風(fēng)電、光伏等可再生能源的隨機(jī)性和波動(dòng)性給電網(wǎng)穩(wěn)定性和安全性帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。大規(guī)??稍偕茉瘩詈想娊庵茪洳粌H可有效提升可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的能源利用效率,而且還可有效解決綠色氫能產(chǎn)業(yè)“氫從哪里來(lái)”的難題,具有重大戰(zhàn)略意義,已成為諸多國(guó)家的能源戰(zhàn)略。
電解槽作為一種電氣轉(zhuǎn)換設(shè)備,是可再生能源電解水制氫技術(shù)的關(guān)鍵裝備,當(dāng)其用于平抑可再生能源波動(dòng)時(shí),需對(duì)可再生能源的不穩(wěn)定功率輸出具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。堿性電解槽是當(dāng)前唯一滿足大規(guī)模工程應(yīng)用的電解水制氫設(shè)備,具有技術(shù)成熟、成本低等優(yōu)勢(shì)。
堿性電解槽作為一種特殊的用電設(shè)備,有其特殊性。堿性電解槽特性及工作約束可歸納如下:
1)起停特性
電解槽開(kāi)始起動(dòng)時(shí),由于電解槽的溫度不高,達(dá)不到產(chǎn)生氫氣的溫度條件,此時(shí)消耗的功率都用來(lái)產(chǎn)生熱量以此提升電解槽的溫度;當(dāng)電解槽的功率不斷提升至可以產(chǎn)生氫氣,此時(shí)的功率為電解槽的保溫功率。所以堿性電解槽第一次起動(dòng)時(shí)需要耗時(shí)較長(zhǎng),同時(shí)電解槽停機(jī)時(shí),可以將功率瞬時(shí)降至零,作為一種可中斷負(fù)荷。
2)保溫特性
當(dāng)電解槽陣列退出運(yùn)行時(shí),環(huán)控裝置發(fā)揮作用,電解槽可以在一定的時(shí)間T內(nèi)保持溫度不發(fā)生變化。此特性保證了電解槽在一定時(shí)間范圍的停機(jī)時(shí)間后能有立刻投入使用的能力。
3)調(diào)節(jié)特性
電解槽從高溫、大功率點(diǎn)往低溫、小功率點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)功率大范圍ms級(jí)時(shí)間的快速調(diào)節(jié),從低溫、小功率點(diǎn)往高溫、大功率點(diǎn)調(diào)節(jié)則需經(jīng)過(guò)min級(jí)的時(shí)間。
4)氫氣安全運(yùn)行功率
在電解槽處于低功率運(yùn)行時(shí),由于電解槽內(nèi)部材料的特性,電解槽的運(yùn)行功率不能低于某一限值,否則存在氫、氧互串發(fā)生超過(guò)爆炸極限的風(fēng)險(xiǎn),其限值一般為電解槽額定功率的20%~25%。
同時(shí)由于電解槽裝置為電氣轉(zhuǎn)換設(shè)備,其反應(yīng)具有一定的緩沖時(shí)間,所以實(shí)際中電解槽可以短時(shí)間運(yùn)行于氫氣安全功率限值以下,其時(shí)長(zhǎng)根據(jù)電解槽的容量大小為幾分鐘不等。
5)調(diào)節(jié)范圍(過(guò)載特性)
電解槽在工作時(shí),其功率可以短時(shí)超過(guò)額定功率,達(dá)到額定功率的110%~ 130%,利用此特性可以降低電解槽的配置容量。
當(dāng)前,堿性電解槽單體的制造水平尚處于幾百千瓦到兆瓦級(jí),大規(guī)模制氫工程應(yīng)用中一般需要多個(gè)單體電解槽并聯(lián),形成電解槽陣列。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從裝置制造與集成應(yīng)用控制策略兩個(gè)方面對(duì)堿性電解水制氫系統(tǒng)性能提升開(kāi)展了深入的研究。
改進(jìn)堿性電解水制氫裝備的制造技術(shù)是一個(gè)長(zhǎng)期的攻關(guān)過(guò)程,短期難于實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破,而控制策略是貫穿始終的。先進(jìn)的能量管理與控制策略對(duì)提升堿性電解系統(tǒng)的等效服役壽命、功率調(diào)節(jié)特性已被證明具有可行性,值得研究。
原標(biāo)題:堿性電解槽:可再生能源大規(guī)模制氫的唯一關(guān)鍵裝備