摘要：随着全球能源结构调整以及环境污染问题的日益加剧，可再生能源技术发展迅速，氢能作为一种高度清洁的可再生能源成为研究的热点。在我国“碳达峰、碳中和”背景下“绿氢”真正实现了生产源头的无碳化，是未来可持续发展的必然趋势。以可再生能源制氢为主的能源结构将在未来能源互联网建设中有重要意义。该文介绍了光伏电解水制氢系统的组成及主要设备配置，为“绿氢”生产系统的搭建提供参考。 关键词：环境污染、“碳达峰、碳中和”、绿氢、可再生能源、光伏电解水制氢
引言
随着全球能源格局变迁，近年来我国新能源产业发展迅速，在我国北方地区多个省份都部署了光伏发电、风力发电等新能源项目。随着新能源扩张速度较快、当地电网消纳能力不足和光伏发电、风力受自然资源约束，具有间歇性与波动性、电网调度难度大等自身特点，导致风光电场并网比例相对较小，新能消纳低的地区弃风、弃光和限电等问题日益突出。
为了保证光伏发电和风力发电的连续、可靠、稳定运行，目前公认最有效的解决方案是配备一定容量的储能与电场联合运行。这就为光伏和风力发电的持续发展带来了一定挑战，电化学电池也有一定弊端，如：受环境影响大、使用寿命低、成本高和容量小等，因此大规模应用困难；抽水储能受水源及地理位置的限制影响较大；飞轮储能等方式目前仍无法广泛应用。氢储能是我国近年来大力发展的电力能源系统的储能方式，氢能源具有清洁无污染、低碳、可再生、易存储、能量密度高、应用场景丰富、使用寿命长等特性，适宜作为可再生能源的储存载体。
吸湿剂
资料显示当前全世界商用氢气96%以上是天然气制氢和煤制氢，这类氢气也被称为“灰氢”。为了实现气候目标，全球向低碳途径的转变，由“灰氢”向“绿氢”的过度和转换是必然趋势。其中电解水制氢占比虽比较小，但其制氢工艺简单，产品纯度高，产物无污染，所以电解水制氢是目前最具有潜力的制氢技术。众所周知，电解水制氢是高电耗的过程，制氢成本较高。但通过风电和光伏等可再生能源制氢，不仅消纳弃风、弃光，促进新能源电力的消化，从而获得低成本氢气。还实现了“零碳排放”，获得 “绿氢”。根据中国氢能联盟数据，我国可再生能源电解水制氢占比很小。但到 2050 年，可再生能源电解水制氢的占比将逐步扩大，光伏发电作为国家大力发展的绿清洁能源，绿氢市场前景广阔。因此可
再生能源作为电源配合制氢和氢储能设备的综合能源系统将成为未来能源系统的主要发展方向之一。
利用风、光等可再生能源就地制取氢气，是突破制氢成本限制、解决电能利用途径，发展风、光绿电制氢，不但提高了风、光等可再生能源发电的消纳比例，将富余的可再生能源转化为氢能，实现可再生能源多途径高效利用，还为能源转型和实现“双碳目标”提供新的解决思路。
一、系统总体设计
可再生能源制氢大致由供电系统、制氢系统（电解水）、储氢、充氢和运氢系统、能量管理与控制系统等组成。如图1所示：
图1 可再生能源电解制氢直流供电系统图
供电系统：包括电解槽的直流供电系统和交流辅助供电控制系统；光伏制氢系统大致分为并网体统、离网系统，并网系统设备较多，通常包括光伏逆变器、变压器、DC/DC 变换器以及整流器等，先升压后降压，不仅降低了效率，且投入较高。离网系统独立于电网，可以应用于无电网的偏远地区。离网系统中，减少了变压的过程，使用 DC-DC 变换器间接连接方式将光伏阵列与电解槽相连，大大降低了系统损耗，且控制简单。另，DC-DC 变换器可灵活匹配光伏阵列与电解槽的 I-V 曲线，提高光伏系统发电效率间接提高制氢系统效率。本文系统选用直流母线电压为380V。
制氢系统：电解水制氢是当前最主流的制氢技术，电解槽是水制氢系统的核心设备，目前电解水制氢主要分为：技术最成熟的碱水电解制氢(ALK)、发展最迅速的质子交换膜纯水电解制氢(PEM)、初步示范阶段的固体聚合物阴离子交换膜水电解制氢（AEM）和刚刚起步的固体氧化物电解制氢技术(SOEC)。
能量管理与控制系统：控制系统的目的是实现多电源互补方式制氢的智能化控制、安全监测与故障应急防护等。能量管理系统是对电源和制氢等关键设备的综合能力进行分析和评
离合器盘估，检测各子系统发出的功率变化及系统直流部分的电压和逆变电压，根据供电系统（风力或光伏）输出功率预测值、电解制氢预测值与电网的发电计划，设置合理的指标，合理安排系统输出功率。
1、光伏发电系统设计
1)工作原理
tilera太阳能电池是通过光生伏打效应把光能转化成电能的装置。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴--电子对。在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
2)系统配置烷基醚硫酸盐
本项目位于广东省阳江市大沟镇，峰值日照时数为1553h，历史极端最高气温37.5℃，极端最低温度为2.2℃。光伏并网电源模块选用DC800V-DC380V。太阳能光伏组件选用目前市场主流的单晶硅545Wp光伏组件。开路电压Voc为50.01V，最大功率点的工作电压Vmp为42.38V；短路电流Isc为12.62A，最大功率点的工作电流Imp为12.86A。根据国标GB507
97《光伏发电站设计规范》6.4光伏方阵6.4.2中光伏组件串的串联数量计算。单块光伏组件在极端最低温度的修正电压为53.14V。z最大系统电压为800V，计算可得光伏组件最大串联数为15串。光伏系统直流侧容量≤100kW，即15串12并，共计98.1kW。根据国标GB50797《光伏发电站设计规范》6.6光伏方阵6.6.2中光光伏发电站上网电量极端公式算得年发电量为12.18万度。
2、电解水制氢系统组成
手动提升机电解水制氢技术从被发现至今已经发展了200多年，但由于人们对氢气的认识、需求和使用并不是必须，导致制氢、储氢和运氢一整套系统发展相对停滞。近年来社会进步和工业发展迅速，世界能源格局的变迁，氢的地位也逐步在上升，电解水制氢技术发展也更加迅速起来。
1)系统组成
以技术最成熟的碱水电解制氢(ALK)为例，整套制氢设备的组成配套分为：电解槽（核心设备）；氢侧系统（气体分离部分的分离器、储气罐、压缩机、冷却器、过滤器；氢气干燥
装置的冷却器、板式换热器、冷却泵、干式冷凝器、过滤器、干燥器、氢气管及阀门，减压阀，压力表；至用户的管道和阀门及压力表等）；氧侧系统；补给水系统；碱液系统；纯水设备；氢和氧的高压部分（缓冲罐、高压压缩机、高压缓冲罐）；氢和氧的输送、储存单元；所有电源仪表（整流柜、控制系统）等。
质子交换膜纯水电解制氢(PEM)与碱水电解制氢(ALK)相比，前者是纯水制氢，结构上无碱液及碱液过滤器。前者直接产出高压氢气，无需额外加压，因此在结构上无缓冲罐、高压压缩机、高压缓冲罐。其他结构与碱水电解制氢(ALK)类似。
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