风氢耦合发电技术研究综述

风氢耦合发电技术研究综述

陈晨

山东电力工程咨询院有限公司 山东济南 250013

摘要：关对于电力工行业的发展，能源效率将进一步提高，促进可持续能源生产。在一些发达国家，风氢耦合发电是处理风电上网“瓶颈”问题的重要工具。该控制系统调节风电上网与制氢电量的比例，最大限度地利用风电弃风电量，对缓解风电上网“瓶颈”缓解其规模化。，制氢和副氧是利用弃风电量电解水，通过将氢储存在压力容器来提高氢的储存密度。氢可以作为多功能、高密度、清洁的能源，反馈电网，以提高风电场的电能质量，也可以作为燃气管道、金属、化学品等行业和行业的能源载体。同时，风氢耦合系统将对推进汽车氢燃料电池的快速发展至关重要。

关键词：风氢耦合；风力发电；制氢；风电消纳；储能

风电迅速发展及消纳问题面临着一系列挑战。风能的特点、风电场的地理分布和电网的传输能力引起了风电消纳的不同问题。风电输出具有间歇性、随机和模糊的性质，对系统性能调节提出了很高的要求，成为制约电网消纳的主要因素。根据我国情况，风电场建设规模较大，负荷中心远离。受限的是风电送出。辅助电网的建设与快速发展的风电场相比相对滞后，因此实际输电能力低于风电场。

一、慨况

随着人类社会的迅速增长，清洁高效的可再生能源是个值得关注的问题。风能是可再生能源的主导形式，由于其迅速而大规模的发展，使电网的消纳变得更加困难。为了进一步扩大风能，必须解决两个主要问题:(1)随机性、间歇性和不规律风资源使其风电电能品质差，对电网冲击较大的是高渗透率，在许多情况下难以放弃风能。（2）传统的电化学、电磁能量合理存储技术已不再针对与大容量和未来的绿色能源而设计已不再合适，导致且运营成本高。风电上网问题是合理能量存储是的解决的方法，储能如抽水蓄能和压缩空气是解决技术方案，。但其实施取决于充足的水、合理的地形、一些化石燃料等具体条件；电化学蓄电池是使用替代使用的办法，但铅酸、镍氢、锉离子和全钒氧化还原液流电池在短期内成本和技术成熟度是有限的。其他能源储存方法，例如飞轮储能因效率低和容量小而难以用于大型项目应用。氢是能源密度高、容量大、寿命长、储存和传输方便的清洁能源，是综合、面向发展的风能利用和储存的最佳解决方案之一。风能通过水电解产生氢并储存能源，不仅可以利用使清洁高能燃料的氢作为媒介清洁高能燃料可以被使风能引入现有的电网，而且还可以实现电力向燃气的补充转换。特别是，由于从风能产生燃料电池这样的能源电池，又快速又清洁、高效的技术正被转化为燃料电池汽车，并因此创造出绿色汽车。

二、风氢耦合发电的结构与特点

1.结构。图1显示了可再生能源实验室NRELD的win d2h 2方案发电系统中提议的风氢耦合电场的基本结构。图1包括清洁风力发电、水电解制氢、压力储氢、燃料电池（FC）或氢内燃机（H2ice）、氢传输和应用。通过控制系统调整风电压力储氢和制氢比例，最大限度地吸收风电的弃风能，风电上网“瓶颈”得到缓解，产生弃风电量电解水制氢和副氧，压力储氢增加了氢的储水存密度。氢作为多功能、高密度和清洁能源，不仅可以通过FC或H2ice向电网供电，提高电网的风电质量，同时还可以通过汽车或管道进入工业领域，如管道、冶金等，风氢耦合系统将大大加速燃料电池汽车工业的发展。

图１风氢耦合发电基本结构示意图

2. 风氢耦合发电作用。(1)电解槽分类和特性。电解槽是利用直流电极将水电解为氢和氧的设备，共有三个典类型:电解槽碱式、ＰＭＥ式、高温固态氧化物。表1显示了不同类型的数据参数。压力存储效率下降了5%。常规电解槽产生的氢是稳定的，而风氢耦合发电系统具有间歇和随机特性。因此，电解槽必须有安全、可靠、高效的制氢生产。今天碱式和质子交换膜药(PME)通常用于风电制氢系统，因为它们在间歇波动性功率、大压力、电流密度和低压工艺电解槽是稳定的。

表１电解槽的特性参数

（2）储氢氢程序和特性。氢作为能源载体取代了传统的储能方法，是一种新的、充满前途的储能形式。氢可以在以压缩气体形式储存，也可以以、低温液态形式储存，或者以(金属氢化物、碳纤维等)和固体氢化物、碳的形式储存 (甲醇、氨等)。其中压缩气态氢是存储氢的首选。压缩气态损失较低储氢能量，转换效率较高；低温下活性炭的作用也非常高效率。储氢系统存在启动时滞，当时滞时间超过燃料电池启动时间时，电池容量会需要增加，动态响应时间的氢存储系统的动态响应时间也会缩短。如何经济运行对整个系统至关重要。（3）FC分类和特性。燃料电池分为高温和低温。低温燃料电池在风氢耦合发电使用，因为它们可以灵活地打开和关闭，并且间歇性处于的运行状态有广泛应用。但是，燃料电池通常具有响应时间、风能负荷和瞬时功率变化等特性。因此，它们必须与超级容量、飞轮和电池储能结合使用，电能才能实现高能效质量。

三、展望

1.间歇制氢技术方面，基本由于电解槽反应缓慢，从而限制了制氢设备的功率波动。如果上述问题在技术上可以解决，风氢耦合会有较更大多的应用要求。

2. 高密度大容量储氢技术。最常见的储氢方法是压缩式，但是，随着发展技术和降低成本，液体氢的储存、金属氢的储存和碳氢化合物的储存风氢耦合发电逐渐开始应用。

3.智能控制和优化运行，智能协调和优化风能、电解槽、储氢、燃料电池和电网的需求控制，不仅有助于提高风能利用的质量和能力，而且有助于提高电网的消纳能力。

4.制氢和电网之间的作用机理。分析了运行特性的制氢装置，提出了提高风电场暂态电压的新措施，制定附加阻尼合理策略，有效提高风氢耦合场供电系统的功耗；以及接入微网的储能分散式。

以上分析表明，风氢耦合是解决制氢储能风电上网“瓶颈”问题的一种途径。风氢耦合发电引起专家的关注。虽然在实践中仍然存在许多问题，但毫无疑问，风氢耦合技术具有巨大的增长潜力。巩固和改进风氢耦合工业系统的发展，通过分析风氢耦合系统的能源技术经济等的合理性，促进风氢一体化发展，可以满足绿色能源的发展需求。

参考文献：

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