摘要：传统的以化石能源为基础的不可再生能源开始逐渐枯竭，转变能源结构以及研发新的能源迫在眉睫，对此新能源概念被提了出来。新型燃料电池作为新能源的重要承载体，是当前电动汽车能够被普及的重要支撑，如何实现氢能能源的有效利用则是关键。对此本文结合风能和太阳能等新型清洁能源来为制氢提供有效的能源支撑，从而为新型燃料电池的研发提供基础性的支撑。
关键字：风光互补；制氢技术；燃料电池
前言：随着能源危机以及环境污染不断给人们敲响警钟，可再生能源的有效利用的相关研究越来越成为热点。作为缓解能源危机压力的重要支撑的可再生能源，实现有效的利用则对于人类社会可持续发展有着不可估量的作用。风能以及太阳能作为非常重要的清洁能源，相应的利用技术也逐渐走向成熟。如何实现风能和太阳能的优势互补，为当前的能源利用打开新的天地，有着关键性的意义。根据实际情况而言，太阳能和风能在时间和空间上存在互补性，充分结合二者的优势性能，能够避免单一供能出现随机性和间歇性供能问题，以此提高性价比和供
电的可靠性。此外氢气作为清洁燃料，燃烧过程可产生巨大的能量，其燃烧后的产物主要为水，为清洁性物质，不会带来污染问题。此外氢气的密度小、储藏方便，具有显著的优越性。对此可以将风能以及太阳能转化为氢能进行储备，然后氢气通过燃烧释放能量以实现供能。这种设计能够为当前的电动汽车、电动自行车的提供稳定的动力，从而削减对传统化石原料的依赖。
1.风光互补发电概述
1.1发电原理概述
风光互补发电系统实际包含了风力发电机组、光伏阵列、控制器、蓄电池、逆变器以及负载等部件。在这一系统中，风力发电机组和光伏阵列作为能源生产单元，主要将风能和太阳能转化为电能，而控制器的作用在于对所转化为电能进行管理和控制，蓄电池的作用主要存储电能以备负载使用。根据上述分析可以得到其对应的系统框图如图1所示。
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图1 风光互补发电系统框图
风力发电主要原理在风力推动电机叶片运转，从而带动发电机运转，实现机械能到电能的转变。而光伏发电则基本原理在于将太阳能直接转化为电能，以此提升转化效率。控制器的另一个非常重要的作用就是为整个系统提供保护，并且能够根据风力和光照情况对风力发电机组已光伏阵列进行调整，以此实现最大功率追踪。逆变器的主要作用在于实现电流的转化，将交流电转化为直流电以为负载使用。通过对上述系统的各个环节的优化，实现系统性能的最优化，从而实现稳定的发电过程。
1.2系统运行模式概述
对于该风光互补发电系统而言，其有着多种运行模式，从而以应对复杂多变的环境情况。从目前的研究来看主要存在三种重要的运行模式，即：（1）风力发电机组单独供电;（2）光伏发电机组单独供电;（3）风力和光伏联合供电。尽管风能和太阳能在时间和空间中存在互补性，但是由于其发生过程具有随机性和间歇性，这些都会导致发电系统的电能输出的稳定性，对此引入储能设备是关键。通过蓄电池实现电能的储备，从而为负载提供稳定的动力。
2.电解水制氢技术分析
2.1氢能制备分析
氢气的制备主要是通过电解水来实现。随着科学技术的高速发展，电解水制备氢气的技术得到相应的发展，并且走向了成熟，由于生产技术的简单化，对应的技术产业逐渐发达。电解水制氢的主反应区为电解槽，当直流电通过电解槽中的阳极时，在催化剂作用下水分子发生氧化反应被分解为氧分子和氢离子。对应的氢离子则是通过相应的电解质和分子交换膜到达阴极而得到电解的电子，从而发生焕然反应生产氢气，达到制备氢气的目的。目前电解水制氢所使用的电解槽主要有碱性电解槽、固体氧化物电解槽和聚合物电解槽。第一种电解槽操作简单，价格低廉，但是电解效率低下；第二种能耗低，气体纯度高是未来发展的主流；第三种在生产氢气的过程中将废热循环利用，这种对应转化效率最高，但是工艺成本高，不适宜量产。
2.2风光互补发电制氢分析
风光互补发电制氢主要是通过太阳能和风能发电所对应的两种发电方式的互补来作为电解水的主要条件，从而实现能量转化为氢气进行储能。产生的氢气通过规定的氢气瓶进行存储，在使用过程中通过加注到氢燃料电池中，通过燃烧方式将能量释放出来，为车辆提供动力，并生成清洁能源。此外这一过程可以通过逆变过程实现直流电转化为交流电，从而并入电网为人们的电力使用提供支持。
3.氢燃料电池的应用分析
3.1氢燃料电池原理概述
氢燃料电池就是一种将存储的燃料通过同氧化剂之间的化学作用实现能源的转变，形成电能以输出，充当电池作用。当然这种新型电池同传统的干电池、充电电池有着本质的区别，其作为一个电力系统，具有非常复杂的结构，并涉及到多种技术，以较高的转化效率，提供稳定的能量输出，为负载通过稳定的能源支撑。根据其基本原理可知，这种电池系统具有连续性工作性能，能够在充足的燃料和氧化剂的支撑下实现电力的持续输出，从而为设备提供稳定的电力来源。
3.2氢燃料电池
燃料电池有着丰富的类型，一般而言可以分为磷酸燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池等几大主要种类。而氢燃料电池，主要以氢气为燃料，通过与充当氧化剂的氧气进行氧化还原反应实现能量的释放，从而实现电力的供应过程。该过程可看作是电解水的逆过程，具有较高的转化效率，且没有任何污染，是一种理想的能源生产方式全。目前，氢燃料电池在如航天、航海、汽车、移动电源等领域得到较好的应用，其未来发展情景不可估量。
4.结语
风能和太阳能均为清洁的可再生能源，利用这些能源能够缓解当前的能源危机问题，对于社会可持续发展有益。对于电动汽车等推广的关键在于解决电池的问题，而氢燃料电池则是重要的选择，其主要原因在于氢能质量轻，是一种良好的能源储存载体。本文基于此，结合风能和太阳能在时间和空间上的互补性，提出风光互补的发电模式，避免单一供能导致能源不稳定的问题。然后依托氢燃料具有的能源储备性能，将风能和太阳能转化为氢能进行存储，然后通过氢气燃烧来实现动力支持。对此本文立足于此，首先探讨了风光互补发电基本概念，然后分析了电解水制氢技术，最后分析了氢燃料电池的应用，从而为氢燃料电池系统的改良提供参考。
参考文献
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论文作者:张岩,刘龙龙,曹征
论文发表刊物:《电力设备》2019年第20期
论文发表时间:2020/3/16
标签：燃料电池论文; 氢气论文; 能源论文; 风能论文; 电解槽论文; 电能论文; 太阳能论文; 《电力设备》2019年第20期论文;