非并網風能、太陽能互補電解水制氫系統

2017-12-228559人瀏覽

摘要:對目前應用比較廣泛的可再生能源太陽能和風能,利用其特性及互補性,建立起風光互補發電以供水電解制氫。通過氫這一能源載體儲存轉化,是一種經濟合理且可行的供電方式。該風光電互補供電方式是解決風光電并網成本高、技術瓶頸大的難題,而針對水電解制氫其負載特性,風光電互補供電及易滿足,這為可再生能源風光電互補無論從經濟性、可靠性、運行有效性方面提供了一個嶄新的應用領域。

關鍵詞:可再生能源 風能 太陽能 風光互補發電 水電解制氫

概述

隨著能源危機的加重和人們對環境污染的重視,太陽能和風能作為理想的可再生能源的優點逐漸顯現出來,可再生能源的利用問題,在1992年“世界環境與發展大會”以后,受社會可持續發展要求的推動,進一步被提到了人類發展戰略的高度,受到了各個國家的高度重視。我國政府就環境與發展問題提出了一系列對策措施,其中明確要求“因地制宜地開發和推廣太陽能、風能、地熱能、潮汐能、生物質能等新能源”, 并在中國2l世紀議程中強調了發展可再生能源對我國經濟持續發展和環境保護的重要作用。在國家發展和改革委員會制定的《可再生能源中長期發展規劃》中提出,要在2020年使可再生能源發展定位已經由過去的補充和輔助能源逐步向替代能源過度。大力發展新能源與低碳經濟已成為構建資源節約型和環境友好型社會的重要課題。作為可再生能源發展戰略的一部分,可再生能源的綜合利用對促進我國可再生能源的開發利用及廣大邊遠地區經濟社會的可持續發展有著積極的作用。

首先,綜合利用可再生資源以本地的各種可再生資源為基礎,有利于各地可再生能源因地制宜地開發。一般來說,各地都普遍存在各種可利用的可再生資源:有些資源(風和日照)是高度隨機的,并與特定地點有關;有些資源(生物質和水力)雖較為穩定,但有季節變化;有些資源(地熱和海洋能)則有很大的地區局限

性等等。綜合地利用可再生能源能夠根據當地情況,尤其在廣大邊遠地區,充分利用各種可利用的可再生能源的優勢,建立起獨立可靠的能源供應系統。其次,綜合利用可再生能源可以充分利用各種資源開發利用的時間差,實現多能互補,提高可再生能源的利用率。在可利用的可再生資源中,都或多或少地存在一定的時間變化性,有的可能在一天之內的24小時中不能連續使用,有的則可能在一個季度或一年中不能均衡地提供所需能源。但是,各種可再生資源在利用時的時間變化性(包括周期變化、能量值幅度變化等)并不是一致的。例如,在晴天時,風力較小,但有豐富的日照;陰天時,日照較弱,但風力較強;冬季時水力資源可能不足,但有充足的生物質能可供使用等。因此,綜合考慮這些資源可開發利用的時間差,能夠達到多種能源的互補利用,滿足人民生活和生產中連續能源需求。同時,這也有利于盡量減少多余能量的蓄能裝置配備容量的需求,以避免能源經多次轉換而造成的損耗,提高能源利用效率和降低成本。

再者,可再生能源的綜合利用可根據不同情況,達到資源利用和需求匹配的最佳風能和太陽能在時間和地域上具有互補性,這一優點引起人們對風光互補發電研究和應用的廣泛重視。非并網風光電是指大規模風光電應用于一系列通過技術創新,能較好應用風光電特性的產業。其特點是大規模風光電終端負荷不再是單一電網,與其蓄電池配套的小型獨立運行供電系統也不同,而是將風光電直接輸送到一些能適應風光電特性高耗能產業及其他特殊領域,即實現100%能量轉換,從而解決無法上網風光電利用問題。

譬如將非并網風電應用于高耗能電解鋁行業,如電解100萬噸電解鋁可以消納470萬Kw風電(與2009年蒙古風電裝機容量等同),1噸電解鋁耗掉1.3∽1.4萬度電,而1噸電解鋁可以減排CO212噸,這對環境社會經濟效益都很高。

風能、太陽能特點

在當前可利用的幾種可再生能源中,風能和太陽能是目前利用比較廣泛的兩種。同其它能源相比,風能和太陽能有著其自身的優點:

取之不盡、用之不竭

太陽內部由于氫核的聚變熱核反應,從而釋放出巨大的光和熱,這是太陽能的根本來源。在氫核聚變產能區中,氫核穩定燃燒的時間可在60億年以上。也就是說,太陽至少還可以像現在這樣有60億年可以無限度被利用,從這個意義來講,太陽能對我們是“取之不盡、用之不竭”的。在太陽輻射出的能量中,僅有二十萬分之一被地球獲得,但即使是這些能量也是十分可觀的。據有關人員統計估算,地球一年當中從太陽所獲得的能量相當于燃燒200萬億噸煤所發出的巨大熱量;地球表面每秒鐘獲得的能量為350W/m2,換算成電力相當于1.58×1018度。

風能是太陽能在地球表面的另外一種表現形式。由于地球表面的不同形態(如沙土地面、植被地面和水面)對太陽光照的吸熱系數不同,在地球表面形成溫差,地表空氣的溫度不同形成空氣對流而產生風能。根據相關估計,在全球邊界層風的總能量為1.3×1015W,一年中相當于1.14×1016度。這相當于目前全世界每年所燃燒的能量的3000倍。

我國擁有豐富的風能資源,風電裝機容量連續幾年翻番。根據新能源振興規劃,預計到2020年我國風力裝機容量達到1.5億Kw,將超過電力總裝機容量的10%。雖然電能不能直接進行較經濟的儲存,但很容易以其他形式進行儲存,需要時再將其轉化為電能。

當前,能源的過分消耗帶來的污染排放日益加劇。在“十二五”國家發展計劃中已明確提出新能源的開發是我國未來幾年的重中之重,其中風能、太陽能、氫能等是被能源專家一致認為是比較具有發展潛能的新型能源。其中風能以及太陽能是世界公認的除水能、核能外,最接近商業化,市場競爭力最強的可再生能源技術,而且其占用土地少,社會爭議少,環境友好,能較快實現規模化和產業化。我國許多邊遠地區地廣人稀,不適宜采用輸電線路提供電力,而這些地區風力資源、太陽能資源充足,白天有很強的光照,夜晚有充足的風力。作為取之不盡、用之不竭的可再生綠色能源,風能、太陽能特別適于在我國邊遠地區大力推廣和發展。

但因風能、太陽能為間歇性能源,風能及太陽能的高速不穩定性,導致風光電大幅波動,如果在沒有水電及燃氣發電等為其調峰情況下,并網會給電網調度、調峰、安全、成本等帶來一系列問題,所以從并網角度講無論從技術層面還是成本方面都有較高要求,風光電上網對風力機、光伏陣列提出了滿足電網穩頻、穩壓和穩相要求,由此大幅度增加了風光電制造成本和風光電價格,使風光電的大規模應用受到極大限制。如在風電機組方面就會涉及機組的選型與布置、該風場風能資源的評價、機組的設計都是需要考慮要點。從非并網風光電應用角度,根據風光電的特點,在風能、太陽能單獨用于發電系統中,由于風能、太陽能的穩定性較差,為了能夠提供連續穩定的能量轉換輸出,無論是光伏供電系統還是風力發電系統,都要引入能量存儲環節用以調節系統運行過程中的能量供需平衡。能量存儲方式有很多種,如機械儲能、化學儲能、熱儲能等,其中最合適的,也是有用最為廣泛的則是利用蓄電池的化學儲能方式。將風光電直接用于電解水制氫設備,將產生的氫氣以能源的形式儲存起來,然后在需要的時候再通過氫燃料電池將儲存的氫能轉化為電能。另外儲存的氫能還可以用于化工、電子等諸多行業。

非并網風光電系統

在電力生產過程中,電力生產是遵循供需平衡原則,任何時候發電量都要等于用電量。因此,目前電力工業面對的挑戰之一就是如何進行電能的儲存,以加強市場競爭能力,提高系統經濟性及設備利用率。簡單而言,電能儲存的目的就是增強和擴大電網設備的運行能力。由于風光能具有先天不穩定性和波動性這一屬性,大規模風光電上網目前還存在著現階段無法克服的技術問題:如滿足電網穩頻、穩壓穩相位的要求,而上述要求又是造成目前風光電對電網貢獻率較低的關鍵因素。如需滿足以上技術要求,則可從以下兩個方面進行投入:電網部門必須備用風光電裝機容量的80%的各類發電裝置為其空載運行隨時進行調峰:另外提高風力發動機的配置:譬如多采用永磁直驅風力發電機(比通用雙饋異步式發動機價格高),另外在風電設備、風場管理、電網接入、運行安全等方面都要有很大的投入,以避免風電場脫網事故發生。以上這些無疑增加了風光電并網成本,由此大幅度提高了風光電制造成本和風電價格。

在風光互補發電非并網系統中,由于光伏陣列負責將太陽能輻射轉化成電能。而光伏陣列由一系列的太陽電池經過串、并聯后組成(太陽電池如果在真空中壽命是相當長的,太陽電池組件的壽命主要決定于它的封裝技術。一塊由合格材料并且嚴格按照規定工藝制造出來的太陽電池組件的使用壽命在25-30年,否則有可能在1-2年內就損壞或者嚴重出現衰減),然后通過控制器對負荷供電在滿足負荷的情況下對蓄電池充電,以達到資源和技術應用風光能的互補。

蓄電池的容量是指蓄電池在10小時放電率C10條件下標定的,小放倍率放電條件下它的容量要增加的,太陽能光伏發電裝置一般是工作在大放倍率放電條件下的,太陽能光伏發電及風能發電互補裝置所配置的蓄電池功率大,保證太陽電池及風能互補的工作點與負載和蓄電池相匹配,保證系統效率最佳。合理配置太陽電池及風能發動機組和蓄電池的功率和容量,是確保該系統能否處于最佳運行狀態的關鍵。

控制器對太陽能光伏及風能發電機互補裝置控制及可靠性是系統正常運行的核心。為了延長蓄電池的使用壽命,必須對它的充放電條件加以限制,防止蓄電池過充電及深度放電。另外,由于太陽能光伏發電及風能互補系統的輸入能量極不穩定,所以系統中對蓄電池充電的控制要比普通蓄電池充電的控制要復雜的多。對于太陽能及風能互補系統的設計來說,成功與失敗往往就取決于充放電控制電路的成功與失敗。沒有一個性能良好的充放電控制電路,就不可能有一個性能良好太陽能及風能互補發電系統。

如果采用非并網風光電系統將風光電直接用于高耗能行業,則可以有效避免并網技術難題。其主要體現在以下方面:

1)采用直流電,回避風光電上網電壓差(電流波動)、相位差和頻率的控制,繞開電網這一限制風電大規模應用瓶頸,也避免了風電并網對電網系統的影響使系統更為優化、可靠;

2)突破終端負荷,使用風光電的局限,使大規模風光電在非并網風光電系統中的供電比重加大,尤其是在高耗能行業可達100%;

3)提高風光能利用率,簡化風力及太陽能并網運行所需要大量輔助設備,風光電經簡單配置就可以直接應用于某些特定產業上,大幅度降低風光電場的制造成本和風光電價格。

電解水制氫系統

目前發展成熟的制氫方法很多,從制氫成本上無疑天然氣轉化法較為經濟(是水電解制氫的1/2),但從根本上講該制氫技術無法擺脫對化石燃料的依賴。而電解水制氫有制氫純度高、操作簡便、無污染、可循環利用等優點最具可開發性。但同時電解水制氫電能消耗大(主要是電解槽電壓過高導致)是制約電解水制氫無法與燃氣制氫競爭的主要原因。如用非并網風光電參與電解水制氫則能極大降低水電解制氫成本。

現有水電解制氫方法中的核心是電解槽。目前水電解制氫所涉及電解槽有以下三種:分別是堿性電解槽、質子交換膜(聚合物薄膜)電解槽以及固體氧化物電解槽。其中堿性電解槽因成本較低及技術成熟,使用最為廣泛;而質子交換膜電解槽由于轉換效率高,因采用很薄的固體電解質(質子交換膜PEM),再加之具有很好的機械強度和化學穩定性,且歐姆損失較小,另外質子交換膜的核心技術為杜邦公司(Nafion)所壟斷,與之使用的鉑電極催化劑價格昂貴制約其廣泛應用。固體氧化物電解槽最大的特點是在較高反應溫度使得電化學反應中部分電能被熱能所替代,效率高。以上三種電解槽的電解效率可由70%提高至90%。但因后兩種電解槽成本較高,現使用還不夠普及。

電解水制氫原理

分離式水電解制氫裝置是通過直流電解KOH ( 25%  --- 30%濃度)水溶液產生H2和O2,H2和O2夾帶KOH堿液分別進入氫、氧汽水分離器進行汽水分離(在水分子重力作用下進行汽水分離),分離后的堿液通過分離器底端再回流至電解槽(在高壓制氫中則需要增加循環泵以完成電解液的回流)。

水電解制氫電極反應式:

陰極:  4e  +  4H2O  =  2H2↑+  4OH▔  

陽極:  4OH▔=  O2 ↑+  2H2O  +  4e

總反應式:H2O  =  H2  +  1/2 O2

由上述電極反應式可知:產生H+和OH---------離子,其中H+離子移向電極的陰極面,形成H2↑,OH-離子移至電極的陽極面,形成O2↑。而相應的產氣量H2是O2的2倍。

水電解參數與負載分析

通常在常規電解水制氫過程中,電解水制氫設備所需要的電壓是穩定和額定的,一般是把電網中的交流電經過整流逆變之后,以直流輸送給電解水制氫設備。而這種供電模式風光電很難達到要求,所以現有的電解水設備特性與風光電特性不能有效結合。為使電解水設備與風光電特性相吻合,就必須對常規電解設備進行相應改進滿足其電解需要。

目前已經實現工業化應用的堿性電解槽技術比較成熟,決定電解槽的正常工作主要由以下參數決定:理論工作電流密度一般在1500-4000 A/m2范圍,與之對應的小室電壓在2.0V左右,其電解效率較為理想,但在實際運行過程中當電流密度大于100A/m2時整個電解電流效率已經十分穩定,達到95%以上。由此可知要使電解槽正常運行,只要將電流密度達到10%額定電流密度以上,電解槽即可正常運行,這種電流密度條件非并網風光電較易滿足其要求。

另外電解槽應保證產氣量在額定產氣量10%以上,只有如此才能滿足控制要求(主要涉及電解過程中氣體壓力和液位控制兩個方面),保證整個電解水設備的穩定運行,使產出的氫氣滿足質量要求。

風光電非并網制氫系統要求

獨立的風光電制氫系統要滿足要求,則需要系統達到以下要求:

風力發電機應采用直流恒頻變速風力發電機,當風速超過直流恒頻變速風力發電機額定風速時,風輪開始存儲或釋放能量,這樣就保證了風力發電功率的更加平穩性,使其更容易與電解水制氫設備對接。

光伏陣列的選擇:

太陽電池如果在真空中壽命是相當長的,太陽電池組件的壽命主要決定于它的封裝技術。一塊由合格材料并且嚴格按照規定工藝制造出來的太陽電池組件的使用壽命在25-30年,否則有可能在1-2年內就損壞或者嚴重出現衰減。太陽能電池組件的選擇至關重要。

為保證電解產氣量最低不能小于額定產氣量10%這一要求,應對傳統電解槽進行相應改進,將傳統的串聯或者并聯電解槽改為多極串聯形式,根據獨立風電的功率,以保證電解槽部分小室運行,使其產氣量不低于額定產氣量的10%。

在控制方面,應對風光互補發電功率隨時進行檢測,保證切換的電解槽的部分氣室產氣量不低于額定產氣量的10%以上。另外對蓄電池的充放電控制應合理準確控制,以保證整個系統的正常運行。

非并網風能太陽能互補工作原理框圖



結束語

水電解裝置對風光發電輸出不穩定功率輸出具有較強的適應性,而相應電解的電流密度的大小的波動只影響氫氣的產量,而不影響電流的效率和氫氣質量,這種風光電與電解水制氫可以完全擺脫對風電的依賴,極大的拓展了風光電利用率,突破風光電發展的瓶頸。同時,非并網風光電電解水制氫系統可以省卻風光電并網所需大量輔助設備,特別適合風力資源豐富的偏遠地區。我們相信隨著相關技術的不斷發展和完善,獨立式風光電氫能系統在不久的將來定會得到廣泛應用。

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