荊濤1, 陳庚2, 王子豪2, 許朋江1, 李高潮1, 賈明曉1, 王躍社2, 師進文2, 李明濤2

（1. 西安熱工研究院有限公司, 陜西 西安 710045; 2. 西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室, 陜西 西安 710049）

摘要：基于風光互補發電、電解水制氫、儲氫、氫燃料電池等技術的風光互補發電耦合氫儲能系統，以氫能為能源載體，是實現可再生能源-氫能-電能規模化應用的重要途徑。介紹了風光互補發電、電解水制氫、儲氫和氫燃料電池等關鍵技術的發展現狀，對風光互補發電耦合氫儲能系統中的離網型、并網型系統和容量配置優化等研究熱點進行了分析，為風光互補發電耦合氫儲能系統的進一步技術研究和工程應用提供參考。

引文信息

荊濤, 陳庚, 王子豪, 等. 風光互補發電耦合氫儲能系統研究綜述[J]. 中國電力, 2022, 55(1): 75-83.

JING Tao, CHEN Geng, WANG Zihao, et al. Research overview on the integrated system of wind-solar hybrid power generation coupled with hydrogen-based energy storage[J]. Electric Power, 2022, 55(1): 75-83.

引言

當前，資源枯竭、生態環境惡化等問題正隨著化石能源的大量使用而愈發突出，已經成為經濟繁榮和人民生活品質提升必須逾越的鴻溝。國際社會同時將可再生能源的開發利用作為解決問題的方案之一。20世紀以來，強化可再生能源的基礎和應用研究、提高可再生能源占比已經成為世界上多數國家，尤其是發達國家，制定能源政策的基調。

風能、太陽能分布廣泛和儲量巨大的特色賦予了二者空間和時間上的無限開發利用潛力，被認為是最具應用前景的可再生能源。雖然天氣和氣候的多變起伏給風能、太陽能帶來不小影響，使其出力難以擺脫日常波動和隨機多變的自然缺陷，但是二者在時間（晝和夜、夏秋和冬春）和空間上具有天然性的互補優勢[1]。基于此，風能發電和太陽能發電可以組成功率輸出在時間上互補、可調節范圍大的高效電力系統。實際上，由于電能無法直接存儲，電網消納能力不足帶來的棄風、棄光問題是風能、太陽能開發利用中的痛點。因此，儲能系統是可再生能源開發中的關鍵技術，其通過充電、放電的削峰填谷作用可以實現對電力系統功率和能量的轉移存儲，從而有效緩解可再生能源開發中的棄電問題[2]。目前，光伏發電、風力發電主要采用效率較高的蓄電池儲能，但是能量密度低、儲存時間短等劣勢限制了蓄電池儲能的進一步發展應用。氫能是一種質量能量密度高、儲存期長的高效儲能方式。因此，利用氫儲能來調節、儲存轉化能量，緩解風光互補發電系統的棄風、棄光問題是當前風能、太陽能應用研究的發展趨勢。

氫能具備質量能量密度高、綠色無污染等一系列優勢，在現代工業中氫氣市場需求十分巨大，已在許多領域表現出替代化石能源的發展趨勢[3]。利用可再生能源（風、光等）電解水制氫可以將無污染、零排放貫穿氫氣制備到使用的全過程，同時解決風能、太陽能開發利用中的棄風、棄光問題。利用清潔能源發電制氫是未來氫能發展的重要方向[4]。在氫能的直接利用方面，氫燃料電池是實現高效、清潔地將氫能穩定轉化為電能的發電方式，將從根本上改變目前以氫碳為基礎的能源體系。氫燃料電池供電與其他傳統供電系統相比，具有更高的能量密度和能量轉化效率，能夠實現有害溫室氣體超低排放甚至零排放（如CO2、NOx、SOx等）。目前，航空航天和潛艇動力等領域已經廣泛使用氫燃料電池，在新能源電力汽車、電站和便攜電源等民用領域也實現了一定規模的應用示范和商業使用。采用氫燃料電池作為能源轉換裝置是當前發展“氫經濟”的主要用氫方式，是實現綠色清潔的能源利用理想路徑[5]。

綜上所述，將風光互補發電、電解水制氫、儲氫、氫燃料電池等技術集成于一體的風光互補發電耦合氫儲能系統，是具有重要開發利用價值和推廣應用前景的可再生能源轉化利用技術。通過對該系統的深入研究，對探索可再生能源耦合開發利用，平抑風光互補發電波動性以及氫能的高效綠色生產具有重要意義。

1  風光互補發電耦合氫儲能系統關鍵技術

1.1  風光互補發電

風光互補發電系統在資源利用方面具有時空互補性，同時在系統配置方面具有合理性。研究表明，風光互補發電系統比風力或光伏發電獨立系統的運行維護成本更低[6]。早期人們對風光互補發電系統的利用和研究，就是簡單將風力發電和光伏發電結合。20世紀90年代初，人們最早將風能和太陽能結合進行混合開發利用研究，文獻[7]從氣象條件的角度對該問題進行了關注和研究。文獻[8-10]通過概率統計的方法得到風能和太陽能潛力值，科學地支撐論證了風光互補發電系統的研究前景。與此同時，中國的研究者們也漸漸開始關注風光互補發電系統的研究，從理論研究到電機轉換設備設計等領域均有學者投入其中。

風光互補發電并不是簡單地將風電與光伏連接組合，而是經過合理的設計，達到系統輸出穩定、降低運行維護成本等一系列目的。在早期研究的基礎上，國內外學者開始關注系統的優化設計以及系統運行中的控制調節。文獻[9-10]對孤立的小規模風光互補發電系統進行研究，發現根據負載和當地風光儲量數據來設計和配置系統是實現發電成本和可靠性優化的有效途徑，且研究表明在一些獨立應用中單獨使用風力系統或光伏組件是不經濟的。文獻[11]基于風光互補發電儲能系統設計優化研究，利用CAD軟件，提出了一整套風光互補發電系統優化精確配置的方法。文獻[12]總結了3種常用的風能太陽能混合發電系統的選型方法，根據負載需要選擇和配置組件的最優規模，實現早期投資成本最小，同時保持系統可靠性。值得注意的是，模擬仿真軟件的開發一直是風光互補發電系統研究的重要方向，美國的Hybrid2和HOMER是目前針對主流可再生能源部件和系統進行混合發電系統優化設計的代表性成果。其中，Hybrid2可以根據混合發電系統結構、安裝地點氣象數據和負載參數等實現對風光互補系統的精準模擬運行，HOMER可對可再生能源混合發電系統進行模擬分析和經濟性評估[13]。

1.2  電解水制氫

目前，氫氣的化學制備方法主要包括：電解水制氫、光化學法制氫、熱化學法和等離子體化學法等。其中，電解水制氫是發展應用比較完善的傳統制氫方法，其工藝機制和生產流程相對簡單，各生產環節操作容易實現，并且所得氫氣純度高達99％~99.9％（雜質主要是H2O和O2），可以直接在氫燃料電池和許多工業生產中使用，是最有發展潛力的大規模制氫技術。

電解水制氫的常用方法包括：堿性電解、固體聚合物電解和高溫固體氧化物電解3種方法。其中，堿性電解水制氫是當前工業生產中最為成熟的技術，其原理如圖1所示。堿性電解水制氫技術工藝簡單、成本低，但存在電解效率相對較低、堿液具有一定腐蝕性等缺點[14]。目前，針對堿性電解水制氫技術的研究主要集中在堿性電解池設備的開發和性能提高方面。固體聚合物電解水制氫不存在堿性電解水制氫的堿液流失和腐蝕問題，并且電解裝置耗能相對較低，電解所得氫氣雜質較少，具有較高的電解效率[15]。近年來，固體聚合物電解水制氫技術因環境友好、氣體純度和電解效率高等優勢受到越來越多的學者關注，已經成為各國電解水制氫研究的熱點[16]。目前，美國掌握著固體聚合物電解水制氫的領先技術，其應用主要集中在航天技術和水下裝備供氧等軍事相關領域。日本在WE-NET項目中針對固體聚合物電解水制氫進行了探索試驗，其電解水制氫的電流效率可達99.2％。高溫固體氧化物電解水制氫的裝置需要在700~1000℃的反應環境下進行電解，其電極不再使用貴金屬材料，成本較低、性能穩定。高溫環境雖然可以降低電能消耗、提高系統制氫效率，但在設備選材、使用壽命和大規模工業部署等方面要求較高，導致高溫固體氧化物電解水制氫應用較少[17]。文獻[18]對不同電解水技術的具體能源需求、碳足跡以及2030年生產預測成本等進行比較評估，結果表明堿性電解水依然是目前最具優勢的技術。

圖1  堿性電解水制氫原理

Fig.1  Principle of hydrogen production by alkaline water electrolysis

在實際的工業應用中，制約電解水制氫發展的主要原因是電解過程消耗過多電力，電力成本在整個電解水制氫成本中約占到總成本的80%。當前，采用電解水制氫生產的氫氣產量約占世界氫氣總產量4％，電力主要來源于常規燃煤電廠供電。因此，利用可再生能源發電系統的溢網電力進行電解水制氫，能夠以較低成本生產氫氣，不僅生產過程綠色清潔，而且容易實現大規模建設，具有光明的發展前景[19]。中國相關氫能產業發展意見中指出，部分含可再生能源電網的城市可發展谷段電力制氫，作為城市減少碳排放的重要措施。文獻[12]依據不同電解水制氫技術的特點，研究指出風力發電更適宜與堿性電解水制氫技術進行耦合配置，光伏發電與固體聚合物電解水制氫技術搭配更能發揮其系統效率。

1.3  儲氫

儲氫技術主要有高壓氣態儲氫、液態儲氫和固態儲氫[20]。高壓氣態儲氫是當前儲氫技術中最具經濟性和實用性的儲氫技術，目前氫燃料電池新能源汽車采用的就是高壓氣態儲氫技術[21]。以70 MPa標準的塑料內膽纖維纏繞（四型）儲氫瓶為依托的高壓氣態儲氫技術已經能夠大規模商業應用。國內儲氫罐研發已達到國際領先水平，實現了77 MPa和98 MPa儲氫罐的制造，并且具有抗爆性能好、可實時監測運行狀態等多種優勢[22]。液態儲氫技術主要有液化儲氫和液體有機氫化物儲氫，液態儲氫技術的優勢是具有很高的體積密度，但是儲氫過程需要較高的能耗，并且安全性能相對較低。液體有機氫化物儲氫和液氨低溫儲氫2種技術能夠實現較大的儲氫量，但需要復雜的反應裝置，并且可能產生氣體和蒸汽雜質。目前，中國制造生產的液態儲氫罐和液態儲氫裝備在航天產業中應用較多。文獻[23]設計了一種可以儲存液氫和低溫氫氣的復合儲氫裝置。文獻[24]對同樣的復合儲氫裝置進行了研究，結果顯示復合裝置不僅可以提高儲氫密度，而且能夠減少儲存過程中的氫氣蒸發量。固態儲氫以金屬氫化物或化學氫化物作為儲氫載體，通過化學吸附方式進行儲氫，其儲氫密度比其他2種儲氫方式要高。因此，固態儲氫是未來氫能應用于新能源汽車中最值得關注和研究的儲氫技術，但需要進一步研究解決儲氫效率低以及充放氫所需時間長和溫度要求高等問題[25]。

1.4  氫燃料電池發電

燃料電池主要有6種類型：質子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、微生物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。其中，前4種工作在低溫條件（50~200℃），后2種則在較高溫度（650~1000℃）下運行。質子交換膜燃料電池的工作運行溫度相對較低，啟動快，已廣泛使用于交通、預備電源和移動設備等領域，研究和應用最為成熟[26]，典型的質子交換膜燃料電池結構示意如圖2所示。成本、穩定性和基礎設施等問題是質子交換膜燃料電池技術實現商業化應用的主要障礙[27]。目前，國內對質子交換膜燃料電池的研究主要集中在電極材料方面，重點探索低成本催化劑的研發[28]。此外，質子交換膜、電池熱管理以及電解液流動動力學等方面會對氫燃料電池整體能量轉化效率產生重要影響，也是質子交換膜燃料電池的研究重點。現在，中國制造生產氫燃料電池的技術和質量有待改進，在使用時間和成本投資方面還有很大追趕空間。

圖2  質子交換膜燃料電池

Fig.2  Proton exchange membrane hydrogen fuel cell

值得注意的是，氫燃料電池汽車產業變革性發展給氫能產業帶來了機遇。目前，氫燃料電池汽車進入了落地階段，國內外車企研發制造的氫燃料電池汽車陸續進入市場[29]。未來氫燃料電池汽車領域重點研發方向是小型化、集成化和低成本。雖然氫燃料電池汽車的較高成本限制了其主導市場的速度，但減少碳排放所帶來的公共利益可以顯著優化生活環境。

1.5  氫燃料燃氣輪機發電

氫氣是一種能量密度很高的清潔燃料，其標準熱值為143 kJ/g，遠高于天然氣（標準熱值為38.97 kJ/g）。20世紀90年代開始，多個國家和研究機構開始關注并制定了氫燃氣輪機的相關研究計劃[3]。

2005年，美國能源部啟動了“先進IGCC/H2燃氣輪機研究”項目，該項目主要開展了氫燃料和富氫燃料的燃燒研究、氫燃料燃氣輪機的材料研究、冷卻研究與整體系統的優化設計研究等工作。2008年，歐盟將氫燃料燃氣輪機的相關研究列為歐盟第七框架中一項重要的研究項目。日本也將“高效富氫燃料IGCC系統研究”列入“新日光計劃”之中，其目的是研制出低污染且效率大于60%的煤基IGCC系統[30]。2019年2月，西門子能源團隊完成了對氫燃料燃氣輪機改進，并且在德國開展了以100%氫氣作為燃料的燃氣輪機原型機試驗；2020年3月，日本三菱日立公司改進了氫燃料燃氣輪機系統，將燃料從30%氫氣和70%天然氣混合燃料過渡到100%純氫氣燃料，并從美國猶他州的山間電力局獲得了2臺該型號燃氣輪機訂單[31]。

雖然關于氫燃料燃氣輪機的研究已較為全面，相應成品也實現商業化，但是氫燃料燃氣輪機依然面臨一些穩定性與安全性問題：氫氣燃燒易回火、非純氧燃燒易生成氮氧化物以及氫燃燒溫度較高需要新材料等；同時，由于富氫燃料組分較為復雜，需要進一步研究，以便在燃料預混階段找到最佳的空氣燃料比。

2  風光互補發電耦合氫儲能系統優化策略

典型的風光互補發電制氫、儲氫、用氫一體化應用系統主要包括光伏發電、風力發電裝置、逆變器和系統控制器，以及由蓄電池、電解槽、氫氣儲罐和氫燃料電池組成的氫儲能單元，風光互補發電耦合氫儲能系統主要裝置布局如圖3所示。光伏發電、風力發電裝置分別利用太陽能、風能發電，是該系統的能量輸入單元。逆變器可以完成系統交流、直流電力轉換，保證系統內部各裝置單元之間的能量傳輸平衡。電解槽用于電解水制氫，將非穩態電能轉化為氫能，所得氫氣通過儲氫罐集中存儲。隨后，氫能可直接通過氫燃料電池輸出穩定電能。控制系統負責系統各單元工作狀態的監控以及系統能量轉化的綜合調控。蓄電池存儲少量電能，用于系統開機、短時電力輸出補充和緊急情況等，保障系統正常運行。

圖3  風光互補發電耦合氫儲能系統主要裝置布局

Fig.3  Main device layout for the integrated system of wind-solar hybrid power generation coupled with hydrogen-based energy storage

按照是否并網，風光互補發電耦合氫儲能系統可以分為離網與并網2種類型。在離網型系統中，風、光發電模塊不接入電網，系統較為簡單，投資及運行維護成本較低。在并網型系統中，風、光發電首先滿足電網需要，當電網消納能力不足時，通過電解水制氫生產制備氫氣進行存儲，實現電力轉儲。并網型設計主要用于解決棄風、棄電問題，在實現電能轉儲的同時，減少對電網的沖擊，系統較為復雜。

2.1  離網型風光互補發電耦合氫儲能系統

當前對離網型系統的研究和應用較并網型更為廣泛，學者們針對離網型系統進行了大量的建模和仿真研究。文獻[32]基于Matlab/Simulink建立了風光互補制氫系統模型，使用冀中南地區的氣候參數和正交模擬實驗研究了各種因素對系統制氫速率的影響，研究結果表明系統的產氫速率對太陽輻射量最為敏感，其次是大氣溫度、電解水溫度和風速。文獻[33]較早提出了獨立運行使用的風光氫發電系統，以西藏地區村落條件和相關數據為例，對系統的響應特性等進行了模擬分析，證明了所提發電系統適合風資源和太陽能儲量較為豐富且變化較快的地區。此外，研究還指出在系統中使用超級電容堆有利于克服氫燃料電池存在的最大負荷響應慢的問題。

部分離網型風光互補發電耦合氫儲能系統采取了直接制氫模式。在該系統中，氫氣作為最終產物，不再通過氫燃料電池發電。文獻[34]對風光混合發電直接制氫系統進行了設計，并進行了優化計算。文獻[35]對獨立風光直接制氫系統進行了模擬實驗研究，評估了系統的制氫能力。文獻[36]對比研究了氫能的多種利用途徑，發現氫氣多樣利用系統實現收益存在較為嚴格的風速（4.66 m/s）和氫氣價格（10 美元/kg）限制條件。將氫氣以多種方式加以利用，雖然一定程度上可以拓寬風光互補發電耦合氫儲能系統的市場空間，但需要對具體地區風、光資源及發電規模和氫氣利用方式等多種因素進行經濟性評估。

2.2  并網型風光互補發電耦合氫儲能系統

并網型風光互補發電耦合氫儲能系統雖然利用風、光資源的時空互補性，對本身固有波動性進行了一定程度平抑，但其不確定性仍然較大，接入電網后的安全性和穩定性仍存在較大問題。因此，目前并網型風光互補發電耦合氫儲能系統仍處于研究驗證階段，實際建設案例較少。文獻[37]采用凈能量分析法驗證了將超出電網消納能力部分的電能用于電解水制氫在技術上的可行性。文獻[38]對并網型風光互補發電耦合氫儲能系統進行了全面的經濟性分析，研究結果表明，太陽輻照、風力條件和組件成本是影響氫氣售價的主要因素，并且氫氣銷售價格在系統建成的10年內須維持較高水平。

2.3  系統容量配置與控制優化

投資建設和運維成本是阻礙風光互補發電耦合氫儲能系統發展的主要問題。因此，通過容量配置設計和系統控制優化可以有效降低系統運維成本、提高整體能量轉化效率。

近年來，風光互補發電耦合氫儲能系統容量配置與控制優化研究總結如表1所示。合理的容量配置不僅能保證各裝置單元高效協同運行，而且最大限度地降低成本。文獻[39]將基于模糊邏輯算法的人工神經網絡算法應用于系統的容量優化配置，獲得了較好的系統性能預測準確性。文獻[40]運用迭代最優化的方法確定系統的最優技術經濟配置和總成本，證明了風光互補發電混合系統與化石燃料相比在成本和效率方面有一定優勢。文獻[41]通過實驗仿真和數據分析指出，基于當地的天氣數據及環境特征進行風力、太陽能發電和儲能等模塊的容量配置設計，才能更好地挖掘風能和太陽能的開發利用潛力，并結合河北省的太陽能和風能資源，分析了風光互補發電耦合氫儲能系統在河北省不同地區的適用性。

表1  系統容量配置與控制優化研究總結

Table 1  Research summary of system capacity configuration and control optimization

太陽輻照量、風速等也是影響風光互補發電耦合氫儲能系統制氫效率的重要因素。優化風電、光電機組的控制策略有利于提高系統的產氫量和能量傳輸效率。文獻[42]提出了一種風力發電最優控制方法，并重新設計了基于最大功率跟蹤的光伏發電控制模式，提高了系統的制氫效率。文獻[43]對比了基于模型預測控制和基于狀態控制的系統調度方法，發現基于模型預測控制的調度方法具有更高的能量轉化效率。文獻[44]將模糊法與最大功率點跟蹤相結合應用于風力和光伏發電控制，并在風力發電控制中加入脈沖寬度調制技術，實現了對風光互補系統的最大功率點跟蹤控制。實驗仿真運行結果表明這一控制方法能夠實現系統供電的穩定和可靠輸出，明顯改善系統運行中的動態特性。

2.4  其他相關研究

通過分析系統中影響系統能量轉換效率和制氫效率的主要因素，可以進一步為系統優化設計指明方向。文獻[45]利用仿真模擬對可能影響系統制氫效率的主要因素進行了研究，發現光照輻射量、風速和電解溫度是主要影響條件，為提高系統效率指明了一定方向。文獻[46]以邯鄲地區的氣象參數為基礎，發現邯鄲地區風能發電能力較弱，采用風光互補發電的互補性不大，聯合發電系統的運行特性與獨立光伏發電相當；研究還指出在風能資源豐富的地區可以加大風力機配置。另外，部分學者分析了風光互補發電耦合氫儲能系統的經濟性，為當前的投資及建設提供了參考。文獻[47]分析了在上海東海風電場建設并網型風光互補發電制氫系統的經濟性，分析表明該項目僅需4年便可實現收支平衡并開始盈利，項目經濟收益較好。

3  結語

本文展示了風光互補發電耦合氫儲能系統的基礎和應用研究現狀。針對風光互補發電耦合氫儲能系統，重點介紹了風光互補發電、電解水制氫、儲氫和氫燃料電池等關鍵技術的發展狀況，并對系統應用類型、容量配置以及控制優化等方面的研究進行了分析。

風光互補發電耦合氫儲能系統可依據電力與電網有無連接關系分為離網型與并網型。離網型因系統簡單靈活，應用較多。而并網型尚處于研究驗證階段，應用相對較少。在實際應用中，可以根據風光資源、系統規模和負載參數等合理選擇相應類型。當前，風光互補發電耦合氫儲能系統的各個關鍵組件在技術上已相對成熟，投資建設和運維成本是阻礙風光互補發電耦合氫儲能系統的主要問題。通過容量配置設計和系統控制優化來降低系統成本、提高能量轉化效率備受關注。