氫電綜合發電系統的設計與應用

李 佳 王文哲 方苗苗 張鑫茹 馮 振，3

（1.河南工學院材料科學與工程學院，河南 新鄉 453003；2.河南工學院厚德書院，河南 新鄉 453003；3.河南師范大學物理學院，河南 新鄉 453007）

0 引言

在當前全球能源危機的背景下，我國致力于綠色發展、能源技術革新，可再生清潔能源將迎來發展新浪潮。而太陽能作為一種清潔環保且容易獲取的綠色可再生能源，將是未來能源市場的主力軍。

目前，我國大力推行光伏發電，大部分地區尤其是中西部地區已開始廣泛使用。光伏發電是指直接將太陽的光能變成電能的太陽能利用方式。其具有獲取成本低、綠色清潔無污染、使用壽命長等優點。但是，傳統光伏發電方式受天氣影響較大，雨雪天、陰天、霧天等都會影響光伏發電。另外，在電能儲存方面，傳統光伏發電主要為并網利用，遠距離運輸能量損耗大。

筆者研發的氫電綜合發電系統以傳統光伏發電和燃料電池發電為基礎，通過“自產、自存、自用”模式，解決了光伏發電并網運輸成本高、能量輸運過程中的損耗問題，改變了電能存儲方式［1］，使電能存儲成本大幅度降低，產品性價比、可再生能源利用率和供電系統的可靠性提高［2］。

1 氫電綜合發電系統結構

氫電綜合發電系統主要由光伏電池板、電解槽、壓縮機、儲氫罐、燃料電池和逆變器等構成（見圖1）。光伏電池板是整個系統中最基本的組件，也是整個系統的核心部分，其作用是將太陽能轉化為電能。電解槽是整個系統中能量存儲的最關鍵部分，在電能有剩余的情況下，通過電解水反應將多余的電能轉化為化學能，并將能量以氫氣的形式儲存在儲氫罐里。當光伏發電量大于居民用電量時，該部分將開展工作。儲氫罐用于收集氫氣，是該系統中重要的存儲裝置。燃料電池以儲氫罐中的氫氣作為燃料，通過氫氧化學反應，將化學能轉化為電能。當光伏發電量小于用電負荷時（此時電量供不應求），該部分開始工作，滿足用戶用電需求，保證居民正常用電。逆變器用于將直流電轉換成居民可直接使用的交流電。

圖1 氫電綜合發電系統組成結構

2 氫電綜合發電系統的調度流程

受天氣變化的影響，光伏電池板的輸出功率會隨機波動，氫負荷和電負荷也會發生變化。因此，需要根據發電側和供電側的變化情況合理調節氫電綜合發電系統運行狀態（通過互聯網監控、監測及遠程控制），保證氫電綜合發電系統的穩定性，同時提高太陽能利用率。

根據天氣情況、氫負荷與電負荷的變化情況，氫電綜合發電系統主要有以下4種工作狀態：有光、無氫負荷、有電負荷時，光伏發電量大于等于居民用電量，則電解槽工作，產生氫氣并儲存在儲氫罐中；有光、有氫負荷、有電負荷時，光伏發電量小于居民用電量，光伏發電量滿足不了居民的用電需求，需要燃料電池工作消耗氫氣產生電能來供給部分電量；無光、有氫負荷、有電負荷時，光伏電池板停止工作，居民用電全部依靠燃料電池消耗氫氣產生電能來供給；無光、無氫負荷、無電負荷時，此時整個系統停止工作［3］。氫電綜合發電系統的調度流程具體如圖2所示。

圖2 氫電綜合發電系統調度流程

3 氫電綜合發電系統的應用實例

3.1 農村居民生活用電應用

隨著生活水平的不斷提升，農村居民購買家電的數量和使用次數大大增加，導致農村居民每個月的用電量提高許多。尤其是夏季天氣炎熱，空調和冰箱的使用使得農村居民每個月的用電量急劇增加。而用電量的大幅上升不僅導致電費成本增加，而且造成大部分農村地區夏季供電不足，時常出現停電現象。而將氫電綜合發電系統應用在農村居民家中可減少該情況的發生。

筆者研發的氫電綜合發電系統在農村居民家中的應用機制如圖3所示，利用光伏電池板將太陽能轉化為電能。當光照充足時，光伏電池板獲得的電能一部分直接經過小型光儲一體機、小型儲能變流器、重要負載等，將直流電轉化為可供居民使用的交流電；另一部分通過電解槽電解水轉化為化學能，獲取氫氣并通過壓縮機將氫氣儲存到氫氣罐中。當光照不足時，以氫氣為燃料，經過氫氧燃料電池把化學能變成電能，再經過逆變器把直流電變成交流電，以保證農村居民正常用電需求。

與傳統的農村居民用電模式相比，應用氫電綜合發電系統有以下優勢：①節省電費，減輕高額電費帶給農村居民造成的經濟負擔，降低農村居民的生活成本，提升農村居民的幸福感；②對農村居民來說，可以將此系統安裝在屋頂上，如圖3所示，大大縮短供電所需要的時間，提高輸電效率；③減少夏季農村因供電不足而導致的停電現象，解決長期以來農村夏季用電供不應求的問題，提高農村居民的生活質量；④該供電模式較為清潔，而且能源利用效率高，可降低環境污染，符合我國綠色發展理念。

圖3 氫電綜合發電系統家用安裝結構

3.2 溫室大棚種植應用

隨著多項扶持政策的出臺，越來越多的鄉村地區通過發展溫室大棚種植業，來發展當地經濟及滿足人們的需求。但是，建設溫室大棚前期投入成本較高，后期管理比較復雜。農戶往往因對溫室大棚內的溫度、濕度、光照等控制不到位，如溫度過高導致病害嚴重發生，溫度過低造成作物生長緩慢，結果種植成效不理想，進而影響農戶的生產積極性。將氫電綜合發電系統應用在溫室和大棚中，可保證供電充足，使大棚內各個自動化系統均能正常運轉，可以有效改善上述情況。

以火龍果大棚種植為例，氫電綜合發電系統在其中的應用如圖4所示。氫電綜合發電系統產生的電能具體可用于以下方面：①土壤溫濕度檢測傳感器與土壤氮磷鉀檢測傳感器檢測發現土壤濕度與肥力不足時，氫電綜合發電系統產生的電能可以保障水肥一體機的自動灌溉系統正常運轉，為火龍果生長提供所需的水分與營養；②當溫度監控儀檢測發現大棚內溫度不足時，氫電綜合發電系統產生的電能可以保障溫度調節系統正常運轉，調節室溫，以維持火龍果生長所需溫度；③空氣濕度監控儀檢測發現棚內空氣濕度較高時，氫電綜合發電系統產生的電能可以保障通風系統正常運轉，調節大棚內的濕度；④光強監控儀發現棚內光照不足時，氫電綜合發電系統產生的電能可以保障光強調節系統正常運轉，為火龍果生長提供充足的光照［4］。

圖4 氫電綜合發電系統在火龍果大棚種植中的應用

與傳統的溫室和大棚種植相比，應用氫電綜合發電系統的溫室和大棚種植具有以下優勢：①節省電費，降低種植成本；②有助于調控溫室和大棚內溫度、濕度、光照、水肥等條件，為火龍果的生長提供良好的環境，使得成熟的火龍果外觀更美觀、味道更甜，大大提高火龍果的產量和質量，同時提高農戶的收入；③可以作為附近中小學校社會活動實踐點，開發建設生態園區，將現代化科技和產業多樣化形式展現給當地學生、教師及家長等，并講解相關原理和知識，增強人們的科技意識，提高人們的科技素質。

3.3 畜牧業生產應用

目前，我國畜牧業發展面臨著巨大挑戰：①畜禽養殖環保標準有所提高，養殖行業資本門檻不斷提高，散養農戶利潤較以往下降了很多；②畜禽糞便污染、養殖環境不達標、動物疫病防控難度大、糞污處理成本高、資源浪費嚴重等問題直接影響畜牧業健康發展。隨著國家加強環境污染治理，部分處于禁養區或者生態敏感地區的養殖場已相繼關停。因此，養殖場做好環境治理工作至關重要［5］。而將氫電綜合發電系統應用在畜牧業生產中，可減少養殖環境不達標、糞污處理成本高、資源浪費嚴重等問題的發生。

以養豬業為例，氫電綜合發電系統在其發展中的應用如圖5所示。氫電綜合發電系統產生的電能，一是可以用于自動清洗設備，使豬舍環境保持干凈；二是可以通過溫變監控儀用于通風系統，及時給豬舍通風、降溫；三是可以用于飼喂系統；四是可以用于糞便干濕分離機，使糞便干濕分離，濕糞便可運入沼氣池產生沼氣供家庭使用，干糞便可作為肥料用于農作物種植。

圖5 氫電綜合發電系統在養殖業中的應用

與傳統的畜牧業相比，應用氫電綜合發電系統具有以下優勢：①減少高額的電費，節約勞動力，使養殖成本大大降低；②使養殖環境更加干凈、衛生，降低畜禽死亡率；③通過糞便干濕分離機，使得糞便干濕分離，減輕環境污染，同時提高資源利用率；④可發揮示范帶頭作用，提高養殖生產率，推動養殖業結構調整，帶動農民發家致富。

4 結語

筆者研發的氫電綜合發電系統應用范圍較廣，在各種光照條件下均可使用，光能利用效率高，而且在任何條件下都能持續性供電，具有較好的應用前景。氫電綜合發電系統的研究與應用可滿足農村居民生活、生產用電需求，符合我國綠色發展理念，規模開發應用后可推進我國“雙碳”目標的實現。