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不同地区太阳能光伏电解水制氢与储氢系统模拟研究

2023-12-28 17 上传者：管理员

摘要：该文设计一种家用太阳能与电网联合供电的电解水制氢与储氢系统，基于北京、银川和哈密3座城市不同气候条件，利用TRNSYS和GenOpt软件对比分析了系统的动态性能。结果表明：北京、银川和哈密三市的光伏组件最佳倾斜角度分别为36.56°、37.81°和41.87°，对应的光伏系统年总发电量为38329.2、47169.8和50701.2 kWh；基于相同的供氢速率和储氢罐容量，该系统年产氢量大致相同，北京为13151.5 m3，银川为13124.1 m3，哈密为13144.7 m3；哈密市从电网取电量最少，其太阳能制氢效益最高为87.73%，其次为银川市85.57%，北京市最低，为66.58%。

关键词：
储氢
光伏组件
制氢
化石燃料资源
太阳能
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众所周知，化石燃料资源有限且排放产物对环境不友好[1]，为了避免气候进一步恶化，中国碳排放力争在2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和[2]。与石油、天然气或煤炭等化石燃料不同，氢气燃烧过程不会产生碳排放，热值可达140 MJ/kg[3]。太阳能是世界上最丰富、最普遍的可再生清洁能源之一[4]，在所有制氢的能源中，太阳能正得到越来越多的关注。

针对太阳能制氢系统，Ratlamwala等[5]模拟一个由吸收冷却器和光伏组件组成的混合系统，用于制冷和制氢。该研究以迪拜为例，分析了其系统的制氢速率和能效比；Ahmadi等[6]利用TRNSYS和Matlab软件对加拿大多伦多的混合太阳能和燃料电池能源系统进行热力学分析。该系统的效率为39%，炎热天气下电力生产和冷却能力较高，适合零能耗建筑应用；Ozden等[7]分析了太阳能-氢能的混合可再生能源系统。研究表明，配备可倾斜平台的光伏组件固定角度的光伏组件具有更高的能量和能效；张勇等[8]对光伏制氢储能系统中的制氢装置和储能电池进行分散式协同控制，调节制氢装置的能量转换效率，从而提高系统光伏利用率；张顺星等[9]对直接耦合的光伏电解水制氢系统进行仿真模拟，通过匹配电解槽工作状态与光伏阵列最大功率点，能量效率可达82%；瞿小广等[10]设计一种太阳能制氢-金属储氢-燃料电池供电系统，该系统稳定供电的最大功率为2 kW，能实现海岛能量的自给自足。

利用太阳能进行电解水制氢与储氢受气候条件影响较大，中国西部地区太阳能资源较丰富，本文以西部地区典型的银川与哈密城市的实际气候条件为基础，设计了一套太阳能和电网联合供电的太阳能电解水制氢与储氢系统，并与北京的气候条件进行对比研究，分析了系统中的光伏组件最佳倾斜角、表面温度、光伏组件中产生的电能以及电解槽产生的氢气量和电解槽的效率等关键性能参数，以期为中国不同气候区域下的太阳能制氢与储氢系统的设计和应用提供参考。

1、系统描述

如图1所示，太阳能电解水制氢储氢系统利用光伏组件将太阳能转化为电能，电能在电解槽中电解水产生氢气，氢气被储存到储氢罐中，实现太阳能制氢与储氢。

图1 太阳能电解水制氢与储氢系统

系统主要分为3个模块，第1个是光伏发电模块：光伏组件将太阳能转化为电能，如太阳能无法满足制氢电力需求，则从电网直接取电，如太阳能供电过剩，则将剩余电力储存到电网中；第2个是电解制氢模块：来自光伏组件或电网的电能在电解槽中通过电解水产生氢气和氧气，氢气被储存到储氢罐中；第3个是控制模块：衔接第1模块的电能和第2模块的氢能，为电解槽的运行提供控制功能。上述系统可实现太阳能电解水的制氢与储氢。

2、模型建立

TRNSYS[11]是一款由若干部件组成的瞬态仿真模拟系统软件，具有模块化、可拓展性等特点，其内部的每个部件都具有自己特定的功能，部件与部件之间相互作用、连接形成一个整体，从而实现系统的模拟分析。

本研究在TRNSYS软件中搭建了上述太阳能制氢与储氢系统模型，如图2所示，系统包括天气文件、光伏组件、电解控制器、功率调节器、电解槽、储氢罐、优化程序，以及积分器、计算器、打印机和绘图仪等附属部件。

图2 太阳能制氢与储氢系统的TRNSYS模拟图

2.1 气候参数

本文选取北京、银川与哈密3座城市作为研究对象，逐时气候参数从Meteonorm软件[12]中获取。3座城市纬度接近，但经度相差较大，气候各不相同。

2.2 光伏组件

本系统光伏组技术参数如表1所示。

光伏组件上的能量转化公式为：

式中：Erad——太阳能，J;Eel——电能，J;Eloss——损失能量，J;A——光伏组件面积，m2；τα——光伏组件透射率和吸收率的和；GT——单位面积光伏组件倾斜表面的总辐射量，J/m2;ηc——光伏组件的电效率；UL——一般热损失系数，J/（m2·K);TC——光伏组件温度，K;TA——环境空气温度[13],K。

将式（2）～式（4）代入式（1）得：

计算光伏组件表面温度的一种方法是确定标称工作单元温度（nominal operating cell temperature,NOCT）。NOCT通常用于评估光伏模块温度，指光伏组件开路状态下、风速1 m/s、太阳辐照度800 W/m2、环境温度20℃时的光伏组件温度[14]。本研究借助标准NOCT的数据，确定光伏组件透射率和吸收率的积与组件热损耗系数之比：

假设该比值恒定，则任何时间段的光伏组件表面温度均可用式（7）计算：

表1 光伏组件的技术参数

2.3 光伏组件最佳倾斜角

优化程序用于获取最优值，包含粒子群优化、HookeJeeves和Fibonacci等算法。组件TRNOPT是TRNSYS和GenOpt之间的接口。本研究将太阳辐射倾斜角在GenOpt[15]中迭代调用，求得光伏组件产生电能的最大值，从而确定光伏组件的最佳倾斜角度，最大限度获取太阳能[13]。

设定初始太阳辐射倾斜角为45°，在20°～70°范围内优化结果如表2所示。从表2可知，3座城市的最佳光伏组件倾斜角基本位于36°～42°。

2.4 电解槽运行控制逻辑

由于该系统中电解槽是在可变功率模式下运行，因此通过设计一个控制单元来控制电解槽的运行状态。控制单元包括电解控制器和功率调节器。表3为该系统中电解控制器的技术参数，其功能受到储氢罐容量的影响。

表2 GenOpt优化结果

电解槽运行状态有两种：正常运行和最小空转功率点运行，控制过程如图3所示。如果光伏组件产生的可用功率PPV小于电解槽的最小空转功率PIDLE，则从电网中提取额外的功率作为补充，电解槽被设置为最小空转功率点运行；当PPV大于等于最小空转功率PIDLE时，则电解槽运行状态取决于氢气储存罐的储存状态（state of charge,SOC）：如果储罐的SOC小于最高设定值SUP，则电解槽处于正常运行状态，当SOC大于等于SUP时，电解槽处于最小空转功率点运行状态，此时储罐中氢气不断消耗，直至SOC低于最低设定值SLOW时，其处于正常运行状态。

即只有当PPV和SOC都满足控制要求时，电解槽才处于正常运行状态，电解槽功率Pe等于PPV，否则处于最小空转功率点运行状态，Pe等于PIDLE。

表3 电解控制器的技术参数

图3 电解槽运行控制逻辑

2.5 电解槽

该系统采用碱性电解槽[13],1度电可产0.228 m3氢气。电解系统的工作电压设置为热中性电压Utn(V），单个电解槽电压为Ucell(V），则电解槽效率ηe为：

2.6 储氢罐

储氢罐具有临时缓冲的作用，能够延长用氢装置的运行时间，提高氢气的利用率，其相关技术参数见表4。

氢气储存罐的“可用容量”（即SOC）被假定为在0%～100%的范围内。本研究设定SOC初始值为0.85、储氢罐的供氢速率为1.5 m3/h。

表4 储氢罐的技术参数

3、结果分析与讨论

3.1 年周期分析

在TRNSYS软件模拟的太阳能产氢储氢系统中，首先对年时间周期（0～8760 h）的数据进行分析。

图4为北京、银川和哈密3座城市光伏组件上的太阳能总辐射量，可看出：

1)3座城市的太阳能总辐射量变化趋势基本相同，均表现为先升高，中间平稳波动，后降低的趋势。3—9月份的太阳能总辐射量相比于其他月份来说偏高，符合3座城市夏季高温、冬季寒冷的气候特点。其中5月份太阳能总辐射量均达到最高值，12月达到最低值。

2）北京、银川和哈密的年太阳能总辐射量分别为5690、7054、7692 MJ/m2。

图4 北京、银川和哈密不同月份的光伏组件太阳能总辐射量

图5是北京、银川和哈密3座城市光伏组件产生的电能图。

1）光伏组件产生的电能与照射到光伏组件上的太阳能总辐射量趋势相同。

2）北京光伏组件产生的电能最高值在3月为3885.8 kW，最低值在11月，为2613.1 kWh；银川最高值在3月，为4250.8kWh，最低值在9月，为3718.4 kWh；哈密最高值在3月，为4664.4kWh，最低值在12月，为3374.8 kWh。

图5 北京、银川和哈密光伏组件产生的电能

图6是系统总的产氢量。虽然3座城市每月光伏组件产生的总电能差异较大，但太阳能不足时该系统将通过电网取电予以补足。电解槽产生的总氢气量实际取决于供氢速率1.5 m3/h，所以相差并不大，每月产氢量基本在1100 m3上下波动。其中，北京的波动较大，原因是北京储氢罐的SOC多在月初（月末）达到SLOW或SUP，包含SOC上升段（0.7～0.9）的月份产氢多，包含SOC下降段（0.9～0.7）的月份产氢少。3座城市的年产氢气量也大致相同，北京为13151.5 m3，银川为13124.1 m3，哈密为13144.7 m3，但电网耗电不同，分别为19236.1、10659.2、7090.1 kWh。

图6 系统产生的月度总氢气量

定义太阳能制氢效益B为光伏组件产生的总电能EPV(J）与电解槽消耗的总电能Ee(J）之比为：

相应地，北京、银川和哈密的太阳能制氢效益分别为66.58%、81.57%和87.73%。

3.2 典型月分析

根据图4和图5，考虑到照射到光伏组件上的太阳能总辐射量和光伏组件产生的电能量，本文选择5月（2880～3624 h）作为代表月份进行典型月时间周期分析。

图7是3座城市5月每日氢气储存罐的SOC曲线。从图7可看出，在第2880小时（第121天）之前，北京和哈密的储氢罐SOC已达0.9，因此，5月初北京和哈密的电解槽都处于最小空转功率点运行状态，电解槽产氢速率最小且小于耗氢速率，SOC不断下降，直至低于0.7后才逐渐上升；而5月初银川SOC先波动性上升至0.9后又逐渐下降。3座城市的SOC被控制在0.7(SLOW）与0.9(SUP）之间。

图7 5月每日氢气储存罐的SOC曲线

图8是5月每日电解槽产生的氢气量，由图8可知电解槽每天产生的氢气总量多日最低为27.4 m3，即当日每小时氢气产量都为最低值。

图8 5月每日系统产氢量

限制电解槽正常运行的因素有光伏组件产生的电能和储氢罐的储存状态。5月为3座城市光伏组件太阳能总辐照度较多的月份，不会因光伏组件产生电能不足导致电解槽每小时都处于最小功率点运行状态。而SOC下降段与日产氢量最低段时间吻合，可得出结论：多日氢气产量都为最低值的主要原因是储存罐的容量有限。

3.3 典型日分析

在2880～3624 h的模拟周期内，选择3座城市太阳能总辐射量和光伏组件产生电能都较为丰富的3096～3120 h（第130天）作为典型日时间的模拟对象。

电解槽效率ηe是热中性电压Utn和单个电解槽电压为Ucell的比值，该系统中Utn为1.478 V不变，因此ηe取决于Ucell。图9和图10分别为第130天的电解槽效率和产氢量，两者呈现相反趋势，原因是电解槽产生的氢气量反映了电解槽的效率，当电解槽处于最小功率点运行状态时，氢气产量最低，电解槽功率为最小功率5000 W,Ucell为1.656 V，电解槽效率为89.26%。电解槽功率越大，单个电解槽电压越大，则电解槽效率越低。

图9 3096～3120 h中电解槽的效率

图1 0 3096～3120 h中系统产氢量

图11是模拟期内3座城市的环境温度和光伏组件表面温度，由于气候差异，北京的环境温度最高，哈密最低，光伏组件表面温度在无辐射时与环境温度相同，光照时一部分太阳能转化为热能使光伏组件表面温度升高。

4、结论

本文采用TRNSYS和GenOpt软件对小型家用太阳能电解水产氢储氢系统进行设计和优化，研究中国不同位置3座城市（北京、银川、哈密）在不同时间模拟周期内的太阳能总辐射量、光伏组件产生的电能、产氢量和制氢效益，分析得到以下主要结论：

图1 1 3096～3120 h环境温度和光伏组件表面温度

1）太阳能年总辐射量变化趋势总体呈抛物线状，符合3座城市的气候特点。北京、银川、哈密的年太阳能总辐射量分别为5690、7054、7692 MJ/m2。北京、银川、哈密的光伏组件最佳倾斜角分别为36.56°、37.81°、41.87°，产电量最高均为3月份。

2）基于相同的氢气储存和消耗容量，北京、银川、哈密年度制氢量大致相同，分别为13151.5、13124.1、13144.7 m3。由于哈密太阳能辐射量大，消耗电网电力最少，相应的制氢效益最高为87.73%，北京最低，为66.58%。

参考文献:

[2]国务院.我国今年将制定2030年前碳排放达峰行动方案[EB/OL].

[4]王泽.太阳能作为新能源的应用前景[J].皮革制作与环保科技,2021,2(20):30-31.

[8]张勇,彭勇刚,韦巍.计及制氢效率的光-储-氢系统协调控制策略研究[J].太阳能学报,2021,42(11):67-75.

[9]张顺星,苑易伟,胡平,等.光伏-PEM直接耦合电解水制氢系统研究[J].工业仪表与自动化装置,2022(3):49-52.

[10]瞿小广,陈波,杨兴林,等.光伏-氢燃料电池集成供电系统设计[J].机械制造与自动化,2022,51(4):184-187.

基金资助:上海市自然科学基金(20ZR1438700);

文章来源:冯雷,鲁家彤,徐洪涛等.不同地区太阳能光伏电解水制氢与储氢系统模拟研究[J].太阳能学报,2023,44(12):481-486.

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