CN115287673A - 一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制装置和方法，包括：控制系统、光伏阵列、换热系统、可调加热器、储能系统水电解槽、电渗析装置和光伏逆变器；所述的控制系统包括控制器和传感器，控制器安装在光伏水电解制氢系统室内或其它室内，主要采集传感器和光伏水电解制氢系统的所有参数；所述的散热器包括室内散热器和分子筛干燥器散热器，分别安装在光伏水电解制氢系统室内的墙壁上和分子筛干燥器中；还包括含湿氢气的暂存罐，置于水电解槽与分子筛干燥器之间，将光伏发电水电解槽满负荷电解生成的氢气暂时存储到暂存罐内，待光伏发电功率小于水电解槽下限功率时，对暂存罐内的含湿氢气的再行干燥处理，充分利用光伏发电能量。

Description

一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制装置和方法

技术领域

本发明涉及电力和新能源领域，尤其是一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制装置和方法。

背景技术

氢能是解决国家能源安全和环境问题的最佳能源载体，燃料电池技术在大功率、长距离场景应用优势显著，市场潜力巨大。现阶段的主要能源仍然是化石能源，这些能源不仅储藏量有限，而且不清洁。作为清洁能源的氢能因为它的独特优势，将会逐步取代现阶段的能源，同时也可解决能源危机问题。据预测在2050年左右将全面进入氢能社会，氢能社会必将带来整个汽车甚至能源产业的革命性变革，也必将为未来产业的制高点，具有极大的产业引领效应。

其意义：

1)战略意义：氢能是能源转换的媒介，是二次能源的载体；

2)现实意义：大规模储能和调节能力，促进新能源的发展，光伏、风能等新能源发电的波动，制约着新能源的快速发展，同时光伏、风能等新能源的快速推进，消纳成为一个新的问题。而制氢恰恰可以消耗电力，在电力短缺时发电，本质上起到削峰填谷的作用。

然而水电解制氢也是高耗能设备，由此引进新能源制氢势在必行。而新能源发电与水电解制氢效率成为关键问题：如光伏发电，主要为光伏发电功率曲线与水电解制氢过程的负荷匹配度问题。

如现在基本制氢工艺用电时序分配：电渗析装置制纯水—水电解槽—再生加热器—分子筛干燥器—纯净氢气输出。由于水电解制氢过程水电解槽用电占这个系统用电的80％以上，而再生加热器用电占这个系统用电的10％以上，而且水电解制氢与再生加热器用电同时率相当高，由此在水电解制氢过程中光伏发电主要用于水电解制氢+再生加热器功率，而水电解槽存在着上下限功率限制，在光伏发电功率低于水电解制氢下限功率，无法被有效利用，系统功率越大光伏发电功率有效利用率越低，水电解制氢过程与光伏发电曲线匹配度低。

同时影响水电解制氢效率的还有如下环节：

水电解槽功率大小、水电解槽温度、分子筛干燥器内温度和室内环境温度、光伏发电效率以及光伏最大功率点与水电解槽功率的匹配度等问题。

发明内容

为解决光伏水电解制氢过程与光伏发电曲线匹配度低问题，同时解决影响光伏水电解制氢效率的制氢槽温度和环境温度、光伏发电综合利用等问题，本发明提出一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制装置和方法，保证高效光伏水电解制氢。

本发明的装置采用直接耦合连接：不考虑在系统中引入大型储能装置和DC/DC变换器，为解决光伏阵列直接输出的最大功率点和最佳水光伏电解制氢的不匹配问题，以及光伏最大功率点输出功率高效利用，同时又提出在水电解槽与分子筛干燥器之间增加含湿氢气的暂存罐，将氢气纯化过程与水电解槽过程分开，并采用可调加热器+储能系统参与对光伏最大功率点与水电解槽最佳制氢匹配度调控。

本发明的技术方案为：一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制装置，其特征在于，包括：控制系统、光伏阵列、换热系统、可调加热器、储能系统水电解槽、电渗析装置和光伏逆变器；

所述的控制系统包括控制器和传感器，控制器安装在光伏水电解制氢系统室内或其它室内，主要采集传感器和光伏水电解制氢系统的所有参数；

所述的光伏阵列包括多个光伏组件，安装在光伏水电解制氢系统的周边，为光伏水电解制氢提供能源；光伏阵列输出分别与水电解槽、电渗析装置、可调加热器、储能系统和光伏逆变器输入端连接。

所述的换热系统包括：相变储热材料、换热器、散热器，其中，相变储热材料充填在密封箱体内，置于光伏水电解制氢系统室内或其它室内周边；换热器安装在相变储热材料中。换热器的目的，是将相变储热材料中热源通过不同的散热器将热能释放。

所述的散热器包含室内散热器和分子筛干燥器散热器，分别安装在光伏水电解制氢系统室内的墙壁上和分子筛干燥器中，依据温度需求，通过阀门切换将换热器的温度，经室内散热器换热到室内环境中，保障室内的温度；经分子筛干燥器散热器换热到分子筛干燥器环境中，提供分子筛干燥器的基础温度，提高分子筛干燥器氢气纯化的速度。

所述的储能系统包括：双向变流器、储能电池，安装在光伏水电解制氢系统室内或其它室内，其中储能系统容量为维持制氢附属设备短时和启动时运行需求。

所述的光伏逆变器，安装在光伏水电解制氢系统室内或其它室内，主要为光伏水电解制氢辅助设备提供交流电源，其中包括空压机、水泵等。

所述的可调加热器安装在相变材料中，可调加热器与相变材料配合，将匹配光伏多余发电功率通过相变材料储热或直接用于干燥的氢气。

所述的电渗析装置上安装有纯水容器，电渗析装置制备出的纯水进入到纯水容器中，纯水容器出口提供水电解槽制氢用水。电渗析装置安装在光伏水电解制氢系统室内或其它室内周边；

所述的水电解槽是光伏水电解制氢系统主要设备，主要用于水电解制氢，安装在光伏水电解制氢系统室内。

安装在光伏水电解制氢系统室内或其它室内，主要采集光伏水电解制氢设备的所有参数。

所述的控制系统由控制器和传感器组成，控制器安装在光伏水电解制氢系统室内或其它室内，主要采集传感器和光伏水电解制氢系统的所有参数。

控制器的输入接口通过数据线与所有的传感器输出口连接，监测所有设备及系统运行状态，经分析判断执行对应的控制策略。控制器的输出接口通过控制线与所有执行机构、设备等连接，控制对应设备工作或停止，实现光伏水电解制氢高效的运行。

本发明的含湿氢气的暂存罐置于水电解槽与分子筛干燥器之间，将光伏发电水电解槽满负荷电解生成的氢气暂时存储到暂存罐内，待光伏发电功率小于水电解槽下限功率时，对暂存罐内的含湿氢气的再行干燥处理，充分利用光伏发电能量。

其中，含湿氢气暂存罐是由承压罐体、进气管道、出气管道、安全阀和排水管道组成。其中进气管道一端安装在承压罐体左侧上端，进气管道上安装一支进气逆止阀，进气管道另一端与电解槽制氢出气口连接；出气管道一端安装在承压罐体右侧上端，出气管道上安装一支出气逆止阀，出气管道另一端与分子筛干燥器进气口连接；排水管道一端安装在承压罐体下端，排水管道上安装一支阀门，用于定期排水；安全阀一端安装在承压罐体上端，安全阀出口与专用排氢放空管连接。

根据本发明的另一方面，提出一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制方法，包括如下步骤：

电渗析装置制备纯水，纯水通过管道提供水电解槽制氢；

水电解槽制出的含湿氢气，通过光伏发电水电解槽和分子筛干燥器之间的含湿氢气暂存罐将含湿氢气暂存罐存储；

基于光照条件进行源荷匹配控制，在理想光照条件下的光伏发电曲线分为三个阶段：

第一阶段为光伏发电在到达水电解槽下限功率之前；

第二阶段为光伏发电满足电解制氢电解槽下限制氢功率时启动水电解槽制氢，并将含湿氢气存储；

第三阶段为下午光伏发电功率为水电解槽下限功率至光伏水电解制氢系统最小工作负荷；

在三个阶段中基于光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P，分别控制电渗析装置功率P_s、储能系统充电功率P_c、空压机压缩气体功率P_g、再生加热器功率P_k的启停，同时配合可调加热器相变储热，分时对光伏水电解制氢、暂存罐存储的含湿氢气、再生加热器加热和分子筛干燥器制备纯净氢气，用于压缩存储和加注，实现水电解槽和分子筛干燥器负荷解偶，有效利用光伏发电功率。

原基本制氢工艺为：电渗析装置制纯水—水电解槽—再生加热器—分子筛干燥器—纯净氢气输出。由于水电解槽制氢与再生加热器同时要供电需求，占电解制氢功率的85～90％，所以85～90％的光伏发电功率用于水电解槽制氢+再生加热器供电，而在小于光伏水电解槽制氢下限的光伏发电功率无法得到有效利用。当光照弱时满足水电解槽制氢+再生加热器供电功率时长较短，光伏发电利用率进一步下降，与光伏发电曲线匹配度低。同时为满足更多制氢需求是必需要增加光伏阵列安装容量参与发电。

本发明改进后的基本制氢工艺：增加氢气纯化前的含湿氢气暂存罐，由此可实现水电解槽制氢与再生加热器供电需求分开，改进后的基本制氢工艺如下：

电渗析装置制纯水—水电解槽—含湿氢气暂存罐—再生加热器—分子筛干燥器—纯净氢气输出。由于增加氢气纯化前的含湿氢气暂存罐，将水电解槽出口含湿氢气暂存，将水电解槽制氢与再生加热器供电需求分开，使大于等于水电解槽下限功率的光伏发电功率，用于水电解槽制氢，将小于水电解槽下限功率的光伏发电功率，依据优先权用于电渗析装置制备纯水、再生加热器对气体干燥提纯、空压机压缩气体等。由此通过负荷迁移的方法，既提高了光伏发电功率与水电解装置时间、负荷功率匹配，扩展电解槽运行时长，同时又降低光伏阵列的安装容量。相对原基本制氢工艺需求光伏装机容量下降。

进一步的，本发明定义光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P：

控制系统将电渗析装置功率P_s、储能系统充电功率P_c、空压机压缩气体功率P_g、再生加热器功率P_k的启停状态，通过二进制数进行编码，生成辅助设备运行状态阵列，再将该阵列与电渗析装置功率P_s、储能系统充电功率P_c、空压机功率P_g、再生加热器功率P_k所组成的辅助设备功率向量做乘运算，生成完备枚举的光伏水电解制氢辅助设备功率组合向量P。

其中，P_x属于P₀,P₁,…,P₁₅中任意一个或多个的组合，即P_x∈P。

根据本发明的实施例，基于改进后的基本制氢工艺与光伏发电曲线匹配控制过程如下：

在理想光照条件下的光伏发电曲线分为三个阶段：

第一阶段为早晨光伏发电在到达水电解槽下限功率之前，在这一时间段中由于电渗析装置制备纯水过程与光伏发电匹配度相对较高，当光伏发电功率满足电渗析装置制备纯水条件时，启动电渗析装置制备纯水工艺，并通过定义光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P，找到匹配组合向量P_x中可调加热器、空压机、储能等辅助设备参与光伏最大功率点跟踪，保证光伏最大功率输出；

第二阶段为光伏发电满足电解制氢电解槽下限制氢功率时，启动水电解槽制氢，并将含湿氢气存储，并停止电渗析装置制备纯水、空压机、储能和可调加热器等工作。

随着光照的增加光伏发电功率增大，水电解槽功率同步增加，由于电解制氢电解槽的电压钳制作用，此时光伏发电最大功率点有可能偏离，但由于光伏方阵安装设计时，考虑局地的季节变化和环境对光照的影响，以及保证全年的制氢的需求，并将相对光伏发电最大功率点与电解槽制氢功率偏离较小。

当光伏发电大于水电解槽上限制氢功率时，依据当前光伏发电功率与水电解槽上限制氢功率差，并通过定义光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P，找到匹配组合向量P_x中对应负荷功率设备，分别启动如可调加热器相变储热或再生加热、电渗析装置制水、储能、空压机等工作，使光伏发电功率与光伏水电解制氢负荷匹配。

当光伏发电小于水电解槽上限制氢功率时，停止相关设备工作，如可调加热器相变储热或再生加热、电渗析装置制水、储能空压机，最大限度的保证光伏水电解制氢。

第三阶段为下午光伏发电功率为水电解槽下限功率至光伏水电解制氢系统最小工作负荷，在这一时间段中主要为：依据定义光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P，找到匹配组合向量P_x中含有再生加热器功率的组合，将含湿氢气暂存罐内的气体，经再生加热器—分子筛干燥器—纯净氢气输出，并通过可调加热器等辅助设备参与光伏最大功率点跟踪调整，保证光伏最大功率输出；

基于上述理想光照条件下的光伏发电曲线分为三个阶段，本发明的控制装置，具体控制过程如下：

采用改进后的基本制氢工艺：电渗析装置制纯水—水电解槽—含湿氢气暂存罐—再生加热器—分子筛干燥器—纯净氢气输出。由于增加氢气净化前含湿氢气暂存罐，将水电解槽出口含湿氢气暂存，将水电解槽制氢与再生加热器供电需求分开，各负荷运行时间独立设定。由此原工艺下的水电解槽下限功率P_{el_ymin}下调到改进工艺的水电解槽下限功率P_{el_min}；同样原工艺下的水电解槽上限功率P_{el_ymax}下调到改进工艺下水电解槽上限功率P_{el_max}；光伏水电解制氢时长由原工艺t_{1_y}～t_{2_y}增加到t_{1_n}～t_{2_n}。基于原工艺水电解槽的上下限功率下调，将改进后工艺的光伏阵列的安装容量下调。

由此控制系统将大于等于水电解槽下限功率P_{el_min}的光伏发电功率P_v，用于水电解槽制氢功率P_el，并通过光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P中的光伏水电解制氢附属设备功率组合P_x，找到与水电解槽制氢功率P_el配合的最佳靠近光伏发电最大功率点P_pv的附属设备功率组合P_x，再通过可调加热器负荷P_r微调，实现最大程度的将光伏水电解制氢与光伏发电最大功率点P_pv匹配。

控制系统依据优先权将小于水电解槽下限功率P_{el_min}的光伏发电功率P_v，用于电渗析装置制备纯水功率P_s、再生加热器对气体干燥提纯功率P_k、空压机压缩气体功率P_g、储能系统充电功率P_c等。并通过光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P中的光伏水电解制氢附属设备功率组合P_x，确定与光伏发电最大功率点功率P_pv正趋近于零的设备功率组合P_x，启动该组合中所有设备，并通过调整可调加热器功率，使负荷功率靠近光伏发电最大功率点功率P_pv，由此最大程度的保证光伏水电解制氢最大效率。

由此通过负荷迁移的方法，既提高了光伏发电功率与光伏水电解装置时间、负荷功率匹配，扩展水电解槽运行时长，同时又降低光伏阵列的安装容量。相对原基本制氢工艺需求光伏装机容量下降。

本发明优先权设计如下：上午时段依次电渗析、储能系统、空压机、再生加热器等；下午时段依次再生加热器、储能系统、空压机、电渗析等。

其中，P_{el_min}为水电解槽下限功率；P_{el_max}为水电解槽上限功率；P_pv为光伏输出最大功率点；I_v为光伏输出最大功率点电流；U_v为光伏输出最大功率点电压；P_v为光伏输出功率(变量)；P_r为可调加热器功率(0～100％可调变量)；P_s为电渗析装置功率(恒功率)；P_el为制氢水电解槽功率；P_c为储能系统充电功率；P_g为空压机压缩气体功率；P_k为再生加热器功率；

根据本发明的实施例，在理想光照条件下的光伏发电曲线分为三个阶段：

第一时段t₀～t_{1_n}为上午光伏发电功率P_v小于水电解槽下限功率P_{el_min}，即P_p<P_{el_min}区间，在t₀～t_{1_n}时段内由于电渗析装置制备纯水过程与光伏发电匹配度相对较高。当光伏发电功率P_v大于等于电渗析装置制备纯水功率P_s，即P_v≥P_s时，启动电渗析装置制备纯水工艺，同时控制系统监测并计算光伏发电最大功率点P_pv＝I_v*U_v，并依据定义光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P，通过光伏发电最大功率点功率P_pv与向量P中含有电渗析装置制备纯水功率P_s设备功率组合P_x进行比较，寻找差值正趋近于零的设备功率组合P_x，即

启动该组合中所有设备工作。并通过调整可调加热器功率P_r，使启动的光伏水电解制氢负荷功率靠近光伏发电最大功率点功率P_pv。由此通过可调加热器、空压机、储能系统等辅助设备组合参与光伏最大功率点跟踪，最大程度的保证光伏水电解制氢最大效率。其中，P_x∈P。

第二时段t_{1_n}～t_{2_n}为光伏发电功率P_v大于等于水电解槽下限制氢功率P_{el_min}，即P_v≥P_{el_min}区间，主要为水电解槽制氢过程，并将含湿氢气通过暂存罐存储。当光伏发电功率P_v大于等于水电解槽下限制氢功率P_{el_min}，即P_v≥P_{el_min}时，启动水电解槽制氢，并停止电渗析装置制备纯水、空压机、储能系统和可调加热器等设备工作。

随着光照的增加光伏发电功率P_v增大，水电解槽功率P_el同步增加，由于水电解槽的电压钳制作用，此时光伏发电最大功率P_pv点有可能偏离，但由于光伏方阵安装设计时，考虑局地的季节变化和环境对光照的影响，以及保证全年的制氢的需求，并将相对光伏发电最大功率P_pv点与水电解槽制氢功率偏离较小。

当光伏发电功率P_v大于水电解槽上限制氢功率P_{el_max}，即P_p>P_{el_max}时，控制系统监测并计算光伏发电最大功率点P_pv＝I_v*U_v，并依据定义光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P中的设备功率组合P_x结果，通过光伏发电最大功率点功率P_pv与当前水电解槽功率P_el的差值计算，再与光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P中的设备功率组合P_x差值计算，寻找到正趋近于零的设备功率组合P_x，即

此时控制系统启动该组合中所有设备，并通过调整可调加热器功率P_r，使负荷功率靠近光伏发电最大功率点功率P_pv，由此通过可调加热器、空压机、储能系统等辅助设备组合参与光伏最大功率点跟踪，最大程度的保证光伏水电解制氢最大效率。其中，P_x∈P。

第三时段t_{2_n}～t_e为下午光伏发电功率P_v小于水电解槽下限制氢功率P_{el_min}，光伏发电功率P_v大于光伏水电解制氢最小工作负荷P_min，即P_min<P_v<P_{el_min}区间。这一时间段中主要为氢气纯化，将含湿氢气暂存罐内的气体，经分子筛干燥器在再生加热器的作用下，输出纯净氢气。

同时控制系统监测并计算光伏发电最大功率点P_pv＝I_v*U_v，并依据定义光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P，通过光伏发电最大功率点功率P_pv与向量P中含有再生加热器功率P_k设备功率组合P_x进行比较，寻找差值正趋近于零的设备功率组合P_x，即

启动该组合中所有设备工作，并通过调整可调加热器功率P_r，使启动的光伏水电解制氢负荷功率靠近光伏发电最大功率点功率P_pv。由此通过可调加热器、空压机、储能系统等辅助设备组合参与光伏最大功率点跟踪，最大程度的保证光伏水电解制氢最大效率。

其中，P_min为水电解制氢最小工作负荷；P_x∈P。

有益效果：

本发明采用光伏阵列直接耦合连接水电解制氢系统，为解决光伏阵列直接输出的最大功率点和最佳水电解制氢的不匹配问题，以及光伏最大功率点输出功率及光伏发电的高效利用，提出将氢气纯化过程与水电解槽过程分开，并采用可调加热器+储能系统参与对光伏最大功率点与水电解槽最佳制氢匹配度调控。因此，本发明相对于传统的技术具有如下优点：

①能量综合利用。

②再生加热器负荷迁移与分离，扩展水电解槽运行时长。

③光伏发电特性与水电解制氢特性最佳匹配。

④通过负荷迁移的方法实现光伏发电与光伏水电解制氢系统负荷时间匹配。

附图说明

图1本发明光伏水电解制氢系统结构图；

图2本发明光伏阵列为光伏水电解制氢系统供电示意图；

图3本发明光伏水电解制氢系统含湿氢气暂存罐结构图；

图4本发明光伏水电解制氢系统改进工艺前后发电功率与负荷对比曲线图；

图5本发明控制过程流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的实施例，提出一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制装置，如图1和图2所示，

包括：控制系统、光伏阵列、水电解槽(1)、换热系统、电渗析装置(2)、可调加热器(3)、储能系统(11)和光伏逆变器(14)；

所述的光伏阵列包括多个光伏组件(7)，安装在光伏水电解制氢系统的周边，为光伏水电解制氢提供能源；光伏阵列输出分别与水电解槽(1)、电渗析装置(2)、可调加热器(3)、储能系统(11)和光伏逆变器(14)输入端连接。

所述的换热系统包括：相变储热材料(4)、换热器(5)、散热器；其中，相变储热材料(4)充填在密封箱体(15)内，置于光伏水电解制氢系统室内或其它室内周边；

换热器(5)安装在相变储热材料中。换热器(5)的目的，是将相变储热材料(4)中热源通过不同的散热器将热能释放。

所述的散热器包含室内散热器(13)和分子筛干燥器散热器(18)，分别安装在光伏水电解制氢系统室内的墙壁上和分子筛干燥器(9)中，依据温度需求，通过阀门(16)切换将换热器(5)的温度，经散热器(13)换热到光伏水电解制氢系统室内，保障室内的温度；经分子筛干燥器散热器(31)换热到分子筛干燥器(9)环境中，提供分子筛干燥器(9)的基础温度，提高分子筛干燥器(9)氢气纯化的速度。

所述的储能系统(11)包括：双向变流器、储能电池，安装在光伏水电解制氢系统的室内或其它室内，其中储能系统(11)容量为维持制氢附属设备短时和启动时运行需求。

所述的光伏逆变器(14)，安装在光伏水电解制氢系统室内或其它室内，主要为光伏水电解制氢辅助设备提供交流电源，其中包括空压机(6)、水泵等。

所述的可调加热器(3)安装在相变储热材料(4)中，可调加热器(3)与相变储热材料(4)配合，将匹配光伏多余发电功率通过相变储热材料(4)储热或直接用于干燥的氢气。

所述的电渗析装置(2)上安装有纯水容器(21)，电渗析装置(2)制备出的纯水进入到纯水容器中，纯水容器出口(32)提供水电解槽制氢用水。电渗析装置(2)安装在光伏水电解制氢系统室内或其它室内周边；

所述的水电解槽(1)是光伏水电解制氢系统的主要设备，主要用于水电解制氢，安装在光伏水电解制氢系统室内。

所述的控制系统由控制器(12)和传感器组成，控制器安装在光伏水电解制氢系统室内或其它室内，主要采集传感器和光伏水电解制氢系统的所有参数，其中，控制器(12)的输入接口通过数据线与所有的传感器输出口连接，监测所有设备及系统运行状态，经分析判断执行对应的控制策略。控制器的输出接口通过控制线与所有执行机构、设备等连接，控制对应设备工作或停止，实现光伏水电解制氢高效的运行。

本发明的含湿氢气的暂存罐(8)置于水电解槽(1)与分子筛干燥器(9)之间，将光伏发电水电解槽(1)满负荷电解生成的氢气暂时存储到暂存罐(8)内，待光伏发电功率小于水电解槽(1)下限功率时，对暂存罐(8)内的含湿氢气的再行干燥处理，充分利用光伏发电能量。

如图3所示，其中，含湿氢气暂存罐(8)包括承压罐体(22)、进气管道(27)、出气管道(23)、安全阀(25)和排水管道(29)。其中进气管道(27)一端安装在承压罐体(22)左侧上端，进气管道(27)上安装一支进气逆止阀(26)，进气管道(27)另一端与水电解槽制氢出气口(19)连接；出气管道(23)一端安装在承压罐体(22)右侧上端，出气管道(23)上安装一只出气逆止阀(24)，出气管道(23)另一端与分子筛干燥器进气口(20)连接；排水管道(29)一端安装在承压罐体(22)下端，排水管道(29)上安装一支阀门(28)，用于定期排水；安全阀(25)一端安装在承压罐体(22)上端，安全阀(25)出口与专用排氢放空管连接。

由于常规电网整流水电解槽与分子筛干燥器之间氢气管路为直接连接，水电解槽与分子筛干燥器负荷为紧耦合，水电解槽与分子筛干燥器不能采用分时运行的方式实现负荷在时间维度的搬移，造成水电解槽与分子筛干燥器用电同时率100％。

本发明改进后的制氢基本工艺过程介绍如下：

本发明在光伏发电水电解槽和分子筛干燥器之间设计了含湿氢气暂存罐，可以将光伏功率较大时水电解槽满负荷电解生成的氢气暂时存储起来，待光伏发电功率小于水电解槽下限功率时，对暂存罐内的含湿氢气的再行干燥处理，实现水电解槽和分子筛干燥器负荷解偶，以及充分利用光伏发电能量。

电渗析装置制备纯水，纯水通过管道提供水电解槽制氢。水电解槽制出的含湿氢气，通过含湿氢气暂存罐存储。暂存罐存储的含湿氢气，通过再生加热器加热，经分子筛干燥器制备纯净氢气。即，电渗析装置制备纯水→水电解槽制氢→含湿氢气暂存罐存储→再生加热器加热→分子筛干燥器制备纯净氢气。

本发明的工作原理：

光伏电解水制氢是将光伏阵列所发产生的直流电能经变流器或者直接接入电解槽正负极，通过直流电解纯水或电解质水溶液在水电解槽正负极产生氧气和氢气，经暂存罐将含湿氢气存储，在光伏功率低于水电解槽最小制氢功率时，再通过纯化环节得到纯度满足要求的氢气，用于压缩存储和加注。光伏电解水制氢是利用的能源是可再生能源，没有环境污染和碳排放，因此这种氢气产品被称为“绿氢”。由于光伏阵列输出在最大功率点上时效率最高，如光伏最大输出最大功率点靠近制氢系统的工作曲线，实现光伏电解水制氢高效利用。

根据本发明的一个实施例，本发明相关设备信息如下：

纯水制备一般采用电渗析装置，一般是水电解槽制氢功率的5％，操作压力：0.5～3.0kg/cm2，操作直流电压100～250V；

电解槽制氢功率可调范围在碱水：40％-120％；PEM：5％-150％。由于水电解槽结构加工完成后，当水电解槽温度一定时，水电解槽制氢I-V曲线相对固定；

纯化环节：是将水电解槽制出含有一定量湿度的气体，经再生加热器加热，在通过分子筛干燥器脱湿，制备出干燥的氢气。再生加热器功率为水电解槽制氢功率的10～15％；

由于光伏水电解制氢效率与温度有关，可调加热器与相变材料配合，将匹配光伏多余发电功率通过相变材料储热或直接用于干燥的氢气。可调加热器功率由0～100％可调。

其中，光伏电池输出的功率与照到太阳能板上的日照量有关，其中效率与负载的电子特性有关。当日照发生变化时，光伏电池的最大功率传输效率的负载曲线也随之变化，通过负载配合调整实现最大功率输出，系统得到最佳的效率。当光伏阵列安装后，在温度一定的条件下(不考虑衰减)，光伏发电光照输出I-V曲线相对固定，光伏发电最大功率点固定，使负载特性维持在这个功率点上时发电效率最高。

由于光伏水电解制氢在制氢过程中需要大功率直流电源支撑，如采用太阳能光伏+DC/DC变换器以最大功率点输出供电，可实现光伏水电解制氢，但在变换过程中损耗很大，成本较高。由此提出光伏阵列直接水电解制氢。

进一步的，本发明电解槽伏安特性与光伏阵列最大功率运行特性最佳匹配设计如下：

由于水电解槽结构加工完成后，当电解槽温度一定时，水电解槽制氢I-V曲线相对固定，制氢过程中需求功率范围为40％～120％，相对电压较稳定。光伏阵列设计可参考水电解槽电压、上下限功率，考虑季节、环境等因素，确定光伏组件的串并联配置方式和数量，使光伏阵列不同光照下最大功率曲线与水电解槽对应的伏安特性相对重合，实现相对的最佳匹配。

由此采用光伏阵列直接对水电解槽供电成为可能。为满足系统高效制氢，利用制氢过程中分时、动态分配调整附属设备负荷工作，实现光伏发电最大功率曲线与光伏水电解制氢过程曲线拟合，保证光伏发电制氢的效率。

根据本发明的有一个实施例，上述一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制装置，其控制过程如图5所示，包括：

首先定义光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P：

控制系统将电渗析装置(2)功率P_s、储能系统(11)充电功率P_c、空压机(6)压缩气体功率P_g、再生加热器(17)功率P_k的启停状态，通过二进制数进行编码，生成辅助设备运行状态阵列，再将该阵列与电渗析装置(2)功率P_s、储能系统(11)充电功率P_c、空压机(6)功率P_g、再生加热器(17)功率P_k所组成的辅助设备功率向量做乘运算，生成完备枚举的光伏水电解制氢辅助设备功率组合向量P。

其中，P_x属于P₀,P₁,…,P₁₅中任意一个组合，即P_x∈P。

本发明的实施例的装置对传统的基本制氢工艺进行改进，基于改进后的基本制氢工艺与光伏发电曲线匹配控制过程如下：

参见图1图2和图4，改进后的基本制氢工艺为：电渗析装置(2)制纯水—水电解槽(1)—含湿氢气暂存罐(8)—再生加热器(17)—分子筛干燥器(9)—纯净氢气输出。由于增加氢气净化前含湿氢气暂存罐(8)，将水电解槽(1)出口含湿氢气暂存，将水电解槽(1)制氢与再生加热器(17)供电需求分开，各负荷运行时间独立设定。由此原工艺下的水电解槽(1)下限功率P_{el_ymin}下调到改进工艺的水电解槽(1)下限功率P_{el_min}；同样原工艺下的水电解槽(1)上限功率P_{el_ymax}下调到改进工艺下水电解槽(1)上限功率P_{el_max}；光伏水电解制氢时长由原工艺t_{1_y}～t_{2_y}增加到t_{1_n}～t_{2_n}。基于原工艺水电解槽(1)的上下限功率下调，将改进后工艺的光伏阵列的安装容量下调。

由此控制系统将大于等于水电解槽(1)下限功率P_{el_min}的光伏发电功率P_v，用于水电解槽(1)制氢功率P_el，并通过光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P中的光伏水电解制氢附属设备功率组合P_x，找到与水电解槽(1)制氢功率P_el配合的最佳靠近光伏发电最大功率点P_pv的附属设备功率组合P_x，再通过可调加热器(3)负荷P_r微调，实现最大程度的将光伏水电解制氢与光伏发电最大功率点P_pv匹配。

控制系统依据优先权将小于水电解槽(1)下限功率P_{el_min}的光伏发电功率P_v，用于电渗析装置(2)制备纯水功率P_s、再生加热器(17)对气体干燥提纯功率P_k、空压机(6)压缩气体功率P_g、储能系统(11)充电功率P_c等。并通过光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P中的光伏水电解制氢附属设备功率组合P_x，确定与光伏发电最大功率点功率P_pv正趋近于零的设备功率组合P_x，启动该组合中所有设备，并通过调整可调加热器(3)功率，使负荷功率靠近光伏发电最大功率点功率P_pv，由此最大程度的保证光伏水电解制氢最大效率。

由此通过负荷迁移的方法，既提高了光伏发电功率与光伏水电解装置时间、负荷功率匹配，扩展水电解槽(1)运行时长，同时又降低光伏阵列的安装容量。相对原基本制氢工艺需求光伏装机容量下降。

优先权：上午时段依次电渗析(2)、储能系统(11)、空压机(6)、再生加热器(17)等；下午时段依次再生加热器(17)、储能系统(11)、空压机(6)、电渗析(2)等。其中，P_{el_min}为水电解槽(1)下限功率；P_{el_max}为水电解槽(1)上限功率；P_pv为光伏输出最大功率点；I_v为光伏输出最大功率点电流；U_v为光伏输出最大功率点电压；P_v为光伏输出功率(变量)；P_r为可调加热器(3)功率(0～100％可调变量)；P_s为电渗析装置(2)功率(恒功率)；P_el为制氢水电解槽(1)功率；P_c为储能系统(11)充电功率；P_g为空压机压(6)缩气体功率；P_k为再生加热器(17)功率；

在理想光照条件下的光伏发电曲线分为三个阶段：

1)第一时段t₀～t_{1_n}为上午光伏发电功率P_v小于水电解槽(1)下限功率P_{el_min}，即P_p<P_{el_min}区间，在t₀～t_{1_n}时段内由于电渗析装置(2)制备纯水过程与光伏发电匹配度相对较高。当光伏发电功率P_v大于等于电渗析装置(2)制备纯水功率P_s，即P_v≥P_s时，启动电渗析装置(2)制备纯水工艺，同时控制系统监测并计算光伏发电最大功率点P_pv＝I_v*U_v，并依据定义光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P，通过光伏发电最大功率点功率P_pv与向量P中含有电渗析装置(2)制备纯水功率P_s设备功率组合P_x进行比较，寻找差值正趋近于零的设备功率组合P_x，即

启动该组合中所有设备工作。并通过调整可调加热器(3)功率P_r，使启动的光伏水电解制氢负荷功率靠近光伏发电最大功率点功率P_pv。由此通过可调加热器(3)、空压机(6)、储能系统(6)等辅助设备组合参与光伏最大功率点跟踪，最大程度的保证光伏水电解制氢最大效率。其中，P_x∈P。

2)第二时段t_{1_n}～t_{2_n}为光伏发电功率P_v大于等于水电解槽(1)下限制氢功率P_{el_min}，即P_v≥P_{el_min}区间，主要为水电解槽(1)制氢过程，并将含湿氢气通过暂存罐(8)存储。当光伏发电功率P_v大于等于水电解槽(1)下限制氢功率P_{el_min}，即P_v≥P_{el_min}时，启动水电解槽(1)制氢，并停止电渗析(2)装置制备纯水、空压机(6)、储能系统(11)和可调加热器(3)等设备工作。

随着光照的增加光伏发电功率P_v增大，水电解槽(1)功率P_el同步增加，由于水电解槽(1)的电压钳制作用，此时光伏发电最大功率P_pv点有可能偏离，但由于光伏方阵安装设计时，考虑局地的季节变化和环境对光照的影响，以及保证全年的制氢的需求，并将相对光伏发电最大功率P_pv点与水电解槽(1)制氢功率偏离较小。

当光伏发电功率P_v大于水电解槽(1)上限制氢功率P_{el_max}，即P_p>P_{el_max}时，控制系统监测并计算光伏发电最大功率点P_pv＝I_v*U_v，并依据定义光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P中的设备功率组合P_x结果，通过光伏发电最大功率点功率P_pv与当前水电解槽(1)功率P_el的差值计算，再与光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P中的设备功率组合P_x差值计算，寻找到正趋近于零的设备功率组合P_x，即

此时控制系统启动该组合中所有设备，并通过调整可调加热器(3)功率P_r，使负荷功率靠近光伏发电最大功率点功率P_pv，由此通过可调加热器(3)、空压机(6)、储能系统(11)等辅助设备组合参与光伏最大功率点跟踪，最大程度的保证光伏水电解制氢最大效率。其中，P_x∈P。

3)第三时段t_{2_n}～t_e为下午光伏发电功率P_v小于水电解槽(1)下限制氢功率P_{el_min}，光伏发电功率P_v大于光伏水电解制氢最小工作负荷P_min，即P_min<P_v<P_{el_min}区间。这一时间段中主要为氢气纯化，将含湿氢气暂存罐(8)内的气体，经分子筛干燥器(9)在再生加热器(17)的作用下，输出纯净氢气。

同时控制系统监测并计算光伏发电最大功率点P_pv＝I_v*U_v，并依据定义光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P，通过光伏发电最大功率点功率P_pv与向量P中含有再生加热器(17)功率P_k设备功率组合P_x进行比较，寻找差值正趋近于零的设备功率组合P_x，即

启动该组合中所有设备工作，并通过调整可调加热器(3)功率P_r，使启动的光伏水电解制氢负荷功率靠近光伏发电最大功率点功率P_pv。由此通过可调加热器(3)、空压机(6)、储能系统(11)等辅助设备组合参与光伏最大功率点跟踪，最大程度的保证光伏水电解制氢最大效率。

其中，P_min为水电解制氢最小工作负荷；P_x∈P。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制装置，其特征在于，包括：控制系统、光伏阵列、换热系统、可调加热器(3)、储能系统(11)水电解槽(1)、电渗析装置(2)和光伏逆变器(14)；

所述的控制系统包括控制器(12)和传感器，控制器安装在光伏水电解制氢系统室内或其它室内，主要采集传感器和光伏水电解制氢系统的所有参数；

所述的光伏阵列包括多个光伏组件(7)，安装在光伏水电解制氢系统的周边，为光伏水电解制氢提供能源；光伏阵列输出分别与水电解槽(1)、电渗析装置(2)、可调加热器(3)、储能系统(11)和光伏逆变器(14)的电压输入端连接；

所述的换热系统包括：相变储热材料(4)、换热器(5)、散热器；其中，相变储热材料(4)充填在密封箱体(15)内，置于光伏水电解制氢系统室内或其它室内周边；换热器(5)安装在相变储热材料中，用于将相变储热材料(4)中热源通过不同的散热器将热能释放；

所述的散热器包括室内散热器(13)和分子筛干燥器散热器(18)，分别安装在光伏水电解制氢系统室内的墙壁上和分子筛干燥器(9)中，依据温度需求，通过阀门(16)切换将换热器(5)的温度，经散热器(13)换热到光伏水电解制氢系统室内，保障室内的温度；经分子筛干燥器散热器(31)换热到分子筛干燥器(9)环境中，提供分子筛干燥器(9)的基础温度，提高分子筛干燥器(9)氢气纯化的速度；

所述的储能系统(11)包括：双向变流器、储能电池，安装在光伏水电解制氢系统的室内或其它室内，其中储能系统(11)容量为维持制氢附属设备短时和启动时运行需求；

所述的光伏逆变器(14)，安装在光伏水电解制氢系统室内或其它室内，主要为光伏水电解制氢辅助设备提供交流电源；

所述的可调加热器(3)安装在相变储热材料(4)中，可调加热器(3)与相变储热材料(4)配合，将匹配光伏多余发电功率通过相变储热材料(4)储热或直接用于干燥的氢气；

所述的电渗析装置(2)上安装有纯水容器(21)，电渗析装置(2)制备出的纯水进入到纯水容器中，纯水容器出口(32)提供水电解槽制氢用水；

还包括含湿氢气的暂存罐(8)，置于水电解槽(1)与分子筛干燥器(9)之间，将光伏发电水电解槽(1)满负荷电解生成的氢气暂时存储到暂存罐(8)内，待光伏发电功率小于水电解槽(1)下限功率时，对暂存罐(8)内的含湿氢气的再行干燥处理，充分利用光伏发电能量。

2.根据权利要求1所述的一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制装置，其特征在于，

电渗析装置(2)安装在光伏水电解制氢系统室内或其它室内周边。

3.根据权利要求1所述的一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制装置，其特征在于，

所述的水电解槽(1)是光伏水电解制氢系统的主要设备，主要用于水电解制氢，安装在光伏水电解制氢系统室内。

4.根据权利要求1所述的一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制装置，其特征在于，

其中，控制器(12)的输入接口通过数据线与所有的传感器输出口连接，监测所有设备及系统运行状态，经分析判断执行对应的控制策略；控制器的输出接口通过控制线与所有执行机构、设备等连接，控制对应设备工作或停止，实现光伏水电解制氢高效的运行。

5.根据权利要求1所述的一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制装置，其特征在于，

所述含湿氢气暂存罐(8)包括承压罐体(22)、进气管道(27)、出气管道(23)、安全阀(25)和排水管道(29)；其中进气管道(27)一端安装在承压罐体(22)左侧上端，进气管道(27)上安装一支进气逆止阀(26)，进气管道(27)另一端与水电解槽制氢出气口(19)连接；出气管道(23)一端安装在承压罐体(22)右侧上端，出气管道(23)上安装一支出气逆止阀(24)，出气管道(23)另一端与分子筛干燥器进气口(20)连接；排水管道(29)一端安装在承压罐体(22)下端，排水管道(29)上安装一支阀门(28)，用于定期排水；安全阀(25)一端安装在承压罐体(22)上端，安全阀(25)出口与专用排氢放空管连接。

6.一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制方法，利用权利要求1-5之一的装置，其特征在于，包括如下步骤：

电渗析装置制备纯水，纯水通过管道提供水电解槽制氢；

水电解槽制出的含湿氢气，通过光伏发电水电解槽和分子筛干燥器之间的含湿氢气暂存罐将含湿氢气暂存罐存储；

基于光照条件进行源荷匹配控制，在理想光照条件下的光伏发电曲线分为三个阶段：

第一阶段为光伏发电在到达水电解槽下限功率之前；

第二阶段为光伏发电满足电解制氢电解槽下限制氢功率时启动水电解槽制氢，并将含湿氢气存储；

第三阶段为下午光伏发电功率为水电解槽下限功率至光伏水电解制氢系统最小工作负荷；

在三个阶段中基于光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P，分别控制电渗析装置功率P_s、储能系统充电功率P_c、空压机压缩气体功率P_g、再生加热器功率P_k的启停，同时配合可调加热器相变储热，分时对光伏水电解制氢、暂存罐存储的含湿氢气、再生加热器加热和分子筛干燥器制备纯净氢气，用于压缩存储和加注，实现水电解槽和分子筛干燥器负荷解偶，有效利用光伏发电功率。

7.根据权利要求6所述的一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制方法，其特征在于：

定义光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P：

控制系统将电渗析装置功率P_s、储能系统充电功率P_c、空压机压缩气体功率P_g、再生加热器功率P_k的启停状态，通过二进制数进行编码，生成辅助设备运行状态阵列，再将该阵列与电渗析装置功率P_s、储能系统充电功率P_c、空压机功率P_g、再生加热器功率P_k所组成的辅助设备功率向量做乘运算，生成完备枚举的光伏水电解制氢辅助设备功率组合向量P：

其中，P_x属于P₀,P₁,…,P₁₅中任意一个或多个的组合，即P_x∈P。

8.根据权利要求6所述的一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制方法，其特征在于：基于光照条件进行源荷匹配控制，其中：

在理想光照条件下的光伏发电曲线分为三个阶段：

第一阶段为光伏发电在到达水电解槽下限功率之前，当光伏发电功率满足电渗析装置制备纯水条件时，启动电渗析装置制备纯水工艺，并通过定义光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P，找到匹配组合向量P_x中可调加热器、空压机、储能辅助设备参与光伏最大功率点跟踪，保证光伏最大功率输出；

第二阶段为光伏发电满足电解制氢电解槽下限制氢功率时，启动电解槽制氢，并将含湿氢气存储，并停止电渗析装置制备纯水、空压机、储能和可调加热器工作；当光伏发电大于水电解槽上限制氢功率时，依据当前光伏发电功率与水电解槽上限制氢功率差，并通过定义光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P，找到匹配组合向量P_x中对应负荷功率设备，分别启动如可调加热器相变储热或再生加热、电渗析装置制水、储能、空压机中的一个或多个工作，使光伏发电功率与光伏水电解制氢负荷匹配；

第三阶段为下午光伏发电功率为水电解槽下限功率至光伏水电解制氢系统最小工作负荷，在这一时间段中主要为：依据定义光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P，找到匹配组合向量P_x中含有再生加热器功率的组合，将含湿氢气暂存罐内的气体，经再生加热器—分子筛干燥器—纯净氢气输出，并通过可调加热器辅助设备参与光伏最大功率点跟踪调整，保证光伏最大功率输出。

9.根据权利要求8所述的一种光伏直流水电解制氢系统源荷匹配控制方法，其特征在于：

第二阶段中，随着光照的增加光伏发电功率增大，水电解槽功率同步增加，由于电解制氢电解槽的电压钳制作用，此时光伏发电最大功率点有可能偏离，在光伏方阵安装设计时，考虑局地的季节变化和环境对光照的影响，以及保证全年的制氢的需求，并将相对光伏发电最大功率点与电解槽制氢功率偏离小于预定值；

当光伏发电大于水电解槽上限制氢功率时，依据当前光伏发电功率与水电解槽上限制氢功率差，并通过定义光伏水电解制氢附属设备功率组合向量P，找到匹配组合向量P_x中对应负荷功率设备，分别启动如可调加热器相变储热或再生加热、电渗析装置制水、储能、空压机工作，使光伏发电功率与光伏水电解制氢负荷匹配；

当光伏发电小于水电解槽上限制氢功率时，停止相关设备工作，如可调加热器相变储热或再生加热、电渗析装置制水、储能空压机，最大限度的保证光伏水电解制氢。

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