CN106208960A - 一种光伏耦合氢储能发电系统及其测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光伏耦合氢储能发电系统及其测试方法和装置，所述系统包括：光伏电池子系统，用于根据光能输出电能；制氢子系统，用于利用所述光伏电池子系统输出的电能制氢气；储氢子系统，用于储存所述制氢子系统输出的氢气，并以可调流量输出氢气；氢发电子系统，用于利用所述储氢子系统输出的氢气发电。

Description

一种光伏耦合氢储能发电系统及其测试方法和装置

技术领域

本发明涉及新能源发电领域，具体涉及一种光伏耦合氢储能发电系统及其测试方法和装置。

背景技术

随着化石能源的日渐枯竭以及环境问题的日益突出，世界各国都加紧了对新能源的开发与利用。如光能、风能等自然能源均可作为发电能源，例如现有的太阳能光伏电池即可将自然光能转换为电能，但此类自然能源波动性较大，其转换的电能无法直接并网运行，而需要对其进行储能处理。

现有的自然能源发电系统的储能方式效率较低，由此导致对自然能源的利用率较低。

发明内容

本发明所要解决的是现有的自然能源发电系统对自然能源的利用率较低的问题。

有鉴于此，本发明实施例提供了一种光伏耦合氢储能发电系统，包括：光伏电池子系统，用于根据光能输出电能；制氢子系统，用于利用所述光伏电池子系统输出的电能制氢气；储氢子系统，用于储存所述制氢子系统输出的氢气，并以可调流量输出氢气；氢发电子系统，用于利用所述储氢子系统输出的氢气发电。

本发明实施例还提供了一种光伏耦合氢储能发电系统性能测试方法，包括：根据光伏电池的等效电路参数及环境仿真参数确定光伏电池的性能数据；根据所述光伏电池的性能数据及制氢子系统仿真模型的参数确定制氢子系统的制氢性能数据；根据储氢子系统仿真模型的参数与所述制氢子系统的制氢性能数据确定所述储氢子系统仿真模型的储氢性能数据；根据所述储氢子系统仿真模型的储氢性能数据以及氢发电子系统仿真模型的参数确定氢发电子系统仿真模型的性能数据。

相应地，本发明的另一个实施例还提供一种光伏耦合氢储能发电系统性能测试装置，包括：光伏电池测试模块，用于根据光伏电池的等效电路参数及环境仿真参数确定光伏电池的性能数据；制氢测试模块，用于根据所述光伏电池的性能数据及制氢子系统仿真模型的参数确定制氢子系统的制氢性能数据；储氢测试模块，用于根据储氢子系统仿真模型的参数与所述制氢子系统的制氢性能数据确定所述储氢子系统仿真模型的储氢性能数据；氢发电测试模块，用于根据所述储氢子系统仿真模型的储氢性能数据以及氢发电子系统仿真模型的参数确定氢发电子系统仿真模型的性能数据。

根据本发明实施例提供的光伏耦合氢储能发电系统，利用光伏电池子系统可以将自然光能转换为电能，其制氢子系统可以利用光伏电池子系统输出的电能制氢气，其储氢子系统可以储存氢气，并以稳定可控的速率输出氢气，最后氢发电子系统利用储氢子系统输出的氢气进行发电，由此本系统将氢气作为能源载体，将不稳定的自然光能转换为稳定的电能，由此提高了自然能源的利用率。

本发明实施例提供的性能测试方法及装置基于耦合太阳能光伏系统的氢储能子系统数学模型，在调试与参数优化的基础上，利用软件平台建立氢储能系统仿真平台，实现氢储能系统在不同应用场景下的多目标仿真操作，为各子系统的设备选型、氢储能系统工程设计与优化提供指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一个实施例中提供的光伏耦合氢储能发电系统结构示意图；

图2为本发明实施例中的光强度随时间变化示意图；

图3为本发明的一个实施中的氢发电子系统的输出电压随时间变化的示意图；

图4为本发明的一个实施例提供的光伏耦合氢储能发电系统性能测试方法的流程图；

图5为本发明的一个实施例中的光伏电池的等效电路得结构示意图；

图6为本发明的一个实施例提供的光伏耦合氢储能发电系统性能测试装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供了一种光伏耦合氢储能发电系统，如图1所示，该系统包括：光伏电池子系统11、制氢子系统12、储氢子系统13和氢发电子系统14，其中，

光伏电池子系统11用于根据光能输出电能，光伏电池子系统中通常包括若干串并相连的光伏电池，其组成的电池阵列可以根据外部光照强度进行发电，其电能输出效率与外部光照强度的变化紧密相关。图2是某时间段光强度随时间变化的过程示意图，如图2所示光强度随机波动性较大，由此光伏电池子系统输出的电能无法作为高质量电能直接并网运行。

制氢子系统12用于利用所述光伏电池子系统11输出的电能制氢气，具体可以依照水电解制氢的原理，电解水制氢过程即是氢气和氧气燃烧生成水的逆过程，制氢子系统的电解池是由电极、电解质、隔膜以及电解槽等组成的。由于光伏电池子系统11的电能输出过程波动性较大，因此制氢子系统12的制氢过程也将受到影响。

储氢子系统13用于储存所述制氢子系统12输出的氢气，并以可调流量输出氢气。该子系统包括用于压缩氢气的压缩机以及储氢罐等部件，其输出量可以通过储氢罐的输出口进行设定。储氢子系统13起到储能作用，首先将制氢子系统12波动性输出的氢气进行储存，然后以稳定的流速输出氢气。

氢发电子系统14用于利用所述储氢子系统13输出的氢气发电。图3为拟合获得的最终燃料电池输出电压随时间变化关系示意图，由于储氢子系统13的氢气输出稳定且是可控的，因此氢发电子系统的电能输出过程是稳定的。

根据本发明实施例提供的光伏耦合氢储能发电系统，利用光伏电池子系统可以将自然光能转换为电能，其制氢子系统可以利用光伏电池子系统输出的电能制氢气，其储氢子系统可以储存氢气，并以稳定可控的速率输出氢气，最后氢发电子系统利用储氢子系统输出的氢气进行发电，由此本系统将氢气作为能源载体，将不稳定的自然光能转换为稳定的电能，由此提高了自然能源的利用率。

本发明的另一个实施例还提供了一种光伏耦合氢储能发电系统性能测试方法，该方法通过建立上述实施例中的光伏耦合氢储能发电系统的仿真模型来测试整个系统的性能，该模型的适用平台包括Matlab、Fluent、Aspen等仿真模拟软件，但不局限于此，包含业内所知其它具有相近功能的仿真模拟软件。

该模型主要包含光伏电池子系统模型、制氢子系统模型、储氢子系统模型、氢发电子系统模型以及相关辅助逆变，控制分系统模块辅助模型等部分。

对于光伏电池子系统模型，根据电子学理论，理想太阳能光伏电池单体可以等效为一个光生电流源并联一个正向偏置的理想二极管。根据光照、环境温度和负载就可以使用光伏电池的伏安特性模型确定光伏电池的输出功率，从而获得给予制氢子系统模型的相关电流功率等相关仿真参数进行下一步的计算与模拟。

对于制氢子系统模型，依照水电解制氢原理，电解水制氢过程的原理是氢气和氧气燃烧生成水的逆过程。获得制氢子系统模型效率以及氢气流量。从而获得给予储氢子系统模型的相关氢气流量与压力等相关仿真参数进行下一步的计算与模拟。

对于储氢子系统模型，通过制氢系统获得氢气流量参数进行模拟，控制储氢系统流量，即可稳定控制氢发电子系统模型效率与功率输出。

对于氢发电子系统，需控制各时间段氢气流量对于电流及工作温度影响，以及电压及效率变化，即可通过以上数据获得相应的模拟结果，从而对实际的系统进行预测整合，并进行下一步的优化与调试。

如图4所示，本发明实施例提供的光伏耦合氢储能发电系统性能测试方法包容如下步骤：

S1，根据光伏电池的等效电路参数及环境仿真参数确定光伏电池的性能数据，其中等效电路参数例如可以包括内阻值、光伏电池电流源参数、光伏电池单体数量等，环境仿真参主要包括环境温度，光伏电池的性能数据例如可以是输出电流、输出电压。

具体地，根据电子学理论，理想太阳能光伏电池单体可以等效为一个光生电流源并联一个正向偏置的理想二极管，据电子学理论，理想太阳能光伏电池单体可以等效为一个光生电流源并联一个正向偏置的理想二极管。当计及光伏电池内阻时，可用图5所示的等效电路来模拟。图中，Iph为光生电流，D为理想二极管，Rs、RSh为光伏电池的内阻，其中，串联电阻Rs、由太阳能电池电极自身电阻、半导体材料的体电阻、以及两者之间的接触电阻等组成，阻值较小，通常只有几欧姆；并联电阻Rsh为旁路电阻，模拟的是太阳能电池由于材料缺陷、表面污染等原因造成的漏电流效应，其数值较大，通常为几千欧姆，在仿真中可以做开路处理；u为光伏输出电压，R_L为虚拟等效负载。

由太阳能光伏电池等效电路可以看出，太阳能光伏电池可以等效为一个受控电流源，太阳能光电池的光生电流Iph与光照强度大小和温度有关。

由此，步骤S1可以包括如下内容：

S11，根据所述多个串并联的光伏电池单体等效电路的硬件参数确定所述光伏电池的等效电路的输出电流；

具体地，可以利用下式确定所述光伏电池的等效电路的输出电流I_PV：

$I_{PV}=n_p{I}_{ph}-n_p{I}_0\{\exp \[\frac{q(\frac{U_{PV}}{n_s}+\frac{I_{PV}{R}_s}{n_p})}{AkT}\]-1\}-\frac{(U_{PV}/n_s+I_{PV}{R}_s/n_p)}{R_{sh}},$

$I_{ph}=\frac{G}{1000}\[I_{sc}+K_T(T-T_{ref})\],$

式中，Iph为所述光伏电池单体等效的光生电流，单位：A；I₀为所述二极管的反向饱和电流，单位：A；q为电子电荷，1.602×10^-19C；A为所述二极管的PN节的理想因子，一般取值范围为[6,7]；k为玻尔兹曼常数，1.38×10^-23J/K；T为所述二极管的PN节温度，单位：K；Rs、RSh为所述光伏电池单体等效电路的内阻；np、nq分别为所述光伏电池的等效电路中光伏电池单体等效电路的串并联组数；UPV为所述光伏电池的等效电路的输出电压，单位：V；IPV为所述光伏电池单体等效电路的输出电流，单位：A；G为照射到太阳能电池板的有效光照强度，单位：W/m2；KT为所述光伏电池单体等效电路的短路电流的温度系数，单位：A/℃；Tref为预设参考温度(一般为25℃)，T为实际测试温度，单位：K；Isc为所述光伏电池单体等效电路的短路电流，单位：A；

S12，根据给定的负载参数及温度参数，确定所述光伏电池的等效电路的输出电压；

具体地，可以利用下式确定所述光伏电池的等效电路的输出电压U_pv：

U_PV＝U+αΔT_c+R_s(I_PV-I)，

${\mathrm{\ΔT}}_c=T_a+\frac{G}{800}(NOCT-T_{a,ref}),$

其中，U是负载电压，α为开路电压温度系数，NOCT为标准测试温度，△Tc为补偿温度，Ta为给定测试温度，Ta,ref为标准温度，Rs为所述光伏电池单体等效电路的串联电阻，G为给定的光照强度。

根据光照、环境温度和负载就可以使用光伏电池的伏安特性模型确定光伏电池的输出功率，从而获得给予制氢子系统模型的相关电流功率等相关仿真参数进行下一步的计算与模拟。

S2，根据所述光伏电池的性能数据及制氢子系统仿真模型的参数确定制氢子系统的制氢性能数据；

制氢子系统模型中，依照水电解制氢原理，电解水制氢过程的原理很简单，是氢气和氧气燃烧生成水的逆过程。电解水制氢的电解池是由电极、电解质、隔膜以及电解槽所组成。

由此，步骤S2可以包括如下步骤：

S21，根据给定的电解参数及所述光伏电池的性能数据，确定制氢子系统电解过程中的电压；

具体地，可以利用下式确定制氢子系统仿真模型在电解过程中的电压V_el：

$V_{el}=V_{rev}+\frac{r_1+r_{2}T}{A}{I}_{el}+s\log (1-\frac{t_1+\frac{t_2}{T}+\frac{t_3}{T^2}}{A}{I}_{el}),$

其中，V_rev为可逆电池电压，I_el可以是光伏发电模型中的I_PV，A为电极面积，s为电极过电压系数，变量r₁、r₂、t₁、t₂、t₃为不同电解槽特征参数。

S22，根据给定的电解参数及所述光伏电池的性能数据，确定制氢子系统的制氢量；

具体地，可以利用下式确定制氢子系统仿真模型的氢气摩尔流率

${\mathrm{\η}}_F=\frac{{\left(\frac{I_{el}}{A}\right)}^2}{f_1+{\left(\frac{I_{el}}{A}\right)}^2}{f}_2,$

${\stackrel{\·}{n}}_{H_2}={\mathrm{\η}}_F\frac{n_c{I}_{el}}{zF},$

其中是氢气摩尔流率，n_c是每个电解槽堆的串联电池数量，F是法拉第常数，z为每个反应所转移的电子数，f₁，f₂亦为不同电解槽特征的参数。。

依照上述关系式，获得制氢子系统模型效率以及氢气流量。从而获得给予储氢子系统模型的相关氢气流量与压力等相关仿真参数进行下一步的计算与模拟。

S3，根据储氢子系统仿真模型的参数与所述制氢子系统的制氢性能数据确定所述储氢子系统仿真模型的储氢性能数据。

储氢子系统模型相对简单，通过制氢系统获得氢气流量参数进行模拟，采用通常由压缩机制造商提供的压缩机效率来计算氢气压缩实际所需的工作量，由此步骤S3可以包括如下步骤：

S31，根据所述制氢子系统的制氢性能数据及给定的压缩机参数，确定储氢压缩机所需的功率；

具体地，可以利用下式确定储氢压缩机所需的功率P_comp：

$P_{comp}=\frac{1}{{\mathrm{\η}}_{comp}}\frac{n_{poly}}{n_{poly}-1}{\stackrel{\·}{n}}_{H_2}RT({\left(\frac{P_{c,out}}{P_{c,in}}\right)}^{(n_{poly}-1)/n_{poly}}-1),$

其中，P_comp为压缩机所需的功率，η_comp为压缩机的效率，n_poly是多方指标，是氢气摩尔流率(此为电解槽产氢摩尔流率)，R为气体常数，T_comp是压缩机入口温度，P_c,out和P_c,in分别为所述储氢子系统仿真模型的出口和入口氢气压力；

S32，根据给定的储罐参数确定储罐压力。

具体地，可以利用下式确定储氢罐压力P_storage：

$P_{storage}=\frac{n_{storage}RT}{V_{\tan k}},$

其中，P_storage是储罐压力，V_tank是储罐容积，n_storage是储罐内的氢气摩尔数。控制储氢系统模型流量，即可稳定控制氢发电子系统模型效率与功率输出。

S4，根据所述储氢子系统仿真模型的储氢性能数据以及氢发电子系统仿真模型的参数确定氢发电子系统仿真模型的性能数据。

氢发电子系统中，需控制各时间段氢气流量对于电流及工作温度影响，以及电压及效率变化，即可通过以上数据获得相应的输出电压、输出电流。输出功率等模拟结果，从而对实际的系统进行预测整合，并进行下一步的优化与调试。

本发明实施例提供的测试方法，基于耦合太阳能光伏系统的氢储能子系统数学模型，在调试与参数优化的基础上，利用软件平台建立氢储能系统仿真平台，实现氢储能系统在不同应用场景下的多目标仿真操作，为各子系统的设备选型、氢储能系统工程设计与优化提供指导。

本发明的另一个实施例还提供了一种光伏耦合氢储能发电系统性能测试装置，如图6所示该装置包括：

光伏电池测试模块61，用于根据光伏电池的等效电路参数及环境仿真参数确定光伏电池的性能数据；

制氢测试模块62，用于根据所述光伏电池的性能数据及制氢子系统仿真模型的参数确定制氢子系统的制氢性能数据；

储氢测试模块63，用于根据储氢子系统仿真模型的参数与所述制氢子系统的制氢性能数据确定所述储氢子系统仿真模型的储氢性能数据；

氢发电测试模块64，用于根据所述储氢子系统仿真模型的储氢性能数据以及氢发电子系统仿真模型的参数确定氢发电子系统仿真模型的性能数据。

本发明实施例提供的性能测试装置基于耦合太阳能光伏系统的氢储能子系统数学模型，在调试与参数优化的基础上，利用软件平台建立氢储能系统仿真平台，实现氢储能系统在不同应用场景下的多目标仿真操作，为各子系统的设备选型、氢储能系统工程设计与优化提供指导。

优选地，所述光伏电池的等效电路包括多个串并联的光伏电池单体等效电路，每个所述光伏电池单体等效电路均包括一个光生电流源，与所述电流源并联的正向偏置二极管；

所述光伏电池测试模块包括：

输出电流测试模块，用于根据所述多个串并联的光伏电池单体等效电路的硬件参数确定所述光伏电池的等效电路的输出电流；

输出电压测试模块，用于根据给定的负载参数及温度参数，确定所述光伏电池的等效电路的输出电压。

优选地，所述制氢测试模块包括：

电解电压测试模块，用于根据给定的电解参数及所述光伏电池的性能数据，确定制氢子系统电解过程中的电压；

制氢量测试模块，用于根据给定的电解参数及所述光伏电池的性能数据，确定制氢子系统的制氢量。

优选地，所述储氢测试模块包括：

功率测试模块，用于根据所述制氢子系统的制氢性能数据及给定的压缩机参数，确定储氢压缩机所需的功率；

压力测试模块，用于根据给定的储罐参数确定储罐压力。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种光伏耦合氢储能发电系统，其特征在于，包括：

光伏电池子系统，用于利用光能输出电能；

制氢子系统，用于利用所述光伏电池子系统输出的电能制氢气；

储氢子系统，用于储存所述制氢子系统输出的氢气，并以可调流量输出氢气；

氢发电子系统，用于利用所述储氢子系统输出的氢气发电。

2.一种光伏耦合氢储能发电系统性能测试方法，其特征在于，包括：

根据光伏电池的等效电路参数及环境仿真参数确定光伏电池的性能数据；

根据所述光伏电池的性能数据及制氢子系统仿真模型的参数确定制氢子系统的制氢性能数据；

根据储氢子系统仿真模型的参数与所述制氢子系统的制氢性能数据确定所述储氢子系统仿真模型的储氢性能数据；

根据所述储氢子系统仿真模型的储氢性能数据以及氢发电子系统仿真模型的参数确定氢发电子系统仿真模型的性能数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光伏电池的等效电路包括多个串并联的光伏电池单体等效电路，每个所述光伏电池单体等效电路均包括一个光生电流源，与所述电流源并联的正向偏置二极管；

所述根据光伏电池的等效电路参数及环境仿真参数确定光伏电池的性能数据，包括：

根据所述多个串并联的光伏电池单体等效电路的硬件参数确定所述光伏电池的等效电路的输出电流；

根据给定的负载参数及温度参数，确定所述光伏电池的等效电路的输出电压。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述光伏电池的性能数据及制氢子系统仿真模型的参数确定制氢子系统的制氢性能数据，包括：

根据给定的电解参数及所述光伏电池的性能数据，确定制氢子系统电解过程中的电压；

根据给定的电解参数及所述光伏电池的性能数据，确定制氢子系统的制氢量。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据储氢子系统仿真模型的参数与所述制氢子系统的制氢性能数据确定所述储氢子系统仿真模型的储氢性能数据，包括：

根据所述制氢子系统的制氢性能数据及给定的压缩机参数，确定储氢压缩机所需的功率；

根据给定的储罐参数确定储罐压力。

6.一种光伏耦合氢储能发电系统性能测试装置，其特征在于，包括：

光伏电池测试模块，用于根据光伏电池的等效电路参数及环境仿真参数确定光伏电池的性能数据；

制氢测试模块，用于根据所述光伏电池的性能数据及制氢子系统仿真模型的参数确定制氢子系统的制氢性能数据；

储氢测试模块，用于根据储氢子系统仿真模型的参数与所述制氢子系统的制氢性能数据确定所述储氢子系统仿真模型的储氢性能数据；

氢发电测试模块，用于根据所述储氢子系统仿真模型的储氢性能数据以及氢发电子系统仿真模型的参数确定氢发电子系统仿真模型的性能数据。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光伏电池的等效电路包括多个串并联的光伏电池单体等效电路，每个所述光伏电池单体等效电路均包括一个光生电流源，与所述电流源并联的正向偏置二极管；

所述光伏电池测试模块包括：

输出电流测试模块，用于根据所述多个串并联的光伏电池单体等效电路的硬件参数确定所述光伏电池的等效电路的输出电流；

输出电压测试模块，用于根据给定的负载参数及温度参数，确定所述光伏电池的等效电路的输出电压。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述制氢测试模块包括：

电解电压测试模块，用于根据给定的电解参数及所述光伏电池的性能数据，确定制氢子系统电解过程中的电压；

制氢量测试模块，用于根据给定的电解参数及所述光伏电池的性能数据，确定制氢子系统的制氢量。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述储氢测试模块包括：

功率测试模块，用于根据所述制氢子系统的制氢性能数据及给定的压缩机参数，确定储氢压缩机所需的功率；

压力测试模块，用于根据给定的储罐参数确定储罐压力。