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接受稿件
燃料电池-超级电容器混合储能系统应用在离网可再生能源中的最佳规模
Doudou N. Luta, Atanda K. Raji
PII:
DOI：
参考： 出现在：
S0360-5442(18)32060-7 10.1016/j.energy.2018.10.070 EGY 13967
能源
收到的日期：2018年2月19日
修订日期： 2018年9月6日
接受日期：2018年10月13日
请引用本文为：Luta DN，Raji AK，离网可再生应用的混合燃料电池-超级电容器存储系统的最佳尺寸，能源（2018），doi：https://doi.org/10.1016/ j.energy。 2018.10.070.
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图1.系统架构
太阳风/风能/
其他能源
太阳能/风能/其他能源
进水
进水
H2
充电周期
H2
O2
电解槽
充电周期
储氢 充电周期
储氧
储氢 放电周期
放电周期
H2
放电周期
H2
O2
出水
燃料电池
单元式再生燃料电池
断电
断电
图2.精致的系统架构[55]
图3优化方法
R
SC
U A N
图4.荷马模型
每日负荷曲线
250
200
150
100
50
0
|
负载（千瓦） |
||||
图5. HOMER PRO的商业负载曲线图
25
20
15
10
5
0
小时
太阳辐射（kWh / msup2; /天）
图7.系统缺少的容量
不足的功率（kW）
九月
十一月
天
160
140
120
100
80
60
40
20
0
缺少的容量
图6.年平均太阳能全球水平辐照度
七月
一月 三月 五月
8
7
6
5
4
3
2
1
0
每日太阳辐射
T IP
R S C
M D
TE
P
图8.光伏和燃料电池的功率输出
E
图9.每月氢气产量
P
图11.成本汇总
I
图10.超级电容器的充电状态
强调
最佳配置的净现值为2660万美元。
- 相应的平准化能源成本为每千瓦时4.78美元。
- 储氢的成本大大影响了能源的平均成本。
- 所提出的系统对于商用而言成本效益较低。
燃料电池-超级电容器混合储能系统
应用在离网可再生能源中的最佳规模
Doudou N.Luta Atanda K.Raji
开普半岛科技大学，南非西开普省贝尔维尔
摘要—在没有电力供应的偏远地区，利用太阳能和风能等离网可再生能源发电来替代电网的部署正变得越来越普遍。但是，由于这些发电设施的供电和负载需求的供电具有波动性，所以离网可再生能源发电系统需要一个储能设备。市场上存在着很多的储能设备，但是将他们每一种单独考虑，并没有被证明在技术性和经济性上是可行的。将两个或多个储能设备集成为一个，可以提高离网可再生能源供电系统的可靠性和安全性。本项研究模拟了氢燃料电池和超级电容器混合储能系统，目的是为找到商用光伏板混合储能系统的最佳规模。基于技术的可行性和成本，采用合适的系统架构。对储氢成本进行灵敏性分析，以评估储氢成本对系统成本和能源平均成本的影响。本次实验采用HOMER Pro在开普敦的天气条件下进行模拟。
索引词—能量存储，氢燃料电池，优化，可再生能源，太阳能，超级电容器
- 介绍
储能（ES）系统可以提高离网可再生能源供电系统的可靠性，因为它增强了系统的灵活性，减小了波动性并且可以保留和分配产生的电力[1-3]。根据可再生能源的不同，能量可以以不同的形式存储，例如磁介质，电化学，水力，气动，机械和热能等[4-8]。典型的储能技术在能源储存，额定功率，放电和响应时间，工作温度，自放电率，循环效率，寿命，充电时间等方面各有特点[4,9]。但是，根据技术文献显示，单独考虑大多数现有的储能技术，无法做到在技术性和经济性上都可行[10-12]。例如使用电池，尽管它具有约90％的循环效率[10]，但在需要连续高质量的电力供应中，为了满足负载需求，需要适当地调整它们的大小，这是很昂贵的。再加上可再生能源发电机的费用，总成本会将过高[10]。另一方面， 储能的关键参数是高能量密度和高功率密度[9-15]，但是截至目前，没有一种现有技术能够同时提供这两种性能特征[16]。 这样的ES只能通过将两个或多个ES（某些具有高功率密度特征而另一些具有高能量密度特征）组合在一起才能获得，因此形成了混合储能系统（HES）。高功率密度ES具有很高的能量率供应，但仅能在很短的时间内提供，而高能量密度ES可以以小功率长期提供能量。在HES配置中，高功率密度的ES用在瞬时，峰值和快速的负载波动[17]，而高能量密度的ES用于转变能量的可用性。此外，使用由上述特征组成的HES可以减小主存储器[18]的大小和功率损耗。除了这些特性，HES的理想功能列于表1，在表2给出了两种存储的技术特征。比能量是指储存器中每单位质量的最大可获得能量，比功率与储存器可以输送的每单位质量最大功率有关。储能系统的响应时间是
非常重要的，因为它反应了从不放电到完全放电需要多长时间。同时，能源效率是系统可负担，可靠性和可持续的保证。能源效率是指能源的利用率。投资成本表示项目开始时储能设备的总成本，耐用性则指在每次充电后，储能设备能释放能量达到设计水平的次数。
文献中已经提出了几种混合储能配置。包括超级电容器电池[19–25]，氢燃料电池[26–30]，锂离子氧化还原电池[31,32]，超导磁性电池[33–37]，压缩空气电池[38,39]，压缩空气超级电容器[40,41]和飞轮电池[42–44]。与此同时，大量关于可再生离网电力系统的HES尺寸研究在文献中被报道。
Fossali等人[45]提出了一种基于遗传算法的微电网储能系统规模优化方法，其主要目的是确定储能系统的能量和功率，从而降低微电网的运行成本。Jacob等人[46]提出了一种基于夹点分析和空间设计的离网可再生电力系统中HES分级的通用方法。该研究以光伏板作为主要电源，并使用电池，超级电容器和氢气系统作为HES。该方法将设计空间描述为针对特定负载的短期，中期和长期存储大小以及PV阵列的集合。Wen等人[47]提出了一种基于粒子群优化算法的不同船舶HES最优尺寸的成本分析方法。采用离散傅里叶变化将所需的平均功率分解为不同的时变周期分量，以计算混合储能系统的最大所需功率。
Bae等人[35]考虑了系统成本，输出功率参考和存储效率，以确定基于超导磁能储能和家用铅酸电池的HES的最佳尺寸。结果表明，最佳的储能尺寸可提供有效的能源管理系统。Guuml;nther 等人[48]提出了一种理论和分析方法来确定HES的最佳尺寸，同时与类似的单个存储器相比，保持其能量和功率。结果显示混合系统的整体储存容量减小，从而降低了存储系统的成本。刘等人[49]提出了一种基于频率的方法来维持具有高风电穿透度的离网电力系统功率平衡的电池-超级电容器混合系统的尺寸确定方法。提出了一种混合储存系统尺寸选择最后的算法。
Shen等人[50]研究了电动汽车中HES的最佳尺寸和功率分配。提出了电池与超级电容器之间的功率 分配的优化问题。根据功率分配的结果，提出了考虑混合动力存储重量，车辆行驶规格和加速时间 的最佳配置问题。Sun和Yuan [51]提出了一种用于优化电池-超级电容器混合存储系统的最佳尺寸和经济分析的方法。使用神经网络方法，建立一个模型，用来显示混合存储参数与输出功率平滑度之间的关系。提出了确定混合存储系统最佳尺寸的优化算法。Yee等人[52]提出了一种利用超级电容器和太阳能电池优化HES的尺寸的遗传算法。该方法包括优化可再生系统中使用的组件，并保证20年的总成本。结果表明，与仅由电池组成的储能相比，储能成本有所降低。
在本次研究中，我们设计了一个使用燃料电池和超级电容器的HES，并对其进行了建模和模拟实验。根据可靠性和成本效益选择合适的配置。使用HOMER Pro在开普敦天气条件下进行模拟实验。
本文的结构如下，下一部分是对系统的描述和建模，第三部分是对结果的讨论和分析，第四部分给出结论。
|
特点 |
组合蓄能 |
高能密度储存 |
高功率密度储存 |
|
比能 |
高 |
高 |
低中 |
|
比功率 |
高 |
低中 |
高 |
|
响应时间 |
快 |
中等 |
快 |
|
能量效率 |
高 |
高 |
高 |
|
实现难易 |
高 |
高 |
高 |
|
投资成本 |
低 |
低 |
低 |
|
耐用性 |
高 |
高 |
高 |
表1混合能源的理想特性[53]
表2储能技术的技术特点[54]
|
燃料电池 |
超级电容器 |
|
|
额定功率 |
0 – 50兆瓦 |
0 – 300千瓦 |
|
放电时间 |
秒– 24小时以上 |
1e-3s – 60分钟 |
每天自放电 几乎为零 20 – 40%
储存期 小时-几个月 秒-小时
- 系统描述和建模
系统描述
该系统由光伏板（PV），燃料电池系统，氢气罐，超级电容器，逆变器和负载组成，如图 1所示。PV作为满足负载要求的主要电源。燃料电池和超级电容器用作能量存储系统，用来补偿功率波动。系统运行时，PV会根据环境条件尽可能多的产生电能以提供负载。多余的能量都用于燃料电池的电解槽产生氢气并为超级电容器充电。在电解槽内，水被分解为氢气和氧气。分解后的氢被存储起来，并在需要时通过燃料电池堆发电。超级电容器存储的电力来自PV剩余的电力。在典型的燃料电池-超级电容器混合储能
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