动态制氢效率特性下的远海风电制氢系统容量优化方法技术方案

本发明专利技术涉及一种动态制氢效率特性下的远海风电制氢系统容量优化方法。包括：获取规划参数；考虑质子交换膜电解槽由于长时间运行而老化引起的制氢效率衰减变化，建立“时间

【技术实现步骤摘要】
动态制氢效率特性下的远海风电制氢系统容量优化方法


[0001]本专利技术涉及氢储能
，特别涉及一种动态制氢效率特性下的远海风电制氢系统容量优化方法。

技术介绍

[0002]随着能源危机和环境污染加剧，人们将目光投向了丰富的远海风资源，利用清洁风能发电缓解能源需求、降低碳排放。但是，滞后的电网建设速度无法满足迅速扩张的海上风电电力输送。氢储能技术的发展为远海风电开发提供了新途径。远海风电制氢可以提高风资源利用率，但仍存在经济效益不佳等问题。对远海风电制氢系统容量优化配置能促进远海风资源开发利用。
[0003]现有研究虽然考虑了风电出力、制氢设备成本、氢气售价等多个影响因素，但未考虑这些因素的不确定性影响。首先，远海风资源波动性较大，只有充分考虑其不确定性才能准确评估制氢产量；另外，在长达约20
‑
25年的远海风电制氢项目运行周期中，昂贵的制氢设备更换成本将直接影响项目经济效益，但制氢设备更换成本由于技术的发展以及不同厂商的定价策略差异具有较大的不确定性；再者，受市场供需关系影响变化，氢气价格也具有不确定性，但氢价是项目经济效益评估中的关键参数，氢价的变化使得项目效益波动性大大增加。因此，不考虑上述不确定因素可能导致决策偏离或效益恶化。
[0004]此外，风电制氢项目评估中，尚没有涉及制氢设备老化因素引起制氢效率衰减特性对氢气产量的影响。研究表明，制氢设备的制氢效率随着运行功率大小变化，形成“功率
‑
效率”制氢特性。而且，随着设备长期运行，设备各个组件发生物理或化学老化：质子交换膜作为电解槽的关键组件，在运行过程中受到自由基攻击而发生化学键断裂，释放出氟化物而膜厚度逐渐减薄，影响电解槽制氢效率。在不同寿命阶段下，电解槽的“功率
‑
效率”制氢特性因组件老化而存在差异：制氢效率随着运行时间增加呈衰减趋势，构成“时间
‑
功率
‑
效率”制氢特性。常数制氢效率与实际生产情况不符，不能准确评估售氢效益；相对于因制氢设备老化而衰减的制氢效率特性，不考虑老化因素的制氢效率在计算上高估了制氢产量，提升售氢收益导致项目收益评估偏于乐观，增加了投资决策风险。因此，在风电制氢项目评估中考虑“时间
‑
功率
‑
效率”制氢特性的影响是必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种动态制氢效率特性下的远海风电制氢系统容量优化方法，考虑制氢设备长时间运行、组件老化引起的制氢效率衰减因素，综合远海风电出力等不确定性，优化远海风电制氢系统容量。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种动态制氢效率特性下的远海风电制氢系统容量优化方法，包括如下步骤：
[0007]步骤S1、考虑质子交换膜电解槽由于长时间运行而老化引起的制氢效率衰减变化，建立“时间
‑
功率
‑
效率”动态制氢特性模型；
[0008]步骤S2、建立远海风电制氢系统容量优化机会约束规划
‑
信息间隙决策理论模型；
[0009]步骤S3、采用基于随机模拟的粒子群算法求解远海风电制氢系统容量优化机会约束规划
‑ꢀ
信息间隙决策理论模型，给出远海风电制氢系统容量优化规划方案。
[0010]在本专利技术一实施例中，在步骤S1之前还需获取规划参数，包括质子交换膜电解槽动态制氢效率参数、时平均风速数据、远海风电制氢系统投资建设单位成本、远海风电场装机容量、集电海缆长度、氢气基础售价、弃风成本、制氢设备更换成本价格平均值和标准差、弃风约束概率、净现值置信水平、储氢罐规格、运输船舶负载储氢罐拖车数量及运输周期时间、净现值偏差系数。
[0011]在本专利技术一实施例中，步骤S2中，所述远海风电制氢系统容量优化机会约束规划
‑
信息间隙决策理论模型为下层以项目效益净现值最大化为优化目标、上层以氢价最大不确定度为优化目标的远海风电制氢系统容量优化机会约束规划
‑
信息间隙决策理论模型，模型中，风电出力、制氢设备更换成本价格、氢气售价为随机变量，弃风概率约束和净现值置信水平为机会约束，采用信息间隙决策理论量化无规律波动的氢价不确定度。
[0012]在本专利技术一实施例中，所述步骤S1具体包括以下步骤：
[0013]步骤S11、质子交换膜电解槽老化模型
[0014][0015]式(1)中，e
M
为质子交换膜t时的厚度；e
M0
为质子交换膜的初始厚度；FRR为氟化物平均释放速率；ρ
f
为质子交换膜中氟化物含量占比，ρ
M
为质子交换膜密度；k
M
为t时质子交换膜电导率；k0为t＝0时的质子交换膜电导率；λ是质子交换膜的水分含量；T为电解槽工作温度；
[0016]步骤S12、推导动态电流效率
[0017]电流效率ε
I
计算为
[0018][0019]式(2)中，I为电解电流；I
loss
为电解损失电流；i为电解电流密度，A/m2；A为质子交换膜横截面积；
[0020]根据法拉第电解定律及菲克定律，有：
[0021][0022][0023]式(3)中，为单位时间内损失氢气的物质的量；F为法拉第常数；式(4)中，J
H2loss
为从阴极渗透到阳极的氢气的扩散通量；A为质子交换膜的有效面积；为氢气在电解槽内的扩散系数；S
H2
为氢气的溶解度系数；表示阴极和阳极侧的氢气溶度差；ΔP对
应膜两侧的氢气分压差；d为氢气扩散距离，该距离介于质子交换膜的厚度到两极板间的距离，选取为质子交换膜的厚度e
M
；
[0024]氢气的扩散系数和溶解系数S
H2
计算为：
[0025]D
H2
＝1.23
×
10
‑6×
e
‑
2602/T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0026][0027]式(6)中，ω为质子交换膜的吸水率，计算为：
[0028][0029]式(7)中，为水的摩尔质量，E
W
为质子交换膜的摩尔质量；
[0030]由于电解槽内的氢气主要损失于氢气渗透到阳极隔间，近似认为：
[0031][0032]将式(3)(4)代入式(8)则有：
[0033][0034]结合式(1)(2)(9)，得到动态电流效率：
[0035][0036]步骤S13、推导动态电压效率
[0037]电解槽的电压效率计算为：
[0038][0039]式(11)中，U
tn
为电解水的热中性电压；U
cell
为电解槽运行电压；E
Anode
为阳极过电压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动态制氢效率特性下的远海风电制氢系统容量优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、考虑质子交换膜电解槽由于长时间运行而老化引起的制氢效率衰减变化，建立“时间
‑
功率
‑
效率”动态制氢特性模型；步骤S2、建立远海风电制氢系统容量优化机会约束规划
‑
信息间隙决策理论模型；步骤S3、采用基于随机模拟的粒子群算法求解远海风电制氢系统容量优化机会约束规划
‑
信息间隙决策理论模型，给出远海风电制氢系统容量优化规划方案。2.根据权利要求1所述的动态制氢效率特性下的远海风电制氢系统容量优化方法，其特征在于，在步骤S1之前还需获取规划参数，包括质子交换膜电解槽动态制氢效率参数、时平均风速数据、远海风电制氢系统投资建设单位成本、远海风电场装机容量、集电海缆长度、氢气基础售价、弃风成本、制氢设备更换成本价格平均值和标准差、弃风约束概率、净现值置信水平、储氢罐规格、运输船舶负载储氢罐拖车数量及运输周期时间、净现值偏差系数。3.根据权利要求1所述的动态制氢效率特性下的远海风电制氢系统容量优化方法，其特征在于，步骤S2中，所述远海风电制氢系统容量优化机会约束规划
‑
信息间隙决策理论模型为下层以项目效益净现值最大化为优化目标、上层以氢价最大不确定度为优化目标的远海风电制氢系统容量优化机会约束规划
‑
信息间隙决策理论模型，模型中，风电出力、制氢设备更换成本价格、氢气售价为随机变量，弃风概率约束和净现值置信水平为机会约束，采用信息间隙决策理论量化无规律波动的氢价不确定度。4.根据权利要求1所述的动态制氢效率特性下的远海风电制氢系统容量优化方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：步骤S11、质子交换膜电解槽老化模型式(1)中，e
M
为质子交换膜t时的厚度；e
M0
为质子交换膜的初始厚度；FRR为氟化物平均释放速率；ρ
f
为质子交换膜中氟化物含量占比，ρ
M
为质子交换膜密度；k
M
为t时质子交换膜电导率；k0为t＝0时的质子交换膜电导率；λ是质子交换膜的水分含量；T为电解槽工作温度；步骤S12、推导动态电流效率电流效率ε
I
计算为式(2)中，I为电解电流；I
loss
为电解损失电流；i为电解电流密度；A为质子交换膜横截面积；根据法拉第电解定律及菲克定律，有：
式(3)中，为单位时间内损失氢气的物质的量；F为法拉第常数；式(4)中，J
H2loss
为从阴极渗透到阳极的氢气的扩散通量；A为质子交换膜的有效面积；为氢气在电解槽内的扩散系数；S
H2
为氢气的溶解度系数；表示阴极和阳极侧的氢气溶度差；ΔP对应膜两侧的氢气分压差；d为氢气扩散距离，该距离介于质子交换膜的厚度到两极板间的距离，选取为质子交换膜的厚度e
M
；氢气的扩散系数和溶解系数S
H2
计算为：D
H2
＝1.23
×
10
‑6×
e
‑
2602/T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式(6)中，ω为质子交换膜的吸水率，计算为：式(7)中，为水的摩尔质量，E
W
为质子交换膜的摩尔质量；由于电解槽内的氢气主要损失于氢气渗透到阳极隔间，近似认为：将式(3)(4)代入式(8)则有：结合式(1)(2)(9)，得到动态电流效率：步骤S13、推导动态电压效率电解槽的电压效率计算为：式(11)中，U
tn
为电解水的热中性电压；U
cell
为电解槽运行电压；E
Anode
为阳极过电压，E
Cathode
为阴极过电压，由于数值较小，可忽略不计；R
ohm
为电解槽的总电阻；IR
ohm
为欧姆电压；热中性电压U
tn
，计算式为：U
tn
＝1.485
‑
1.49
×
10
‑4×
(T
‑
273.15)
‑
9.84
×
10
‑8×
(T
‑
273.15)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)集电极过电压E
Anode
，计算式为：
式中，R为气体常数；i为电解电流密度；z是化学计量系数；α
A
为阳极电荷传递系数，i
0A
为阳极的转换电流密度，γ
A
是阳极活性面积比，k
0A
为阳极速率参数，A
0A
为阳极活化能；电解槽欧姆电阻计算式为：式(15)中，e
M
、e
A
和e
C
分别为电解槽的厚度、阳极板厚度和阴极板厚度；σ
A
和σ
C
分别为阳极板的电导率和阴极板的电导率；欧姆电压IR
ohm
计算为：结合式(1)、式(11
‑
16)，获得动态电压效率：步骤S14、计算动态制氢效率并化简将动态电流效率式(10)和动态电压效率式(17)相乘得到动态制氢效率：式中，e
M
(t)表示质子交换膜随运行时间增加而减薄变化的函数，即式(1)；式(18)动态制氢效率是一个关于电流密度i和运行时间t的高维非线性函数，随着运行时间t的增加，制氢效率衰减变化；考虑实际应用中，输入功率标幺值比电流密度更容易获得，而且功率标幺值具有更广泛的适用性，因此进一步化简式(18)；电流密度为i时，电解槽输入功率标幺值：式(19)中，U
cell_N
为电解槽的额定电源电压；I
N
和i
N
分别为电解槽的额定电流和额定电流密度；在式(18)、(19)中，变量只有电流密度i和老化程度时间t；拟合化简电解槽动态效率；在一个运行时间断面t
x
(x＝1,2，
…
，y)下，输入在电流运行区间内的n个电流密度值[i1，i2……
i
n
]，根据式(18)(19)分别求得对应时间断面t
x
的输入功率标幺值[ρ1，ρ2，
……
ρ
n
]和电解槽效率[ε
elec1
，ε
elec2
……
ε
elecn
]；再代入函数拟合器，求得于时间断面t
x
下制氢效率关于输入功率标幺值变量的函数关系式ε
elec
＝f(ρ,t＝t
x
)(x＝1,2，
…
，y)；完成“时间
‑
功率
‑
效率”动态制氢特性模型的建立。5.根据权利要求1所述的动态制氢效率特性下的远海风电制氢系统容量优化方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21、双层规划目标函数远海风电制氢系统容量优化机会约束规划
‑
信息间隙决策理论模型的下层模型追求项目收益可接受范围内的净现值最小值，上层模型采用信息间隙决策理论量化氢价不确定度，以氢价最大不确定度为为优化目标，以此获得能够接受氢价最大不确定度的制氢容量优化方案；远海风电制氢系统容量优化机会约束规划
‑
信息间隙决策理论模型的双层规划模型表示为：式(20)中，θ为氢价的不确定度，代表氢价的波动范围；NPV为净现值；为氢价变量，表示一确定氢价；为氢价的不确定集；Δ1为净现值偏差参数，NPV0为下层模型的净现值最大值，称为基础净现值；净现值计算：式(21)中，N为项目周期；th为项目运行年份；I
H
为售氢收益；C
O&M
为年运维成本；C
re_p
为电解槽的年均更换成本；C
I
投资建设成本；i为折现率；1)投资建设成本投资建设成本是远海风电制氢项目周期成本的主要部分，可表示为C
I
＝P
windN
r
wind
+L
line
r
line
+P
elN
r
el
+n
storage
r
storage
+n
ship
r
ship
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)式(22)中，P
windN
、L
line
、P
elN
、n
storage
、n
ship
分别为远海风电场装机容量、集电海缆总长、电解槽配置容量、储氢罐拖车数量、运输船舶数量；r
wind
、r
line
、r
el
、r
storage
、r
ship
分别为远海风电场、集电海缆、电解槽、储氢罐拖车、运输船舶的单位建设成本；储氢罐数量及运输船舶数量是根据电...

【专利技术属性】
技术研发人员：江岳文，黄伟捷，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：