太阳能与电网联合供电的电解水制氢与储氢系统（太阳能发电电解水制氢）

太阳能与电网联合供电的电解水制氢与储氢系统（太阳能发电电解水制氢）

上海/

2024.3

概括

本文设计了一种由家庭太阳能和电网供电的电解水制氢和储存系统。 针对北京、银川、哈密三个城市的不同气候条件，利用TRNSYS和GenOpt软件对系统的动态性能进行对比分析。 结果表明，北京、银川和哈密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分别为38329.2、47169.8和50701.2kWh； 基于相同的供氢率和储氢罐容量，系统年产氢量大致相当，北京为13151.5 m3，银川为13124.1 m3，哈密为13144.7 m3； 哈密​​市从电网取电最少，其太阳能制氢效率最高，为87.73%，其次是银川市，为85.57%，北京市最低，为66.58%。

众所周知，化石燃料资源有限，排放产品对环境也不友好。 为了避免气候进一步恶化，中国的碳排放力争在2030年之前达到峰值，并在2060年之前实现碳中和。与石油、天然气或煤炭等化石燃料不同，氢的燃烧过程不产生碳排放，具有较低的碳排放量。热值高达140 MJ/kg。 太阳能是世界上最丰富、最常见的可再生清洁能源之一。 在所有制氢能源中，太阳能越来越受到关注。

对于太阳能制氢系统，Ratlamwala 等人。 模拟了由吸收式冷却器和用于制冷和制氢的光伏模块组成的混合系统。 本研究以迪拜为例，分析其系统的制氢率和能效比； 艾哈迈迪等人。 使用 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。 该系统效率高达39%，炎热天气下发电和制冷能力强，适合零能耗建筑应用； 奥兹登等人。 分析了太阳能-氢混合可再生能源系统。

研究表明，具有可倾斜平台和固定角度的光伏组件具有更高的能量和能源效率； 张勇等. 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，调节系统制氢装置的能量转换效率，从而提高系统的光伏利用率； 张顺兴等人模拟了直接耦合光伏电解水制氢系统。 通过电解槽工作状态与光伏阵列最大功率点匹配，能源效率可达82%； 曲晓光等. 设计了太阳能制氢-金属储氢-燃料电池供电系统。 该系统最大稳定供电功率为2kW，可实现海岛能源自给自足。

利用太阳能电解水制氢和储存氢气受气候条件影响较大。 我国西部地区太阳能资源丰富。 本文根据西部地区典型城市银川、哈密的实际气候条件，设计了太阳能与电网联合系统。 将动力太阳能电解水制氢及储氢系统与北京气候条件进行比较。 分析了系统中光伏组件的最佳倾斜角度、表面温度、光伏组件产生的电能以及电解槽的产氢量。 以及电解槽效率等，为我国不同气候区域太阳能制氢及储存系统的设计和应用提供参考。

1系统说明

如图1所示，太阳能水电解制氢及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，氢气储存在储氢罐中，实现太阳能制氢和储存。

图1 太阳能电解水制氢及储氢系统

系统主要分为3个模块。 第一个是光伏发电组件：光伏组件将太阳能转化为电能。 如果太阳能不能满足制氢需求，将直接从电网获取电力。 如果太阳能过剩，剩余的电力将被存储。 到电网； 二是电解制氢模块：利用光伏组件或电网的电能在电解槽中电解水产生氢气和氧气，氢气储存在储氢罐中； 第三个是控制模块：连接模块1的电能和模块2的氢能，为电解槽的运行提供控制功能。 上述系统可以通过太阳能电解水实现制氢和储氢。

2 模型建立

TRNSYS 是一个由多个组件组成的瞬态仿真系统软件。 它具有模块化和可扩展性的特点。 其中的每个组件都有其特定的功能。 各部件相互作用、连接形成一个整体，从而实现系统仿真分析。

本研究在TRNSYS软件中构建了上述太阳能制氢与存储系统模型，如图2所示。该系统包括天气文件、光伏组件、电解控制器、功率调节器、电解槽、储氢罐和优化程序。 以及积分器、计算器、打印机和绘图仪等附件。

图2 太阳能制氢及储存系统TRNSYS仿真图

2.1 气候参数

本文选取北京、银川和哈密三个城市作为研究对象，逐时气候参数通过Meteonorm软件获取。 三个城市纬度相近，但经度差异较大，气候不同。

2.2 光伏组件

本系统光伏组技术参数如表1所示，光伏组件能量转换公式为：

式中：Erad——太阳能，J； 鳗鱼——电能，J； Eloss——损耗能量，J； A——光伏组件面积，m²； τα——光伏组件透过率与吸收率之和； GT——光伏组件斜面单位面积的总辐射量，J/㎡； ηc——光伏组件的电效率； UL——总热损失系数，J/(㎡·K)； TC——光伏组件温度，K； TA ——环境空气温度，K。

将式（2）～式（4）代入式（1）可得：

计算光伏模块表面温度的一种方法是确定电池标称工作温度 (NOCT)。 NOCT通常用于评估光伏组件的温度，是指光伏组件开路、风速1m/s、太阳辐照度800W/㎡、环境温度为 20°C。 本研究采用标准NOCT数据来确定光伏组件透过率和吸收率的乘积与组件热损失系数的比值：

假设该比值一定，则任意时间段光伏组件表面温度可由式（7）计算：

表1 光伏组件技术参数

2.3 光伏组件最佳倾斜角度

优化器用于获取最优值，包括粒子群优化、HookeJeeves 和 Fibonacci 等算法。 组件 TRNOPT 是 TRNSYS 和 GenOpt 之间的接口。 本研究通过在GenOpt中迭代调用太阳辐射倾斜角度来获取光伏组件产生的电能最大值，从而确定光伏组件的最佳倾斜角度，最大化太阳能捕获。

初始太阳辐射倾斜角度设置为45°，20°~70°范围内的优化结果如表2所示。从表2可以看出，三个城市的最优光伏组件倾斜角度为基本上在36°到42°之间。

2.4 电解槽运行控制逻辑

由于该系统中的电解槽以变功率模式运行，因此设计了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为系统中电解控制器的技术参数，其功能受储氢罐容量的影响。

表2GenOpt优化结果

电解槽有两种运行状态：正常运行和最小怠速功率点运行。 控制流程如图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，则从电网提取额外的功率作为补充，并设置电解槽运行在最小怠速功率点； 当PPV大于或等于最小空转功率PIDLE时，则电解槽的运行状态取决于储氢罐的存储状态（state of charge，SOC）：如果储氢罐的SOC小于最大设定值SUP，电解槽正常运行； 当SOC大于等于SUP时，电解槽处于最小怠速功率点运行状态。 此时储罐内的氢气不断被消耗，直至SOC低于最低设定值SLOW，处于正常工作状态。

即只有当PPV和SOC满足控制要求时，电解槽才正常运行，电解槽功率Pe等于PPV。 否则，处于最小怠速功率点运行状态，Pe等于PIDLE。

表3 电解控制器技术参数

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，每千瓦时电可生产0.228立方米氢气。 设定电解系统的工作电压为热中性电压Utn（V），单个电解槽的电压为Ucell（V），则电解槽效率eta为：

2.6 储氢罐

储氢罐具有临时缓冲作用，可以延长氢气装置的运行时间，提高氢气的利用率。 其相关技术参数如表4所示。

储氢罐的“可用容量”（即SOC）假设在0%到100%的范围内。 本研究中SOC初始值为0.85，储氢罐供氢率为1.5 m3/h。

表4 储氢罐技术参数

3 结果分析与讨论

3.1年周期分析

在TRNSYS软件模拟的太阳能制氢及储存系统中，首先对每年时间段（0~8760 h）的数据进行分析。

图4为北京、银川、哈密三个城市光伏组件太阳总辐射量。 可见：

1）三个城市太阳总辐射量变化趋势基本一致，均呈现先增加、中间平稳波动、后减少的趋势。 3月至9月太阳总辐射量高于其他月份，符合三市夏高冬冷的气候特征。 其中，太阳总辐射量在5月份达到最高值，在12月份达到最低值。

2）北京、银川、哈密年太阳总辐射量分别为5690、7054、7692兆焦/平方米。

图4 北京、银川、哈密不同月份光伏组件太阳总辐射量

图5是北京、银川、哈密三个城市光伏组件发电量图。

1）光伏组件产生的电能与照射到光伏组件的太阳总辐射量趋势相同。

2）北京地区光伏组件发电量最高值为3月份3885.8千瓦时，最低值为11月份2613.1千瓦时； 银川3月份最高值为4250.8千瓦时，9月份最低值为3718.4千瓦时； 最高值出现在哈密，最高值出现在3月份，为4664.4千瓦时，最低值出现在12月份，为3374.8千瓦时。

图5 北京、银川、哈密光伏组件发电量

图6显示了系统的总氢气产量。 尽管三个城市光伏组件每月产生的总电能相差很大，但当太阳能不足时，系统会通过从电网汲取电力来弥补。 电解槽产生的氢气总量实际上取决于1.5 m3/h的供氢量，所以差别不大。 每月产氢量基本在1100立方米左右波动。 其中，北京波动较大，因为北京储氢罐SOC大多在月初（月底）达到SLOW或SUP，且在SOC上升期的月份（0.7 ~0.9），包括SOC下降时期（0.9~0.7）产生较少的氢气。 这三个城市的年氢气产量大致相当。 北京13151.5m3，银川13124.1m3，哈密13144.7m3。 但电网用电量有所不同，分别为19236.1、10659.2、7090.1千瓦时。

图6 系统每月总产氢量

太阳能制氢效益B定义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：

相应地，北京、银川、哈密太阳能制氢效率分别为66.58%、81.57%、87.73%。

3.2 典型月度分析

根据图4和图5，考虑到照射在光伏组件上的太阳总辐射量和光伏组件产生的电能，本文选择5月（2880~3624 h）作为代表月进行典型月时间段分析。

图7为3个城市5月份储氢罐日SOC曲线。 从图7可以看出，在第2880小时（第121天）之前，北京和哈密储氢罐的SOC已达到0.9。 因此，5月初，北京和哈密电解槽均在最低空转功率点运行。 罐体的产氢率最小，且小于氢消耗率。 SOC持续下降，直至低于0.7，然后逐渐上升。 5月初，银川SOC先是波动至0.9，随后逐渐下降。 三个城市的SOC控制在0.7（SLOW）到0.9（SUP）之间。

图7：5月份储氢罐日SOC曲线

图8显示了5月份电解槽每天的产氢量。 从图8可以看出，电解槽每天产氢总量为多日最低，为27.4 m3，即当天每小时产氢量为最低值。

图8 5月份系统日产氢量

限制电解槽正常运行的因素包括光伏组件产生的电能以及储氢罐的储存状态。 5月是三个城市光伏组件太阳总辐照度较高的月份，因此电解槽不会因光伏组件发电不足而每小时在最小功率点运行。 SOC下降期与日产氢量最低的时期一致。 由此可见，氢气产量连续多日处于最低值的主要原因是储罐容量有限。

3.3 典型日分析

在模拟时段2880~3624h、3096~3120h（第130天）内，选择三个城市太阳总辐射量和光伏组件发电量相对丰富的时段作为典型日时段的模拟对象。

电解槽效率etae是热中性电压Utn与单个电解槽电压Ucell的比值。 在该系统中 Utn 为 1.478 V 不变，因此 etae 取决于 Ucell。 图9和图10分别显示了第130天的电解槽效率和氢气产量。两者表现出相反的趋势。 原因是电解池产氢量反映了电解池的效率。 当电解槽工作在最小功率点 时，产氢量最低，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%。 电解槽的功率越大，单个电解槽的电压越大，电解槽的效率就越低。

图9 电解槽3096~3120 h效率

图10 3096~3120 h系统产氢量

图11显示了模拟期间三个城市的环境温度和光伏组件表面温度。 由于气候差异，北京环境温度最高，哈密最低。 无辐射时光伏组件表面温度与环境温度相同。 当光照时，部分太阳能转化为热能，提高了光伏组件的表面温度。

4。结论

本文利用TRNSYS和GenOpt软件设计和优化了小型户用太阳能电解水制氢和存储系统，并研究了中国不同地点的三个城市（北京、银川和哈密）期间的太阳总辐射和光伏组件发电量。不同的时间模拟周期。 根据电能、制氢及制氢效益分析，得到以下主要结论：

图11 3096~3120 h环境温度与光伏组件表面温度

通过对城市（北京、银川、哈密）不同时间模拟时段太阳辐射总量、光伏组件发电量、制氢量以及制氢效益的分析，得出以下主要结论：

1）年太阳辐射总量的变化趋势总体呈抛物线状，与三个城市的气候特征一致。 北京、银川、哈密年太阳总辐射量分别为5690、7054、7692兆焦/平方米。 北京、银川、哈密光伏组件最佳倾斜角度分别为36.56°、37.81°、41.87°，3月份发电量最高。

2）基于相同的储氢能力和消耗能力，北京、银川和哈密的年产氢量大致相同，分别为13151.5、13124.1和13144.7 m3。 由于哈密太阳辐射量大，消耗电网电量最少，相应的制氢效率最高，为87.73%，北京最低，为66.58%。