲(chǔ)氫設(shè)備的供氫波動(dòng)率應(yīng)小于10%。本文以波動(dòng)率作為系統(tǒng)穩(wěn)定性的技術(shù)指標(biāo)，應(yīng)盡量降低供氫的波動(dòng)性。但這以高昂的系統(tǒng)裝置（蓄電池和儲(chǔ)氫裝置）為代價(jià)。作為權(quán)衡，經(jīng)征求工業(yè)界和儲(chǔ)能界的綜合意見，取供氫波動(dòng)率小于10%。蓄電池直接給電解槽供電制氫，而電解槽的允許供電波動(dòng)范圍較大。為此，取蓄電池的供電波動(dòng)率為小于45%。這充分利用了電解槽對(duì)供電的包容性，在保證正常產(chǎn)氫的同時(shí)使用較少容量的電池。依實(shí)際應(yīng)用要求也可對(duì)波動(dòng)率指標(biāo)適當(dāng)調(diào)節(jié)。為達(dá)到這一系列的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，需合理配置系統(tǒng)容量。

2.2 蓄電系統(tǒng)

Pw-p為輸入蓄電池的耦合電功率，Pb為蓄電池的輸出電功率。Pw-p高于Pb時(shí)，蓄電池充電；Pw-p低于Pb時(shí)，蓄電池放電。即蓄電池通過充放電，可將較高供電波動(dòng)率的Pw-p變換至較低波動(dòng)率的Pb。有限沖激響應(yīng)(finite impulse response，F(xiàn)IR)濾波器是常見的數(shù)字濾波器，在濾波時(shí)具有穩(wěn)定性好、精度高和易于獲得嚴(yán)格線性相位特性的特點(diǎn)。通過FIR 濾波器對(duì)Pw-p曲線進(jìn)行一階低通濾波，濾去高頻波動(dòng)，可以得到符合預(yù)期波動(dòng)率的蓄電池Pb曲線[25]。同理，該濾波器也可用于電解槽、儲(chǔ)氫罐單元的曲線濾波。蓄電池各參數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中，B(t)與B(0)分別為蓄電池t時(shí)刻的電量和蓄電池初始電量；η為蓄電池充放電系數(shù)；maxB(t)、minB(t)分別為蓄電池儲(chǔ)電量最大值和最小值；Br為蓄電池額定容量，為了保證蓄電池電量具有一定的冗余，Br取為理論蓄電池容量的1.25 倍。時(shí)間常數(shù)為化工生產(chǎn)過程中常用的概念，表示化工品從進(jìn)入到輸出過程間的停留時(shí)間。本文中也構(gòu)建了時(shí)間常數(shù)的概念，用以表述儲(chǔ)能系統(tǒng)滿足波動(dòng)率指標(biāo)所需的工作時(shí)間。時(shí)間常數(shù)的大小反映出儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑波動(dòng)性的能力。式(14)中，為蓄電池的平均輸出功率，τb為蓄電池時(shí)間常數(shù)。時(shí)間常數(shù)τb越大，則蓄電池容量越大，對(duì)供電波動(dòng)的平抑效果越好。但是，蓄電池容量過大，也會(huì)引發(fā)安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面的問題。

2.3 電解槽

2.4 儲(chǔ)氫罐

儲(chǔ)氫罐起到平衡供氫波動(dòng)性的效果。當(dāng)制氫流量高于供氫目標(biāo)流量時(shí)，儲(chǔ)氫罐充氣；當(dāng)制氫流量低于該目標(biāo)流量時(shí)，儲(chǔ)氫罐放氣。

此處Hs(t) 為儲(chǔ)氫罐的供氫質(zhì)量流率。由式(17)可計(jì)算t時(shí)刻儲(chǔ)氫罐組的儲(chǔ)氫量M(t)。通過式(18)可計(jì)算儲(chǔ)氫罐的額定容量Msr，其中maxM(t)和minM(t)分別為儲(chǔ)氫量的最大值和最小值。式(19)中，Havg為總時(shí)段內(nèi)平均供氫質(zhì)量流率，τs為儲(chǔ)氫罐時(shí)間常數(shù)。τs越大，儲(chǔ)氫容量越大，對(duì)供氫波動(dòng)性的平抑效果越好。但儲(chǔ)氫容量也受儲(chǔ)氫罐的安全性和投資成本的約束，不宜過大。

2.5 系統(tǒng)容量配置與供氫能力

以新疆準(zhǔn)東的風(fēng)能光能耦合，設(shè)定產(chǎn)氫量為7500 t/a，進(jìn)行風(fēng)能光能耦合互補(bǔ)電解制氫系統(tǒng)容量配置，數(shù)據(jù)結(jié)果見表2?？梢钥闯?，在滿足穩(wěn)定性產(chǎn)氫供氫的前提下，風(fēng)電光電耦合制氫相比于僅憑光電或風(fēng)電制氫，蓄電池和儲(chǔ)氫罐所需裝置容量均顯著下降。目前中國最大的風(fēng)力發(fā)電場是甘肅7965 MW 風(fēng)電場，最大光伏電站是青海2200 MW 黃河水電格爾木太陽能公園[27]。與此相對(duì)照，本工作構(gòu)建的風(fēng)電光電互補(bǔ)系統(tǒng)的容量規(guī)模在安全可行的范疇內(nèi)。目前全球最大的電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目是華為公司已簽約建設(shè)的1300 MWh 電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目[28]。本風(fēng)電光電耦合制氫系統(tǒng)所需的1250 MWh蓄電池容量處于相當(dāng)?shù)娜萘恳?guī)模。由表2 也可看出，風(fēng)光耦合系統(tǒng)的蓄電池的時(shí)間常數(shù)小，處于日時(shí)間尺度，主要平抑處理短周期波動(dòng)；儲(chǔ)氫罐的時(shí)間常數(shù)更長，主要用于平抑?jǐn)?shù)日甚至數(shù)周尺度上的波動(dòng)。

表2 風(fēng)光耦合制氫系統(tǒng)容量配置Table 2 The capacity configuration of windphotovoltaic to hydrogen system

裝置容量經(jīng)合理配置后，系統(tǒng)制氫供氫波動(dòng)性在指定的范圍內(nèi)，如圖9 所示。此時(shí)，風(fēng)能-光能互補(bǔ)耦合能源制氫集成系統(tǒng)可穩(wěn)定供7500 t/a 的H2。制取的高純度氫氣可作為氫燃料電池公交車的燃料。1 輛氫公交車平均日行200 km，耗14 kg H2[29]。目前最大的加氫站日注量4.8 t[30]。則耦合制氫系統(tǒng)的供氫量至少可供4 座加氫站為1368 輛氫燃料電池公交車加氫。據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，2019 年新疆烏魯木齊市4411 輛公交車[31]，即供氫量所支持的氫燃料電池公交車足以替換新疆烏魯木齊市31%的公交車。

圖9 集成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)波動(dòng)率δ變化Fig.9 Variation of volatility δ of the integrated system

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境性能分析

本文運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)方法，對(duì)風(fēng)光耦合制氫系統(tǒng)的碳排放性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。生命周期評(píng)價(jià)是一種評(píng)價(jià)產(chǎn)品、工藝過程或活動(dòng)從原材料的采集和加工到產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售、使用、維護(hù)、回收和最終處理整個(gè)生命周期環(huán)境影響的分析工具[32]。系統(tǒng)的生命周期邊界如圖10所示。

圖10 風(fēng)光耦合制氫系統(tǒng)生命周期邊界Fig.10 The life cycle boundary of wind-photovoltaic to hydrogen system

可計(jì)算本制氫系統(tǒng)的CO2排放總量F：

式中，Nj是第j類設(shè)備數(shù)量；FP,j、FT,j、FC,j、FO,j和FH,j分別指設(shè)備生產(chǎn)、運(yùn)輸、建筑、運(yùn)營、廢料處理階段的碳排放和植被破壞造成的間接碳排放影響。

總制氫成本ctotal的計(jì)算如式(21)所示[33]：

式中，原料成本cR以單位消耗和市場價(jià)格計(jì)算；cOM是運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用；cD是折舊費(fèi)用；cPOC是管理費(fèi)用；cAC是行政費(fèi)用。

比對(duì)光伏制氫系統(tǒng)、風(fēng)電制氫系統(tǒng)和風(fēng)光耦合制氫系統(tǒng)的CO2排放強(qiáng)度及單位制氫成本，如圖11 所示。在三類系統(tǒng)中，光伏制氫系統(tǒng)的單位制氫成本最高，為95.6 CNY/kg H2；風(fēng)電制氫系統(tǒng)的單位制氫成本次之，為77.2 CNY/kg H2；風(fēng)光耦合制氫系統(tǒng)的單位制氫成本最低，為25.5 CNY/kg H2，比單獨(dú)能源制氫系統(tǒng)成本的均值顯著下降了70.5%。這表明風(fēng)能光能耦合互補(bǔ)平抑了部分發(fā)電的波動(dòng)，大幅減少了系統(tǒng)所需的蓄電池和儲(chǔ)氫罐容量配置，從而降低了風(fēng)光耦合系統(tǒng)制氫成本。光伏制氫、風(fēng)電制氫的CO2排放強(qiáng)度分別為3.91 kg CO2/kg H2和2.21 kg CO2/kg H2。而風(fēng)光耦合制氫系統(tǒng)的CO2排放強(qiáng)度為2.34 kg CO2/kg H2，比光伏制氫系統(tǒng)與風(fēng)電制氫系統(tǒng)CO2排放強(qiáng)度的均值（即兩系統(tǒng)簡單并聯(lián)時(shí)）明顯降低24%。

圖11 制氫系統(tǒng)的CO2排放強(qiáng)度及單位制氫成本對(duì)比Fig.11 CO2 emission intensity and hydrogen production cost comparison of hydrogen production system

4 結(jié) 論

針對(duì)風(fēng)能和光能在制氫時(shí)由波動(dòng)性引發(fā)的穩(wěn)定性及可靠性問題，本文對(duì)風(fēng)能和光能的波動(dòng)特性、互補(bǔ)特性進(jìn)行了深入研究。通過設(shè)置波動(dòng)性指標(biāo)，構(gòu)建了風(fēng)光耦合供電供氫系統(tǒng)并配置系統(tǒng)的單元容量，主要結(jié)論如下。

(1)通過頻譜分析、濾波分析等大數(shù)據(jù)方法，發(fā)現(xiàn)風(fēng)能與光能存在以年和日的波動(dòng)周期。兩者存在最佳互補(bǔ)時(shí)間尺度互補(bǔ)相位差，年周期為6個(gè)月，日周期為12 個(gè)小時(shí)。對(duì)我國北方多地的實(shí)例數(shù)據(jù)分析表明，各地的風(fēng)能光能波動(dòng)特性不盡相同，但都存在一定的部分互補(bǔ)特性。

(2)依據(jù)上述基礎(chǔ)特性的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)了大規(guī)模制氫的風(fēng)光能耦合制氫系統(tǒng)。選用合適容量的蓄電池組和儲(chǔ)氫罐，將供氫的流量波動(dòng)率降至10%以下，滿足穩(wěn)定性供氫的要求。所設(shè)計(jì)的耦合制氫系統(tǒng)的供氫量足以讓一個(gè)大中型城市的公共交通運(yùn)力近三分之一都替換為氫燃料電池公交車。

(3)實(shí)例研究表明，本文風(fēng)光耦合制氫系統(tǒng)的制氫成本為25.5 CNY/kg H2，排放強(qiáng)度為2.34 kg CO2/kg H2，相比風(fēng)電制氫系統(tǒng)，風(fēng)能光能耦合系統(tǒng)的CO2排放強(qiáng)度基本相當(dāng)，而較光伏制氫系統(tǒng)的明顯下降。

符 號(hào) 說 明

B——蓄電池電量，MWh

c——費(fèi)用，CNY

cR，cOM，cD，

cPOC，cAC——分別為原料、運(yùn)營維護(hù)、折舊、管理、行政費(fèi)用，CNY

F——CO2排放量，t

FP，F(xiàn)T，F(xiàn)C，

FO，F(xiàn)H——分別為生產(chǎn)、運(yùn)輸、建筑、運(yùn)營、廢料處理階段CO2排放量，t

f——系統(tǒng)發(fā)電效率

GT，G25°C——分別為T、25°C下光輻照強(qiáng)度，W/m2

g——功率波動(dòng)基礎(chǔ)模型

H——供氫質(zhì)量流率，t/h

h——高度，m

k——模型波動(dòng)幅值系數(shù)

L——?dú)埐钇椒胶?/p>

M——儲(chǔ)氫量，t

N——設(shè)備數(shù)目

o——輸出量

P——發(fā)電功率，MW

q——單位產(chǎn)氫能耗，kWh/kg H2

r——?dú)錃鈸p耗率

T——時(shí)段時(shí)長，h

t——時(shí)刻，h

v——風(fēng)速，m/s

vi，vr，vc——分別為風(fēng)機(jī)切入、額定、切出風(fēng)速，m/s

δ——波動(dòng)率

η——充放電系數(shù)

λ——粗糙度系數(shù)

τ——時(shí)間常數(shù)，h

φ——周期波動(dòng)初相位

Ω——半濾波寬度，h

上角標(biāo)

b——蓄電池

e——電解槽

hub——風(fēng)筒

land——地面

p——光伏

s——儲(chǔ)氫罐

w——風(fēng)電

w-p——風(fēng)電光電耦合

下角標(biāo)

avg——平均值

j——第j類設(shè)備

r——額定值

total——總數(shù)

24，8760——分別為日周期與年周期