光伏储热储氢综合能源系统设计与研究_张颖.pdf

第 4 卷 第 1 期2023 年 8 月新能源科技New第 4 卷 第 1 期2023 年 8 月新能源科技New EnergyEnergy TechnologyVol.4,No.1August,2023TechnologyVol.4,No.1August,2023 基金项目:2022 年江苏省高等学校大学生创新创业训练计划(202211641081Y)。作者简介:张颖(2002),女,江苏徐州人,本科生;研究方向:新能源科学与工程。通信作者:黄增光(1980),男,山东日照人,教授,博士;研究方向:新能源材料与器件。光伏储热储氢综合能源系统设计与研究张 颖1,杨刘元1,王浩翔1,刘祖英1,宋晓敏1,徐 蒙2,黄增光1(1.江苏海洋大学 理学院,江苏 连云港 222005;2.四季沐歌科技集团有限公司,江苏 连云港 222000)摘要:在国家“双碳”目标战略背景下,光伏发电因其绿色、环保、低碳、无污染等特点成为我国碳中和目标实现过程中的重要技术之一。但光伏发电过程中,存在不同程度的“弃光问题”,因此,发展储能综合系统以提高光伏发电的利用率已成为大势所趋。文章设计并建立了基于光伏发电的储热储氢综合能源系统,将光伏发电和储热、储氢综合储能系统结合,解决光伏发电中的弃光问题,同时综合储能能够对并网光伏电站进行“削峰填谷”,实现稳定的并网输入。光伏热转换子系统实现全年最大热转换效率需要匹配最佳电阻,实验结果表明连云港地区的最佳匹配电阻值为 6;光伏制氢子系统部分,主要研究了温度对制氢速率的影响,并得到最佳温度范围为 4050。本系统的设计与研究对实现稳定的光伏发电、能源储存和高效利用以及降低碳排放起到积极促进作用,为我国碳中和提供一种积极而有益的技术解决方案。关键词:光伏发电;综合能源系统;储能;光伏热转化;电解水制氢;节能减排中图分类号:TK11.4 文献标志码:A0 引言 光伏技术是国家“双碳”目标顺利实现的重要组成部分。近十几年来,我国光伏产业飞速发展,目前已经位居世界光伏的龙头地位1。在光伏发电过程中也存在着一些问题,例如西部大型地面光伏电站在夏天日照充足的时候,仍然存在“弃光”现象2,造成了能量和资源的浪费。通过将这部分损失的能量利用技术手段将之存储起来,在必要的时候释放出来,可以最大限度地利用光伏发电能源。在目前能源紧缺、弃光问题严峻的背景下,基于光伏加储能的理念,由光伏系统余电储能,分别通过电热系统储热和电解氢系统储氢,本文建立了光伏储热储氢综合能源系统3。光伏系统产生的电能一方面为家用电器供电或并网,另一方面充分利用“弃光”部分电能,为电解氢系统和电热系统供电,实现储氢和储热综合储能。电解水制解氢气,并供给氢燃料电池运行。当阴天或晚上光伏系统无法工作时,通过氢燃料电池为家用电器供电。储热系统储存的热量在必要的时候释放出来,用于采暖、供电、生产热水,大大提高了清洁能源利用率,实现太阳能高效利用4。综合以上设计,将光伏技术、光伏热转换技术、电解制氢技术结合,并进行能源的系统综合优化,能够解决大型光伏电站的弃光问题,实现太阳能的充分利用。以上应用在节能减排方面具有重大现实意义,也将为我国碳中和的光伏解决方案提供有益示范5。1 综合能源系统设计与搭建综合能源系统工作示意图及实物系统图如图12 所示。碳减排量分析:以发电功率 1 GW(1GW=109W)的光伏系统为例,取削峰弃光能量损失 15%、弃光时间 1 h,增加储能系统后节省出的电能为 1109 W0.151 h=1.5105 kWh;按消耗 1 kWh 电排放 CO2 为 0.997 kg,则一天 CO2减排量为 1.5105 kWh0.997 kg/kWh24=0.36 万 t,按一年发电 320 d,则可实现年 CO2减排量 0.36 万 t/d320 d=115.2 万 t,具有显著的节能减排效果。64新能源科技新能源科技图 1 综合能源系统图 2 综合能源系统实物 2 光伏储热储氢系统性能分析2.1 光伏热转换系统性能分析2.1 光伏热转换系统性能分析 本研究采用等效的方法进行光伏热转换系统性能分析6,将连云港地区全年辐照度随时间的变化,等效成一天内的辐照度变化,数据如表 1 所示。由表 1 中数据进行拟合,可得出全年水平面强度辐射均值等效在一天内的变化基本符合高斯分布,该曲线的拟合如式(1):y=12e-(x-)22(1)其中:u=195.17,=238.977。为正态分布的位置参数,描述正态分布资料数据分布的离散程度。通过测量某一固定电阻在不同辐照度下的功率输出,然后通过对功率在时间上的积分,可以得出此固定电阻在该时间段上产生的热能。设置若干电阻,测试对应电阻产生的热能,则可以找到最佳匹配阻值。在本系统中,根据对各电阻功率时间的积分可确定最佳电阻范围依旧在 58,如图 3 所示。可以看到,在 09:00 至 15:00 时间段内阻值越大其功率变化越小,功率基本处于水平稳定状态,即辐照度越大时对电阻功率几乎无影响,辐照度减小后,功率随之减小,这直接导致大电阻全天工作功率低8。表 1 全年水平辐射强度等效为一天的平均辐射强度(连云港地区)单位:W/m2时刻水平面辐射强度均值水平面辐射强度最小值水平面辐射强度最大值水平面辐射强度标准差水平面辐射强度方差00:000 0 0 0 0 02:000000003:000000004:000000005:000000006:000.284 120 65509.712 779 9111.141 653 2971.303 372 2507:0019.264 843 650171.658 521 432.109 121 751 030.995 708:0081.584 477 10327.132 957 294.000 457 718 836.086 04909:00199.666 351 10563.562 764 3162.615 960 626 443.950 6310:00350.678 5890787.05203.115 823 841 256.037 8911:00494.547 494 73.241 479 967948.995 757 1229.424 455 852 635.580 9312:00588.555 014 722.667 040 621 097.987 2252.452 590 863 732.310 5813:00635.425 626 73.241 479 9671 143.332 957267.668 05371 646.186 5714:00637.661 632 701 153.045 757265.815 223 770 657.733 1715:00574.862 7893.241 479 9671 110.941 514262.960 128 269 148.029 0216:00471.866 080 516.195 740 4994.341 514 2238.981 26457 112.044 5417:00342.434 968 76.482 959 933845.35212.363 212 345 098.133 9618:00191.476 207 70599.195 757 1166.686 599 627 784.422 4819:0078.248 055 70362.754 242 995.540 059 949 127.903 05420:0017.303 631 710155.462 782 130.563 986 95934.157 298 121:000.195 344 929012.954 259 61.000 039 0381.000 078 07822:000000023:000000024:000000074新能源科技新能源科技 大电阻在辐照度上升至一定值后基本保持不变,且功率较小,不适用于全天输出最大功率,故最佳电阻依旧在 58。从积分结果看 6、8 全天总功率相近,且 6 大于 8 总功率,如图 3 所示。上午8 功率先与 6 相交后再与 5 相交,下午则先与5 相交再与 6 相交,但下午相交时间相近,原因可能为下午辐照度相对稳定。根据对比得出最佳电阻应为 6。图 3 阻值为 5、6、8 电阻功率对比对实验数据绘图 3 可发现数据并不是规则的,原因有以下可能:(1)测量时间不同,会导致电压电流不匹配,但是相差值很小;(2)太阳辐照度变化影响太阳能电池输出;(3)温度对太阳能电池板产生影响,温度的改变会影响电池输出特性,温度越高,太阳能电池的输出效率越低。由图3 可分析当太阳能辐照度上午低于500 W/m2,下午低于 460 W/m2时,电阻越大功率越大,但是辐照度上升时,其增幅缓慢,峰值最小,全天功率小,不能最大效率地将全天太阳能电池输出电能转换为热能。对每组 6 个数据进行绘图积分可基本确定最佳电阻值在 5、6、8 之间选择,在根据 3 次实验比对选取功率-时间积分的平均值,最终可确定在连云港地区对于实验使用型号的电池板最佳匹配电阻为6 9,如图 4 所示。2.2 光伏储氢系统性能分析2.2 光伏储氢系统性能分析 以太阳能电池作为稳定电源给电解氢设备供电,测量在相同高度下的水,在不同温度下电解相同体积的氢气所需要的时间,寻找最佳温度,并用收集的氢气供给燃料电池发电10。图 5 是光伏制氢子系统实物图,主要由光伏供电、电解氢系统、氢气收集容器、燃料电池组成。电解氢系统基于质子交换膜技术(PEM),主要由质子交换膜、催化剂和气体扩散层组图 4 6 电阻功率积分成的膜电极、双极板和密封圈、防护片、端板等组成。PEM 电解池在工作时需要外接直流电源。阳极代表电解池正极,发生氧化反应(析氧);阴极代表电解池负极,发生还原反应(析氢)。图 5 制氢设备和燃料电池为了探究温度对制氢速率的影响并确定光伏制氢子系统最佳的工作温度,通过改变电解水的温度,测试了实际的制氢速率,如图 6 所示。可以看出,当电解水温度较低处于 2038 时,制氢速率虽然有波动,但基本上处于 1.461.48 L/h,随着电解水温度的升高,特别是当温度在 40 50 时,制氢速率可达 1.52 L/h;温度继续升高,制氢速率开始下降,甚至低于 2038 的水平。可能的原因是:温度适度升高时,提升了水分子的活性,使得电解水时所需能量更低,因此制氢的还原反应速率加快,但当温度更高时,水中会产生大量气泡,这些气泡可能阻止电极上的氧化还原反应过程,从而降低制氢速率。另外,适当的温度也可以提升阴极与阳极间气体扩散的效率、质子交换膜催化的性能等,从而提升制氢速率。综上,对于纯水的电解制氢系统,电解温度处于84新能源科技新能源科技4050 区间时,系统的制氢速率最快。因此,在光伏驱动的电解制氢系统中,除了提高电解电压,还要考虑光伏直流加热电解水,使电解水温度处于最佳温度区间,以获得最高的系统制氢效率。图 6 不同工作温度下的系统电解氢速率3 结语 本文基于光伏+储能的理念,设计了一款由光伏系统余电储能,分别通过电热系统储热和电解氢系统储氢的综合光伏储热储氢综合系统。光伏系统产生的电能一方面为家用电器供电或并网,另一方面充分利用“弃光”部分电能,为电解氢系统和电热系统供电,实现储氢和储热综合储能。将光伏进行热转化和氢能转化结合,通过光伏+储热/储氢系统实现光伏发电的调峰功能。该综合能源系统注重于各个子系统之间的温度耦合,从两个方面提升了转换效率。一方面,光伏热转换系统实验测量了连云港地区两个日期照射在太阳能电池表面的太阳辐照度以及太阳能电池的 IV曲线,计算最大功率点处 Vmax,Imax,以其比值确定电阻,并与太阳辐照度形成函数,进行分析。确定最佳电阻范围,选取 6 组电阻,将其接入太阳能电池输出电路中,测量电阻发热时的电流电压,计算功率,对功率时间进行积分,最终取得全天最佳匹配阻值为6。另一方面,光伏制氢系统研究通过温度对制氢速率的影响,得到最适温度范围为 4050。并且该系统完全实现光伏自主供电,系统安装不受地点条件的限制,真正实现了“零能耗”。综上,储氢系统可以供给氢燃料电池为家用电器供电,或通过氢气发电再并网,实现并网系统的“削峰填谷”。光伏热转化系统也可以拓展很多应用场景,不适用于大型光伏电站发热储能,对于小型离散型光伏系统,应用方面光伏热转化系统可以与建筑物结合,实现冬季采暖。本系统大大提高了清洁能源利用率,在节能减排方面具有重大现实意义。参考文献1GORDON J M,FASQUELLE T,NADAL E,et al.Providing large-scale electricity demand with photovoltaics and molten-salt storageEB/OL.(2021-01-05)2023-07-06.https:/ C S,JIA Y,LAI L L,et al.A comprehensive review on large-scale photovoltaic system with applications of electrical energy storageEB/OL.(2017-10-05)2023-08-12.https:/ 傅金睿)(下转第 66 页)94新能源科技新能源科技合特性与分布水深的关系J.水生生物学报,2023(7):1157-1167.(编辑 傅金睿)Progress and prospect on aquatic light preference and the effect of photovoltaic panel shading on aquaculture in photovoltaic fishery systemsChen Jinyou1,Wu Xue1,Gu Dongqing2,Yang Chen3,Xu Guijun3,Li Guofeng1,Bao Encai1(1.Jiangsu Academy of Agricultural Sciences,Nanjing 210014,China;2.Jiangsu Energy Research Society,Nanjing 210096,China;3.Shenzhen Energy Nanjing Holding Co.,Ltd.,Nanjing 210019,China)Abstract:Due to the reduction of light intensity by shading,photovoltaic(PV)fisheries system has an impact on aquaculture.Under the policy background of“emission peak,carbon neutrality”,it is of great practical and strategic significance to clarify the impact of PV fishery systems on aquaculture.In this study,the current situation of aquaculture with the photovoltaic(PV)fisheries system was described.We elaborated and summarized the optimal light intensity required for aquatic animal feeding and growth,and the effects of photovoltaic panel shading on the growth of algae and submerged plants as well as the water quality.Beyond,the main technical problems at the present stage and research focuses in future of PV fishery systems were described.Finally,in order to provide reference for the research and application of PV fishery technology in China,we made the outlook of PV fishery system in terms of aquaculture quality,modernization of aquaculture,cost-saving and efficiency,and market prospects.Key words:photovoltaic fishery system;photovoltaic panel;shading;aquaculture(上接第 49 页)Design and investigation of a comprehensive energy system based on photovoltaic-thermal and hydrogen storageZhang Ying1,Yang Liuyuan1,Wang Haoxiang1,Liu Zuying1,Song Xiaomin1,Xu Meng2,Huang Zengguang1(1.School of Science,Jiangsu Ocean University,Lianyungang 222005,China;2.Micoe Technology Group Co.,Ltd.,Lianyungang 222000,China)Abstract:Background against the“dual carbon”target strategy,photovoltaic power generation has become one of the important technologies in achieving China s carbon neutrality goals due to its characteristics of being green,environmentally friendly,low-carbon,and non-polluting.However,there is a problem of varying degrees of“curtailment of solar power”in the process of photovoltaic power generation.Therefore,the development of comprehensive energy storage systems to improve the utilization of photovoltaic power generation has become a trend.This article designs and develops a comprehensive energy system based on photovoltaic power generation,thermal storage,and hydrogen storage.By integrating photovoltaic power generation with thermal storage and hydrogen storage,the curtailment of solar power can be addressed,and comprehensive energy storage can effectively“smooth out”the output of grid-connected photovoltaic power plants,achieving stable grid integration.The photovoltaic thermal conversion subsystem aims to achieve the maximum thermal conversion efficiency throughout the year by matching the optimal resistance.Experimental results show that the optimal matching resistance value for the Lianyungang area is 6.In the photovoltaic hydrogen production subsystem,the influence of temperature on the hydrogen production rate is mainly studied,and the optimal temperature range is determined to be 4050.The design and research of this system play a positive role in realizing stable photovoltaic power generation,energy storage,efficient utilization,and carbon emission reduction.It provides a proactive and beneficial technical solution for Chinas carbon neutrality goals.Key words:photovoltaics;comprehensive energy system;energy storage;photovoltaic-thermal conversion;electrolytic hydrogen production;energy conservation and emissions reduction66