陸/湖氫能綜合運用系統設計

周 蕾，喻濟兵

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陸/湖氫能綜合運用系統設計

周 蕾1，喻濟兵2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所， 武漢 430064；2. 海軍駐武漢七一二所軍事代表室， 武漢 430064）

本文介紹了陸/湖氫能綜合運用系統的特點，描述了具體設計方案，包括工作原理，系統組成及參數，不同階段運行模式及運行參數，對類似的氫能系統具有一定的參考價值。

氫能 燃料電池

0 引言

目前，世界主要發達國家和國際組織都對氫能研發和實現向氫經濟的轉化給予了極大重視，投入巨資進行氫能相關技術研發。在氫能系統中，氫制備是應用基礎，氫的安全存儲和運輸是應用的關鍵，氫燃料電池是當前氫能最具潛力的應用方式。只有將氫的制備、儲運、應用三方面有機結合才能使氫能迅速走向實用化[1]。

風能是取之不盡用之不竭的可再生能源，并且具有無污染、無噪音、不產生廢棄物的優點。風電技術成熟，在可再生能源中成本相對較低，具有廣闊的發展前景。風電制氫技術就是將風力發電與水解制氫結合起來，利用風力發電電解水制取氫氣。陸/湖氫能綜合運用系統是一種集氫能的制備、儲運、應用于一體的氫能應用系統。該系統初始能源來自風力發電機組產生的電能，供給電解水裝置制得氫氣，通過增壓將氫氣儲存在高壓儲氫罐內。

燃料電池是一種將化學能轉化為電能的先進發電裝置，是當前最具潛力的氫能應用方式。該系統具有環境友好、振動與噪音小、能量密度高、能量轉換效率高、功率組合靈活等諸多優點[2]。通過將儲存的高壓氫氣供應給固定式燃料電池電站，可以輸出電能，使氫能合理利用。

1 特點

傳統的可再生能源發電系統都存在一定的缺陷，例如單獨的風力發電或太陽能發電，由于受季節和天氣變化的影響，存在發電量不穩定的缺陷。雖然燃料電池技術是氫能應用最具潛力的方向，但是傳統的氫氣制備成本較高，無形中降低了整個燃料電池系統的發電效率[3~4]，陸/湖氫能綜合運用系統結合了風電制氫和燃料電池技術，具有以下優勢：

1）可再生能源的高效儲存

風電機組電解水制氫具有簡單易行、成本低、充放氣快等優點，目前電解水制氫效率可達60%-70%，高壓氣態儲氫壓力可達450 bar以上，這種風電制氫儲氫方式，還可以有效彌補風能發電不穩定的缺陷，平衡風電輸出，有利于風能的廣泛應用。

2）安全可靠、輸送方便、可移動式的氫能應用

通過小型高壓儲氫罐將氫氣儲存起來，作為氫燃料直接安裝在游船、汽車、潛器等移動式運載工具上，通過加氫站對高壓儲氫罐進行補給[5]，與目前汽油應用類似。還可以將高壓儲氫罐通過車輛或輪船進行長距離的輸送，這種輸送方法安全可靠，在技術上已經相當成熟。

3）環境友好、高效低噪的綠色電能應用

燃料電池具有能量轉化效率高、無環境污染物排放、振動和噪聲等級低等特點，被認為是 21 世紀首選的高效潔凈的發電技術。基于以上特點，燃料電池作為發電裝置，將大幅節省燃料費用、減少環境污染，作為游船的動力裝置還能提升舒適度。

4）風能有效利用率高

并網模式的風電機組在風速小時產生的電能不夠，不能并網。風速太大時并網發電機組因為安全問題會進行“自動保護動作”突然脫離電網，造成電網電壓的大幅度下降，影響整個電網的平穩，降低了發電效率。對于風電機組制氫模式，無論風速大小，發電機發出電能能夠完全利用，該種制氫模式相對于并網模式來說是一個更高效的風能利用方法。

5）制氫模式風力發電機組成本低

傳統的并網模式，需要高精度的電能控制設備將風電調整到與電網一致的電壓、周率、波形、相序，還要調整有功和無功功率，達到電網最基本的并網需求，才能夠并入電網。這些大功率的電子調控設備價格極高，又極容易損壞，占到整個機組造價的50%左右。制氫模式風力發電機組發出的風電只需進行最簡單的變壓、整流處理，將電壓通過變壓器調整到所需電壓，交流電整流為直流電即可，成本相對低。

2 技術方案

2.1 工作原理

陸/湖氫能綜合運用系統初始能源來自于風能，利用風力發電技術將風能轉化為電能，通過電解水制氫技術將大部分電能轉化為氫能，并儲存起來；少部分電能以化學能的形式儲存在蓄電池中，可作為系統輔助電源。儲存的氫能通過燃料電池發電技術再次轉化為電能，并用于游船電力推進、輔助用電和陸上路燈照明、生活用電。

具體結構如圖1所示。在氫能部分中，氫源單元消耗水生成氫氣、氧氣（以純氧形式）和熱量，船用和陸上燃料電池發電單元消耗氫氣和氧氣（以空氣形式）生成水和熱量。由于燃料電池氫氧利用率高達99%，所以生成的氫氣和氧氣量與消耗的氫氣和氧氣量近似相等，同樣消耗的水量與生成的水量也近似相等，即氫能部分輸出只有電能和熱量。

2.2 系統組成及參數

陸/湖氫能綜合運用系統主要由發電、氫能與應用三個部分組成，其中氫能部分由氫源、船用燃料電池發電和陸上燃料電池發電三個單元組成。

陸/湖氫能綜合運用系統圖如圖2所示。各部分、單元主要設備、功能及參數如表1所示。

2.3 運行模式及運行參數

陸/湖氫能綜合運用系統運行模式分為風電為蓄電池充電、風電制氫儲氫、氫能發電三個階段。

2.3.1風電為蓄電池充電階段

首先啟動風電機組，產生的電能用于為陸上和船用蓄電池充電，運行參數如表2所示。

由表2可以看出，系統啟動時只需要數小時的充電時間，此后即可獨立運行，自給自足。

2.3.2風電制氫儲氫階段

完成蓄電池充電后，將風電切換到氫源單元開始制氫，并通過陸上蓄電池為氫源增壓等輔助設備供電，重復蓄電池充電和制氫儲氫，直到陸上儲氫罐充滿為止，運行參數如表3所示。

由表3可以看出，風電制氫儲存時間根據風電工況變化而變化，而且根據需要可以通過改變儲氫裝置容量調節。

2.3.3氫能發電階段

停運風電機組，將氫氣分別供應給陸上燃料電池發電單元和船用燃料電池發電單元，產生的電能供應給用電設備。其中陸上蓄電池供應陸上設備輔助用電，船上蓄電池除了供應船上設備輔助用電外，還要配合燃料電池發電機作為游船推進動力。

圖1 陸/湖氫能綜合運用系統結構圖

根據風力情況，可分為無風運行和有風運行。

表2風電為蓄電池充電階段運行參數

1）無風運行

氫能發電階段，蓄電池是制約系統連續運行的瓶頸，可用于蓄電池充電的電能可來自于風電機組或燃料電池電站。因為風電的波動性，用燃料電池電站為蓄電池充電不僅可以保證系統運行的穩定性，還可以有效延長系統運行時間。

表3風電制氫儲氫階段運行參數

項目單位風電機組平均工況風電機組最大工況 風電機組功率kW5001500 制氫速率kg/h927 制氫耗時h190～21060～70 總儲氫量kg16181618

表4 氫能發電（無風運行）階段運行參數

采用燃料電池和蓄電池聯用、船用儲氫罐和陸用儲氫罐聯用的方案，在無風情況下氫能發電階段運行參數如表4所示。

由表4可以看出，在儲氫罐及蓄電池充滿、連續無風的情況下，游船最長運行時間約19天，照明最長運行時間約28天。

2）有風運行

風電機組輸出功率的波動只影響氫氣的產量而不影響制氫設備的工作性能，可根據風速大?。L電功率）調節制氫設備投運數量和充電蓄電池數量，以最大效率的利用風力資源。

陸上儲氫罐壓力低于一定值時，開啟風電機組制氫；船上蓄電池或陸上蓄電池電量低于一定值時，開啟風電機組充電。風電制氫和蓄電池充電交替進行，最后要保證儲氫罐和蓄電池充滿。

在有風的條件下，以一年為時間段，經過計算得到的運行統計參數如表5所示。

由表5可以看出，假設年平均有風時間為97天，可以保證全年每天照明10小時，全年游船出勤率80%。

3 結論

本文介紹了集氫能的制備、儲運、應用于一體的陸/湖氫能綜合運用系統，闡述了該套系統的工作原理和系統組成，并針對具體應用場景給出了主要設備的關鍵參數、系統運行模式和關鍵運行參數，相關的計算和分析對類似的氫能系統具有一定的參考價值。

表5 氫能發電（有風運行）階段運行參數

[1] 翁震平, 謝俊元. 重視海洋開發戰略研究強化海洋裝備創新發展. 海洋開發與管理, 2012.1: 1 - 7.

[2] 衣寶廉. 燃料電池—原理·技術·應用.北京化學工業出版社, 2003:71-78.

[3] M. Suha, Yazici, H. Ayhan, Yavasoglu, M.Eroglu. A mobile off-grid platform powered with photovoltaic/wind/ battery/fuel cell hybrid power systems. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38: 11639-1645.

[4] ?ystein Ulleberg, Torgeir Nakken , Arnaud Ete′. The wind/hydrogen demonstration system at Utsira in Norway: Evaluation of system performance using operational data and updated hydrogen energy system modeling tools. International Journal of Hydrogen Energy 2010, 35: 1841-1852.

[5] 許輝庭. 加氫站用多功能全多層高壓儲氫容器研究 [D]. 杭州: 浙江大學, 2008.

Design of Land/Lake Hybrid Hydrogen Energy Systems Design

Zhou Lei1, Yu Jibing2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Naval Representatives Office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China)

TM911.4

A

1003-4862（2017）12-0039-04

2017-09-15

周蕾（1987-），女，碩士，工程師。研究方向：新能源。E-mail: 19871010carrie@163.com