李 佳 王文哲 方苗苗 張鑫茹 馮 振，3

（1.河南工學院材料科學與工程學院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.河南工學院厚德書院，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.河南師范大學物理學院，河南 新鄉(xiāng) 453007）

0 引言

在當前全球能源危機的背景下，我國致力于綠色發(fā)展、能源技術革新，可再生清潔能源將迎來發(fā)展新浪潮。而太陽能作為一種清潔環(huán)保且容易獲取的綠色可再生能源，將是未來能源市場的主力軍。

目前，我國大力推行光伏發(fā)電，大部分地區(qū)尤其是中西部地區(qū)已開始廣泛使用。光伏發(fā)電是指直接將太陽的光能變成電能的太陽能利用方式。其具有獲取成本低、綠色清潔無污染、使用壽命長等優(yōu)點。但是，傳統(tǒng)光伏發(fā)電方式受天氣影響較大，雨雪天、陰天、霧天等都會影響光伏發(fā)電。另外，在電能儲存方面，傳統(tǒng)光伏發(fā)電主要為并網利用，遠距離運輸能量損耗大。

筆者研發(fā)的氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)以傳統(tǒng)光伏發(fā)電和燃料電池發(fā)電為基礎，通過“自產、自存、自用”模式，解決了光伏發(fā)電并網運輸成本高、能量輸運過程中的損耗問題，改變了電能存儲方式［1］，使電能存儲成本大幅度降低，產品性價比、可再生能源利用率和供電系統(tǒng)的可靠性提高［2］。

1 氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)結構

氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池板、電解槽、壓縮機、儲氫罐、燃料電池和逆變器等構成（見圖1）。光伏電池板是整個系統(tǒng)中最基本的組件，也是整個系統(tǒng)的核心部分，其作用是將太陽能轉化為電能。電解槽是整個系統(tǒng)中能量存儲的最關鍵部分，在電能有剩余的情況下，通過電解水反應將多余的電能轉化為化學能，并將能量以氫氣的形式儲存在儲氫罐里。當光伏發(fā)電量大于居民用電量時，該部分將開展工作。儲氫罐用于收集氫氣，是該系統(tǒng)中重要的存儲裝置。燃料電池以儲氫罐中的氫氣作為燃料，通過氫氧化學反應，將化學能轉化為電能。當光伏發(fā)電量小于用電負荷時（此時電量供不應求），該部分開始工作，滿足用戶用電需求，保證居民正常用電。逆變器用于將直流電轉換成居民可直接使用的交流電。

圖1 氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)組成結構

2 氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)的調度流程

受天氣變化的影響，光伏電池板的輸出功率會隨機波動，氫負荷和電負荷也會發(fā)生變化。因此，需要根據發(fā)電側和供電側的變化情況合理調節(jié)氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)運行狀態(tài)（通過互聯(lián)網監(jiān)控、監(jiān)測及遠程控制），保證氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時提高太陽能利用率。

根據天氣情況、氫負荷與電負荷的變化情況，氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)主要有以下4種工作狀態(tài)：有光、無氫負荷、有電負荷時，光伏發(fā)電量大于等于居民用電量，則電解槽工作，產生氫氣并儲存在儲氫罐中；有光、有氫負荷、有電負荷時，光伏發(fā)電量小于居民用電量，光伏發(fā)電量滿足不了居民的用電需求，需要燃料電池工作消耗氫氣產生電能來供給部分電量；無光、有氫負荷、有電負荷時，光伏電池板停止工作，居民用電全部依靠燃料電池消耗氫氣產生電能來供給；無光、無氫負荷、無電負荷時，此時整個系統(tǒng)停止工作［3］。氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)的調度流程具體如圖2所示。

圖2 氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)調度流程

3 氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)的應用實例

3.1 農村居民生活用電應用

隨著生活水平的不斷提升，農村居民購買家電的數量和使用次數大大增加，導致農村居民每個月的用電量提高許多。尤其是夏季天氣炎熱，空調和冰箱的使用使得農村居民每個月的用電量急劇增加。而用電量的大幅上升不僅導致電費成本增加，而且造成大部分農村地區(qū)夏季供電不足，時常出現(xiàn)停電現(xiàn)象。而將氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)應用在農村居民家中可減少該情況的發(fā)生。

筆者研發(fā)的氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)在農村居民家中的應用機制如圖3所示，利用光伏電池板將太陽能轉化為電能。當光照充足時，光伏電池板獲得的電能一部分直接經過小型光儲一體機、小型儲能變流器、重要負載等，將直流電轉化為可供居民使用的交流電；另一部分通過電解槽電解水轉化為化學能，獲取氫氣并通過壓縮機將氫氣儲存到氫氣罐中。當光照不足時，以氫氣為燃料，經過氫氧燃料電池把化學能變成電能，再經過逆變器把直流電變成交流電，以保證農村居民正常用電需求。

與傳統(tǒng)的農村居民用電模式相比，應用氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)有以下優(yōu)勢：①節(jié)省電費，減輕高額電費帶給農村居民造成的經濟負擔，降低農村居民的生活成本，提升農村居民的幸福感；②對農村居民來說，可以將此系統(tǒng)安裝在屋頂上，如圖3所示，大大縮短供電所需要的時間，提高輸電效率；③減少夏季農村因供電不足而導致的停電現(xiàn)象，解決長期以來農村夏季用電供不應求的問題，提高農村居民的生活質量；④該供電模式較為清潔，而且能源利用效率高，可降低環(huán)境污染，符合我國綠色發(fā)展理念。

圖3 氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)家用安裝結構

3.2 溫室大棚種植應用

隨著多項扶持政策的出臺，越來越多的鄉(xiāng)村地區(qū)通過發(fā)展溫室大棚種植業(yè)，來發(fā)展當地經濟及滿足人們的需求。但是，建設溫室大棚前期投入成本較高，后期管理比較復雜。農戶往往因對溫室大棚內的溫度、濕度、光照等控制不到位，如溫度過高導致病害嚴重發(fā)生，溫度過低造成作物生長緩慢，結果種植成效不理想，進而影響農戶的生產積極性。將氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)應用在溫室和大棚中，可保證供電充足，使大棚內各個自動化系統(tǒng)均能正常運轉，可以有效改善上述情況。

以火龍果大棚種植為例，氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)在其中的應用如圖4所示。氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)產生的電能具體可用于以下方面：①土壤溫濕度檢測傳感器與土壤氮磷鉀檢測傳感器檢測發(fā)現(xiàn)土壤濕度與肥力不足時，氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)產生的電能可以保障水肥一體機的自動灌溉系統(tǒng)正常運轉，為火龍果生長提供所需的水分與營養(yǎng)；②當溫度監(jiān)控儀檢測發(fā)現(xiàn)大棚內溫度不足時，氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)產生的電能可以保障溫度調節(jié)系統(tǒng)正常運轉，調節(jié)室溫，以維持火龍果生長所需溫度；③空氣濕度監(jiān)控儀檢測發(fā)現(xiàn)棚內空氣濕度較高時，氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)產生的電能可以保障通風系統(tǒng)正常運轉，調節(jié)大棚內的濕度；④光強監(jiān)控儀發(fā)現(xiàn)棚內光照不足時，氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)產生的電能可以保障光強調節(jié)系統(tǒng)正常運轉，為火龍果生長提供充足的光照［4］。

圖4 氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)在火龍果大棚種植中的應用

與傳統(tǒng)的溫室和大棚種植相比，應用氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)的溫室和大棚種植具有以下優(yōu)勢：①節(jié)省電費，降低種植成本；②有助于調控溫室和大棚內溫度、濕度、光照、水肥等條件，為火龍果的生長提供良好的環(huán)境，使得成熟的火龍果外觀更美觀、味道更甜，大大提高火龍果的產量和質量，同時提高農戶的收入；③可以作為附近中小學校社會活動實踐點，開發(fā)建設生態(tài)園區(qū)，將現(xiàn)代化科技和產業(yè)多樣化形式展現(xiàn)給當地學生、教師及家長等，并講解相關原理和知識，增強人們的科技意識，提高人們的科技素質。

3.3 畜牧業(yè)生產應用

目前，我國畜牧業(yè)發(fā)展面臨著巨大挑戰(zhàn)：①畜禽養(yǎng)殖環(huán)保標準有所提高，養(yǎng)殖行業(yè)資本門檻不斷提高，散養(yǎng)農戶利潤較以往下降了很多；②畜禽糞便污染、養(yǎng)殖環(huán)境不達標、動物疫病防控難度大、糞污處理成本高、資源浪費嚴重等問題直接影響畜牧業(yè)健康發(fā)展。隨著國家加強環(huán)境污染治理，部分處于禁養(yǎng)區(qū)或者生態(tài)敏感地區(qū)的養(yǎng)殖場已相繼關停。因此，養(yǎng)殖場做好環(huán)境治理工作至關重要［5］。而將氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)應用在畜牧業(yè)生產中，可減少養(yǎng)殖環(huán)境不達標、糞污處理成本高、資源浪費嚴重等問題的發(fā)生。

以養(yǎng)豬業(yè)為例，氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)在其發(fā)展中的應用如圖5所示。氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)產生的電能，一是可以用于自動清洗設備，使豬舍環(huán)境保持干凈；二是可以通過溫變監(jiān)控儀用于通風系統(tǒng)，及時給豬舍通風、降溫；三是可以用于飼喂系統(tǒng)；四是可以用于糞便干濕分離機，使糞便干濕分離，濕糞便可運入沼氣池產生沼氣供家庭使用，干糞便可作為肥料用于農作物種植。

圖5 氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)在養(yǎng)殖業(yè)中的應用

與傳統(tǒng)的畜牧業(yè)相比，應用氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：①減少高額的電費，節(jié)約勞動力，使養(yǎng)殖成本大大降低；②使養(yǎng)殖環(huán)境更加干凈、衛(wèi)生，降低畜禽死亡率；③通過糞便干濕分離機，使得糞便干濕分離，減輕環(huán)境污染，同時提高資源利用率；④可發(fā)揮示范帶頭作用，提高養(yǎng)殖生產率，推動養(yǎng)殖業(yè)結構調整，帶動農民發(fā)家致富。

4 結語

筆者研發(fā)的氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)應用范圍較廣，在各種光照條件下均可使用，光能利用效率高，而且在任何條件下都能持續(xù)性供電，具有較好的應用前景。氫電綜合發(fā)電系統(tǒng)的研究與應用可滿足農村居民生活、生產用電需求，符合我國綠色發(fā)展理念，規(guī)模開發(fā)應用后可推進我國“雙碳”目標的實現(xiàn)。