風光儲氫一體化可再生系統設計與實現

中國能源建設集團科技發展有限公司 蔣星堅

1 引言

在當今社會，能源安全、環境污染和氣候變化等問題已成為全球性挑戰。在這一背景下，可再生能源的開發和利用成為解決方案的重要組成部分。風光儲氫一體化系統作為一種創新的能源轉化和儲存方式，具有顯著的潛力，不僅能夠滿足能源需求，還能降低對傳統能源的依賴，減少對環境的負面影響。基于此，本研究通過深入探討風光儲氫一體化可再生系統的設計，旨在為發展更為可持續的能源系統提供新的思路和方向。

2 風光儲氫一體化可再生系統建設背景

隨著社會經濟的發展和全球氣候的變化，石油等不可再生能源利用的降低，使低碳綠色新能源迎來了重要發展時期。目前，我國風電、光伏和氫能等清潔能源發展不斷提速，在能源市場的占比也越來越大。在新能源市場中，風能、太陽能作為一種取材方便、經濟實惠的清潔資源，一直備受電力單位的關注，風光儲氫發電技術也逐漸發展起來[1]。當前，我國在全力發展風光儲氫發電技術的進程中，隨著氫能產業發展成熟，風、光等可再生能源與氫能、儲能融合發展的創新技術將不斷涌現，推動風、光、儲、氫“同行”時代到來。

不同于傳統的風光新能源供電模式，本文所研究的系統，將電解水制氫氣作為風、光等可再生資源發電的儲能單位，充分利用風、光等資源的同時，降低對市電的依賴，儲氫模塊的增設進一步減小了風電、光伏波動造成的不穩定因素。此外，該系統的研發和應用，符合國家對低碳生活的相關要求，響應了國家低碳環保的要求，提高了企業的創新度和經濟效益，保障了用戶的安全可靠用電。在風光等可再生資源發電水平不斷提升的基礎上，研究如何減小電解水制氫的生產成本，提升發電企業整體利潤是未來發展的一個新方向。

3 風光儲氫一體化可再生系統設計理論

3.1 太陽能發電技術

太陽能發電又稱光伏發電，主要通過光伏電池進行太陽能與電能的轉換，光伏電池采用串聯或并聯方式，以一定的角度在光伏支架上進行設計安裝，組成光伏陣列，盡可能地吸收太陽量，并將太陽量轉化為直流電，經匯流箱后進入逆變器，在逆變器中逆變為交流電后，輸送到主電網中。但受晝夜光照影響，存在光伏出力不穩定、發電有間歇性現象。

3.2 風能發電技術

與太陽能發電技術相似，風能發電技術是另一種重要的可再生能源形式。風能發電主要依賴風力驅動風力發電機，利用自然界風能，先將其轉換為機械能，最終轉變成電能。風力發電機通常安裝在高大的風力發電塔上，以便更好地捕捉高空中的風能。風力發電的方式，風能被有效地轉化為電力，從而為電力系統提供清潔能源。風力資源取材較為方便，是一種可以長期反復利用的能源。然而，風能與太陽能類似，受季節、氣候及地理位置等因素的影響，風能發電也存在一定的波動性。風速的變化導致風力發電機輸出電力的不穩定性，影響整個電力系統的平穩運行，故需要根據風力大小及刮風時間對發電系統進行適當合理的控制。因此，在風能發電技術中，如何應對風速波動、提高風力發電機的效率以及解決發電的間歇性問題，成為需要深入研究和解決的關鍵問題。

3.3 風光儲氫聯合發電技術

風光儲氫聯合發電單元一般包括風力發電模塊、光伏太陽能發電模塊及制氫儲能模塊等。首先，利用風能、太陽能可以實現能源互補，充分利用等優勢。在炎熱的夏季，太陽光輻射強導致光伏的發電出力較高，但風力強度較弱導致風電機組的出力小。相反，在嚴寒的冬季，太陽輻射弱導致光伏的發電出力較小，風力強度較大導致風電機組的發電出力大。從每日看，白天日照強、風力較小，故光伏發電比風機的發電出力多；而在晚上沒有日照、風力較大，故夜晚只有風機發電。在科學合理調配風能、太陽能發電容量的前提下，可以很大程度上降低風光綜合發電的波動性。其次，為克服光伏發電和風力發電的不穩定性，引入儲能手段可以解決這個問題。氫能作為一種清潔安全、靈活高效的二次能源，是一種綠色高效的能源儲存和流通載體，既可以形成獨立供應和應用體系，又能夠與電相互轉換、耦合發展，并能夠在電網、熱網、氣網之間形成有效的協同互補，增強能源系統的安全性。總之，儲氫技術的應用有助于解決風能和太陽能發電的間歇性問題，使得系統能夠在需要時釋放儲存的能量，從而提高整體的能源利用效率。同時，儲氫技術也為系統提供了一種靈活的能量儲備手段，能夠應對電力需求的波動性[2]。

4 風光儲氫一體化可再生系統設計

4.1 系統設計

以風光儲氫一體化為基礎理念，對光伏發電、風力發電、儲能、制氫等進行綜合調配，使各項資源得到充分利用，不斷優化風光儲氫的一體化生產和能源可再生利用方式，提升系統運行水平，其工作原理如圖1所示。

圖1 風光儲氫一體化可再生系統工作原理

該系統的主要特征為：在一體化可再生系統設計過程中，加入了儲能制氫模塊，基于對系統供電情況動態監測數據，實時判別風光等可再生資源的發電條件，精準控制系統供電的優先級，有效克服風能、太陽能等發電過程中出現的波動性、間歇性等問題，保證可再生系統輸出功率的平穩性，一定程度上降低了風光等可再生能源供電不穩定對整個電網運行造成影響。

由圖1可知，當外界風力充足情況下并且風機發電時，通過交直流轉換裝置后進行轉換，然后經UPS 逆變器后供給項目自身的局域電網中負載使用，剩余電量可以并入大配電網，也可以提供給制氫設備進行電解水制氫，將多余電量進行存儲。當外界太陽輻射充足情況下，通過屋頂光伏矩陣中的光伏電池，充分吸收太陽量，并將太陽量置換為直流電，經交直流轉換裝置后流入UPS 逆變器，供給項目自身的局域電網中負載使用，剩余電量途徑與風力充足時供電流程一致，在風力及光伏發電不給力時，儲能模塊會開始啟用，輸出的電能經過交直流逆變器后，可以實現與電網的雙向互通，保證系統可以正常工作[3]。

制氫設備中的儲氫模塊可以由氫燃料電池充當。一般情況下，電解水制氫可以依據外界風力及太陽能輻射發電的出力狀況動態進行相應的調整。風光發電出力變化率較高時，可以借助儲能及制氫設備起到一定的平衡效果。風光發電出力滿足制氫設備電解水制氫最低負荷時，制氫設備的負荷跟隨風光發電出力情況實時變動調節，利用儲能系統充放電完善電網削峰填谷的能力，保證輸出功率的穩定性。風光發電出力未滿足電解水制氫設備工作的最低負荷時，倘若殘存的氫氣能夠滿足自身合成氨的流程，則制氫系統繼續運行，否則，制氫系統暫停。

該風光儲制氫系統的工作控制邏輯關系如圖2所示，主要有自動發電控制、綜合智能控制、自動電壓控制等，以生產儲能及輸出功率控制為重心，通過對風電機組、光伏輸出功率的預估，聯合儲能模塊，實現功率穩定輸出的目的。系統采用SCADA技術[4]，分析歷史數據，結合氣象資料對功率進行預測，根據負荷需求制定次日生產計劃，實時控制光伏、風機、儲能設備的運行模式，保證系統功率曲線平滑穩定。其中，綜合智能控制系統作為核心控制單元，可以全天24h 實時采集數據，動態監測系統電量的分配狀態，根據外界風力、太陽能、氫能等條件時刻控制不同供電模塊工作的優先級順序，若發現異常情況，迅速上傳到通信網絡，經過計算機處理，及時診斷出系統存在的潛在隱患并進行報警，為設備檢修提供有力支撐，有效保證后期系統的供電質量。

圖2 風光儲氫一體化系統控制邏輯

該系統主要是實現對整個風電等可再生資源發電輸出功率曲線的優化，減少不穩定因素對總電網運行所造成的不良影響。在儲氫制氫模塊的搭配使用下，可以充分提高配電網對風能、太陽能的吸收和接納能力，配合能量存儲系統的科學調節負荷分布功能，進一步完善電網削峰填谷的能力，有效緩解風能、太陽能由于氣候和天氣對發電系統造成的供電出力間歇性、不連續性，提升居民用電體驗。

4.2 系統應用及相關配置

以小規模用電基站應用場景為例，為充分利用風能與太陽能資源提供電源給制氫設備進行電解水制氫。在滿足生產安全的前提下，結合投資成本、機組效率與使用情況等多種因素進行綜合衡量，可以在基站的廠房屋頂配置光伏太陽能發電裝置，并搭配相應規格的制氫設備，常見系統應用配置見表1[5]，倘若是0.3～0.6kW 的小規模用電基站，優先使用風力、太陽能光伏供電，配置的儲備氫能瓶一般為5～15個，數量相對較少；倘若是1.5～3kW 的功率較大的用電基站，對系統供電的安全可靠性要求較高，必須科學提高新能源系統儲氫單元、風電控制器、太陽能光伏控制器以及儲氫瓶數量，以便更好地實現對基站供電。經試驗，該系統每年生產的氫氣純度符合國家氫氣生產行業標準，滿足相關企業的使用要求，從根本上保證電能輸出的連續穩定，具有較高的應用價值。該系統新增了儲能制氫的環節，克服了傳統風力發電輸出電能不穩定的缺點，保證發電系統功率輸出平穩無沖擊，有效增強電力網絡運行的安全可靠性。

表1 常見系統應用配置

5 結語

本文從風光儲氫技術融合應用背景入手，介紹了風光儲氫一體化可再生系統的設計理論，設計了風光儲氫一體化可再生系統，包含風力充足情況下的風機供電、太陽輻射充足情況下的光伏供電以及制氫模塊制氫等，根本上保證風光儲氫發電設備的安全平穩運行，為風光儲氫發電一體化技術提供參考。本文的成果不僅有望推動可再生能源技術的發展，還為解決全球能源與環境問題提供了實際可行的方案。在未來的研究中，將繼續關注該領域的創新，并致力于進一步改進和優化風光儲氫一體化系統，以實現更為可持續的能源未來。