收稿日期：2022-09-08

基金項(xiàng)目：上海市自然科學(xué)基金（20ZR1438700）

通信作者：徐洪濤（1976—），男，博士、教授，主要從事傳熱傳質(zhì)及太陽能綜合利用方面的研究。htxu@usst.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1353 文章編號：0254-0096（2023）12-0481-06

摘 要：該文設(shè)計(jì)一種家用太陽能與電網(wǎng)聯(lián)合供電的電解水制氫與儲氫系統(tǒng)，基于北京、銀川和哈密3座城市不同氣候條件，利用TRNSYS和GenOpt軟件對比分析了系統(tǒng)的動態(tài)性能。結(jié)果表明：北京、銀川和哈密三市的光伏組件最佳傾斜角度分別為36.56°、37.81°和41.87°，對應(yīng)的光伏系統(tǒng)年總發(fā)電量為38329.2、47169.8和50701.2 kWh；基于相同的供氫速率和儲氫罐容量，該系統(tǒng)年產(chǎn)氫量大致相同，北京為13151.5 m3，銀川為13124.1 m3，哈密為13144.7 m3；哈密市從電網(wǎng)取電量最少，其太陽能制氫效益最高為87.73%，其次為銀川市85.57%，北京市最低，為66.58%。

關(guān)鍵詞：太陽能；制氫；儲氫；光伏組件

中圖分類號：TK519；TQ116.2+1"""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

眾所周知，化石燃料資源有限且排放產(chǎn)物對環(huán)境不友好［1］，為了避免氣候進(jìn)一步惡化，中國碳排放力爭在2030年前達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和［2］。與石油、天然氣或煤炭等化石燃料不同，氫氣燃燒過程不會產(chǎn)生碳排放，熱值可達(dá)140 MJ/kg［3］。太陽能是世界上最豐富、最普遍的可再生清潔能源之一［4］，在所有制氫的能源中，太陽能正得到越來越多的關(guān)注。

針對太陽能制氫系統(tǒng)，Ratlamwala等［5］模擬一個由吸收冷卻器和光伏組件組成的混合系統(tǒng)，用于制冷和制氫。該研究以迪拜為例，分析了其系統(tǒng)的制氫速率和能效比；Ahmadi等［6］利用TRNSYS和Matlab軟件對加拿大多倫多的混合太陽能和燃料電池能源系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析。該系統(tǒng)的效率為39%，炎熱天氣下電力生產(chǎn)和冷卻能力較高，適合零能耗建筑應(yīng)用；Ozden等［7］分析了太陽能-氫能的混合可再生能源系統(tǒng)。研究表明，配備可傾斜平臺的光伏組件固定角度的光伏組件具有更高的能量和能效；張勇等［8］對光伏制氫儲能系統(tǒng)中的制氫裝置和儲能電池進(jìn)行分散式協(xié)同控制，調(diào)節(jié)制氫裝置的能量轉(zhuǎn)換效率，從而提高系統(tǒng)光伏利用率；張順星等［9］對直接耦合的光伏電解水制氫系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，通過匹配電解槽工作狀態(tài)與光伏陣列最大功率點(diǎn)，能量效率可達(dá)82%；瞿小廣等［10］設(shè)計(jì)一種太陽能制氫-金屬儲氫-燃料電池供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)穩(wěn)定供電的最大功率為2 kW，能實(shí)現(xiàn)海島能量的自給自足。

利用太陽能進(jìn)行電解水制氫與儲氫受氣候條件影響較大，中國西部地區(qū)太陽能資源較豐富，本文以西部地區(qū)典型的銀川與哈密城市的實(shí)際氣候條件為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套太陽能和電網(wǎng)聯(lián)合供電的太陽能電解水制氫與儲氫系統(tǒng)，并與北京的氣候條件進(jìn)行對比研究，分析了系統(tǒng)中的光伏組件最佳傾斜角、表面溫度、光伏組件中產(chǎn)生的電能以及電解槽產(chǎn)生的氫氣量和電解槽的效率等關(guān)鍵性能參數(shù)，以期為中國不同氣候區(qū)域下的太陽能制氫與儲氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

1 系統(tǒng)描述

如圖1所示，太陽能電解水制氫儲氫系統(tǒng)利用光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，電能在電解槽中電解水產(chǎn)生氫氣，氫氣被儲存到儲氫罐中，實(shí)現(xiàn)太陽能制氫與儲氫。

系統(tǒng)主要分為3個模塊，第1個是光伏發(fā)電模塊：光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，如太陽能無法滿足制氫電力需求，則從電網(wǎng)直接取電，如太陽能供電過剩，則將剩余電力儲存到電網(wǎng)中；第2個是電解制氫模塊：來自光伏組件或電網(wǎng)的電能在電解槽中通過電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，氫氣被儲存到儲氫罐中；第3個是控制模塊：銜接第1模塊的電能和第2模塊的氫能，為電解槽的運(yùn)行提供控制功能。上述系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)太陽能電解水的制氫與儲氫。

2 模型建立

TRNSYS［11］是一款由若干部件組成的瞬態(tài)仿真模擬系統(tǒng)軟件，具有模塊化、可拓展性等特點(diǎn)，其內(nèi)部的每個部件都具有自己特定的功能，部件與部件之間相互作用、連接形成一個整體，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模擬分析。

本研究在TRNSYS軟件中搭建了上述太陽能制氫與儲氫系統(tǒng)模型，如圖2所示，系統(tǒng)包括天氣文件、光伏組件、電解控制器、功率調(diào)節(jié)器、電解槽、儲氫罐、優(yōu)化程序，以及積分器、計(jì)算器、打印機(jī)和繪圖儀等附屬部件。

2.1 氣候參數(shù)

本文選取北京、銀川與哈密3座城市作為研究對象，逐時氣候參數(shù)從Meteonorm軟件［12］中獲取。3座城市緯度接近，但經(jīng)度相差較大，氣候各不相同。

2.2 光伏組件

本系統(tǒng)光伏組技術(shù)參數(shù)如表1所示。

光伏組件上的能量轉(zhuǎn)化公式為：

[Erad=Eel+Eloss]"" （1）

[Erad=A?τα?GT]"""" （2）

[Eel=A?ηc?GT]"""""" （3）

["Eloss=A?UL（TC-TA）]" （4）

式中：[Erad]——太陽能，J；[Eel]——電能，J；[Eloss]——損失能量，J；[A]——光伏組件面積，m2；[τα]——光伏組件透射率和吸收率的和；[GT]——單位面積光伏組件傾斜表面的總輻射量，J/m2；[ηc]——光伏組件的電效率；[UL]—— 一般熱損失系數(shù)，J/（m2·K）；[TC]——光伏組件溫度，K；[TA]——環(huán)境空氣溫度［13］，K。

將式（2）～式（4）代入式（1）得：

[τα?GT=ηc?GT+UL（TC-TA）] （5）

計(jì)算光伏組件表面溫度的一種方法是確定標(biāo)稱工作單元溫度（nominal operating cell temperature，NOCT）。NOCT通常用于評估光伏模塊溫度，指光伏組件開路狀態(tài)下、風(fēng)速1 m/s、太陽輻照度800 W/m2、環(huán)境溫度20 ℃時的光伏組件溫度［14］。本研究借助標(biāo)準(zhǔn)NOCT的數(shù)據(jù)，確定光伏組件透射率和吸收率的積與組件熱損耗系數(shù)之比：

[ταUL=TC，NOCT-TA，NOCTGT，NOCT]"" （6）

假設(shè)該比值恒定，則任何時間段的光伏組件表面溫度均可用式（7）計(jì)算：

[TC=TA+1-ηcτα?GTULτα]""" （7）

2.3 光伏組件最佳傾斜角

優(yōu)化程序用于獲取最優(yōu)值，包含粒子群優(yōu)化、Hooke-Jeeves和Fibonacci等算法。組件TRNOPT是TRNSYS和GenOpt之間的接口。本研究將太陽輻射傾斜角在GenOpt［15］中迭代調(diào)用，求得光伏組件產(chǎn)生電能的最大值，從而確定光伏組件的最佳傾斜角度，最大限度獲取太陽能［13］。

設(shè)定初始太陽輻射傾斜角為45°，在20°～70°范圍內(nèi)優(yōu)化結(jié)果如表2所示。從表2可知，3座城市的最佳光伏組件傾斜角基本位于36°～42°。

2.4 電解槽運(yùn)行控制邏輯

由于該系統(tǒng)中電解槽是在可變功率模式下運(yùn)行，因此通過設(shè)計(jì)一個控制單元來控制電解槽的運(yùn)行狀態(tài)。控制單元包括電解控制器和功率調(diào)節(jié)器。表3為該系統(tǒng)中電解控制器的技術(shù)參數(shù)，其功能受到儲氫罐容量的影響。

電解槽運(yùn)行狀態(tài)有兩種：正常運(yùn)行和最小空轉(zhuǎn)功率點(diǎn)運(yùn)行，控制過程如圖3所示。如果光伏組件產(chǎn)生的可用功率[PPV]小于電解槽的最小空轉(zhuǎn)功率[PIDLE]，則從電網(wǎng)中提取額外的功率作為補(bǔ)充，電解槽被設(shè)置為最小空轉(zhuǎn)功率點(diǎn)運(yùn)行；當(dāng)[PPV]大于等于最小空轉(zhuǎn)功率[PIDLE]時，則電解槽運(yùn)行狀態(tài)取決于氫氣儲存罐的儲存狀態(tài)（state of charge，SOC）：如果儲罐的SOC小于最高設(shè)定值[SUP]，則電解槽處于正常運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)SOC大于等于[SUP]時，電解槽處于最小空轉(zhuǎn)功率點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)，此時儲罐中氫氣不斷消耗，直至SOC低于最低設(shè)定值[SLOW]時，其處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

即只有當(dāng)[PPV]和SOC都滿足控制要求時，電解槽才處于正常運(yùn)行狀態(tài)，電解槽功率[Pe]等于[PPV]，否則處于最小空轉(zhuǎn)功率點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)，[Pe]等于[PIDLE]。

2.5 電解槽

該系統(tǒng)采用堿性電解槽［13］，1度電可產(chǎn)0.228 m3氫氣。電解系統(tǒng)的工作電壓設(shè)置為熱中性電壓[Utn]（V），單個電解槽電壓為[Ucell]（V），則電解槽效率[ηe]為：

[ηe=UtnUcell]""""" （8）

2.6 儲氫罐

儲氫罐具有臨時緩沖的作用，能夠延長用氫裝置的運(yùn)行時間，提高氫氣的利用率，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表4。

氫氣儲存罐的“可用容量”（即SOC）被假定為在0%～100%的范圍內(nèi)。本研究設(shè)定SOC初始值為0.85、儲氫罐的供氫速率為1.5 m3/h。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 年周期分析

在TRNSYS軟件模擬的太陽能產(chǎn)氫儲氫系統(tǒng)中，首先對年時間周期（0～8760 h）的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖4為北京、銀川和哈密3座城市光伏組件上的太陽能總輻射量，可看出：

1）3座城市的太陽能總輻射量變化趨勢基本相同，均表現(xiàn)為先升高，中間平穩(wěn)波動，后降低的趨勢。3—9月份的太陽能總輻射量相比于其他月份來說偏高，符合3座城市夏季高溫、冬季寒冷的氣候特點(diǎn)。其中5月份太陽能總輻射量均達(dá)到最高值，12月達(dá)到最低值。

2）北京、銀川和哈密的年太陽能總輻射量分別為5690、7054、7692 MJ/m2。

圖5是北京、銀川和哈密3座城市光伏組件產(chǎn)生的電能圖。

1）光伏組件產(chǎn)生的電能與照射到光伏組件上的太陽能總輻射量趨勢相同。

2）北京光伏組件產(chǎn)生的電能最高值在3月為3885.8 kW，最低值在11月，為2613.1 kWh；銀川最高值在3月，為4250.8 kWh，最低值在9月，為3718.4 kWh；哈密最高值在3月，為4664.4 kWh，最低值在12月，為3374.8 kWh。

圖6是系統(tǒng)總的產(chǎn)氫量。雖然3座城市每月光伏組件產(chǎn)生的總電能差異較大，但太陽能不足時該系統(tǒng)將通過電網(wǎng)取電予以補(bǔ)足。電解槽產(chǎn)生的總氫氣量實(shí)際取決于供氫速率1.5 m3/h，所以相差并不大，每月產(chǎn)氫量基本在1100 m3上下波動。其中，北京的波動較大，原因是北京儲氫罐的SOC多在月初（月末）達(dá)到[SLOW]或[SUP]，包含SOC上升段（0.7～0.9）的月份產(chǎn)氫多，包含SOC下降段（0.9～0.7）的月份產(chǎn)氫少。3座城市的年產(chǎn)氫氣量也大致相同，北京為13151.5 m3，銀川為13124.1 m3，哈密為13144.7 m3，但電網(wǎng)耗電不同，分別為19236.1、10659.2、7090.1 kWh。

定義太陽能制氫效益[B]為光伏組件產(chǎn)生的總電能[EPV]（J）與電解槽消耗的總電能[Ee]（J）之比為：

[B=EPVEe]""" （9）

相應(yīng)地，北京、銀川和哈密的太陽能制氫效益分別為66.58%、81.57%和87.73%。

3.2 典型月分析

根據(jù)圖4和圖5，考慮到照射到光伏組件上的太陽能總輻射量和光伏組件產(chǎn)生的電能量，本文選擇5月（2880～3624 h）作為代表月份進(jìn)行典型月時間周期分析。

圖7是3座城市5月每日氫氣儲存罐的SOC曲線。從圖7可看出，在第2880小時（第121天）之前，北京和哈密的儲氫罐SOC已達(dá)0.9，因此，5月初北京和哈密的電解槽都處于最小空轉(zhuǎn)功率點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)，電解槽產(chǎn)氫速率最小且小于耗氫速率，SOC不斷下降，直至低于0.7后才逐漸上升；而5月初銀川SOC先波動性上升至0.9后又逐漸下降。3座城市的SOC被控制在0.7（[SLOW]）與0.9（[SUP]）之間。

圖8是5月每日電解槽產(chǎn)生的氫氣量，由圖8可知電解槽每天產(chǎn)生的氫氣總量多日最低為27.4 m3，即當(dāng)日每小時氫氣產(chǎn)量都為最低值。

限制電解槽正常運(yùn)行的因素有光伏組件產(chǎn)生的電能和儲氫罐的儲存狀態(tài)。5月為3座城市光伏組件太陽能總輻照度較多的月份，不會因光伏組件產(chǎn)生電能不足導(dǎo)致電解槽每小時都處于最小功率點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)。而SOC下降段與日產(chǎn)氫量最低段時間吻合，可得出結(jié)論：多日氫氣產(chǎn)量都為最低值的主要原因是儲存罐的容量有限。

3.3 典型日分析

在2880～3624 h的模擬周期內(nèi)，選擇3座城市太陽能總輻射量和光伏組件產(chǎn)生電能都較為豐富的3096～3120 h（第130天）作為典型日時間的模擬對象。

電解槽效率[ηe]是熱中性電壓[Utn]和單個電解槽電壓為[Ucell]的比值，該系統(tǒng)中[Utn]為1.478 V不變，因此[ηe]取決于[Ucell]。圖9和圖10分別為第130天的電解槽效率和產(chǎn)氫量，兩者呈現(xiàn)相反趨勢，原因是電解槽產(chǎn)生的氫氣量反映了電解槽的效率，當(dāng)電解槽處于最小功率點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)時，氫氣產(chǎn)量最低，電解槽功率為最小功率5000 W，[Ucell]為1.656 V，電解槽效率為89.26%。電解槽功率越大，單個電解槽電壓越大，則電解槽效率越低。

圖11是模擬期內(nèi)3座城市的環(huán)境溫度和光伏組件表面溫度，由于氣候差異，北京的環(huán)境溫度最高，哈密最低，光伏組件表面溫度在無輻射時與環(huán)境溫度相同，光照時一部分太陽能轉(zhuǎn)化為熱能使光伏組件表面溫度升高。

4 結(jié) 論

本文采用TRNSYS和GenOpt軟件對小型家用太陽能電解水產(chǎn)氫儲氫系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，研究中國不同位置3座城市（北京、銀川、哈密）在不同時間模擬周期內(nèi)的太陽能總輻射量、光伏組件產(chǎn)生的電能、產(chǎn)氫量和制氫效益，分析得到以下主要結(jié)論：

1）太陽能年總輻射量變化趨勢總體呈拋物線狀，符合3座城市的氣候特點(diǎn)。北京、銀川、哈密的年太陽能總輻射量分別為5690、7054、7692 MJ/m2。北京、銀川、哈密的光伏組件最佳傾斜角分別為36.56°、37.81°、41.87°，產(chǎn)電量最高均為3月份。

2）基于相同的氫氣儲存和消耗容量，北京、銀川、哈密年度制氫量大致相同，分別為13151.5、13124.1、13144.7 m3。由于哈密太陽能輻射量大，消耗電網(wǎng)電力最少，相應(yīng)的制氫效益最高為87.73%，北京最低，為66.58%。

［參考文獻(xiàn)］

［1］"nbsp;"" DINCER I， ROSEN M. Thermal energy storage systems and applications［M］. 3rd ed. United States： Wiley， 2002：1-58.

［2］"""" 國務(wù)院. 我國今年將制定2030年前碳排放達(dá)峰行動方案［EB/OL］. http：//www.gov.cn/zhengce/2021-03/06/content_5590830.htm.

The State Council. This year China will formulate an action plan for peaking Carbon emissions by 2030 ［EB/OL］. http：//www.gov.cn/zhengce/2021-03/06/content_5590830.htm.

［3］"nbsp;"" ABE J O， POPOOLA A P I， AJENIFUJA E， et al. Hydrogen energy， economy and storage： review and recommendation［J］."" International"" journal"" of"" hydrogen energy， 2019， 44（29）： 15072-15086.

［4］"""" 王澤. 太陽能作為新能源的應(yīng)用前景［J］. 皮革制作與環(huán)?？萍?， 2021， 2（20）： 30-31.

WANG Z. The application prospect of solar energy as new energy［J］.""" Leather""" manufacture""" and""" environmental technology， 2021， 2（20）： 30-31.

［5］"""" RATLAMWALA T A H， GADALLA M A， DINCER I. Performance assessment of an integrated PV/T and triple effect cooling system for hydrogen and cooling production［J］. International journal of hydrogen energy， 2011， 36（17）： 11282-11291.

［6］"""" AHMADI P， DINCER I， ROSEN M A. Transient thermal performance assessment of a hybrid solar-fuel cell system in Toronto， Canada［J］. International journal of hydrogen energy， 2015， 40（24）： 7846-7854.

［7］"""" OZDEN E， TARI I. Energy-exergy and economic analyses of a hybrid solar-hydrogen renewable energy system in Ankara， Turkey［J］. Applied thermal engineering， 2016， 99： 169-178.

［8］"""" 張勇， 彭勇剛， 韋巍. 計(jì)及制氫效率的光-儲-氫系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略研究［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2021， 42（11）： 67-75.

ZHANG Y， PENG Y G， WEI W. Coordination control for PV， storage and hydrogen system considering hydrogen energy conversion efficiency［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（11）： 67-75.

［9］"""" 張順星， 苑易偉， 胡平， 等. 光伏-PEM直接耦合電解水制氫系統(tǒng)研究［J］. 工業(yè)儀表與自動化裝置， 2022（3）： 49-52.

ZHANG S X， YUAN Y W， HU P， et al. Research on photovoltaic-PEM""" electrolytic""" water""" hydrogen"" direct coupling"""" system［J］."""" Industrial"""" instrumentation""" amp; automation， 2022（3）： 49-52.

［10］""" 瞿小廣， 陳波， 楊興林， 等. 光伏-氫燃料電池集成供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)械制造與自動化， 2022， 51（4）： 184-187.

QU X G， CHEN B， YANG X L， et al. Design of integrated power supply system for photovoltaics-hydrogen fuel cells［J］. Machine building amp; automation， 2022， 51（4）： 184-187.

［11］""" KLEIN S，BECKMAN W，MITCHELL J，et al. TRNSYS 16：a transient system simulation program，user manual［M］. Madison： solar Energy Laboratory， University of Wisconsin， 2004： 1-5.

［12］""" REMUND J，MULLER S，SCHMUTZ M，et al.Meteonorm 8： handbook part I： software［M］. Switzerland： Meteotest AG， 2020：1-43.

［13］""" KARACAVUS B，AYDIN K.Hydrogen production and storage"" analysis"" of"" a"" system"" by"" using"" TRNSYS［J］. International journal of hydrogen energy， 2020， 45（60）： 34608-34619.

［14］""" DUFFIE J A， BECKMAN W A，BLAIR N. Solar engineering of thermal processes， photovoltaics and wind［M］. 5th ed. United States： Wiley， 2020： 462-491.

［15］""" WETTER M. GenOpt generic optimization program， user manual， version 3.1.0.［M］. Berkeley： Simulation Research Group， Lawrence Berkeley National Laboratory， 2016： 6-10.

SIMULATION STUDY OF HYDROGEN PRODUCTION AND STORAGE SYSTEM BY SOLAR PHOTOVOLTAIC ELECTROLYSIS WATER IN

DIFFERENT REGIONS

Feng Lei1，Lu Jiatong2，Xu Hongtao2，Wang Ke2，Yang Chenbin2

（1. Jiangxi Nuclear Power Co. Ltd.， Jiujiang 332000， China；

2. Department of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：An electrolytic water hydrogen production and storage system by combined solar energy with power grid was designed for household application in this paper. Based on different climate conditions of Beijing， Yinchuan and Hami， the dynamic performance of this system was analyzed by the software of TRNSYS and GenOpt. The results indicate that the optimal tilt angles of PV modules for three cities of Beijing， Yinchuan and Hami are 36.56°， 37.81° and 41.87°， respectively. The total power generated from PV modules are" 38329.2， 47169.8 and 50701.2 kWh/year， respectively. Based on the same hydrogen supply rate and hydrogen storage tank capacity， the annual hydrogen generation in the three cities" is roughly the same， 13151.5 m3 in Beijing， 13124.1 m3 in Yinchuan， and 13144.7 m3 in Hami. Hami takes the least amount of electricity from the power grid， resulting in a highest hydrogen production benefit of 87.73%. Yinchuan is 85.57%， and Beijing has the lowest benefit of 66.58%.

Keywords：solar energy； hydrogen production； hydrogen storage； PV modules