2022年 第44卷 第5期    刊出日期：2022-05-25

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特约

特约主编寄语

葛磊蛟, 康建立, 乔颖, 姚芳, 李江

2022, 44(5):  0. 

摘要 ( 36 )   PDF (1291KB) ( 74 )  

相关文章 | 多维度评价

随着环境、气候和能源等问题的日益突出，世界各国均加大了脱碳的步伐，我国“碳 达峰、碳中和”的国家能源战略也正在稳步推进。氢能作为清洁能源和未来的主力能源， 具有能量密度高、便于储存和运输等优势；风能、光伏等可再生能源是我国电力能源转 型的核心内容，具有强随机性、间歇性等特点，规模化分散无序接入会给电网的安全稳 定运行带来严峻挑战。因此，将风光氢进行强耦合是实现我国“双碳”目标的关键，也是未来能源战略的重要内容。

特约主编介绍

葛磊蛟, 康建立, 乔颖, 姚芳, 李江

2022, 44(5):  1. 

摘要 ( 0 )   PDF (941KB) ( 11 )  

相关文章 | 多维度评价

观点综述

风光波动性电源电解水制氢技术综述

葛磊蛟, 崔庆雪, 李明玮, 姚芳, 杨晓娜, 杜天硕

2022, 44(5):  1-14.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.05.001

摘要 ( 401 )   HTML ( 10 )   PDF (1559KB) ( 1039 )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

为实现国家碳中和、碳达峰的能源战略目标,利用光伏/风电等绿色能源制氢是一条重要技术途径,但光伏/风电等绿色能源的强波动性会严重影响电解水制氢系统的动态适应性和运行可靠性。介绍了风力、光伏及风光互补等波动性电源制氢技术的特点,对比分析了电解水制氢技术的原理及经济性。针对波动性电源电解水制氢面临的发展困境,提出了高效稳定的风光波动性电源电解水制氢的技术路线预想,聚焦系统优化配置、运行过程稳定控制和高效延寿控制3个核心技术,以延寿控制管理为最终目标,有力保障风光波动性电源电解水制氢系统安全、稳定、经济运行,以期为风-光-氢产业链的良性发展提供思路。

过渡金属基电解水催化剂的发展现状及展望

张一民, 康建立, 赵乃勤

2022, 44(5):  15-29.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.05.002

摘要 ( 318 )   HTML ( 8 )   PDF (9253KB) ( 262 )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

在推进落实“双碳”目标,构建新能源为主体的新型电力系统背景下,以风能、太阳能为主的可再生能源发电技术发展迅速。由于这类可再生能源具有的间歇性和波动性,破坏了电力电量平衡,电解水制氢是解决能源波动性、实现能源在更长时间、更广空间上再平衡的关键技术手段之一。介绍了电解水制氢电堆的主要形式,对比分析了碱性电解池、质子交换膜电解池以及固体氧化物电解池的区别;基于电解水制氢的反应机理,突出电催化剂在此过程中的重要性;重点介绍了合金材料、金属氧化物、金属硫化物、金属磷化物、金属碳化物和碳化物等各类新型催化剂的研究进展和改进策略;介绍了原位表征技术在研究电催化剂中的重要作用;最后,根据目前新能源制氢发展趋势,为电解水催化剂的现有问题做出总结,并对其未来发展做出展望。

面向碳中和的海上风电制氢技术研究综述

颜畅, 黄晟, 屈尹鹏

2022, 44(5):  30-40.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.05.003

摘要 ( 171 )   HTML ( 5 )   PDF (2119KB) ( 503 )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

我国经济已由高速增长转向高质量发展阶段,建设以可再生能源为主体的绿色、低碳、清洁能源体系是我国能源发展的重要战略方向。利用海上风电产生的绿色电力制氢不仅为海上风电消纳提供了一种新思路,也是未来新能源替代传统能源,推动“双碳”目标实现的重要手段之一。目前,海上风电制氢系统的氢能储存以及上网成本仍然较高,在并网或离网的情况下,如何实现系统最优设备配置与控制是亟须解决的问题。归纳了目前国内外在海上风力发电、制氢储氢和海上风电制氢系统等方面的研究进展,并对未来的研究方向进行了展望。

海上风电制氢发展趋势及前景展望

王峰, 逯鹏, 张清涛, 赵辉, 王怀明, 茹洋洋

2022, 44(5):  41-48.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.05.004

摘要 ( 240 )   HTML ( 7 )   PDF (3511KB) ( 309 )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

在构建以新能源为主体的新型电力系统背景下,海上风电制氢是能源技术领域的一次重大创新,对海上风电和氢能发展将是一种双赢的解决方案,分析研究其发展趋势可为未来能源安全提供新的发展方向。调查了国内外海上风电制氢发展现状,通过对比海上风电制氢、储氢、输氢、用氢的可行技术方案,确定“海上制氢站+运输船输送氢气”方案在现阶段具有推广应用价值。结合各国政府的发展规划,对海上风电制氢发展前景进行了展望。最后指出：风电制氢有望加速海上风电进一步降低成本,顺利进入平价上网时代;海上风电与氢能产业结合,将推动海上风电和绿氢产业发展,助力实现碳达峰、碳中和目标。

优化配置

计及海水淡化制氢的微电网混合储能优化规划

杜欣烨, 王建喜, 孙永辉, 何逸, 吴鹏鹏, 周伟

2022, 44(5):  49-55.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.05.005

摘要 ( 150 )   HTML ( 3 )   PDF (1300KB) ( 215 )  

数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

电氢混合储能系统优化规划是解决沿海地区大规模海上风电并网消纳问题的有效途径。综合考虑海上风电优先就地消纳及氢能绿色制取与高效利用,构建含海上风电微电网内电氢混合储能系统的运行模型及全寿命周期成本（LCC）模型,提出一种以经济最优为目标函数,计及海水淡化制氢的微电网电氢混合储能系统双层规划模型,应用于含海上风电微电网的容量配置和运行调度优化问题,并分别采用CPLEX求解器和改进粒子群优化算法（PSO）对内、外层模型进行求解。最后,以某地区海上风电场为例进行仿真计算,结果表明,含海上风电微电网经电氢混合储能系统优化规划后总成本降低19.5%,同时海上风电场弃风率减少9.3%,验证了所提模型的有效性与可行性。

风-光-氢能源系统容量优化配置研究

姚芳, 杨晓娜, 葛磊蛟, 郑帅

2022, 44(5):  56-63.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.05.006

摘要 ( 258 )   HTML ( 11 )   PDF (1532KB) ( 319 )  

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“碳达峰、碳中和”背景下,利用风、光等可再生能源就地制取氢气,是突破制氢成本困境、拓展电能利用途径、应对新能源随机波动、提高可再生能源就地消纳能力的关键技术之一。为优化风-光-氢能源系统的合作收益,减少系统弃风弃光造成的绿色能源浪费及中断负荷造成的用户损失,考虑系统投资,运维成本,售氢售氧、售购电能的成本和利润,附加弃风弃光及中断负荷的惩罚费用,建立风-光-氢系统收益最大化模型。在弃风弃光及中断负荷惩罚函数中考虑风-光-氢系统售购电能至主网的最大限额,避免因功率越限而导致系统失稳。引入自适应惯性权重,设计自适应粒子群算法,求解收益模型的最优容量配置方案,可有效避免算法陷入局部最优。仿真结果表明,在相同投运成本下,典型月中该优化策略可最大限度减少系统弃风弃光及负荷中断现象,且可有效提高系统整体收益。

碱性电解水制氢隔膜和阳极材料性能研究

郭雅婷, 邓甜音, 刘艳莹, 何广利

2022, 44(5):  64-68.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.05.007

摘要 ( 262 )   HTML ( 1 )   PDF (2780KB) ( 351 )  

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电解水制氢可将大规模可再生能源转化为绿氢,广泛用作各式各样的低碳终端能源,如燃料、化工能源和运输等,对碳减排具有重要意义。碱性电解水制氢作为一种最有潜力、大规模化应用的技术,在电解水行业中占据主导地位。基于降低电解制氢过电位的目的,开展了隔膜和阳极电极材料的性能研究。结果表明,高分子复合隔膜Zirfon比聚醚硫醚无纺布具有更低的膜电阻,可将电解水过电位降低0.3 V以上,主要因为Zirfon隔膜具有更低的膜电阻和更高的亲水性,而隔膜的亲水性会影响电极活性位点的利用率,且亲水性越高,电堆的活化阻抗越低。通过比较镍网和泡沫镍的性能,发现镍网用作阳极电极时的电阻低于泡沫镍,具有更低的电解水过电位。可为电解槽关键部件隔膜和电极的优化提供一定参考,利于电解成本的降低。

优化运行

计及效率与寿命的海上风电-多堆氢能系统运行优化

李梓丘, 乔颖, 鲁宗相

2022, 44(5):  69-77.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.05.008

摘要 ( 190 )   HTML ( 1 )   PDF (1283KB) ( 231 )  

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海上风电-氢能系统由海上风电场、氢能设备、输电系统等构成,可对海上与岸上多种电、氢负荷供能,实现海上能源全环节清洁化供应,助力实现碳中和目标。电解槽与燃料电池是海上风电-氢能的关键设备,其效率及使用寿命与工况密切相关,对系统运行优化时需进行精细化模拟。在对电解槽与燃料电池进行建模的基础上,提出了一种计及效率与寿命的海上风电-多堆氢能系统优化调度模型。仿真结果表明,该模型可有效提高系统运行收益,减小电解槽与燃料电池的寿命衰减并使系统寿命衰减更均衡。

含制氢装置的机组组合与检修低碳协同优化研究

郭恒元, 冯小峰, 李国栋, 段志国, 李远征

2022, 44(5):  78-87.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.05.009

摘要 ( 144 )   HTML ( 1 )   PDF (1827KB) ( 159 )  

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社会用电量的快速增长给电力系统带来诸多挑战,日益严重的环境问题使得电力部门迫切需要引入清洁能源以及高效的减排措施。考虑了电力需求侧存在制氢设备的情况,探讨了碳排放权交易机制下的月度机组组合与检修多目标协同优化问题。此外,结合深度强化学习理论,灵活控制多目标量子行为粒子群算法中的收缩-扩张参数,提高了算法的寻优效率。在IEEE-118节点系统下的仿真结果显示,改进算法比传统算法求解效果更优;多目标协同优化模型的节点电价稳定性目标超出单目标模型10%左右,系统可靠性目标优于单目标模型30%左右,线路安全裕度目标同样大幅优于单目标模型,充分说明了建立的多目标优化模型能寻找到兼顾多个指标的调度解,确保电力系统安全、稳定和低碳运行。

质子交换膜电解水制氢影响因素的过程模拟

张立栋, 陈怡冰, 龚明, 赵桦粮, 王欣, 黄宏艳

2022, 44(5):  88-94.  doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.05.010

摘要 ( 173 )   HTML ( 3 )   PDF (1371KB) ( 325 )  

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氢能领域相关技术的快速发展有助于我国实现“双碳”目标。基于联立方程建模技术,对质子交换膜（PEM）制氢进行过程模拟,研究了在不同温度、操作压力、质子膜厚度等影响因素下,制氢系统电压、功率及效率随电流密度变化的规律。研究结果表明：在满足制氢安全约束下时,阴极操作压力为0.728 MPa并选择厚度为27.5 μm的质子膜时,制氢系统具有最高的效率,达69.3%。