探索解决大规模风电储存的新途径_风电直接制氢及燃料电池发电系统_张宪平.pdf

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1、技术交流TechnicalCommunication探索解决大规模风电储存的新途径——风电直接制氢及燃料电池发电系统文张宪平　潘磊　冯健国电联合动力技术有限公司摘　要：弃风已成为制约我国风电发展的严重问题，在并网技术难以突破的情况下，利用多余的风电直接制成氢气储存，在电网缺电时通过控制燃料电池将电能输送给电网，不仅可实现规模化风能的储存，还可实现风电的可控性。文中重点介绍了风电直接制氢及燃料电池发电系统涉及的各项关键技术，及存在的问题，希望通过技术的探索，解决制约我国风电发展的技术难题。关键词：风电

2、　制氢　储氢　燃料电池　并网　能量管理1.引言[3]小时。据统计仅中国国电集团下属的龙源进入21世纪后，我国能源面临着需求电力在2012年就由于限电损失高达12亿元。总量急剧增加、供应压力巨大、液（气）体但由于风电具有间歇性，不易控制和调燃料短缺、环境污染严重、温室气体排放量度，风电上网难题仍没有取得突破性进展。增大等挑战，严重制约了我国经济与社会的在可预期的20~30年内，风电并网技术尚未可持续发展。取得突破性进展的情况下，风电发电量占整近年来，我国风电发展迅猛，截至2012个电网的比例在中国要突

3、破5%的大关还具[1]年底风电装机达到7532万千瓦，全年发有相当大的困难。[2]电量1004亿千瓦时，均居全球第一。风随着科技创新和技术进步，储能技术和电装备产业也取得长足进步，技术水平逐步手段也不断丰富。电化学储能方面，在铅酸赶超世界先进。在风电发展取得了举世瞩目电池的基础上，发展出锂离子、磷酸铁锂、成绩的同时，风电消纳困难、弃风电量逐年钠硫电池、液流电池等多种技术；其他方面增加的问题也凸显出来。据初步统计，2011有飞轮、压缩空气、超级电容、超导以及电年全国弃风电量约为120亿千瓦，弃风率约解

4、制氢储氢等新型储能手段。相对于电化学为16%；2012年全国弃风电量超过200亿千和其它储能手段，利用风电电解水制氢、储瓦时，弃风率达到20%，一些风资源很好地氢成本相对较低，具有较高的推广价值。此区的风电机组实际年利用小时数已不足1500外，利用氢气作为原材料的燃料电池技术经48风能产业WindEnergyIndustry2013年9月过“九五”、“十五”、“十一五”的持续发展，在我国已得到了显著的提升，在关键材料与部件（膜、催化剂、炭纸、双机板、膜电极等）、电池运行与测[4]试等方面已接近或达到

5、国际先进水平。因此，在电网用电负荷较低时，将风电直接制成氢气储存起来，在电网处于用电高峰时，再将储存的氢气通过燃料电池转化为电能回馈给电网，是解决大规模风电储存的的一种新途径。下面对风电直接制氢及燃料电池的发电系统进行详细介绍。2.风电制氢及燃料电池发电系统在图1中给出了在风电场制氢及燃料电池发电系统的示意图，风电场能量管理系统作为整个风电场的控制系统负责风电场的运行管理及能量控制。在风电丰富时，风电场将多余的电能用于电解水制氢，并把氢气储存起来，电解水制氢中产生的氧气纯度较高，具有较高的商业价值，

6、也可以存储起来。在电力缺乏时，风电场将储存的氢气通过燃料电池产生电能，并由逆变器进行电能变换和稳定控制。通过这样的过程就实现了风电的可控和大量存储。下面分别介绍各个重要环节部分。2.1水源利用风电电解水制氢首先要考虑的就是水资源问题。如果风电场距离海洋、湖泊、河流较近，水ូएᤰ᝭᮳఻ᤰ᝭᮳ႃڤᑟ᧚ኮေጇፒनТᤰ᝭᮳ႃڤႃᎪ᮳ႃڤ˟ԫΙඵඪϲත᝺ܬ᝺ܬጇፒᤤԫጇፒ྇நϲඪጇፒႃ෉ඪԣϲඪጇፒ྇நႃ෉ԧႃጇፒ图1：风电场直接制氢及燃料电池发电系统示意图2013年9月WindEnergyIndustry风

7、能产业49技术交流TechnicalCommunication资源的解决很容易。但我国的风电场很多分c布在缺水的西北戈壁上，水资源缺乏。本F0M0文提出一种设想，可利用汽车将简单处理后+的污水、或无法饮用的苦咸水等运输到风电὆MF
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὇+场进行电解氢。据有相关资料分析，一台1000kW的机组电解出400立方米的氢气时只需要400公斤水，24小时用掉的水是9.6吨，᫻ౝᬦᒛᇍভ໅๯᫺ౝ++++这些水在一次循环中耗掉约为30％～40％，2c

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8、F0M)2c余下的还可以再次循环利用。此外，在燃料图2：电解水制氢示意图电池发电过程中会生成水，这部分可以搜集起来用于重新利用。因此，通过合理的设计，必须具有高的催化活性，低的析氧过电位和[6]风电场电解水制氢需要的水量并不是很多，良好的耐酸碱性。水资源不应是限制风电丰富而水资源缺乏区目前研究人员也在开发新的水电解制氢域发展水制氢的条件。技术，如质子交换膜水电解制氢技术，质子交换膜作为电解质具有良好的化学稳定性、2.2制氢系统装置质子传导性和气体分离性等优点，可以使电