太阳能电解水制氢直接耦合连接技术

对太阳能-电解水制氢系统中光伏阵列与电解槽直接耦合连接技术做了理论研究与计算,得出直接耦合连接方式对电能利用率可高达94％以上,而传统的间接连接方式利用率最高仅为75.3％.得出的结论对降低太阳能-电解水制氢成本和提高系统经济可行性具有重要意义.     

太阳能制氢直接耦合连接技术能量传递研究

氢能是21世纪最具潜力的清洁能源。现今大量的能量消耗和较低的产氢效率成为限制氢能大规模生产的关键问题。研究了太阳能制氢系统中,对光伏阵列与质子交换膜(PEM)电解槽进行合理的串并联结构配置,使它们通过直接耦合连接而达到最大能量传递效率的可行性。通过理论计算各种不同配置方式的能量传递效率,得出最佳配置方式为由3块并联的光伏电池组成的光伏阵列与由12个PEM电解池组成的PEM电解槽直接连接,并得出其一天的能量平均传递效率高达99.02%。理论上验证了直接耦合连接技术在太阳能制氢系统中的优越性。     

离网式光伏电解制氢系统供电单元设计技术探讨

可再生能源制氢是促进新能源电力消纳、实现零碳氢能的重要方式。与并网制氢模式相比,光伏离网制氢具有成本低、部署灵活的优点。以离网光伏电解水制氢系统为研究对象,对比了光伏并网制氢与光伏离网制氢的不同,讲述了3种制氢电解槽与可再生能源结合的适用性。重点阐述了基于碱性电解水制氢设备的离网制氢系统结构设计、电解槽的光伏直流供电单元设计、制氢辅助系统交流供电单元设计、安全供电控制单元设计,分析了系统设计和控制过程中应重点关注的问题。储能的容量配置方法和双备份的可靠供电方法为离网式光伏制氢系统提供了技术参考。     

）太阳能燃料能源系统光伏阵列与电解槽优化连接

为了改善系统的性能太阳能燃料电池分布式能源系统,针对光伏阵列与SPE电解槽进行了直接优化连接。基于光伏阵列的特性的理论分析,给出了光伏阵列的特性方程式和光伏阵列I-V特性曲线工程计算法,探究光伏阵列-SPE电解槽直接优化连接的运行效果,结果表明通过将SPE电解槽和光伏阵列的组成形式设计优化至最合理,从而让SPE电解槽的输入的伏安特性和光伏阵列输出的伏安特性达到最相匹配,进而可以有效地提升光伏阵列-SPE电解槽直接连接方式下的运行效率。     

基于最大功率点跟踪与储能补偿的光伏-制氢系统研究

利用太阳能发电制氢既是消纳高比例新能源的有效途径,也是实现“双碳”目标的重要支撑。建立了共用直流母线的光伏-制氢系统模型,通过对光伏系统进行最大功率点跟踪（maximum power point tracking,MPPT）控制,光伏电池的最大功率点可以与制氢电解槽的工作曲线动态匹配,实现光伏能量的最大化利用。为了解决非均匀照度时的全局最大功率点搜索问题,提出了基于Fibonacci搜索的MPPT控制方法。研究结果表明：基于Fibonacci搜索的MPPT方法可对均匀照度以及非均匀照度条件下的光伏系统进行MPPT控制,其中功率单峰曲线的跟踪准确度接近99%,功率多峰曲线的平均跟踪准确度接近98%;碱式电解槽工作在电压控制模式,通过与MPPT控制器和储能补偿装置的配合,当功率充足时可以使制氢效率保持在70%以上。     

风光互补发电耦合氢储能系统研究综述

基于风光互补发电、电解水制氢、储氢、氢燃料电池等技术的风光互补发电耦合氢储能系统,以氢能为能源载体,是实现可再生能源-氢能-电能规模化应用的重要途径.介绍了风光互补发电、电解水制氢、储氢和氢燃料电池等关键技术的发展现状,对风光互补发电耦合氢储能系统中的离网型、并网型系统和容量配置优化等研究热点进行了分析,为风光互补发电...     

考虑平抑风光波动的ALK-PEM电解制氢系统容量优化模型

(新疆大学电气工程学院,新疆 乌鲁木齐 830047) 摘要：为提高风光资源的利用率,电解水制氢受到了广泛关注,但氢能在生产过程中易受到风光波动性的影响。由此,提出考虑平抑风光波动的碱性-质子交换膜(alkaline-proton exchange membrane, ALK-PEM)电解制氢系统容量优化模型。首先,为降低风光瞬时功率波动对电解制氢系统安全稳定运行的影响,采用EMD算法分析原始风电和光伏功率的瞬时波动特性,并经超级电容(supercapacitor, SC)进行平抑,构建了基于EMD的SC容量配置模型。其次,考虑不同电解槽运行特性因素,将质子交换膜(proton exchange membrane, PEM)电解槽和碱性(alkaline, ALK)电解槽相组合替代单类型电解槽的制氢系统,提出了ALK-PEM电解制氢系统容量优化模型,以提高制氢系统经济效益。最后,以某风电场和光伏电站数据为例,通过仿真计算得到系统的容量规划结果,验证所提模型在平抑波动和提高可再生能源利用率方面的有效性,并提高了制氢系统的经济性。     

电解水制氢的多物理场建模与监控技术综述

电解水制氢设备中存在电流、温度、流速等多个物理量以能量和物质双重耦合的形式分布于电解槽内，其高效运行离不开对内部多物理场的精确解析与协调控制。对电解水制氢设备中多物理场建模与调控技术进行了系统性综述，系统揭示了电解水制氢设备内传热、传质、气液两相流等多物理过程的耦合机理，并依次综述了各物理场的现有建模技术、研究瓶颈及发展趋势；同时，给电解槽施加磁场和光场可有效监测或调控其内部的多物理过程，分别介绍了外加光场的流场监测原理以及外加磁场的调控技术。最后，总结了电解水制氢设备内场建模与外场调控研究的关键技术与发展方向，以期为电解水制氢设备的多物理场研究的发展提供指导。     

电解水制氢标准体系研究与需求分析

碳达峰、碳中和目标愿景下,发展氢能产业是能源绿色低碳转型发展的重要途径。电解水制氢是近、中期清洁氢的重要来源,同时,也是解决可再生能源消纳的重要方式。我国电解水制氢产业即将进入快速发展期,为规范产业发展,现阶段亟需建立电解水制氢标准体系。基于我国氢能产业标准体系,结合电解水制氢技术水平和发展趋势,从材料与零部件、设备、系统、综合评价4个方面构建电解水制氢标准体系,标准体系涵盖15个技术领域,39个标准系列以及若干具体标准,详细分析各技术领域标准需求,为开展电解水制氢标准规划和制修订工作提供指导。     

多谐振变换器直流耦合光伏制氢研究

光伏发电电解水制氢能够进一步提高光伏发电利用率,针对光伏制氢系统需工作在较宽范围输出电压的特点,提出一种基于多谐振变换器的直流耦合光伏制氢系统,能够满足氢能的高效制取。分析多谐振变换器的工作原理,引入序列二次规划法对多谐振变换器进行参数设计,解决多谐振变换器参数设计较为复杂的问题。在此基础上设计试验样机,并在试验样机对设计参数进行验证,验证结果表明:基于多谐振变换器的光伏制氢系统硬件电路参数设计合理,能满足变换器宽增益（输出电压200~ 650 V）、高效率（97.24%）的需求,降低了变换器因无功功率循环而造成的损耗,提高了光伏制氢效率。     

碳中和目标下制氢关键技术进展及发展前景综述

本文围绕制氢关键技术的研究进展进行综述,分析了氢能发展的背景,整理并解读了当前我国与氢能相关的政策,并调研了几项国内典型制氢项目。对氢能产业链中制氢环节应用现状及关键技术原理进行了梳理和对比,包括煤制氢、醇类制氢及电解水制氢技术的原理、电解槽结构及数学模型,并分析了由“灰氢”到“绿氢”转化的重要意义,为我国“绿氢”制取关键技术的发展提供借鉴和参考。     

风电耦合电解水制氢技术研究

由于氢能具有单位质量热值高、用途广泛和可再生等优点,越来越多科研工作者对氢能产生了兴趣。文章对目前主流制氢路线做了对比,发现电解水制氢与风电耦合具有很大的优势。分析孤网、并网和非并网三种运行模式下的技术可行性。结论表明“孤网运行:风力发电+电解水制氢设备+储能设施”的耦合模式最具有发展潜力,为将来开展大规模风电耦合制氢提供可选的技术思路。     

绿色能源氢能及其电解水制氢技术进展

随着环境污染日益严重,越来越多的研究关注于绿色无污染能源,其中氢能清洁无污染、高效、可再生,是未来最有潜力的能源载体.而利用电解水技术制氢是目前最有潜力的技术,也是一种经济有效的技术.介绍了氢能的研究现状和水电制氢技术,着重介绍了碱性电解槽、质子交换膜电解技术以及固体氧化物水电解技术,对现有技术进行了总结.     

双碳目标下绿色制氢技术的进展

发展高能效、低成本、零碳排放的可再生能源电解水制氢技术是实现“碳中和”“碳达峰”的重要途径。随着可再生能源的价格持续下降,利用可再生能源来实现高效的电解水制氢正逐渐成为未来氢能的主流技术路线。围绕当前绿色制氢技术的研究进展,重点阐述电解水制氢、太阳能分解水制氢以及生物质制氢等“绿氢”技术的产氢机理、技术难题和发展现状,并对未来绿色制氢技术的应用前景和发展方向进行分析和讨论。     

考虑多约束条件下的电-氢-化耦合系统控制方法

在电-氢-化耦合系统中，电解水制氢装置在消纳风、光等可再生能源或参与电网平衡调控的同时，其变负载运行需满足多约束条件，以保证系统各环节安全稳定运行。针对电-氢-化耦合系统中各环节存在的耦合作用关系，详细介绍了系统核心环节——电解水制氢系统的模型，并提出一种考虑各环节多约束条件下的系统控制方法。对兆瓦级碱性电解槽的模型进行详细分析，包括电化学模型、热力学模型等，同时建立辅助设备压缩机、储氢罐的数学模型；综合考虑电解槽温度、电解槽压力、储氢罐压力、下游煤化工环节用氢等约束条件，提出电解水制氢系统的控制策略。基于MATLAB/Simulink搭建电-氢-化耦合系统的仿真模型，并通过RT-LAB半实物仿真平台，在不同的电网功率指令下，对电-氢-化耦合系统的运行特性进行深入研究，并对所提控制策略的控制效果进行验证。     

计及调峰辅助服务的风电场/群经济制氢容量计算

针对“双碳”目标下风电深度消纳及电网灵活性提升的规模化风电制氢经济容量配置问题,该文提出计及调峰辅助服务的风电场/群经济制氢容量计算方法,实现单个风电场及省级风电最佳制氢容量计算。在计及电解水制氢系统规模化成本效应的情况下,以净现值最大为目标,考虑电网调峰需求,构建制氢容量经济优化目标函数,对电解水制氢系统的初始投资成本、制氢电价、氢气售卖价格、电解槽转化率和设备退化率等参数进行敏感性分析,并在其基础上预测未来风电场/群制氢经济性。通过吉林省49个风电场进行算例分析,结果表明,风电制氢参与调峰辅助服务市场能够在最大化消纳风电、提升电网动态调节能力的同时,计算出49个风电场及吉林省省级最佳经济制氢容量。该文为风电场/群制氢容量配置提供有效计算方法。     

碱性电解槽运行特性数字孪生模型构建及仿真

基于传感技术、物联网技术、仿真建模技术的数字孪生技术通过物理模型与数据驱动模型的融合,已成为一种实现物理实体的真实状态仿真比对与推演评估的先进且可行的新技术。碱性电解水制氢槽是电解水制氢系统中的关键设备,基于数字孪生技术构建碱性电解槽运行特性模型,实现其特性仿真与状态评估中的应用,对电解槽的信息化、数字化及对可再生能源发电制氢系统的整体优化具有重要意义。该文首先基于碱性电解槽相关试验及制氢机理,建立了碱性电解槽阻抗特性数字孪生模型;然后选择电解槽总电压、总电流及槽体温度等特性表征参数作为观测变量,融合数学驱动模型和电化学机理模型,构建碱性电解槽运行特性数字孪生体系统;最后基于Matlab/Simulink实现碱性电解槽数字孪生模型的仿真,主要包括温升特性仿真模型、功率调节仿真模型、产氢效率仿真模型和分离罐特性仿真模型。     

氢能驱动下钢铁园区能源系统优化配置

加快实施电能替代是实现“碳达峰·碳中和”目标的重要举措,但有相当一部分碳排放无法通过直接电能替代来消除,这其中就包括以钢铁为代表的工业领域的碳排放。新能源和氢能的大力发展,尤其是二者之间的耦合加深为减少工业领域碳排放提供了契机。文中重点分析了钢铁园区能源系统特点,通过引入新能源发电、电解水制氢以及氢能重卡等元素,优化了传统钢铁园区能源系统。基于耦合环节建模,构建了以钢铁园区收益净现值最大为目标函数、以各组分转换关系和连接特性为约束条件的规划模型。分析了电力市场、碳市场与去产能政策以及设备价格对系统规划配置的影响,通过刻画系统投资风险进一步解释了规划方案呈现的“偏好”特性。最后,从系统建设、系统调控和项目推广3个方面阐述了需要注意的关键问题。     

基于纳什谈判理论的风电-虚拟氢厂参与现货市场合作运行策略

为解决市场机制下风-氢多能系统的合作运行问题,提出基于纳什谈判理论的风电-虚拟氢厂（VHP）参与现货市场合作运行策略。从制氢、储氢、柔性氢负荷3个方面揭示氢能系统灵活运行机理,提出了VHP的概念并建立考虑制-储-用多环节协同运行的氢能系统一体化模型,在此基础上,计及不同制氢技术间的资源互补特性、低碳互补特性,从技术组合创新的角度提出电解水制氢与煤制氢耦合运行的“综合制氢”系统。基于典型场景集刻画风电及市场电价的不确定性,以收益最大化为目标,建立电力现货市场环境下基于纳什谈判理论的风电-VHP合作运行两阶段随机规划模型。为保护各主体的隐私,在对原始纳什谈判问题进行等效转换后,基于交替方向乘子法实现合作运行模型的分布式求解,并通过仿真算例验证了所提策略的有效性。     

碱液制氢电解槽动态阻抗建模

制氢系统建模对于降低能耗、研究综合能源系统中不同能流的交互特性具有重要的意义。分析碱性电解水制氢系统工作原理及物理特性，通过电化学方程和参数拟合，建立了碱液制氢电解槽静态模型。在静态模型的基础上，进一步分析得出电解槽负载的等效电路动态模型，通过采用直流加小干扰电压的方法得到电解槽的宽频域阻抗谱，利用傅里叶分析计算出模型中各阻抗参数的具体值。最后基于所得参数值在MATLAB环境下搭建模型进行仿真，通过与实测数据的比较验证了动态模型的准确性。