化工学报 ›› 2022, Vol. 73 ›› Issue (5): 2101-2110.DOI: 10.11949/0438-1157.20211782
收稿日期:
2021-12-17
修回日期:
2022-01-28
出版日期:
2022-05-05
发布日期:
2022-05-24
通讯作者:
钱宇
作者简介:
钱宇(1957—),男,博士,教授,基金资助:
Yu QIAN(),Yaoxi CHEN,Xiaofei SHI,Siyu YANG
Received:
2021-12-17
Revised:
2022-01-28
Online:
2022-05-05
Published:
2022-05-24
Contact:
Yu QIAN
摘要:
太阳能是一种可持续的能源,然而其随机和间歇的波动特性制约了其大规模高渗透率应用。从分析风力和光照的基础特性出发,通过国际气象组织和航天机构的数据库中挖掘和整合数据,运用频谱分析、滤波分析,揭示了风能与光能均存在日(24 h)和年(8760 h)的波动周期;并指明了风能和光能波动周期的相位差,构成了风光能互补以平抑波动性的科学基础。对我国北方和西北多个地区的数据分析表明,当地风能与光能之间的日周期波动相位差为7个多小时,年周期波动相位差为5个多月,风能和光能的耦合对单独能源的波动具有平抑效果。由此构建了大规模稳定性风光耦合制氢供氢系统的容量配置设计准则,选用合适的蓄电池组和储氢罐,实现供氢波动率在10%以下,供氢规模达7500吨/年。该系统的单位制氢成本为25.5 CNY/kg H2,显著低于单独风能或单独光能制氢的成本;CO2排放强度为2.34 kg CO2/kg H2,优于未互补耦合的太阳能制氢系统。
中图分类号:
钱宇, 陈耀熙, 史晓斐, 杨思宇. 太阳能波动特性大数据分析与风光互补耦合制氢系统集成[J]. 化工学报, 2022, 73(5): 2101-2110.
Yu QIAN, Yaoxi CHEN, Xiaofei SHI, Siyu YANG. Big data analysis of solar energy fluctuation characteristics and integration of wind-photovoltaic to hydrogen system[J]. CIESC Journal, 2022, 73(5): 2101-2110.
地名 | 8760 h周期 | 24 h周期 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
风电初相位 | 光电初相位 | 相位差 | 风电初相位 | 光电初相位 | 相位差 | ||
通辽 | 12月10日 | 3月22日 | 3个月12天 | 14时25分 | 6时21分 | 8小时4分钟 | |
包头 | 12月26日 | 3月21日 | 2个月24天 | 10时24分 | 6时09分 | 4小时14分钟 | |
酒泉 | 2月3日 | 3月23日 | 1个月18天 | 6时12分 | 6时48分 | 36分钟 | |
准东 | 10月25日 | 3月27日 | 5个月1天 | 22时51分 | 6时33分 | 7小时42分钟 |
表1 四地点风能光能8760 h与24 h周期初相位
Table 1 The initial phases of 8760 h and 24 h cycles of wind energy and solar energy in four locations
地名 | 8760 h周期 | 24 h周期 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
风电初相位 | 光电初相位 | 相位差 | 风电初相位 | 光电初相位 | 相位差 | ||
通辽 | 12月10日 | 3月22日 | 3个月12天 | 14时25分 | 6时21分 | 8小时4分钟 | |
包头 | 12月26日 | 3月21日 | 2个月24天 | 10时24分 | 6时09分 | 4小时14分钟 | |
酒泉 | 2月3日 | 3月23日 | 1个月18天 | 6时12分 | 6时48分 | 36分钟 | |
准东 | 10月25日 | 3月27日 | 5个月1天 | 22时51分 | 6时33分 | 7小时42分钟 |
项目 | 光伏发电 制氢 | 风力发电 制氢 | 风电光电 耦合制氢 |
---|---|---|---|
风机装机容量/MW | — | 234 | 130 |
光伏装机容量/MW | 320 | — | 137 |
蓄电池容量/MWh | 4225 | 7745 | 1250 |
电解槽制氢产能/(m3/h) | 13000 | 13000 | 13000 |
储氢罐容量/m3 | 28790 | 11800 | 4170 |
蓄电池时间常数τb/h | 92 | 168 | 27 |
储氢罐时间常数τs/h | 1906 | 785 | 277 |
年产氢量/t | 7500 | 7500 | 7500 |
表2 风光耦合制氢系统容量配置
Table 2 The capacity configuration of wind–photovoltaic to hydrogen system
项目 | 光伏发电 制氢 | 风力发电 制氢 | 风电光电 耦合制氢 |
---|---|---|---|
风机装机容量/MW | — | 234 | 130 |
光伏装机容量/MW | 320 | — | 137 |
蓄电池容量/MWh | 4225 | 7745 | 1250 |
电解槽制氢产能/(m3/h) | 13000 | 13000 | 13000 |
储氢罐容量/m3 | 28790 | 11800 | 4170 |
蓄电池时间常数τb/h | 92 | 168 | 27 |
储氢罐时间常数τs/h | 1906 | 785 | 277 |
年产氢量/t | 7500 | 7500 | 7500 |
1 | IEA. Renewables 2020: analysis and forecast to 2025[R/OL]. Paris: International Energy Agency, 2020. . |
2 | 潘希. 中国气象局评估称风能可开发量为50亿千瓦[N/OL]. 中国科学报, 2015-5-28(4)[2021-10-9]. . |
Pan X. The China Meteorological Administration estimates the amount of exploitable wind power at 5 gigawatts[N/OL]. China Science Daily, 2015-5-28(4)[2021-10-9]. . | |
3 | Kabir E, Kumar P, Kumar S, et al. Solar energy: potential and future prospects[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, 82: 894-900. |
4 | Lu X, McElroy M B, Kiviluoma J. Global potential for wind-generated electricity[J]. PNAS, 2009, 106(27): 10933-10938. |
5 | Bird L, Lew D, Milligan M, et al. Wind and solar energy curtailment: a review of international experience[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 65: 577-586. |
6 | Leonard M D, Michaelides E E, Michaelides D N. Energy storage needs for the substitution of fossil fuel power plants with renewables[J]. Renewable Energy, 2020, 145: 951-962. |
7 | Shaker H, Zareipour H, Wood D. Impacts of large-scale wind and solar power integration on California’s net electrical load[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 58: 761-774. |
8 | Ueckerdt F, Brecha R, Luderer G. Analyzing major challenges of wind and solar variability in power systems[J]. Renewable Energy, 2015, 81: 1-10. |
9 | Ren G R, Wan J, Liu J F, et al. Spatial and temporal assessments of complementarity for renewable energy resources in China[J]. Energy, 2019, 177: 262-275. |
10 | Tong D, Farnham D J, Duan L, et al. Geophysical constraints on the reliability of solar and wind power worldwide[J]. Nature Communications, 2021, 12: 6146. |
11 | Al-Shetwi A Q, Hannan M A, Jern K P, et al. Grid-connected renewable energy sources: review of the recent integration requirements and control methods[J]. Journal of Cleaner Production, 2020, 253: 119831. |
12 | Lin B Q, Li J L. Analyzing cost of grid-connection of renewable energy development in China[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 50: 1373-1382. |
13 | 李仁贵, 李灿. 人工光合成太阳燃料制备途径及规模化[J]. 科技导报, 2020, 38(23): 105-112. |
Li R G, Li C. Perspectives on artificial photosynthesis for solar fuels production[J]. Science & Technology Review, 2020, 38(23): 105-112. | |
14 | Chauvy R, Dubois L, Lybaert P, et al. Production of synthetic natural gas from industrial carbon dioxide[J]. Applied Energy, 2020, 260: 114249. |
15 | Naik S P, Ryu T, Bui V, et al. Synthesis of DME from CO2/H2 gas mixture[J]. Chemical Engineering Journal, 2011, 167(1): 362-368. |
16 | 安广禄, 刘永忠, 康丽霞. 适应季节性氨需求的可再生能源合成氨系统优化设计[J]. 化工学报, 2021, 72(3): 1595-1605. |
An G L, Liu Y Z, Kang L X. Optimal design of synthetic ammonia production system powered by renewable energy for seasonal demands of ammonia[J]. CIESC Journal, 2021, 72(3): 1595-1605. | |
17 | Kendall K, Kendall M, Liang B, et al. Hydrogen vehicles in China: replacing the western model[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42(51): 30179-30185. |
18 | Obregón A, Nitsche H, Körber M, et al. Satellite-based climate information within the WMO RA VI Regional Climate Centre on Climate Monitoring[J]. Advances in Science and Research, 2014, 11(1): 25-33. |
19 | Pfenninger S, Staffell I. Long-term patterns of European PV output using 30 years of validated hourly reanalysis and satellite data[J]. Energy, 2016, 114: 1251-1265. |
20 | Zhang H X, Cao Y J, Zhang Y, et al. Quantitative synergy assessment of regional wind-solar energy resources based on MERRA reanalysis data[J]. Applied Energy, 2018, 216: 172-182. |
21 | Jerez S, Trigo R M, Sarsa A, et al. Spatio-temporal complementarity between solar and wind power in the Iberian peninsula[J]. Energy Procedia, 2013, 40: 48-57. |
22 | Liu Y, Xiao L Y, Wang H F, et al. Analysis on the hourly spatiotemporal complementarities between China's solar and wind energy resources spreading in a wide area[J]. Science China Technological Sciences, 2013, 56(3): 683-692. |
23 | 周秀珍, 肖雷. 基于快速傅里叶变换的实时频谱分析方法研究[J]. 信息通信, 2018, 31(8): 21-22. |
Zhou X Z, Xiao L. Research on real-time spectrum analysis method based on Fast Fourier Transform[J]. Information & Communications, 2018, 31(8): 21-22. | |
24 | 汪宁渤, 王建东, 何世恩. 酒泉风电跨区消纳模式及其外送方案[J]. 电力系统自动化, 2011, 35(22): 82-89. |
Wang N B, Wang J D, He S E. Cross-border accommodation method and transmission scheme of Jiuquan wind power[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(22): 82-89. | |
25 | 王坤非, 王泰华, 姚学召, 等. 基于MATLAB/Simulink FIR数字滤波器设计的不同实现方法研究[J]. 电子测量技术, 2017, 40(1): 17-20, 25. |
Wang K F, Wang T H, Yao X Z, et al. MATLAB/Simulink based study of differert approaches using FIR digital design[J]. Electronic Measurement Technology, 2017, 40(1): 17-20, 25. | |
26 | IRENA. Hydrogen from renewable power: technology outlook for the energy transition[R/OL]. Abu Dhabi: International Renewable Energy Agency, 2018. . |
27 | 中国电力网. 2021年世界上最大的发电站及世界各国最大的发电站报告[EB/OL]. [2021-12-01]. . |
Chinapower.com.cn. The world's largest power stations in 2021 and the world's largest power stations by country report[EB/OL]. [2021-12-01]. . | |
28 | 华为技术有限公司. 共建绿色美好未来, 全球数字能源峰会成功举办[EB/OL]. [2021-12-1]. . |
HUAWEI. Global-Digital-Energy-Summit-Successfully-Held-for-a-Better-Greener-Future[EB/OL]. [2021-12-1]. . | |
29 | 中国电动汽车百人会. 中国氢能产业发展报告2020[R/OL]. 北京: 中国电动汽车百人会, 2020. . |
China EV 100. China hydrogen energy industry development report 2020[R/OL]. Beijing: China EV100, 2020. . | |
30 | 陈强. 全球最大加氢站已进入试运行阶段[N/OL]. 北京日报, 2021-5-18(7)[2021-12-01]. . |
Chen Q. The world's largest hydrogenation station has entered the trial operation stage[N/OL]. Beijing Daily, 2021-5-18(7)[2021-12-01]. . | |
31 | 国家统计局城市社会经济调查司. 中国城市统计年鉴-2020[M]. 北京: 中国统计出版社, 2020. |
Department of Urban Surveys National Bureau of Statistics of China. China City Statistical Yearbook-2020[M]. Beijing: China Statistics Press, 2020. | |
32 | Dennison F J, Azapagic A, Clift R, et al. Life cycle assessment: comparing strategic options for the mains infrastructure—Part I[J]. Water Science and Technology, 1999, 39(10/11): 315-319. |
33 | Xiang D, Qian Y, Man Y, et al. Techno-economic analysis of the coal-to-olefins process in comparison with the oil-to-olefins process[J]. Applied Energy, 2014, 113: 639-647. |
[1] | 叶展羽, 山訸, 徐震原. 用于太阳能蒸发的折纸式蒸发器性能仿真[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 132-140. |
[2] | 黄琮琪, 吴一梅, 陈建业, 邵双全. 碱性电解水制氢装置热管理系统仿真研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 320-328. |
[3] | 陈哲文, 魏俊杰, 张玉明. 超临界水煤气化耦合SOFC发电系统集成及其能量转化机制[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3888-3902. |
[4] | 曹跃, 余冲, 李智, 杨明磊. 工业数据驱动的加氢裂化装置多工况切换过渡状态检测[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3841-3854. |
[5] | 齐聪, 丁子, 余杰, 汤茂清, 梁林. 基于选择吸收纳米薄膜的太阳能温差发电特性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3921-3930. |
[6] | 傅予, 刘兴翀, 王瀚雨, 李海敏, 倪亚飞, 邹文静, 雷月, 彭永姗. F3EACl修饰层对钙钛矿太阳能电池性能提升的研究[J]. 化工学报, 2023, 74(8): 3554-3563. |
[7] | 王光, 单发顺, 钱禹丞, 焦建芳. 基于集成学习传递熵的化工过程微小故障检测方法[J]. 化工学报, 2023, 74(7): 2967-2978. |
[8] | 余娅洁, 李静茹, 周树锋, 李清彪, 詹国武. 基于天然生物模板构建纳米材料及集成催化剂研究进展[J]. 化工学报, 2023, 74(7): 2735-2752. |
[9] | 李贵贤, 曹阿波, 孟文亮, 王东亮, 杨勇, 周怀荣. 耦合固体氧化物电解槽的CO2制甲醇过程设计与评价研究[J]. 化工学报, 2023, 74(7): 2999-3009. |
[10] | 周小文, 杜杰, 张战国, 许光文. 基于甲烷脉冲法的Fe2O3-Al2O3载氧体还原特性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(6): 2611-2623. |
[11] | 李勇, 高佳琦, 杜超, 赵亚丽, 李伯琼, 申倩倩, 贾虎生, 薛晋波. Ni@C@TiO2核壳双重异质结的构筑及光热催化分解水产氢[J]. 化工学报, 2023, 74(6): 2458-2467. |
[12] | 张生安, 刘桂莲. 高效太阳能电解水制氢系统及其性能的多目标优化[J]. 化工学报, 2023, 74(3): 1260-1274. |
[13] | 袁海鸥, 叶方俊, 张硕, 罗祎青, 袁希钢. 考虑中间换热器的能量集成精馏序列合成[J]. 化工学报, 2023, 74(2): 796-806. |
[14] | 宋悦, 张启成, 彭文朝, 李阳, 张凤宝, 范晓彬. MoS2基单原子催化剂的合成及其在电催化中的应用[J]. 化工学报, 2023, 74(2): 535-545. |
[15] | 王峰, 张顺鑫, 余方博, 刘亚, 郭烈锦. 光催化CO2还原制碳氢燃料系统优化策略研究[J]. 化工学报, 2023, 74(1): 29-44. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||