摘 要：以擁有燃氫汽車家庭的光伏-氫燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象，基于TRNSY軟件建立系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，以?？诘貐^(qū)三口之家的電力、熱水、氫需求為例，通過分析系統(tǒng)不同組件配置運行的可靠性及經(jīng)濟性對系統(tǒng)配置方案進行優(yōu)化設計。

基于該系統(tǒng)方案，分析系統(tǒng)典型周以及典型年運行特性。結果表明：光伏組件數(shù)量從90塊增至150塊，系統(tǒng)供電、供氫可靠性分別可提升2.33%、26.93%，用電成本最低為0.74 元/kWh，但能源利用率下降34.13%；配置105塊光伏組件和8個儲氫罐時，可滿足電力和熱水需求，供應氫氣需求的86.42%，用電成本為0.77 元/kWh，能源利用率為95.75%；系統(tǒng)在冬季由于輻照度低導致約20.24%的氫氣無法被供應；氫燃料電池夏季供熱占比高于80%，其全年供電、供熱占比分別為19.82%和57.65%。

關鍵詞：光伏；燃料電池；產(chǎn)氫；余熱利用；可靠性分析：經(jīng)濟性分析

中圖分類號：TK91 文獻標志碼：A

0 引 言

國家發(fā)展改革委發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035 年）》［1］指出氫能是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點方向，要探索“風光發(fā)電+氫儲能”一體化應用新模式，因地制宜布局氫燃料電池分布式熱電聯(lián)供設施，推動氫能分布式生產(chǎn)和就近利用，加強氫能安全管理制度和標準研究，建立健全氫能全產(chǎn)業(yè)安全標準規(guī)范，提高安全管理能力。氫能作為儲能與熱電聯(lián)產(chǎn)的一部分，在新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮巨大作用，并且極大地降低碳排放、提高能源效率［2］。

有關氫燃料電池在電力系統(tǒng)中的應用已成為研究熱點。文獻［3］基于20 戶家庭設計了一個風能、光伏、氫燃料電池和儲氫組成的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，通過分析該系統(tǒng)的熱力和電力需求、經(jīng)濟性等評價標準優(yōu)化系統(tǒng)配置方案，結果表明配置75.2 kW 風電機組、16.79 kW 光伏、 39.7 kW 氫燃料電池的電力成本最低為0.71 元/kWh；文獻［4］提出一個包括28 m2 的光伏組件、3 kW 電解槽和2 kW 氫燃料電池的可再生能源系統(tǒng)，以天津地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)模擬系統(tǒng)發(fā)電和氫氣生產(chǎn)的性能，該系統(tǒng)產(chǎn)生的電能可滿足一個家庭全年約70% 的電力需求；文獻［5］對包括氫燃料電池和電解槽在內(nèi)的微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬，以熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)最低的平準化電力成本為目標，優(yōu)化氫燃料電池功率容量配置，結果表明使用1.8 kW氫燃料電池時電力成本最低為0.50 美元/kWh；文獻［6］研究了熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在日本不同家庭負荷的可行性，比較了熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)在住宅能源使用中的總成本和碳排放量，結果表明該熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)最多可降低小型家庭29% 的碳排放量；文獻［7］研究了基于氫燃料電池的可再生能源網(wǎng)絡的經(jīng)濟性與可行性，結果表明采用氫燃料電池、地源熱泵、光伏和蓄電池的組合系統(tǒng)的年度成本最低為1.72×107 韓元。

以上研究表明氫燃料電池與可再生能源組成熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有低碳環(huán)保、能源利用率高等特點，而可靠性是光伏等可再生能源的一項重要評估指標［8］。此外，經(jīng)濟性也是該系統(tǒng)應用中的重要考慮因素。因此，需通過綜合考慮熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的供電、供氫可靠性、能源利用率和經(jīng)濟性，對系統(tǒng)組件配置進行優(yōu)化。

中國燃氫汽車預計到2025 年以后將邁進10 萬輛級，2030 年有望突破百萬級［9］，燃氫汽車加氫在未來也將成為研究重點。因此，本文提出一種考慮燃氫汽車家庭的光伏-氫燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)完全滿足家庭電力需求及熱水需求，并且可以給燃氫汽車供應氫氣。以光伏資源豐富的海口地區(qū)為例，基于三口之家的電力、熱水、氫氣需求，分析該系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟性及運行特性。通過分析系統(tǒng)供電可靠性、供氫可靠性、經(jīng)濟性以及可再生能源利用率優(yōu)化系統(tǒng)配置方案，并分析系統(tǒng)在夏季和冬季的運行特性以及全年供電供熱性能。

1 光伏-氫燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)模型與控制策略

光伏-氫燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)如圖1 所示，該系統(tǒng)可為住宅同時供應電力和熱水?；旌想娫床糠钟晒夥淙剂想姵?、蓄電池組成。熱回收系統(tǒng)由氫燃料電池內(nèi)部冷卻裝置和外部儲熱水箱組成。熱回收系統(tǒng)與混合動力系統(tǒng)集成，形成熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

首先，利用光伏產(chǎn)生的電能供應家庭用電，多余的電能儲存于蓄電池中，剩余的電能用于電解槽制氫。氫氣儲存于儲氫罐中，供應給氫燃料電池及燃氫汽車使用，夜間光伏供電不足時使用蓄電池或氫燃料電池供電。氫燃料電池系統(tǒng)通過安裝在雙極板中的冷卻回路將來自內(nèi)部熱交換器的熱量通過冷卻劑流經(jīng)水箱中的盤管被冷卻后返回雙極板，完成廢熱回收，水箱中的水被加熱后供應家庭熱水需求。白天家庭熱水需求主要由光伏發(fā)電或蓄電池加熱獲取，夜間主要通過運行氫燃料電池供熱，若氫氣不足則使用蓄電池供熱。

圖2 為利用TRNSYS 軟件建立的光伏-氫燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)的控制策略流程如圖3 所示，其中，Tcoolant、Ttank 分別為氫燃料電池冷卻劑溫度、儲熱水箱溫度。當光伏系統(tǒng)發(fā)電量大于家庭用電力負荷時，由光伏系統(tǒng)直接供電，多余電量給蓄電池充電及電解槽制氫，當蓄電池和儲氫罐都充滿時，剩余電量為過剩電量Pexc （t），計算式為：

式中：Pexc （t）——儲氫罐充滿所需的電量，Wh；PPV——光伏組件輸出功率，W；Pload （t）——t 時刻電力負荷，Wh；SBTY——在第t 小時的充電狀態(tài)；ηBC——充電效率；PB_rated——電池組額定容量，kWh。

光伏發(fā)電不足時，使用蓄電池放電滿足電力負荷，當蓄電池放電到最小狀態(tài)時，剩余未被滿足電力負荷視為未滿足電力負荷Ploss （t），計算式為：

當儲氫罐氫量狀態(tài)SH 低于0.1 后不再釋放氫氣，剩余未滿足氫氣負荷視為未滿足氫氣負荷Hloss （t），計算式如式（3）所示。燃氫汽車未被滿足的氫氣負荷從加氫站補充。

Hloss （t）=HL （t）-（SH （t）-0.1）·Qrated （3）

式中：HL （t）——t 時刻儲氫罐輸出氫量，kg；SH （t）——儲氫罐t 時刻的容量狀態(tài)；Qrated——儲氫罐額定容量，kg。

夜間20：00—22：00 供應熱水時，若氫氣充足則啟動氫燃料電池，當其冷卻劑溫度低于70 ℃時，將開啟電加熱；當冷卻劑溫度高于70 ℃時，將通過儲熱水箱內(nèi)部加熱水，儲熱水箱溫度高于60 ℃時，將混合自來水冷卻。儲熱水箱溫度低于50 ℃且氫燃料電池未啟動時，開啟電加熱，加熱至50 ℃關閉。

1.2 電力及熱水需求

本文以?？跉夂騾?shù)作為邊界條件，設計和優(yōu)化該系統(tǒng)組件配置方案。圖4 為?？诘貐^(qū)每月的輻照情況，5 月份的輻照度最高，全年月輻照度均高于100 kW/m2。

圖5 為普通三口之家各季節(jié)24 h 的用電負荷與熱水需求情況［10］，每天早晨08：00—9：00、中午12：00—13：00、夜間20：00—22：00 均有熱水需求，每天熱水需求量為43 kg。用電負荷考慮了空調(diào)系統(tǒng)在夏季中午及夜間工作，因此夏季用電量相對較高，每天耗電7.62 kWh，其他季節(jié)每天耗電4.77 kWh。

1.3 燃氫汽車用氫需求

本文中燃氫汽車為氫燃料電池汽車，其每百千米耗氫約1 kg［11］，以工作日通勤路程為100 km 和周末的用車路程為50 km 為例，家庭用氫負荷如表1 所示。

2 系統(tǒng)組件性能參數(shù)

2.1 光伏組件

光伏組件的輸出功率［12］為：

PPV =ηPV·[1-β·（TPV -TSTC ）]·GT AmNPV （4）

式中：ηPV——光伏組件參考效率，%；β——溫度系數(shù)，%/℃；TPV——光伏組件溫度，℃；TSTC——標準測試時光伏組件溫度，℃；GT——入射輻射輻照度，W/m2；Am——光伏組件面積，m2/塊；NPV——光伏組件數(shù)量，塊。

2.2 逆變器和電解槽

逆變器可將直流電轉換為交流電，以滿足交流負載需求，其功率［13］為：

Pconv （t）= PL （t）／ηconv（5）

式中：Pconv （t）——第t 小時通過逆變器滿足負載需求的功率，kW；PL （t）——第t 小時的負載需求功率，kW；ηconv——逆變器效率，取95%。

電解槽是通過消耗電能將水分解成氫氣和氧氣的裝置。該模擬中選取的堿性電解槽額定功率為7 kW。其制氫量［14］為：

VH （t）=（ PAEC （t）·3600／ QH /MH）ηAEC （6）

式中：VH （t）——制氫速率，g/h；PAEC （t）——輸入電解槽功率，kW；QH——氫的熱值，QH=241 kJ/mol；MH——氫的摩爾質量，MH=2 g/mol；ηAEC——電解槽效率。

2.3 氫燃料電池

氫燃料電池系統(tǒng)是通過氫的氧化產(chǎn)生熱能和電能供應系統(tǒng)，本文中使用的氫燃料電池為質子交換膜燃料電池（protonexchange membrane fuel cell，PEMFC），其具有低溫運行和快速啟動的特點，因此適用于住宅建筑。其內(nèi)部反應過程為：

陽極：H2→2H+ +2e- （7）

陰極：2H+ +2e- +0.5O2→H2O+Q （8）

全反應：H2 +0.5O2→H2O+Q +W （9）

PEMFC 模型的能源效率為90%，其中熱效率為50%、電效率為40%，額定功率為1 kW，工作溫度為70 ℃。每日20：00—22：00 氫氣充足時，啟用氫燃料電池供電供熱。PEMFC 模型電池電壓［15］為：

式中：U—— 氫燃料電池電壓，V；EREV—— 可逆電壓，V；T——工作溫度，℃；Uact——活化損失電壓，V；Uohmic——歐姆損失電壓，V；pH—— 氫氣分壓，Pa；pO—— 氧氣分壓，Pa；αi——陰極或陽極的轉移系數(shù)；ii——轉移電流密度，A/cm2；n—— 反應中涉及的等價物數(shù)目，陽極為2，陰極為4；Ωtotal——流場板、多孔電極和膜的總電阻，Ω；I——燃料電池電流密度，A/cm2。

發(fā)熱量［16］為：

QFC =nc （Utm -U ）I （14）

式中：nc——燃料電池串聯(lián)數(shù)量，個；Utm——中性點溫度電壓，Utm=1.48 V。

為簡化分析，對氫燃料電池內(nèi)部冷卻裝置和儲熱水箱組成的熱回收系統(tǒng)進行合理假設［17］：1）水冷系統(tǒng)排出的熱量可被吸收到儲熱系統(tǒng)中，而不會在傳熱過程中產(chǎn)生熱損失；2）在整個冷卻回路中，液體的壓力是恒定的；3）未發(fā)生冷卻劑比焓變化。

2.4 蓄電池和儲氫罐

當任何小時的光伏組件總發(fā)電量超過用電負荷時，電池將開始充電，充電狀態(tài)（state of charge， SOC）用SBTY 表示，計算式［18］為：

式中：PPV （t）——光伏組件在第t 小時的發(fā)電量，kWh。

當光伏發(fā)電產(chǎn)生的電量不足以滿足用電負荷時，電池將開始放電，放電狀態(tài)如式（16）所示。電池設有放電保護，當SBTY 低于0.1 時將不再放電［19］。本文中選取的蓄電池額定容量為4.8 kWh。

式中：ηBD——放電效率。

壓縮氣體儲氫方式技術成熟、成本較低、使用方便快捷，適用于制氫系統(tǒng)制氫量少且運輸距離短的場合［20］，與家用注氫場景十分契合，因此采用壓縮氣體儲氫罐進行儲氫。儲氫罐中的氫氣供應氫燃料電池以及燃氫汽車，儲氫罐SOC 的變化用SH 表示，如式（17）所示［21］。儲氫罐設有低壓保護，當SH=0.1 時將不再釋放氫氣。本文中選取的儲氫罐額定容量為1 kg，最大壓力為20 MPa。

式中：Qin （t）——t 時刻輸入儲氫罐的量，kg；Qrated——儲氫罐的額定容量，kg；LH （t）——t 時刻輸出儲氫罐的量，kg。

2.5 儲熱水箱

儲熱水箱內(nèi)采用浸沒式盤管作為熱交換器，與氫燃料電池的冷卻液進行換熱，其內(nèi)部帶有電加熱器，氫燃料電池熱量不足時開啟電加熱。其計算模型［10］如式（18）、式（19）所示。各組件參數(shù)見表2。使用電加熱時將水加熱至50 ℃即停止加熱，使用氫燃料電池換熱可將水加熱至60 ℃，若水箱溫度超過60 ℃，系統(tǒng)將混合自來水冷卻，避免溫度過高導致冷卻效果降低。

4.2 典型周運行特性分析

圖7 為系統(tǒng)按最優(yōu)配置方案在夏季和冬季典型周的運行狀況。從圖7a 可看出，夏季光伏發(fā)電量較高，白天可實現(xiàn)電量自給自足，并且補充蓄電池電量以及輸送電力給電解槽制氫，儲氫罐氫氣剩余量處于0.6～0.8 之間，較為充裕；夜間儲氫罐中的氫氣用于燃氫汽車加氫及氫燃料電池發(fā)電產(chǎn)熱，供電的同時給水箱中的水加熱，蓄電池滿足夜間電力需求。第三天某時刻蓄電池SBYT 突然下降，是由于該時刻光伏發(fā)電量較低，且氫燃料電池未運行，因此使用蓄電池供電。水箱內(nèi)溫度下降是由于供應熱水后補充冷水導致的。從圖7b 可看出，冬季輻照度低，白晝時間短，導致光伏發(fā)電量低且蓄電池夜間耗電量多，白天補充給蓄電池的電量多，因此用于制氫的電量減少，儲氫罐中氫氣剩余量總是低于0.4，導致燃氫汽車約20% 的氫氣需求供應不足。第二、三天由于氫氣充足，在晚上供應熱水期間使用氫燃料電池發(fā)電產(chǎn)熱，蓄電池夜間放電量比其他幾天減少約20%。相較于夏季，冬季由于日出時間更晚，在早晨和夜間上供應熱水期間需使用蓄電池加熱水，導致冬季夜間耗電量比夏季多約40%。

4.3 系統(tǒng)全年供電、供熱性能分析

圖8 為系統(tǒng)全年供電、供熱情況，可看出光伏供電比例全年較為穩(wěn)定，各月均在40%～50%。蓄電池供電比例隨著白晝時間變短逐漸增加，10—12 月份及1—2 月份蓄電池供電比例高于40%。氫燃料電池供電比例4—8 月份約25%，10—12 月份供電量較低。光伏供熱比例較穩(wěn)定，每月均在20%左右。蓄電池在4—8 月份幾乎不供熱，10—12 月份供熱比例高于60%。氫燃料電池的趨勢與蓄電池相反，氫燃料電池4—8 月份供熱比例約80%，10—12 月份供熱比例低于20%。總體而言，光伏供電、供熱情況較為穩(wěn)定，全年供電、供熱占比分別為42.90% 和15.97%，因為光伏只有白天供電、供熱，夜間需要蓄電池及氫燃料電池供電、供熱。蓄電池全年供電、供熱占比分別為37.28% 和26.38%。氫燃料電池全年供電、供熱占比分別為19.82% 和57.65%，其供電能力一般，供熱能力優(yōu)秀。

5 結 論

本文基于TRNSYS 軟件建立考慮燃氫汽車家庭的光伏-氫燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，以?？跉庀髷?shù)據(jù)為例，基于三口之家的電力、熱水、氫氣需求，通過分析LP、LH、ηRE 和CE 優(yōu)化了系統(tǒng)配置方案，并分析系統(tǒng)典型周運行特性，最后對該系統(tǒng)全年供電、供熱性能進行分析。主要得到如下結論：

1）光伏組件數(shù)量從90 塊增至150 塊，對LP 和ηRE 影響較大，LP 和ηRE 分別降低26.93%、34.13%，CE 最低為0.74 元/kWh，儲氫罐數(shù)量從5 個增至10 個，對LH 影響最大，LH 最多降低7.75%，綜合分析得出105 塊光伏組件、8 個儲氫罐可完全滿足電力和熱水需求，CE 為0.77 元/ kWh，能源利用率為95.75%。

2）夏季輻照度充足，系統(tǒng)可滿足電力、熱水、氫氣需求。冬季輻照度低且光照時間短，會出現(xiàn)燃氫汽車供氫不足的情況，約20.24% 的氫氣無法被供應。光伏由于只有白天供電、供熱，其各月供電、供熱占比相近，全年供電占比為42.90%，供熱占比為15.97%。氫燃料電池的供熱能力比蓄電池更強，全年供熱占比為57.65%，比蓄電池高31.1%。

3）當前系統(tǒng)CE 比當?shù)鼐用裼秒姵杀?.62 元/kWh 高24.19%，未來隨著科技的進步，光伏組件、氫燃料電池等部件效率提升、成本降低，氫能利用的安全問題得到解決，CE 有望達到居民用電水平，小型家庭熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)將有良好的發(fā)展前景。

本文研究對類似?？跉夂驐l件的城市小型家庭熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)設計具有一定的適用性。

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