光伏儲熱儲氫綜合能源系統設計與研究

張 穎, 楊劉元, 王浩翔, 劉祖英, 宋曉敏, 徐 蒙, 黃增光?

(1.江蘇海洋大學 理學院,江蘇 連云港 222005;2.四季沐歌科技集團有限公司,江蘇 連云港 222000)

0 引言

光伏技術是國家“雙碳”目標順利實現的重要組成部分。 近十幾年來,我國光伏產業飛速發展,目前已經位居世界光伏的龍頭地位[1]。 在光伏發電過程中也存在著一些問題,例如西部大型地面光伏電站在夏天日照充足的時候,仍然存在“棄光”現象[2],造成了能量和資源的浪費。 通過將這部分損失的能量利用技術手段將之存儲起來,在必要的時候釋放出來,可以最大限度地利用光伏發電能源。

在目前能源緊缺、棄光問題嚴峻的背景下,基于光伏加儲能的理念,由光伏系統余電儲能,分別通過電熱系統儲熱和電解氫系統儲氫,本文建立了光伏儲熱儲氫綜合能源系統[3]。 光伏系統產生的電能一方面為家用電器供電或并網,另一方面充分利用“棄光”部分電能,為電解氫系統和電熱系統供電,實現儲氫和儲熱綜合儲能。 電解水制解氫氣,并供給氫燃料電池運行。 當陰天或晚上光伏系統無法工作時,通過氫燃料電池為家用電器供電。 儲熱系統儲存的熱量在必要的時候釋放出來,用于采暖、供電、生產熱水,大大提高了清潔能源利用率,實現太陽能高效利用[4]。

綜合以上設計,將光伏技術、光伏熱轉換技術、電解制氫技術結合,并進行能源的系統綜合優化,能夠解決大型光伏電站的棄光問題,實現太陽能的充分利用。 以上應用在節能減排方面具有重大現實意義,也將為我國碳中和的光伏解決方案提供有益示范[5]。

1 綜合能源系統設計與搭建

綜合能源系統工作示意圖及實物系統圖如圖1—2 所示。

圖1 綜合能源系統

圖2 綜合能源系統實物

碳減排量分析:以發電功率1 GW(1GW=109W)的光伏系統為例,取削峰棄光能量損失15%、棄光時間1 h,增加儲能系統后節省出的電能為1×109W×0.15×1 h=1.5×105kWh;按消耗1 kWh 電排放CO2為0.997 kg,則一天CO2減排量為1.5×105kWh×0.997 kg/kWh×24=0.36 萬t,按一年發電320 d,則可實現年CO2減排量0.36 萬t/d×320 d=115.2 萬t,具有顯著的節能減排效果。

2 光伏儲熱儲氫系統性能分析

2.1 光伏熱轉換系統性能分析

本研究采用等效的方法進行光伏熱轉換系統性能分析[6],將連云港地區全年輻照度隨時間的變化,等效成一天內的輻照度變化,數據如表1 所示。 由表1 中數據進行擬合,可得出全年水平面強度輻射均值等效在一天內的變化基本符合高斯分布,該曲線的擬合如式(1):

其中:u=195.17,σ=238.97[7]。 μ 為正態分布的位置參數,σ 描述正態分布資料數據分布的離散程度。通過測量某一固定電阻在不同輻照度下的功率輸出,然后通過對功率在時間上的積分,可以得出此固定電阻在該時間段上產生的熱能。 設置若干電阻,測試對應電阻產生的熱能,則可以找到最佳匹配阻值。

在本系統中,根據對各電阻功率—時間的積分可確定最佳電阻范圍依舊在5~8 Ω,如圖3 所示。 可以看到,在09:00 至15:00 時間段內阻值越大其功率變化越小,功率基本處于水平穩定狀態,即輻照度越大時對電阻功率幾乎無影響,輻照度減小后,功率隨之減小,這直接導致大電阻全天工作功率低[8]。

圖3 阻值為5 Ω、6 Ω、8 Ω 電阻功率對比

大電阻在輻照度上升至一定值后基本保持不變,且功率較小,不適用于全天輸出最大功率,故最佳電阻依舊在5~8 Ω。 從積分結果看6 Ω、8 Ω 全天總功率相近,且6 Ω 大于8 Ω 總功率,如圖3 所示。 上午8 Ω 功率先與6 Ω 相交后再與5 Ω 相交,下午則先與5 Ω 相交再與6 Ω 相交,但下午相交時間相近,原因可能為下午輻照度相對穩定。 根據對比得出最佳電阻應為6 Ω。

對實驗數據繪圖3 可發現數據并不是規則的,原因有以下可能:(1)測量時間不同,會導致電壓電流不匹配,但是相差值很小;(2)太陽輻照度變化影響太陽能電池輸出;(3)溫度對太陽能電池板產生影響,溫度的改變會影響電池輸出特性,溫度越高,太陽能電池的輸出效率越低。

由圖3 可分析當太陽能輻照度上午低于500 W/m2,下午低于460 W/m2時,電阻越大功率越大,但是輻照度上升時,其增幅緩慢,峰值最小,全天功率小,不能最大效率地將全天太陽能電池輸出電能轉換為熱能。 對每組6 個數據進行繪圖積分可基本確定最佳電阻值在5 Ω、6 Ω、8 Ω 之間選擇,在根據3 次實驗比對選取功率-時間積分的平均值,最終可確定在連云港地區對于實驗使用型號的電池板最佳匹配電阻為6 Ω[9],如圖4 所示。

圖4 6 Ω 電阻功率積分

2.2 光伏儲氫系統性能分析

以太陽能電池作為穩定電源給電解氫設備供電,測量在相同高度下的水,在不同溫度下電解相同體積的氫氣所需要的時間,尋找最佳溫度,并用收集的氫氣供給燃料電池發電[10]。 圖5 是光伏制氫子系統實物圖,主要由光伏供電、電解氫系統、氫氣收集容器、燃料電池組成。 電解氫系統基于質子交換膜技術(PEM),主要由質子交換膜、催化劑和氣體擴散層組成的膜電極、雙極板和密封圈、防護片、端板等組成。PEM 電解池在工作時需要外接直流電源。 陽極代表電解池正極,發生氧化反應(析氧);陰極代表電解池負極,發生還原反應(析氫)。

圖5 制氫設備和燃料電池

為了探究溫度對制氫速率的影響并確定光伏制氫子系統最佳的工作溫度,通過改變電解水的溫度,測試了實際的制氫速率,如圖6 所示。 可以看出,當電解水溫度較低處于20~38 ℃時,制氫速率雖然有波動,但基本上處于1.46~1.48 L/h,隨著電解水溫度的升高,特別是當溫度在40~50 ℃時,制氫速率可達1.52 L/h;溫度繼續升高,制氫速率開始下降,甚至低于20~38 ℃的水平。 可能的原因是:溫度適度升高時,提升了水分子的活性,使得電解水時所需能量更低,因此制氫的還原反應速率加快,但當溫度更高時,水中會產生大量氣泡,這些氣泡可能阻止電極上的氧化還原反應過程,從而降低制氫速率。 另外,適當的溫度也可以提升陰極與陽極間氣體擴散的效率、質子交換膜催化的性能等,從而提升制氫速率。 綜上,對于純水的電解制氫系統,電解溫度處于40~50 ℃區間時,系統的制氫速率最快。 因此,在光伏驅動的電解制氫系統中,除了提高電解電壓,還要考慮光伏直流加熱電解水,使電解水溫度處于最佳溫度區間,以獲得最高的系統制氫效率。

圖6 不同工作溫度下的系統電解氫速率

3 結語

本文基于光伏+儲能的理念,設計了一款由光伏系統余電儲能,分別通過電熱系統儲熱和電解氫系統儲氫的綜合光伏儲熱儲氫綜合系統。 光伏系統產生的電能一方面為家用電器供電或并網,另一方面充分利用“棄光”部分電能,為電解氫系統和電熱系統供電,實現儲氫和儲熱綜合儲能。 將光伏進行熱轉化和氫能轉化結合,通過光伏+儲熱/儲氫系統實現光伏發電的調峰功能。

該綜合能源系統注重于各個子系統之間的溫度耦合,從兩個方面提升了轉換效率。 一方面,光伏熱轉換系統實驗測量了連云港地區兩個日期照射在太陽能電池表面的太陽輻照度以及太陽能電池的I—V曲線,計算最大功率點處Vmax,Imax,以其比值確定電阻,并與太陽輻照度形成函數,進行分析。 確定最佳電阻范圍,選取6 組電阻,將其接入太陽能電池輸出電路中,測量電阻發熱時的電流電壓,計算功率,對功率—時間進行積分,最終取得全天最佳匹配阻值為6 Ω。 另一方面,光伏制氫系統研究通過溫度對制氫速率的影響,得到最適溫度范圍為40~50 ℃。 并且該系統完全實現光伏自主供電,系統安裝不受地點條件的限制,真正實現了“零能耗”。

綜上,儲氫系統可以供給氫燃料電池為家用電器供電,或通過氫氣發電再并網,實現并網系統的“削峰填谷”。 光伏熱轉化系統也可以拓展很多應用場景,不適用于大型光伏電站發熱儲能,對于小型離散型光伏系統,應用方面光伏熱轉化系統可以與建筑物結合,實現冬季采暖。 本系統大大提高了清潔能源利用率,在節能減排方面具有重大現實意義。