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2009年第5期总第264期

新能源 new Energy

本文简要介绍风能—燃料电池系统的组成，运行特

性，以及技术经济性；最后引用了对一个小旅馆（有十张

床位）使用此系统的模拟结果，来具体说明其性能。这种

混合能源系统在许多方面，如成本、效率、可靠性和动态

响应等方面，需要进行进一步研究。

1系统主要部件及工作原理

1.1 系统主要部件

风能-氢混合系统的主要部件见图1。重点介绍的部件

包括：

1.1.1 风力发电机

是系统的主要动力源，是把机械能转化为电能的装

置。风力机已经是完全商业化的产品，从小到200W，大

到1MW的各种型号的风力发电机，一应俱全，技术已经

相当成熟。

1.1.2 电解槽

电解槽是这种储能方式的关键技术和部件。当电解槽

的两个电极（阴极和阳极）分别通上直流电，并且浸入水

中时，水将会被分解并在阴极和阳极分别产生氢气和氧

气，这个过程就是电解水过程。碱性电解槽是最早商业化

的电解槽技术，虽然其效率是电解槽中最低的，但由于价

格低廉，目前仍然广泛使用，尤其在大规模制氢工业中。

碱性电解槽的缺点是效率较低和使用石棉作为隔膜。石棉

具有致癌性，很多国家已经提出要禁止石棉在碱性电解槽

中的使用。

1.1.3 燃料电池

燃料电池（FuelCell，简称FC）是一种不经燃烧过程

而直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发

电装置。质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有良好的特

性，工作温度在80℃左右，唯一的排放物是纯净热水，

无污染；无机械运动部件，工作时仅有低压气体和水的流

动，运行噪声很小；构造简单，体积小，维护方便，特

别适于分散式电源和移动式电源。同时，PEMFC自成体

系，低温启动快(5～15s)，对负载变化适应性好，并且抗

振动冲击性能好，能在恶劣环境下正常工作。因此，质子

交换膜燃料电池成为后备电源的最佳选择。

1.1.4 储氢罐

风能、燃料电池联合供电系统蔡可心，山东大学威海分校

摘要：该文对风能—氢能混合供电系统进行了介绍，并给出了一个特例的模拟结果。该系统是一套可持续发展

的，零排放的电力供应系统。随着系统各个部件特别是电解槽和燃料电池的进一步商业化及价格下降，该系统有

望与现有的常规能源系统在经济技术上进行竞争。

关键词：风力发电；氢能；燃料电池；模拟；供电系统；独立运行

中图分类号：TK89 文献标志码：B 文章编号：1003-0867(2009)05-0050-02

机械能风力机

自然风 异步发电机

不稳定交流电

整流器直流电

逆变器交流电

负荷

交流电

直流电

直流/直流转换器

逆变器

直流电

电解槽

氢气

储氢罐

氢气不稳定直流电

燃料电池

图1 风力发电机燃料电池供电系统图

职责，利用系统抄表、数据分析和计量装置的运行监测，

充分运用负荷管理系统远程监控的作用，加强对用户用电

情况和计量装置的监督巡视，以确保电量的准确性。

在计量管理上，重点开展了高压计量装置现场校验与

整改工作，保证了计量装置的准确性；低压重点开展台区

整改，启动“铁锁行动”，结合集抄系统建设，对台区表

计轮换、加封，表箱进行清扫、加锁，同时建立了台区及

表箱图，健全了户表对应关系。截止2008年11月底，共检

定单相电能表28475只，三相电能表2300多只，试验高压

TA345只，低压TA657只，高压计量箱63台。积极开展对

外服务，检定客户单相电能表341只，三相电能表52只。

淮北供电公司以“零缺陷”为目标，计量装置依托信

息技术，利用电能量采集、负荷管理系统、集抄系统对计

量装置进行实时监测，及时发现消除缺陷、隐患、故障和

用电异常，同时进行统计、分析，制定整改措施，从而达

到计量装置准确、可靠运行，实现电能计量装置管理的在

控、可控。2008年8月份开发的营销服务与工作质量管理

系统投入运行，实现了缺陷管理的实时监控，增强了缺陷

管理的透明度，大大提高了缺陷的处理速度。

总之，经过长期的线损四分管理，公司线损”管理取

得了一定的进步，下一步将加强线损管理的制度建设，加

强用电营销管理的各个环节，降低管理线损，做好线损理

论计算、无功优化工作，实现最大限度的降损增效。

（责任编辑：马宗禹）

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RURAL ELECTRIFICATION

2009年第5期总第264期

new Energy 新能源

氢气压缩存储是最常用的氢气存储方式。氢气被压缩

以后在压力为20～60MPa的气缸里以气体形式储存。由于

氢的密度很小，压缩氢气需要消耗的能量大。高压贮氢是

目前使用最为广泛的一种贮氢方式。将氢气压缩到高压下

（如25～35MPa）贮存，可以大大提高氢气的贮存密度，

减小贮存的体积。

1.1.5 整流器

把不稳定的交流电变为稳定的直流电的装置。

1.1.6 逆变器

把直流电转化为交流电的装置。

1.2 工作原理

自然风吹动风轮转动，产生扭矩，带动交流发电机转

动，产生交流电，这时候的交流电电压和频率是不稳定

的，不能直接使用。所产生的交流电经过整流器，转化为

直流电，再经过逆变器，调整为电压和频率都稳定的交流

电，直接供给负荷使用。但是，由于自然界的风速是随机

变化的，而且负荷也是在变化的，风力机所产生的电能并

不一定就正好和负荷相等，有时候会大，有时候不够用。

整个系统的操作原则是尽可能利用风力机的发电量，就是

风力发电在满足了用户的需要后，剩余的发电量，用这部

分电力来电解水制氢，以氢的形式存储起来。当风速很小

或无风的时候，风力机几乎不生产电力，这时，存储起来

的氢气，就用来供给燃料电池发电，来满足负荷。

监控系统负责控制整个系统运行，包括：风力机的发

电量，用户的负荷，及氢气的存储。只要风力机的发电功

率大于负荷，多余的电量就供给电解槽制氢。为了保证系

统的稳定，设置了一些监控端口，保证多余的电量超过用

户负荷的5%，电解槽才工作。如果储氢容器已满，那么

电解槽就会停止工作。这种情况下，会停止风力机和电解

槽的运行。

2实例模拟结果

本文引用文献[1]里的一个小旅馆的模拟分析实例，

来具体看一下实际的系统运行模拟情况。

模拟分析了一个假想的偏远地区的一个小旅馆（十张

床位），使用一个自给自足的，风力-氢能联合的电力供

应系统为其供电。模拟的地点在希腊的一个岛屿，这里风

力资源比较丰富足够使用。假定旅馆一年内的用电负荷分

为两个季节，淡季和旺季，总耗电量分别为9977kWh和

6577kWh。

选用一台额定功率为20kW的风力机。6kW电解槽带

一个可以存储900Nm3储氢罐，电解槽在中压下运行，可

以生产压力在13.8bar的高纯度氢气，每小时消耗450ml

的水。燃料电池系统使用5套，每套2kW的FYD2000TM

系统。一共10kW的电池堆可以提供的功率等于旅馆内所

有的用电器的功率总和，在所有计算中使用这个数据。

系统的运行特性和优化使用MATLABSimulink建模软

件来确定。

表 1里给出

了一个最成功的

方案的模拟结果

的汇总。

3结束语

本 文 对 风

能—氢能混合供

电系统进行了介

绍，并给出了一

个特例的模拟结

果。该系统是一套可持续发展的，零排放的电力供应系

统。随着系统各个部件特别是电解槽和燃料电池的进一步

商业化及价格更加下降，该系统有望与现有的常规能源系

统在经济技术上进行竞争。

在风力资源比较丰富的偏远地区，风力发电是解决农

村地区用电的一个很好的途径。但是由于风能具有间断性

和不稳定性，如何长期储存风力机的剩余电能一直是个难

题。铅酸蓄电池只能存储几天数量有限电力。对于长期储

存，电能可以使用电解槽转换成氢气后，以供日后燃料

电池使用。经过多次的技术进步，质子交换膜燃料电池

（PEMFC）技术，现在已达到试验和示范的阶段。最近

小型质子交换膜燃料电池商业化，创造了许多新的机会，

为偏远地区的用户，设计出能量以氢的形式存储的混合能

源系统。氢研究所正在研究用风力发电生产氢气供日后使

用的燃料电池。美国能源部详细研究指出，风力燃料电池

为基础的集成系统将产生电力的成本更低，并会发出更低

的CO2排放。

参考文献

[1] D.A. Bechrakis, E.J. McKeogh, P.D. Gallagher. Simulation

andoperationalassessmentforasmallautonomouswind–hydrogenenergysystem[J].EnergyConversionandManagement,2006,(47):

46～59.

（责任编辑：马宗禹）

表1 最优的运行方案一年内模拟结果汇总表

项目 模拟结果

电解槽额定功率/kW 6

储氢罐存储量/Nm3 900

储氢罐容积/m3(13bar) 69.13

风力机运行时间/h 8150

风力机发电量/kWh 54705

电解槽耗电量/kWh 25014

电解槽运行时间/h 6042

氢气总产量/Nm3 3924

消耗水量/L 1876

燃料电池运行时间/h 2422

燃料电池发电量/kWh 3320

总的氢气消耗量/Nm3 3201

单位电价/$·(kWh)-1 1.050

总投资/$ 165000

更正启示

2007年11期28页文章《110kV电流互感器故障分析》

一文，作者李加正的工作单位应是江苏省六合供电公司。

另据读者反映，2009年第3期封面照片存在严重违章

现象，即安全带不应挂在绝缘子上。本刊向读者致歉。