• 业界碱性电解槽:可再生能源大规模制氢的唯一关键装备
    2021-06-03 作者:沈小军、聂聪颖 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语电解槽作为一种电气转换设备,是可再生能源电解水制氢技术的关键装备,当其用于平抑可再生能源波动时,需对可再生能源的不稳定功率输出具有很强的适应性。碱性电解槽是当前唯一满足大规模工程应用的电解水制氢设备,具有技术成熟、成本低等优势。

    风电、光伏等可再生能源的随机性和波动性给电网的稳定性和安全性带来了巨大的挑战。大规模可再生能源耦合电解制氢不仅可有效提升可再生能源发电系统的能源利用效率,而且还可有效解决绿色氢能产业“氢从哪里来”的难题,具有重大战略意义,已成为诸多国家的能源战略。

    碱性电解槽:可再生能源大规模制氢的唯一关键装备

     

    电解槽作为一种电气转换设备,是可再生能源电解水制氢技术的关键装备,当其用于平抑可再生能源波动时,需对可再生能源的不稳定功率输出具有很强的适应性。碱性电解槽是当前唯一满足大规模工程应用的电解水制氢设备,具有技术成熟、成本低等优势。

    碱性电解槽作为一种特殊的用电设备,有其特殊性。碱性电解槽特性及工作约束可归纳如下:

    1)起停特性

    电解槽开始起动时,由于电解槽的温度不高,达不到产生氢气的温度条件,此时消耗的功率都用来产生热量以此提升电解槽的温度;当电解槽的功率不断提升至可以产生氢气,此时的功率为电解槽的保温功率。所以碱性电解槽第一次起动时需要耗时较长,同时电解槽停机时,可以将功率瞬时降至零,作为一种可中断负荷。

    2)保温特性

    当电解槽阵列退出运行时,环控装置发挥作用,电解槽可以在一定的时间T内保持温度不发生变化。此特性保证了电解槽在一定时间范围的停机时间后能有立刻投入使用的能力。

    3)调节特性

    电解槽从高温、大功率点往低温、小功率点可实现功率大范围ms级时间的快速调节,从低温、小功率点往高温、大功率点调节则需经过min级的时间。

    4)氢气安全运行功率

    在电解槽处于低功率运行时,由于电解槽内部材料的特性,电解槽的运行功率不能低于某一限值,否则存在氢、氧互串发生超过爆炸极限的风险,其限值一般为电解槽额定功率的20%~25%。

    同时由于电解槽装置为电气转换设备,其反应具有一定的缓冲时间,所以实际中电解槽可以短时间运行于氢气安全功率限值以下,其时长根据电解槽的容量大小为几分钟不等。

    5)调节范围(过载特性)

    电解槽在工作时,其功率可以短时超过额定功率,达到额定功率的110%~ 130%,利用此特性可以降低电解槽的配置容量。

    当前,碱性电解槽单体的制造水平尚处于几百千瓦到兆瓦级,大规模制氢工程应用中一般需要多个单体电解槽并联,形成电解槽阵列。当前,国内外学者主要从装置制造与集成应用控制策略两个方面对碱性电解水制氢系统性能提升开展了深入的研究。

    改进碱性电解水制氢装备的制造技术是一个长期的攻关过程,短期难于实现质的突破,而控制策略是贯穿始终的。先进的能量管理与控制策略对提升碱性电解系统的等效服役寿命、功率调节特性已被证明具有可行性,值得研究。

    本文摘编自2021年第3期《电工技术学报》,论文标题为“计及电热特性的离网型风电制氢碱性电解槽阵列优化控制策略”,作者为沈小军、聂聪颖 等。

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