基于Trnsys的PV_T-燃料电池热电联供系统仿真模拟.pdf

问题探讨85NO.08 2023节能 ENERGY CONSERVATION基于Trnsys的PV/T-燃料电池热电联供系统仿真模拟王彪 于靓*（沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110000）摘要：多能互补耦合系统是未来能源供应的主要形式，其核心在于因地制宜地组合不同的可再生能源，使得各种能源间优劣互补、相辅相成。基于Trnsys软件对沈阳市某居住建筑进行数值模拟，构建由太阳能、氢燃料电池组成的热电联供系统，全年保证居住建筑的能源需求。在此基础上，针对系统运行可行性与稳定性进行研究。结果表明：在燃料电池间接运行的模式下，PV/T-燃料电池热电联供系统可以满足建筑供电与生活热水的自给自足，且系统运行稳定。关键词：PV/T-燃料电池；热电联供系统；氢光互补中图分类号：TM911.4 文献标识码：B 文章编号：1004-7948（2023）08-0085-03 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.023引言2020年9月22日，在第七十五届联合国大会上我国提出碳达峰碳中和目标。2021年，第十三届全国人民代表大会与中国人民政治协商会议提出，风电、太阳能、氢能等可再生能源发展将全面提速，“新能源+储能”模式将成为可再生能源大规模发展的重要方向。其中，氢能在解决能源危机方面得到广泛与高度关注。“十二五”期间，由科技部牵头发布了氢能相关政策规划；2016年，能源技术革命创新行动计划（20162030年）的提出标志着氢能产业已被纳入我国国家能源战略1；2016年10月，中国氢能产业基础设施发展蓝皮书提出我国氢能产业基础设施的发展路线图2。在氢能利用方面，氢燃料电池因具有能量转换率高、密度大、安静且不受环境污染等特征而备受重视，可以为建筑热电联供提供支撑。Santarelli3等利用不同能源与氢结合进行实验，结果表明，风能联合氢最不稳定，水能其次，太阳能联合氢的稳定性最高。Nelson4等建立风能、光伏、燃料电池发电系统，采用燃料电池、电解槽与储氢罐作为储能系统，与采用蓄电池的系统进行比较，该系统在能效和环保方面具有较大优势。张敬5等基于Matlab/Simulink软件平台建立燃料电池热电联供系统仿真模型，系统满足了家庭的日常用能需求，提高了能源的利用率。基于Trnsys瞬时仿真平台，对沈阳市某居住建筑设计搭建的PV/T-燃料电池热电联供系统进行模拟。结合系统运行策略，研究系统整年运行下的可行性和稳定性。1建筑概况以沈阳市某别墅类居住建筑为研究对象，建筑用地总面积150 m2。在零碳排放理念的基础上，文中采用氢-光互补建筑一体化研究方案，利用DeST软件对示例建筑的全年建筑逐时负荷进行数值仿真模拟，对其围护结构进行节能设计。围护结构热物性参数设定值依据严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准（JGJ 262018）确定。沈阳地区某居住建筑建筑参数如表1所示。2逐时建筑负荷仿真模拟文中采用DeST软件构建模型。仿真模拟过程先确定计算方法、地理位置、坐标轴等基本情况；然后进行建模，包括基本围护结构的构建（外墙、内墙、地板、外窗、屋顶等）；最后根据当地典型气象年逐时数据，进行全年8 760 h动态能耗及产能模拟。通过计算全年建筑逐时负荷可知，建筑全年供暖总能耗达47 026.82 kWh，全年制冷总能耗达1 654.6 kWh。其中，建筑瞬时冷负荷最高值为18.2 kW，出现在夏季表1沈阳地区某居住建筑建筑参数围护结构外墙地面外窗屋面结构组成基层墙体+保温隔热层+防护层+饰面层砂浆+混凝土真空镀膜复合中空玻璃（low-E）+0.1+3+9+6面层+保温层+防水层+结构层厚度/mm40012030600传热系数/W/(m2 K)0.300.231.600.20作者简介：王彪（1998），男，硕士，研究方向为氢燃料电池热管理技术、建筑热电联供技术等。通信作者：于靓（1976），女，博士，教授，研究方向为绿色生态建筑技术、可持续健康建筑技术等。收稿日期：2022-11-18引用本文：王彪，于靓.基于Trnsys的PV/T-燃料电池热电联供系统仿真模拟 J.节能，2023，42（8）：85-87.问题探讨86节能 ENERGY CONSERVATIONNO.08 20238月1日；瞬时热负荷最高值为50.2 kW，出现在冬季1月13日。供暖季平均热负荷为32.9 kW，制冷季平均冷负荷为19.6 kW。在严寒寒冷地区，因季节性、环境、气候等限制条件具有不确定因素影响，太阳能不能单独作为能源以满足建筑用能需求。晚上太阳辐射低甚至没有太阳辐射时，居民生活仍需用电；早上、中午、晚上3个用电高峰期，太阳光伏板产生的电量低于居民所需。因此，文中将太阳能光伏系统结合氢燃料电池和储氢系统并配合储热水箱，构建PV/T-燃料电池热电联供系统，从而实现建筑能源自给自足。3热电联产系统模型针对沈阳某居住建筑的用能需求，利用Trnsys软件建立PV/T-燃料电池热电联供系统模型。该模型以太阳能为主体，辅助燃料电池以增强系统的可靠性，实现建筑零碳排放。PV/T-燃料电池热电联供系统利用供电系统和供热系统完成对用户的供能，通过结合太阳能光伏板、氢燃料电池完成对用户全年的供电。供电系统设备包括光伏光热一体化组件(PV/T)、DCAC转换器、电解槽、储气罐、燃料电池。太阳辐照强度充足时，光伏板产生的电能先供给电用户，多余电能被输送给电解槽，用于电解水产生氢气和氧气，两种气体被储存在储气罐中；太阳辐照强度不足时，氢气与氧气经过燃料电池反应产电，供给电用户使用。供热系统设备主要包括PV/T集热器、燃料电池、换热器、散热器、储热水箱、空气源热泵。水箱中的水吸收来自光伏组件和电堆循环冷却水的热量，用以制备生活热水和辅助冬季供暖。将各个组件与建筑在Trnsys仿真模拟软件平台上进行连接，导入各模块设计参数，实现对整个系统的全年瞬时模拟，并对逐时数据进行详细分析。3.1氢燃料电池选择氢燃料电池主要有质子交换膜电池(PEFC)和固体氧化物电池(SOFC)，PEFC和SOFC的性能比较如表2所示。PEFC燃料电池主要由双极板和膜电极组成。在化合反应产热过程中，双极板承担导电、导热、传质等作用，其中阳极发生氧化反应，氢气分解成质子和电子；阴极的氧气与来自阳极的H+和电子反应，发生还原反应，化合生成水，同时生成大量热；电池中的质子交换膜将分离后的氢离子由阳极运送至阴极，而分离后的电子从外电路由阳极移动至阴极，起到运输的作用。SOFC 可以分为两类，分别为基于氧离子导体的SOFC和基于质子导体的SOFC，主要由双极板和电解质组成。氢在阴极发生氧化反应，氧化剂被还原生成氧负离子，在电解质中运动到阳极，与燃料反应生成H2O和CO2，从而形成带电离子的定向流动。北方对热能的需求较高，南方对电能的需求较高。结合质子交换膜燃料电池(PEMFC)的高热能输出与SOFC高电力输出优势，南方可以采用SOFC热电联供系统，北方可以采用PEMFC热电联供系统6。3.2弃电电解水模型制氢技术包括化石燃料制氢、化工副产物提取氢、生物甲醇甲烷制氢、利用自然能（太阳能、风能）电解水制氢74种技术路线。不同方式的成本存在较大差异，化石能源制氢技术因产量大、价格较低得到广泛使用。采用天然气制氢存在碳排放量较大、成本波动较大等缺点，采用可再生能源弃电电解制氢可以降低制氢成本和碳排放，减少环境污染。光伏板转化电能的剩余能量被用于电解水制氢，电解槽中水电解过程中，电极间有电流经过，将水分解成O2和H2。H2OH2+12O2(1)电解槽电解能耗EEL为：EEL=mH2EH2EL(2)式中：EEL电解槽电解能耗，kWh；mH2氢量，kg；EH2氢的能量值，取39.44 kWh/kg；EL电解槽效率，%。重组氢和氧气进行产电产热的过程为：2H2+O22H2O+电+热(3)计算过程使用燃料电池的能源生产数学模型。燃料电池的发电效率为产生电能与引入氢能的比值。FC=EFCEH2(4)式中：FC燃料电池效率，%；EFC燃料电池产电量，kWh；EH2氢能，kWh。3.3系统控制策略的确定热电联供系统主要有两种基本控制策略：电负荷跟随策略和热负荷跟随策略8。文中以电能为优先级能源，采用电负荷跟随策略。原因是电能作为高品质的能量，在系统热负载不足时，可以随时转化为热能以补充热负载需求缺额；相反，热能不能随意转换成电能以满足电力负载缺额。电能存储的成本和复杂度均比热能存储高得多。因此，燃料电池热电联供系统采用电负荷跟随策表2PEFC和SOFC的性能比较项目额定发电功率/kW发电输出功率/W额定发电效率/%发电单元重量/kg额定热回收效率/%工作温度/燃料电池容量/L标准价格/万元PEFC-CGS120075035409056.06020010.1SOFC-CGS15070045609443.570020013.9问题探讨87NO.08 2023节能 ENERGY CONSERVATION略，在确保电堆输出电功率满足电负荷的条件下，利用保温水箱对热能进行调控，解决部分热力负载，并同辅助热力系统共同满足全部热负载。4结果与分析PVT集热器中的冷却水直接与水箱热水进行热量交换，降低背板温度的同时能够提高组件的光电转化效率，并将热量贮存在水箱中。燃料电池冷却水的热量经过换热器与水箱储存水进行间接换热，在保证电堆温度稳定的同时获得了具有利用价值的高温热水。全年逐时水箱温度与自来水温度如图1所示。全年水箱平均温度为 43.44，全年自来水平均温度为11.92，系统水温提高31.52，系统有效地利用了光伏和燃料电池的余热，提高了水箱自来水的温度。全年累计氢气产量与储气罐压力水平如图2所示。系统全年累计氢气产量为5 450.6 m3，全年累计氢气消耗量为5 320.4 m3。4月10月，太阳能发电量充足且建筑能耗较低，太阳能整体发电量大于建筑消耗量，多余电量用于电解制氢，储气罐内气体压力逐步升高。11月次年3月，冬季太阳能发电量受季节气候等影响，发电量下降，此时用于建筑采暖的能耗很高，太阳能发电量不足以供给建筑消耗，燃料电池启动时间长，消耗氢气量大，气体压力下降且消耗较快。5结语基于TRNSYS瞬时仿真平台，利用DeST软件对沈阳市某居住建筑搭建的PV/T-燃料电池热电联供系统进行模拟，得出以下结论：在严寒寒冷地区，太阳能不能单独作为能源供给满足建筑用能需求。根据仿真模拟计算的建筑全年能耗需求，结合建筑本身特性，在太阳能光伏系统中加入氢燃料电池、电解槽和储氢系统，组成PV/T-燃料电池热电联供系统，从而实现净零能耗建筑设计。对常规热电联供系统的控制策略进行对比，确定电跟随策略更适合本研究的居住建筑，在确保电堆输出电功率满足电负荷的条件下，利用保温水箱对热能进行调控，解决部分热力负载，同时辅助热力系统共同满足全部热负载。文中建立的多能源耦合系统可以在保证建筑用电的前提下，充分利用太阳能集热器和燃料电池产生的热量，将自来水的温度提升到生活热水的温度水平。系统全年运行稳定，储气罐压力水平稳定，系统具有良好的可靠性。参考文献1 国家能源局.国家发展改革委 国家能源局关于印发 能源技术革命创新行动计划（20162030年）的通知：发改能源2016513号EB/OL.(2016-04-07)http:/ 中国标准化研究所,全国氢能标准化技术委员会.中国氢能产业基础设施发展蓝皮书 M.北京：中国标准出版社，2016.3 Santarelli M，Cal M，Macagno S.Design and analysis of stand-alone hydrogen energy systems with different renewable sources J.International Journal of Hydrogen Energy，2004，29（15）：1571-1586.4 Nelson D B，Nehrir M H，Wang C.Unit sizing and cost analysis of stand-alone hybrid wind/PV/fuel cell power generation systemsJ.Renewable Energy，2005，31（10）：1641-1656.5 张敬，卢雁，李圣，等.基于模糊PID控制的家用燃料电池热电联供系统建模与仿真 J.储能科学与技术，2021，10（3）：1117-1126.6 于蓬，魏添，王健，等.氢燃料电池热电联供系统的关键问题研究 J.农业装备与车辆工程，2020，58（8）：22-27，31.7 王东军，姜伟，赵仲阳，等.国内外工业化制氢技术的研究进展 J.工业催化，2018，26（5）：26-30.8 Wallmark C，Alvfors P.Design of stationary PEFC system configurations to meet heat and power demandsJ.Journal of Power Sources，2002，106（1/2）：83-92.图1全年逐时水箱温度与自来水温度（a）累计氢气产量与耗量（b）储气罐压力水平随时间变化的结果图2全年累计氢气产量与储气罐压力水平