中國能源建設(shè)集團科技發(fā)展有限公司 蔣星堅

1 引言

在當今社會，能源安全、環(huán)境污染和氣候變化等問題已成為全球性挑戰(zhàn)。在這一背景下，可再生能源的開發(fā)和利用成為解決方案的重要組成部分。風(fēng)光儲氫一體化系統(tǒng)作為一種創(chuàng)新的能源轉(zhuǎn)化和儲存方式，具有顯著的潛力，不僅能夠滿足能源需求，還能降低對傳統(tǒng)能源的依賴，減少對環(huán)境的負面影響?；诖耍狙芯客ㄟ^深入探討風(fēng)光儲氫一體化可再生系統(tǒng)的設(shè)計，旨在為發(fā)展更為可持續(xù)的能源系統(tǒng)提供新的思路和方向。

2 風(fēng)光儲氫一體化可再生系統(tǒng)建設(shè)背景

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和全球氣候的變化，石油等不可再生能源利用的降低，使低碳綠色新能源迎來了重要發(fā)展時期。目前，我國風(fēng)電、光伏和氫能等清潔能源發(fā)展不斷提速，在能源市場的占比也越來越大。在新能源市場中，風(fēng)能、太陽能作為一種取材方便、經(jīng)濟實惠的清潔資源，一直備受電力單位的關(guān)注，風(fēng)光儲氫發(fā)電技術(shù)也逐漸發(fā)展起來[1]。當前，我國在全力發(fā)展風(fēng)光儲氫發(fā)電技術(shù)的進程中，隨著氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展成熟，風(fēng)、光等可再生能源與氫能、儲能融合發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)將不斷涌現(xiàn)，推動風(fēng)、光、儲、氫“同行”時代到來。

不同于傳統(tǒng)的風(fēng)光新能源供電模式，本文所研究的系統(tǒng)，將電解水制氫氣作為風(fēng)、光等可再生資源發(fā)電的儲能單位，充分利用風(fēng)、光等資源的同時，降低對市電的依賴，儲氫模塊的增設(shè)進一步減小了風(fēng)電、光伏波動造成的不穩(wěn)定因素。此外，該系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用，符合國家對低碳生活的相關(guān)要求，響應(yīng)了國家低碳環(huán)保的要求，提高了企業(yè)的創(chuàng)新度和經(jīng)濟效益，保障了用戶的安全可靠用電。在風(fēng)光等可再生資源發(fā)電水平不斷提升的基礎(chǔ)上，研究如何減小電解水制氫的生產(chǎn)成本，提升發(fā)電企業(yè)整體利潤是未來發(fā)展的一個新方向。

3 風(fēng)光儲氫一體化可再生系統(tǒng)設(shè)計理論

3.1 太陽能發(fā)電技術(shù)

太陽能發(fā)電又稱光伏發(fā)電，主要通過光伏電池進行太陽能與電能的轉(zhuǎn)換，光伏電池采用串聯(lián)或并聯(lián)方式，以一定的角度在光伏支架上進行設(shè)計安裝，組成光伏陣列，盡可能地吸收太陽量，并將太陽量轉(zhuǎn)化為直流電，經(jīng)匯流箱后進入逆變器，在逆變器中逆變?yōu)榻涣麟姾?，輸送到主電網(wǎng)中。但受晝夜光照影響，存在光伏出力不穩(wěn)定、發(fā)電有間歇性現(xiàn)象。

3.2 風(fēng)能發(fā)電技術(shù)

與太陽能發(fā)電技術(shù)相似，風(fēng)能發(fā)電技術(shù)是另一種重要的可再生能源形式。風(fēng)能發(fā)電主要依賴風(fēng)力驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機，利用自然界風(fēng)能，先將其轉(zhuǎn)換為機械能，最終轉(zhuǎn)變成電能。風(fēng)力發(fā)電機通常安裝在高大的風(fēng)力發(fā)電塔上，以便更好地捕捉高空中的風(fēng)能。風(fēng)力發(fā)電的方式，風(fēng)能被有效地轉(zhuǎn)化為電力，從而為電力系統(tǒng)提供清潔能源。風(fēng)力資源取材較為方便，是一種可以長期反復(fù)利用的能源。然而，風(fēng)能與太陽能類似，受季節(jié)、氣候及地理位置等因素的影響，風(fēng)能發(fā)電也存在一定的波動性。風(fēng)速的變化導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機輸出電力的不穩(wěn)定性，影響整個電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，故需要根據(jù)風(fēng)力大小及刮風(fēng)時間對發(fā)電系統(tǒng)進行適當合理的控制。因此，在風(fēng)能發(fā)電技術(shù)中，如何應(yīng)對風(fēng)速波動、提高風(fēng)力發(fā)電機的效率以及解決發(fā)電的間歇性問題，成為需要深入研究和解決的關(guān)鍵問題。

3.3 風(fēng)光儲氫聯(lián)合發(fā)電技術(shù)

風(fēng)光儲氫聯(lián)合發(fā)電單元一般包括風(fēng)力發(fā)電模塊、光伏太陽能發(fā)電模塊及制氫儲能模塊等。首先，利用風(fēng)能、太陽能可以實現(xiàn)能源互補，充分利用等優(yōu)勢。在炎熱的夏季，太陽光輻射強導(dǎo)致光伏的發(fā)電出力較高，但風(fēng)力強度較弱導(dǎo)致風(fēng)電機組的出力小。相反，在嚴寒的冬季，太陽輻射弱導(dǎo)致光伏的發(fā)電出力較小，風(fēng)力強度較大導(dǎo)致風(fēng)電機組的發(fā)電出力大。從每日看，白天日照強、風(fēng)力較小，故光伏發(fā)電比風(fēng)機的發(fā)電出力多；而在晚上沒有日照、風(fēng)力較大，故夜晚只有風(fēng)機發(fā)電。在科學(xué)合理調(diào)配風(fēng)能、太陽能發(fā)電容量的前提下，可以很大程度上降低風(fēng)光綜合發(fā)電的波動性。其次，為克服光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，引入儲能手段可以解決這個問題。氫能作為一種清潔安全、靈活高效的二次能源，是一種綠色高效的能源儲存和流通載體，既可以形成獨立供應(yīng)和應(yīng)用體系，又能夠與電相互轉(zhuǎn)換、耦合發(fā)展，并能夠在電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)之間形成有效的協(xié)同互補，增強能源系統(tǒng)的安全性?？傊?，儲氫技術(shù)的應(yīng)用有助于解決風(fēng)能和太陽能發(fā)電的間歇性問題，使得系統(tǒng)能夠在需要時釋放儲存的能量，從而提高整體的能源利用效率。同時，儲氫技術(shù)也為系統(tǒng)提供了一種靈活的能量儲備手段，能夠應(yīng)對電力需求的波動性[2]。

4 風(fēng)光儲氫一體化可再生系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)設(shè)計

以風(fēng)光儲氫一體化為基礎(chǔ)理念，對光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、儲能、制氫等進行綜合調(diào)配，使各項資源得到充分利用，不斷優(yōu)化風(fēng)光儲氫的一體化生產(chǎn)和能源可再生利用方式，提升系統(tǒng)運行水平，其工作原理如圖1所示。

圖1 風(fēng)光儲氫一體化可再生系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)的主要特征為：在一體化可再生系統(tǒng)設(shè)計過程中，加入了儲能制氫模塊，基于對系統(tǒng)供電情況動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時判別風(fēng)光等可再生資源的發(fā)電條件，精準控制系統(tǒng)供電的優(yōu)先級，有效克服風(fēng)能、太陽能等發(fā)電過程中出現(xiàn)的波動性、間歇性等問題，保證可再生系統(tǒng)輸出功率的平穩(wěn)性，一定程度上降低了風(fēng)光等可再生能源供電不穩(wěn)定對整個電網(wǎng)運行造成影響。

由圖1可知，當外界風(fēng)力充足情況下并且風(fēng)機發(fā)電時，通過交直流轉(zhuǎn)換裝置后進行轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)UPS 逆變器后供給項目自身的局域電網(wǎng)中負載使用，剩余電量可以并入大配電網(wǎng)，也可以提供給制氫設(shè)備進行電解水制氫，將多余電量進行存儲。當外界太陽輻射充足情況下，通過屋頂光伏矩陣中的光伏電池，充分吸收太陽量，并將太陽量置換為直流電，經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換裝置后流入UPS 逆變器，供給項目自身的局域電網(wǎng)中負載使用，剩余電量途徑與風(fēng)力充足時供電流程一致，在風(fēng)力及光伏發(fā)電不給力時，儲能模塊會開始啟用，輸出的電能經(jīng)過交直流逆變器后，可以實現(xiàn)與電網(wǎng)的雙向互通，保證系統(tǒng)可以正常工作[3]。

制氫設(shè)備中的儲氫模塊可以由氫燃料電池充當。一般情況下，電解水制氫可以依據(jù)外界風(fēng)力及太陽能輻射發(fā)電的出力狀況動態(tài)進行相應(yīng)的調(diào)整。風(fēng)光發(fā)電出力變化率較高時，可以借助儲能及制氫設(shè)備起到一定的平衡效果。風(fēng)光發(fā)電出力滿足制氫設(shè)備電解水制氫最低負荷時，制氫設(shè)備的負荷跟隨風(fēng)光發(fā)電出力情況實時變動調(diào)節(jié)，利用儲能系統(tǒng)充放電完善電網(wǎng)削峰填谷的能力，保證輸出功率的穩(wěn)定性。風(fēng)光發(fā)電出力未滿足電解水制氫設(shè)備工作的最低負荷時，倘若殘存的氫氣能夠滿足自身合成氨的流程，則制氫系統(tǒng)繼續(xù)運行，否則，制氫系統(tǒng)暫停。

該風(fēng)光儲制氫系統(tǒng)的工作控制邏輯關(guān)系如圖2所示，主要有自動發(fā)電控制、綜合智能控制、自動電壓控制等，以生產(chǎn)儲能及輸出功率控制為重心，通過對風(fēng)電機組、光伏輸出功率的預(yù)估，聯(lián)合儲能模塊，實現(xiàn)功率穩(wěn)定輸出的目的。系統(tǒng)采用SCADA技術(shù)[4]，分析歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象資料對功率進行預(yù)測，根據(jù)負荷需求制定次日生產(chǎn)計劃，實時控制光伏、風(fēng)機、儲能設(shè)備的運行模式，保證系統(tǒng)功率曲線平滑穩(wěn)定。其中，綜合智能控制系統(tǒng)作為核心控制單元，可以全天24h 實時采集數(shù)據(jù)，動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)電量的分配狀態(tài)，根據(jù)外界風(fēng)力、太陽能、氫能等條件時刻控制不同供電模塊工作的優(yōu)先級順序，若發(fā)現(xiàn)異常情況，迅速上傳到通信網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過計算機處理，及時診斷出系統(tǒng)存在的潛在隱患并進行報警，為設(shè)備檢修提供有力支撐，有效保證后期系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

圖2 風(fēng)光儲氫一體化系統(tǒng)控制邏輯

該系統(tǒng)主要是實現(xiàn)對整個風(fēng)電等可再生資源發(fā)電輸出功率曲線的優(yōu)化，減少不穩(wěn)定因素對總電網(wǎng)運行所造成的不良影響。在儲氫制氫模塊的搭配使用下，可以充分提高配電網(wǎng)對風(fēng)能、太陽能的吸收和接納能力，配合能量存儲系統(tǒng)的科學(xué)調(diào)節(jié)負荷分布功能，進一步完善電網(wǎng)削峰填谷的能力，有效緩解風(fēng)能、太陽能由于氣候和天氣對發(fā)電系統(tǒng)造成的供電出力間歇性、不連續(xù)性，提升居民用電體驗。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用及相關(guān)配置

以小規(guī)模用電基站應(yīng)用場景為例，為充分利用風(fēng)能與太陽能資源提供電源給制氫設(shè)備進行電解水制氫。在滿足生產(chǎn)安全的前提下，結(jié)合投資成本、機組效率與使用情況等多種因素進行綜合衡量，可以在基站的廠房屋頂配置光伏太陽能發(fā)電裝置，并搭配相應(yīng)規(guī)格的制氫設(shè)備，常見系統(tǒng)應(yīng)用配置見表1[5]，倘若是0.3～0.6kW 的小規(guī)模用電基站，優(yōu)先使用風(fēng)力、太陽能光伏供電，配置的儲備氫能瓶一般為5～15個，數(shù)量相對較少；倘若是1.5～3kW 的功率較大的用電基站，對系統(tǒng)供電的安全可靠性要求較高，必須科學(xué)提高新能源系統(tǒng)儲氫單元、風(fēng)電控制器、太陽能光伏控制器以及儲氫瓶數(shù)量，以便更好地實現(xiàn)對基站供電。經(jīng)試驗，該系統(tǒng)每年生產(chǎn)的氫氣純度符合國家氫氣生產(chǎn)行業(yè)標準，滿足相關(guān)企業(yè)的使用要求，從根本上保證電能輸出的連續(xù)穩(wěn)定，具有較高的應(yīng)用價值。該系統(tǒng)新增了儲能制氫的環(huán)節(jié)，克服了傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電輸出電能不穩(wěn)定的缺點，保證發(fā)電系統(tǒng)功率輸出平穩(wěn)無沖擊，有效增強電力網(wǎng)絡(luò)運行的安全可靠性。

表1 常見系統(tǒng)應(yīng)用配置

5 結(jié)語

本文從風(fēng)光儲氫技術(shù)融合應(yīng)用背景入手，介紹了風(fēng)光儲氫一體化可再生系統(tǒng)的設(shè)計理論，設(shè)計了風(fēng)光儲氫一體化可再生系統(tǒng)，包含風(fēng)力充足情況下的風(fēng)機供電、太陽輻射充足情況下的光伏供電以及制氫模塊制氫等，根本上保證風(fēng)光儲氫發(fā)電設(shè)備的安全平穩(wěn)運行，為風(fēng)光儲氫發(fā)電一體化技術(shù)提供參考。本文的成果不僅有望推動可再生能源技術(shù)的發(fā)展，還為解決全球能源與環(huán)境問題提供了實際可行的方案。在未來的研究中，將繼續(xù)關(guān)注該領(lǐng)域的創(chuàng)新，并致力于進一步改進和優(yōu)化風(fēng)光儲氫一體化系統(tǒng)，以實現(xiàn)更為可持續(xù)的能源未來。