非并网风能、太阳能互补电解水制氢系统

2017-12-223919人浏览

摘要:对目前应用比较广泛的可再生能源太阳能和风能,利用其特性及互补性,建立起风光互补发电以供水电解制氢。通过氢这一能源载体储存转化,是一种经济合理且可行的供电方式。该风光电互补供电方式是解决风光电并网成本高、技术瓶颈大的难题,而针对水电解制氢其负载特性,风光电互补供电及易满足,这为可再生能源风光电互补无论从经济性、可靠性、运行有效性方面提供了一个崭新的应用领域。

关键词:可再生能源 风能 太阳能 风光互补发电 水电解制氢

概述

随着能源危机的加重和人们对环境污染的重视,太阳能和风能作为理想的可再生能源的优点逐渐显现出来,可再生能源的利用问题,在1992年“世界环境与发展大会”以后,受社会可持续发展要求的推动,进一步被提到了人类发展战略的高度,受到了各个国家的高度重视。我国政府就环境与发展问题提出了一系列对策措施,其中明确要求“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等新能源”, 并在中国2l世纪议程中强调了发展可再生能源对我国经济持续发展和环境保护的重要作用。在国家发展和改革委员会制定的《可再生能源中长期发展规划》中提出,要在2020年使可再生能源发展定位已经由过去的补充和辅助能源逐步向替代能源过度。大力发展新能源与低碳经济已成为构建资源节约型和环境友好型社会的重要课题。作为可再生能源发展战略的一部分,可再生能源的综合利用对促进我国可再生能源的开发利用及广大边远地区经济社会的可持续发展有着积极的作用。

首先,综合利用可再生资源以本地的各种可再生资源为基础,有利于各地可再生能源因地制宜地开发。一般来说,各地都普遍存在各种可利用的可再生资源:有些资源(风和日照)是高度随机的,并与特定地点有关;有些资源(生物质和水力)虽较为稳定,但有季节变化;有些资源(地热和海洋能)则有很大的地区局限

性等等。综合地利用可再生能源能够根据当地情况,尤其在广大边远地区,充分利用各种可利用的可再生能源的优势,建立起独立可靠的能源供应系统。其次,综合利用可再生能源可以充分利用各种资源开发利用的时间差,实现多能互补,提高可再生能源的利用率。在可利用的可再生资源中,都或多或少地存在一定的时间变化性,有的可能在一天之内的24小时中不能连续使用,有的则可能在一个季度或一年中不能均衡地提供所需能源。但是,各种可再生资源在利用时的时间变化性(包括周期变化、能量值幅度变化等)并不是一致的。例如,在晴天时,风力较小,但有丰富的日照;阴天时,日照较弱,但风力较强;冬季时水力资源可能不足,但有充足的生物质能可供使用等。因此,综合考虑这些资源可开发利用的时间差,能够达到多种能源的互补利用,满足人民生活和生产中连续能源需求。同时,这也有利于尽量减少多余能量的蓄能装置配备容量的需求,以避免能源经多次转换而造成的损耗,提高能源利用效率和降低成本。

再者,可再生能源的综合利用可根据不同情况,达到资源利用和需求匹配的最佳风能和太阳能在时间和地域上具有互补性,这一优点引起人们对风光互补发电研究和应用的广泛重视。非并网风光电是指大规模风光电应用于一系列通过技术创新,能较好应用风光电特性的产业。其特点是大规模风光电终端负荷不再是单一电网,与其蓄电池配套的小型独立运行供电系统也不同,而是将风光电直接输送到一些能适应风光电特性高耗能产业及其他特殊领域,即实现100%能量转换,从而解决无法上网风光电利用问题。

譬如将非并网风电应用于高耗能电解铝行业,如电解100万吨电解铝可以消纳470万Kw风电(与2009年蒙古风电装机容量等同),1吨电解铝耗掉1.3∽1.4万度电,而1吨电解铝可以减排CO212吨,这对环境社会经济效益都很高。

风能、太阳能特点

在当前可利用的几种可再生能源中,风能和太阳能是目前利用比较广泛的两种。同其它能源相比,风能和太阳能有着其自身的优点:

取之不尽、用之不竭

太阳内部由于氢核的聚变热核反应,从而释放出巨大的光和热,这是太阳能的根本来源。在氢核聚变产能区中,氢核稳定燃烧的时间可在60亿年以上。也就是说,太阳至少还可以像现在这样有60亿年可以无限度被利用,从这个意义来讲,太阳能对我们是“取之不尽、用之不竭”的。在太阳辐射出的能量中,仅有二十万分之一被地球获得,但即使是这些能量也是十分可观的。据有关人员统计估算,地球一年当中从太阳所获得的能量相当于燃烧200万亿吨煤所发出的巨大热量;地球表面每秒钟获得的能量为350W/m2,换算成电力相当于1.58×1018度。

风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式。由于地球表面的不同形态(如沙土地面、植被地面和水面)对太阳光照的吸热系数不同,在地球表面形成温差,地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。根据相关估计,在全球边界层风的总能量为1.3×1015W,一年中相当于1.14×1016度。这相当于目前全世界每年所燃烧的能量的3000倍。

我国拥有丰富的风能资源,风电装机容量连续几年翻番。根据新能源振兴规划,预计到2020年我国风力装机容量达到1.5亿Kw,将超过电力总装机容量的10%。虽然电能不能直接进行较经济的储存,但很容易以其他形式进行储存,需要时再将其转化为电能。

当前,能源的过分消耗带来的污染排放日益加剧。在“十二五”国家发展计划中已明确提出新能源的开发是我国未来几年的重中之重,其中风能、太阳能、氢能等是被能源专家一致认为是比较具有发展潜能的新型能源。其中风能以及太阳能是世界公认的除水能、核能外,最接近商业化,市场竞争力最强的可再生能源技术,而且其占用土地少,社会争议少,环境友好,能较快实现规模化和产业化。我国许多边远地区地广人稀,不适宜采用输电线路提供电力,而这些地区风力资源、太阳能资源充足,白天有很强的光照,夜晚有充足的风力。作为取之不尽、用之不竭的可再生绿色能源,风能、太阳能特别适于在我国边远地区大力推广和发展。

但因风能、太阳能为间歇性能源,风能及太阳能的高速不稳定性,导致风光电大幅波动,如果在没有水电及燃气发电等为其调峰情况下,并网会给电网调度、调峰、安全、成本等带来一系列问题,所以从并网角度讲无论从技术层面还是成本方面都有较高要求,风光电上网对风力机、光伏阵列提出了满足电网稳频、稳压和稳相要求,由此大幅度增加了风光电制造成本和风光电价格,使风光电的大规模应用受到极大限制。如在风电机组方面就会涉及机组的选型与布置、该风场风能资源的评价、机组的设计都是需要考虑要点。从非并网风光电应用角度,根据风光电的特点,在风能、太阳能单独用于发电系统中,由于风能、太阳能的稳定性较差,为了能够提供连续稳定的能量转换输出,无论是光伏供电系统还是风力发电系统,都要引入能量存储环节用以调节系统运行过程中的能量供需平衡。能量存储方式有很多种,如机械储能、化学储能、热储能等,其中最合适的,也是有用最为广泛的则是利用蓄电池的化学储能方式。将风光电直接用于电解水制氢设备,将产生的氢气以能源的形式储存起来,然后在需要的时候再通过氢燃料电池将储存的氢能转化为电能。另外储存的氢能还可以用于化工、电子等诸多行业。

非并网风光电系统

在电力生产过程中,电力生产是遵循供需平衡原则,任何时候发电量都要等于用电量。因此,目前电力工业面对的挑战之一就是如何进行电能的储存,以加强市场竞争能力,提高系统经济性及设备利用率。简单而言,电能储存的目的就是增强和扩大电网设备的运行能力。由于风光能具有先天不稳定性和波动性这一属性,大规模风光电上网目前还存在着现阶段无法克服的技术问题:如满足电网稳频、稳压稳相位的要求,而上述要求又是造成目前风光电对电网贡献率较低的关键因素。如需满足以上技术要求,则可从以下两个方面进行投入:电网部门必须备用风光电装机容量的80%的各类发电装置为其空载运行随时进行调峰:另外提高风力发动机的配置:譬如多采用永磁直驱风力发电机(比通用双馈异步式发动机价格高),另外在风电设备、风场管理、电网接入、运行安全等方面都要有很大的投入,以避免风电场脱网事故发生。以上这些无疑增加了风光电并网成本,由此大幅度提高了风光电制造成本和风电价格。

在风光互补发电非并网系统中,由于光伏阵列负责将太阳能辐射转化成电能。而光伏阵列由一系列的太阳电池经过串、并联后组成(太阳电池如果在真空中寿命是相当长的,太阳电池组件的寿命主要决定于它的封装技术。一块由合格材料并且严格按照规定工艺制造出来的太阳电池组件的使用寿命在25-30年,否则有可能在1-2年内就损坏或者严重出现衰减),然后通过控制器对负荷供电在满足负荷的情况下对蓄电池充电,以达到资源和技术应用风光能的互补。

蓄电池的容量是指蓄电池在10小时放电率C10条件下标定的,小放倍率放电条件下它的容量要增加的,太阳能光伏发电装置一般是工作在大放倍率放电条件下的,太阳能光伏发电及风能发电互补装置所配置的蓄电池功率大,保证太阳电池及风能互补的工作点与负载和蓄电池相匹配,保证系统效率最佳。合理配置太阳电池及风能发动机组和蓄电池的功率和容量,是确保该系统能否处于最佳运行状态的关键。

控制器对太阳能光伏及风能发电机互补装置控制及可靠性是系统正常运行的核心。为了延长蓄电池的使用寿命,必须对它的充放电条件加以限制,防止蓄电池过充电及深度放电。另外,由于太阳能光伏发电及风能互补系统的输入能量极不稳定,所以系统中对蓄电池充电的控制要比普通蓄电池充电的控制要复杂的多。对于太阳能及风能互补系统的设计来说,成功与失败往往就取决于充放电控制电路的成功与失败。没有一个性能良好的充放电控制电路,就不可能有一个性能良好太阳能及风能互补发电系统。

如果采用非并网风光电系统将风光电直接用于高耗能行业,则可以有效避免并网技术难题。其主要体现在以下方面:

1)采用直流电,回避风光电上网电压差(电流波动)、相位差和频率的控制,绕开电网这一限制风电大规模应用瓶颈,也避免了风电并网对电网系统的影响使系统更为优化、可靠;

2)突破终端负荷,使用风光电的局限,使大规模风光电在非并网风光电系统中的供电比重加大,尤其是在高耗能行业可达100%;

3)提高风光能利用率,简化风力及太阳能并网运行所需要大量辅助设备,风光电经简单配置就可以直接应用于某些特定产业上,大幅度降低风光电场的制造成本和风光电价格。

电解水制氢系统

目前发展成熟的制氢方法很多,从制氢成本上无疑天然气转化法较为经济(是水电解制氢的1/2),但从根本上讲该制氢技术无法摆脱对化石燃料的依赖。而电解水制氢有制氢纯度高、操作简便、无污染、可循环利用等优点最具可开发性。但同时电解水制氢电能消耗大(主要是电解槽电压过高导致)是制约电解水制氢无法与燃气制氢竞争的主要原因。如用非并网风光电参与电解水制氢则能极大降低水电解制氢成本。

现有水电解制氢方法中的核心是电解槽。目前水电解制氢所涉及电解槽有以下三种:分别是碱性电解槽、质子交换膜(聚合物薄膜)电解槽以及固体氧化物电解槽。其中碱性电解槽因成本较低及技术成熟,使用最为广泛;而质子交换膜电解槽由于转换效率高,因采用很薄的固体电解质(质子交换膜PEM),再加之具有很好的机械强度和化学稳定性,且欧姆损失较小,另外质子交换膜的核心技术为杜邦公司(Nafion)所垄断,与之使用的铂电极催化剂价格昂贵制约其广泛应用。固体氧化物电解槽最大的特点是在较高反应温度使得电化学反应中部分电能被热能所替代,效率高。以上三种电解槽的电解效率可由70%提高至90%。但因后两种电解槽成本较高,现使用还不够普及。

电解水制氢原理

分离式水电解制氢装置是通过直流电解KOH ( 25%  --- 30%浓度)水溶液产生H2和O2,H2和O2夹带KOH碱液分别进入氢、氧汽水分离器进行汽水分离(在水分子重力作用下进行汽水分离),分离后的碱液通过分离器底端再回流至电解槽(在高压制氢中则需要增加循环泵以完成电解液的回流)。

水电解制氢电极反应式:

阴极:  4e  +  4H2O  =  2H2↑+  4OH▔  

阳极:  4OH▔=  O2 ↑+  2H2O  +  4e

总反应式:H2O  =  H2  +  1/2 O2

由上述电极反应式可知:产生H+和OH­­­­­­­­-离子,其中H+离子移向电极的阴极面,形成H2↑,OH-离子移至电极的阳极面,形成O2↑。而相应的产气量H2是O2的2倍。

水电解参数与负载分析

通常在常规电解水制氢过程中,电解水制氢设备所需要的电压是稳定和额定的,一般是把电网中的交流电经过整流逆变之后,以直流输送给电解水制氢设备。而这种供电模式风光电很难达到要求,所以现有的电解水设备特性与风光电特性不能有效结合。为使电解水设备与风光电特性相吻合,就必须对常规电解设备进行相应改进满足其电解需要。

目前已经实现工业化应用的碱性电解槽技术比较成熟,决定电解槽的正常工作主要由以下参数决定:理论工作电流密度一般在1500-4000 A/m2范围,与之对应的小室电压在2.0V左右,其电解效率较为理想,但在实际运行过程中当电流密度大于100A/m2时整个电解电流效率已经十分稳定,达到95%以上。由此可知要使电解槽正常运行,只要将电流密度达到10%额定电流密度以上,电解槽即可正常运行,这种电流密度条件非并网风光电较易满足其要求。

另外电解槽应保证产气量在额定产气量10%以上,只有如此才能满足控制要求(主要涉及电解过程中气体压力和液位控制两个方面),保证整个电解水设备的稳定运行,使产出的氢气满足质量要求。

风光电非并网制氢系统要求

独立的风光电制氢系统要满足要求,则需要系统达到以下要求:

风力发电机应采用直流恒频变速风力发电机,当风速超过直流恒频变速风力发电机额定风速时,风轮开始存储或释放能量,这样就保证了风力发电功率的更加平稳性,使其更容易与电解水制氢设备对接。

光伏阵列的选择:

太阳电池如果在真空中寿命是相当长的,太阳电池组件的寿命主要决定于它的封装技术。一块由合格材料并且严格按照规定工艺制造出来的太阳电池组件的使用寿命在25-30年,否则有可能在1-2年内就损坏或者严重出现衰减。太阳能电池组件的选择至关重要。

为保证电解产气量最低不能小于额定产气量10%这一要求,应对传统电解槽进行相应改进,将传统的串联或者并联电解槽改为多极串联形式,根据独立风电的功率,以保证电解槽部分小室运行,使其产气量不低于额定产气量的10%。

在控制方面,应对风光互补发电功率随时进行检测,保证切换的电解槽的部分气室产气量不低于额定产气量的10%以上。另外对蓄电池的充放电控制应合理准确控制,以保证整个系统的正常运行。

非并网风能太阳能互补工作原理框图



结束语

水电解装置对风光发电输出不稳定功率输出具有较强的适应性,而相应电解的电流密度的大小的波动只影响氢气的产量,而不影响电流的效率和氢气质量,这种风光电与电解水制氢可以完全摆脱对风电的依赖,极大的拓展了风光电利用率,突破风光电发展的瓶颈。同时,非并网风光电电解水制氢系统可以省却风光电并网所需大量辅助设备,特别适合风力资源丰富的偏远地区。我们相信随着相关技术的不断发展和完善,独立式风光电氢能系统在不久的将来定会得到广泛应用。