【《风光互补发电制氢储能系统概述》6400字】

风光互补发电制氢储能系统概述目录TOC\o"1-3"\h\u27193风光互补发电制氢储能系统概述 143421.1系统的基本组成及优点 1172671.2风力发电部分 3187641.1.1风力机的分类 3275241.1.2风力发电的基本原理 316681.1.3风力机的工作特性 565881.3光伏发电部分 6143051.3.1光伏电池分类 622341.3.2光伏发电的基本原理 7154271.4控制器 7306181.5逆变器 8110511.6电解水制氢装置 8269811.6.1电解水制氢的分类 8181491.6.2碱性电解槽电解水制氢过程 9156311.6.3碱性电解槽制氢原理 9268781.7氢气的储存 111.1系统的基本组成及优点风光互补发电制氢储能系统由风力发电设备、光伏电池、逆变器、电解水制氢设备、储氢设备、燃料电池、控制器和负载等组成。其中电解水制氢装置负责在光照总辐射量大、风能密度高的时候将风光联合发电系统富裕的电能去电解水制氢，是实现能量转换和利用的重要环节。系统组成如图2-1所示。图2-1风光互补发电制氢储能系统组成图Fig.2-1CompositionDiagramofhydrogenenergystoragesystemforwind-solarhybridpowergeneration风光互补发电制氢储能系统的应用范围和附带价值非常广泛，系统的优点如下：（1）随着风能和光伏转换装置的技术和制造工艺的不断提高，其转换效率越来越高。加上风能和太阳能的清洁和可再生性，它更符合现在和将来的绿色和可持续发展的概念。与单独的风光供电系统相比，避免了因分别输出时二者的高度随机性和易变性而造成的负载损坏问题。（2）在该系统中，由水电解产生的氢气的能量存储代替了常规的化学电池能量存储。一种是减少空间成本和能量存储的维护成本，另一种是制氢装置可以不间断地工作，并且所产生的氢被纯化和压缩后可实现大量存储，大大提高了风能和光能的利用率。第三，可以避免化学电池服役期到期后处理困难和环境污染的问题。（3）系统产生的氢气不仅可以为系统发电提供能量，还可以直接在电力制造和供应之外使用，为化学工和其他材料制造行业提供基础原材料，这相当于间接扩大了整体风光互补发电制氢储能系统的市场空间。（4）风光互补发电氢储能系统的开发建设会提高对光照条件、降雨和降雪、风速和风向、土壤条件等这些环境参数的监测需求，可带动这些相关学科的产业发展。1.2风力发电部分1.1.1风力机的分类风力机，也可称作“风车”，是自然界中以大气为媒介的将风能转换为机械能的初始设备[46]。风力发电机的结构特征和运行特征随着技术的不断发展在不停变换着中。常见的分类方法是根据风轮旋转轴的方向，有垂直轴式和水平轴式两种类型如图2-2所示。风轮的旋转轴与地面平行的是水平轴式风力发电机当风向和风速发生变化时该类型机型不能做出及时的调整，而且会损耗有用功率使风力机性能下降。相对而言其发电效率较低，但由于这种机型开发时间较久技术更加成熟，所以是风能市场中的常用机型。垂直轴风力涡轮机配备有启动装置，该启动装置对风速和风向具有良好的适应性。但是，它具有工作速度限制的问题。它需要添加复杂的限速装置，并且还需要克服技术问题。因此，这种类型的风力发电机具有局限性。目前，三叶片风力发电机是风电行业里应用最多的。图2-2水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机Fig.2-2HorizontalAxisWindTurbineandverticalaxiswindturbine1.1.2风力发电的基本原理风力机发电的原理是利用空气动力学将空气的动能转换为电能的过程，具体过程是：风以一定的速度和方向吹向叶片，在叶片两端的压力不同，使得叶片开始转动，然后通过驱动装置带动发电机工作。由流体力学可知，叶片产生的动能计算式为：E=（2-1）上式中，E——叶片产生的动能；ρ——空气密度（𝑘g/𝑚3）；S——叶片的面积（m2）;V——空气在叶片前的风速（m/s）。风力发电机的理想工作状态是忽略阻力影响；风轮由无数个叶片组成；假设风的方向与风轮叶片垂直，而且假设空气流动是均匀平行的；不考虑运转中的摩擦产生的热能和损耗；忽略风机叶片中间的轮毂。在理想状态下风力机的能量转换理论被称为贝茨理论，由贝茨在1926年提出[47]，该理论计算示意图如下图2-3所示：图2-3贝茨理论计算示意图Fig2-3Beziertheory设风轮前经过风轮的气体的截面积为S1，流过此处的风速为V1，实际经过风轮的面积为S，风速为V，风轮后经过风轮的截面积为S2根据流体能量不变可得：S（2-2）由欧拉定理可知，作用在风力机上的力为：F（2-3）风轮吸收的功率为：P（2-4）风能在单位时间内的变化量为：△（2-5）根据能量守恒定律，风能的变化量等于风力机动能的变化量：P（2-6）解得：V（2-7）带入后得：F（2-8）P（2-9）因为风速𝑣1是确定的，所以风轮吸收的功率𝑃是V2dP（2-10）令dPdV2=0时P最大，解得V代入上式可得最大输出功率：P（2-11）由上式可推导出风能的最大利用系数CpmaxC（2-12）上式即是贝茨极限，由此可见风力机对风能的最高利用水平为59%，一般在实际情况风力机的风能利用系数都会低于这个值。1.1.3风力机的工作特性当风力发电机正常工作系统启动时所需要的最小扭矩被称为扭动转矩。为了使风力机正常工作，必须有个最小的输入风速来达到扭动转矩的要求。现在市场上大多数风力发电机的启动速度为2至3m/s。这个刚进入叶片的风速被称为切入风速。当风速是在风力发电机的安全承受范围内时，切入风速越高，效果越好。当风速过高，超出了风力发电机的承受范围时，系统将打开减速调节功能以将风力发电机保持在安全的范围内。风力机正常工作和在额定功率下的风速分别是工作速度和额定风速。其中额定风速与风力发电机的性能联系最大，所以准确的设置额定风速根据风力机所处地区的风力资源，对风力机性能和输出功率的提高有很大的作用。由上一节的风力发电功率与风能利用系数和风能变化量的关系，可以得到风力发电机的发电功率为：P=12ρ——空气密度（𝑘g/𝑚3）；R——风轮半径（m）；V——空气速度（m/s）由上式可知当ρ、R、V一定时，风力发电机的输出功率只取决于Cpλ=2πRnν式中，n——风轮转速（r/min），ν——某时刻风速（m/s），𝜔——叶片转动角速度（rad/s）;νi——叶尖线速度（m/s）。叶尖风速比𝜆对C图2-4叶尖风速比和风能利用系数关系图Fig.2-4RelationshipbetweenbladetipwindspeedratioandWindEnergyUtilizationCoefficient1.3光伏发电部分1.3.1光伏电池分类根据导电率，在导体和绝缘体之间具有导电性的物体被称为半导体，它的电阻率会因外界因素的细微变化发生改变。利用本特征研制出了光伏电池。半导体材料是光伏电池阵列组件的最小单元，生活中所用光伏电池板，就是将一个个半导体进行串联和并联组​​成的。根据其组成材料，光伏电池可分为硒化电池、复合太阳能电池、有机半导体电池和硅太阳能电池等[49]。其中，硅太阳能电池是应用最广泛的，由于天然组成材料的不同，硅太阳能电池又能分为单晶硅、多晶硅和非晶硅三种[50]。单晶硅的转换效率是三者中最高的，约20%，也是市场中使用最广泛的。多晶硅太阳能电池的转换效率略低于单晶硅的，约15%，但是由于其生产价格相对便宜使得其销售市场更大。非晶硅太阳能电池的市场应用很少，因为它的效率和稳定性都较低。1.3.2光伏发电的基本原理光伏电池的基本工作原理与半导体中的PN结有关。当物体暴露在光线下时，物体中PN结两侧的空穴和电子的密度将发生变化，电荷分布的这种变化可以视为内部电场。这时PN结两端的电压会产生不同，这时的电压差叫做光生电压，这时随电压变化的电流被叫做光生电流[51]。当物体暴露在光线下时，半导体中的PN结将产生电子-空穴对。此时，P端和N端产生的载流子处于暂时未复合状态，空穴是在电子离开后形成的，两者形成了扩散运动[52]。N端有大量电子从P端流入，那么P端形成的空穴会越来越多，最后P、N两端的电子和空穴都会有剩余，它们会在结内形成另一个电场，该电场能消除势垒电场，最终P端和N端分别带上了正电和负电。最后，每一个PN结在P端和N端都会形成电动势，这种现象被称为光生伏特效应[53]。很多PN结在P端和N端合成后将产生电流，该电流从P端通过外部电路流向N端子。当PN结被光照射时，被吸收的光子的能量被转移到结内的电子质子系统，产生电荷载流子，这些载流子在连接处被分离[54]。PN结的电荷载流子产生电势梯度，在电场作用下加速，并作为电流在外部电路中循环。太阳能电池板或光伏阵列可以进行组合，通过若干个单元的串联和并联连接后来获得想要的电压和电流。1.4控制器控制器可以对系统前端发电部分和后端蓄能和耗电部分的不断变化做出调整，保持系统能够稳定的输出[55]。控制器有效采集风力机和光伏阵列充电的电流值、电压值、充电功率和发电量，以及负载的电压值、电流值、负载功率和输出电量，当接有蓄电池时，还能检测到蓄电池两端的电压值、电流值、获得功率和电量。因为本文储能系统采用制氢储能，所以无需考虑蓄电池的过充过放问题，而且储氢装置的容量一定满足风光互补发电系统最大输出电量时且全部用于电解水时的产氢量，因此一般情况下无需对电解槽两端的充电电量和功率进行控制，当负载需要供电量大于风光互补发电系统的实时发电量时，控制器会根据监测到的负载和储能设备的电流和电压信息对系统电能输出与否做出及时的调整。1.5逆变器逆变器是实现电力转换的通用电子装置。其原理是通过控制逆变器中半导体的集成电路的通断来实现对逆变器开关的控制，完成直流到交流的转换。该部件的主要功能是将燃料电池或直流母线输出的直流电转换为供负载使用的交流电。在电力系统中对逆变器转换效率的要求更高因为它对整个系统的效率影响很大。另外，即使前端风力和太阳能互补发电系统的输出电压波动很大，也要求逆变器正常工作，以确保交流输出电压的稳定性。逆变器需要具备抵抗一定的干扰、适应不同的环境和其他保护的能力。发生故障时，必须自动将逆变器与主网络断开连接。在选择逆变器时，其额定容量是非常关键的考虑参数。不管是单负载还是多负载同时运行，都必须把所有的功率需求考虑在逆变器容量选择的范围里[56]。逆变效率的高低对整体系统的效率至关重要。1.6电解水制氢装置电解水制氢的关键部件就是电解槽，因为它可以实现模块化运行，所以非常适合集中制氢，再将光伏、风能等可再生能源作为能量来源去电解水，不仅具有清洁可再生以及可与燃料电池相结合的优势，还能有效解决超大规模的能量存储问题。1.6.1电解水制氢的分类电解水制氢技术目前主要有：碱性电解（ALK）、质子交换膜（PEM）电解、高温固体氧化物（SOEC）电解三大类。碱性电解在电解水制氢技术中是最成熟的，目前已经实现规模化工业生产，可用来生产氨和精炼石油等。碱性电解池中的电极一般是金属合金，如RaneyNickel，Ni-Mo合金等，起分解水的作用，在纯水种加入碱性物质可以增强电解液的导电能力，中间用横隔膜分开，用于分离气体。碱性电解池的操作温度通常控制在70～80℃，压力为0.1～3MPa[57-58]，这种方式的优点是工艺过程简单，易于操作，另外不需要昂贵的催化剂，且寿命较长。其缺点是效率较低，欧姆损耗高，电流密度低。质子交换膜（PEM）电解槽结构是隔膜与分布两侧的由催化剂组成的多孔电极共同构成了膜电极组件（MEA）。PEM电解具有安全、清洁、高效的优点，相较于碱性电解，它的欧姆损耗小，电流密度和氢气纯度高，PEM装置工作时的灵活性很高，反应也很快。缺点是成本较高，寿命短，高成本问题阻碍了PEM电解技术的工业化应用，目前仅适用于小规模的氢气生产[59]。高温固体氧化物电解（SOEC）的工作温度很高，为800-950℃，可以用热能来代替部分电能，使耗电量进一步减少，电解效率可达90%以上。较高的温度还提高了电极活性，并有助于减少电极超电势，降低功率损耗[60]。其结构从管式发展到了平板式，能量密度提高，且不需要贵金属催化剂，故成本不高。缺点是常规材料的氧电极在高温下会发生阳极极化和脱层现象，造成氧电极电压损失，电解池材料的稳定性较差。目前该技术仍处于研究阶段，但在未来发展潜力巨大[61]。1.6.2碱性电解槽电解水制氢过程碱性电解水制氢系统通常由电解槽、碱液供给装置、纯水供给装置和气体的存储装置、净化装置、压缩装置以及控制设备和电源等构成。目前所有的电解水制氢技术的工艺流程经过一系列改善后都大致相同。系统工作流程是：水被电解后产生的氢气和氧气会伴随部分碱液分别进入氢气和氧气分离器，经过分离器后剩下的碱液进入冷却器冷却，再经碱液过滤器过滤，最后返回到电解槽，如此循环，以便在需要碱液时获得及时的补充；而经过分离器后的气体再通过气体冷却器冷却，然后经过干燥器去除夹带的水分。另外在被存储或运输到使用地点前有时也需要做进一步纯化[62]。1.6.3碱性电解槽制氢原理碱性电解槽示意图如图2-5所示，当电极上通过一定电压的直流电时，水发生化学分解，在阴极和阳极上分别产生H2和O2。图2-5碱性水溶液的电解槽示意图Fig.2-5SchematicdiagramofElectrolyzerforalkalineaqueoussolution阴极：2阳极：2OH从热力学的角度看，电解过程中的能量由电能和热能两部分构成：∆H=∆G+T∆S（其中：ΔH是焓变，为电解水所需的总能量；ΔG为吉布斯自由能的变化，体现了电解过程所需的最小电能供应，在标准状态下，∆G298k0为237.2KJ/mol；T为反应的温度;∆S为反应的熵变，水的理论分解电压是在可逆条件下电解能发生时的电压的最小值，也就是氢、氧原电池的可逆电动势E，它与∆G的关系如下式：∆G=−nEF其中：n为电子转移数，此处为2；F为法拉第常数，F=96485.309C/mol。代入各值解得，在标准状态下，水的理论分解电压为1.23V,电能消耗W与电压U和电荷量Q的关系是W=QU(1.3)在标况下每生成1m3的H2的理论耗电量Q0为：Q0=26.8×100011.2因此，理论电能消耗W0=Q0U0=2393×1.23=2943W·h=1.95KWh/m3电解槽在工作过程中，其实际分解电压为理论分解电压的1.5-2倍，大概在1.65～1.2V范围内，且电流效率不可能达到100%，因此实际电能消耗量要远大于理论值。目前实际中电解水设备可实现的效率是每消耗电能4.2-4.7KW·h可生产大概1m3的氢气实际需要的电压由公式（2-3）计算。U=E+IR+φH式中，E——水的理论分解电压，V：I——电解电流，A;R——电解池总电阻，Ω；φHφO电解水的化学过程总反应式为：2H2O电解水反应的效率为：η=∆G0式中，Einput为