CN111801443A - 配置水电解***的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直接耦合的水电解***并且涉及一种配置直接耦合的水电解***的方法，所述直接耦合的水电解***包括至少四个组件，其中第一组件是PV阵列，所述PV阵列直接连接到第二组件，所述第二组件是一个或多个电解槽堆叠，第三组件是电解槽***平衡设备，并且第四组件是辅助电源，所述方法包括以下步骤：a)提供所述PV阵列的预定初始性能曲线；b)提供所述PV阵列的平均降级速率；c)通过基于所述平均降级速率修改所述预定初始性能曲线来计算对于具体时间线的所述PV阵列的预期性能曲线；d)提供所述一个或多个电解槽堆叠的预定初始性能曲线；e)提供所述一个或多个电解槽堆叠的平均降级速率；f)通过基于每个单独的堆叠的所述平均降级速率修改所述预定初始性能曲线来计算对于具体时间线的所述一个或多个电解槽堆叠的预期性能曲线；g)通过使所预期的一个或多个电解槽堆叠的性能曲线与所预期的PV阵列的性能曲线匹配来配置所述一个或多个电解槽堆叠。本发明提供了在最低可能的电力电子器件内含物和转换的情况下在高达多GW装机容量的大规模下操作完全操作的太阳能光伏耦合的电解槽***，以实现***的最低可能的资本成本和优化的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种配置水电解***的方法并且涉及这种***。电解***通常具有光伏阵列和电解槽布置，所述光伏阵列用于提供电流和电压输出，所述电解槽布置具有至少一个直接连接到所述光伏阵列的电解槽堆叠。
背景技术
氢作为汽车燃料电池单元应用的商业燃料或者作为用于使可再生能源在长距离内移动的载体，是未来能源转型的关键关注分子。从可再生电力源制造的氢的可行性将取决于其是否可以在成本基础上与来自化石燃料的通过蒸汽甲烷重整的氢竞争。电解是用于从可再生电力源生产氢的有前景的选择方案。电解是使用电将水分解为氢和氧的过程。此反应通常在被称为电解槽堆叠的单元中发生，所述单元是含有在电解槽***中的电化学反应器。
耦合到电解槽***(120)的太阳能光伏阵列(100)的常规阵容(图1)将包含具有交流(AC)接口的单个电力连接(110)。光伏阵列产生直流(DC)电力，所述DC电力将通过逆变器(105)转换为AC，升高到更高的电压，以传送到设备的另一部分，电压下降并且AC电力用于供应到电解槽***(120)。AC电力连接提供所需的电解槽***电力的100％。电解槽堆叠(125)利用直流(DC)电力来驱动水的电化学分解以制得氢，并且占总电力需求的相当大的量。电解槽***包含电力电子器件(130)并且还包含用于将AC电力转换为DC电力的整流器(135)。电解槽还含有支持电解槽堆叠(125)操作所需的另外的硬件，所述另外的硬件通常被称为平衡设备BoP(140)。
由于太阳能光伏和水电解槽堆叠两者均是DC电气***，因此用于降低***成本的可能途径是将这些装置耦合，使得避免AC转换(DC-DC转换)。在更极端的情况下，可以完全或几乎完全去除电力转换，这里太阳能光伏阵列和电解槽堆叠是直接耦合的。一些现有技术文献描述了此类方法。
专利申请WO07142693A2描述了一个或多个光伏(PV)模块的阵列，所述一个或多个PV模块串联和/或并联布置以将直流电力递送到电解槽以产生氢。所述***包含电力电子器件和开关，以修改光伏阵列的配置或选择，以便以其最大功率点(Vmpp和Impp)进行递送并且在电解槽处在Ioper下提供Voper。
专利申请CN101565832A涉及一种太阳能耦合的电解***，所述太阳能耦合的电解***含有细分成电解单元的模块的电解堆叠。根据可从光伏阵列获得的电力量，采用电力电子器件和开关将电力引导到电解单元的不同模块。
专利申请US02033332描述了一种水电解***，所述水电解***包括光伏、水电解槽和用于DC/DC转换以从光伏电池单元提取最大电力的电力电子器件。
关于太阳能光伏耦合的水电解槽的上述参考文献使用用于监测***性能或环境条件并优化***的控制***。由于与另外的电力转换和控制硬件相关的资本成本，这可能增加氢气生产的大量成本。
另一个专利申请US2005189234公开了一种用于配置太阳能氢气产生***的方法。所述方法要求通过使光伏电池单元产生的最高效电压与单个电解单元所需的最高效输入电压(所需电压1-3V)匹配来优化水电解***。US2005189234涵盖了直接耦合到单个电解槽单元的一个或多个直接耦合的光伏电池单元，因此涵盖了小规模的应用范围，所述小规模的应用范围对于以较大规模的所需氢气输出来实施是不经济的。
专利申请US070277870描述了一种太阳能装置，所述太阳能装置由并联连接以为电解槽供电的光伏电池单元和电池组成。基于并联耦合的电池阵列的存在来指定此参考，这增加了整个***的成本。
专利申请WO2018033886描述了使光伏电池单元和电解单元的功率曲线匹配的概念。本申请具体地涵盖了集成的光电化学装置，其中光伏电池单元和电解槽电极通过固体接口连接，实际上直接键合。
尽管已经存在一些关于用于将PV阵列和电解槽耦合以产生氢气的直接耦合方法的选项的出版物，但是仍然需要更高效的直接耦合方法，所述直接耦合方法特别适合于大规模氢气生产***的发展。
发明内容
因此，本发明涉及一种更高效的直接耦合方法，具体地涉及一种配置直接耦合的水电解***的方法，所述直接耦合的水电解***包括至少四个组件，其中第一组件是PV阵列，所述PV阵列直接连接到第二组件，所述第二组件是一个或多个电解槽堆叠，第三组件是电解槽***平衡设备(BoP)，并且第四组件是辅助电源，所述方法包括以下步骤：
a)提供所述PV阵列的预定初始性能曲线；
b)提供所述PV阵列的平均降级速率；
c)通过基于所述平均降级速率修改所述预定初始性能曲线来计算对于具体时间线的所述PV阵列的预期性能曲线；
d)提供所述一个或多个电解槽堆叠的预定初始性能曲线；
e)提供所述一个或多个电解槽堆叠的平均降级速率；
f)通过基于每个单独的堆叠的所述平均降级速率修改所述预定初始性能曲线来计算对于具体时间线的所述一个或多个电解槽堆叠的预期性能曲线；
g)通过使所预期的一个或多个电解槽堆叠的性能曲线与所预期的PV阵列的性能曲线匹配来配置所述一个或多个电解槽堆叠。
本发明进一步涉及一种水电解***，其包括至少四个组件，其中
(1)第一组件是PV阵列，
(2)第二组件是一个或多个电解槽堆叠，所述PV阵列直接连接到所述第二组件，使得直接耦合的连接中不存在电力转换步骤；
(3)第三组件是电解槽***平衡设备，所述电解槽***平衡设备包括高效操作所述电解槽堆叠所需的支持硬件、计算机控制***、安全***和电源，并且
(4)第四组件是用于稳定和安全操作所述第三组件的辅助电源。
本发明的所述方法和***提供了在最低可能的电力电子器件内含物和转换的情况下在10kW到多GW装机容量的规模下操作完全操作的太阳能光伏耦合的电解槽***，以实现***的最低可能的资本成本和优化的效率。
附图说明
附图仅以举例的方式而非以限制地方式描绘了根据本公开的一个或多个实施方案选项。
图1是太阳能光伏阵列与电解槽***的传统连接的实例(比较实例)；
图2是本公开的太阳能光伏直接耦合的电解槽***的实施例的示例性图示；
图3是示出了光伏模块的I-V曲线的实例的图示；
图4是光伏模块的P-V曲线的实例；
图5是电解槽布置的I-V曲线(通常被称为极化曲线)的实例；
图6是根据本发明的实施例的指示了使光伏阵列的P-V曲线与电解槽布置的极化曲线匹配的示例性图示；
图7是根据本发明的实施例的示出了使光伏阵列的I-V曲线与电解槽布置的极化曲线匹配的实例的示例性图示；
图8是极大规模的太阳能光伏直接耦合的电解槽***的示例性示意图，其示出了具有直接耦合的光伏阵列的分布式单个电解槽的重复单元；
图9是极大规模的太阳能光伏直接耦合的电解槽***的示例性示意图，其示出了集中式电解位置。直接耦合的电力连接为集中式电解槽***提供电力；
图10是根据本发明的实施例的示出了电解槽极化曲线随着老化而漂移的实例的示例性图示；
图11是根据本发明的实施例的示出了光伏I-V曲线随着老化而漂移的实例的图示。
具体实施方式
大规模太阳能光伏耦合水电解槽***的常规阵容将包含具有交流(AC)接口的单个电力连接(图1，110)。光伏电力将通过逆变器(105)转换为AC，升高到更高的电压，以传送到设备的另一部分，电压下降并且AC电力用于供应到电解槽***。AC电力连接(110)提供所需的电解槽***(120)电力的100％。电解槽堆叠(125)利用直流(DC)电力来驱动水的电化学分解以制得氢，并且占总电力需求的相当大的量。电解槽***(120)包含电力电子器件(130)，所述电力电子器件还包含用于将AC电力转换为DC电力的整流器(135)。
由于太阳能光伏和水电解槽两者均是DC电气***，因此用于降低***成本的可能途径是将这些装置耦合，使得避免AC转换(通过电力电子器件进行DC-DC转换)。本公开涉及一种***，其中电力电子器件几乎被完全移除，并且太阳能光伏阵列直接耦合到电解槽堆叠，如图2所示。
本公开提供了一种配置具有至少四个组件的大规模太阳能光伏耦合水电解槽***的方法。组件之一通常是用于提供电流和电压输出的太阳能光伏阵列(200，参见图2)，并且一个组件通常是具有至少一个电解槽堆叠(255)的电解槽布置，所述电解槽布置直接连接到所述太阳能光伏阵列而不存在任何电力转换步骤(220)。另外，水电解***(250)含有通常被称为电解槽平衡设备(BoP，270)的第三组件，所述电解槽BoP含有高效操作电解槽堆叠所需的所有支持硬件，包含如电解质循环、热交换器、气体/液体分离器、气体处理、气体质量分析、计算机控制***、安全***和电源等项目。第四组件是稳定和安全操作BoP所需的辅助电源(230)，所述辅助电源通常将包含AC电连接(235)。辅助电源可以由以下的任何组合组成：电网连接、太阳能光伏、风能、电池、燃料电池单元、水力发电或任何其它电力源。
根据本公开，太阳能光伏阵列直接连接到电解槽堆叠，而不存在电力转换步骤。匹配方法包括以下步骤：提供太阳能光伏模块(205)的预定性能曲线；提供光伏模块的降级速率；通过基于光伏模块的降级速率修改光伏模块的预定性能曲线来计算对于具体时间线的光伏模块的预期性能曲线；优化一个或多个电解槽堆叠的配置，以使其性能曲线与光伏模块的预期性能曲线匹配。具体地，为分别在步骤c)和f)中计算预期性能曲线所考虑的具体时间线分别是PV阵列的寿命开始与寿命结束之间的任何时间以及一个或多个电解槽堆叠的寿命开始与寿命结束之间的任何时间。
在一个实施例中，辅助电源可以是电网连接，以将电力提供给电解槽***平衡设备。在优选实施例中，辅助电源被配置成在某一所需持续时间内向电解槽平衡设备提供稳定的电力供应。所需持续时间由电解槽***的安全性、启动和关闭特性确定。持续时间可以是持续向电解槽平衡设备的某一限定小时数(4小时或24小时)的供应，或者可以可替代地被指定为提供恒定功率。辅助电源的电力源可以选自以下中的一种或多种：电网、太阳能光伏、风、电池、燃料电池单元、泵吸式水力发电和波浪产生的可再生能源。优选的电力源选自一种或多种可再生电力源。具体地，辅助电源的电力源选自以下中的一种或多种：风力涡轮机、PV阵列、燃料电池单元以及燃料储存或电池储存。
如图2所示，根据本公开的直接耦合的***通常包括光伏阵列，所述光伏阵列通过DC电连接直接连接到具有至少一个电解槽堆叠的电解槽布置。DC电连接可以由如电缆或母线等标准电气组件组成。直接耦合的DC电连接中不存在电力转换步骤。电解槽***(250)由电解槽堆叠(255)和另外的高效操作电解槽堆叠所需的所有支持硬件组成，所述支持硬件包含如电解质循环、热交换器、气体/液体分离器、气体处理、气体质量分析、计算机控制***、安全***和电源等项目(被统称为平衡设备BoP，270)。稳定和安全操作BoP需要第二辅助电源(230)，所述第二辅助电源通常包含AC电连接(235)。电解槽***将含有电力电子器件(260)，所述电力电子器件可能比在常规阵容(例如，参见图1)中小得多。根据BoP的要求，电力电子器件(260)可以任选地含有整流器(265)，但是所述整流器不用于将电力提供给电解槽堆叠(255)。
在如图2所示的直接耦合的***中，一个或多个电解槽堆叠具有电压与电流之间的限定关系，通常被称为极化或I-V曲线(图5)。电解槽堆叠的性能还可以包含预期降级速率，通常以μV/hr为单位，所述预期降级速率限定了由于降级而在指定的操作电流下操作电压的增加。图10示出了随着操作小时的增加，电解槽***老化的实例(参见下文)。
太阳能光伏阵列由模块组成，所述模块可以包含任何数量的太阳能光伏电池单元。太阳能光伏模块具有电流与电压之间的限定关系，所述关系将输出范围限定为各种参数(如入射太阳辐照度和温度)的函数(图3)。光伏阵列(图2，200)的输出(性能曲线)可以通过将由单个模块(205)提供的电压乘以串(210)中的模块的数量来计算。通过选择并联串(210)的总数并相乘来确定总光伏阵列电流。光伏模块的性能还可以包含预期降级速率，所述预期降级速率通常是由于降级而导致的以％/年的形式表示的功率输出损失。图11示出了随着操作小时的增加，光伏阵列的电流的降级的实例(参见下文)。
太阳能光伏模块的活性材料可以优选地选自：硅、钙钛矿、III-V(例如基于GaAs的活性材料)或基于有机物的活性材料。每个模块的光伏电池单元的数量可以根据所选的技术和模块配置而有所不同，其中常见的实例是60个电池单元、72个电池单元、120个电池单元(2×60)或144个电池单元(2×72)。半导体技术可以是单面或双面设计的单结或多结电池单元。模块的安装可以是固定的，或者可以包含跟踪以最大化入射太阳辐照度。
电解槽堆叠的技术优选地选自：基于酸性聚合物电解质(PEM)、基于阴离子聚合物电解质(AEM)、具有隔膜电池单元分离器的碱性电解或具有基于陶瓷的电解质的高温***(固体氧化物电解槽，SOEC)。电解堆叠含有多个电解单元，所述多个电解单元以所谓的双极堆叠布置内部串联连接。堆叠中单元的数量会因技术而有所变化，并且预期落入20到1000个单元的范围内。例如，对于碱性电解槽，可以预期单独的单元电压处于1.7-2.5V的范围内。因此，预期单独的电解堆叠电压为大约35V到超过1500V。
电解槽***的平衡设备(BoP)基于一个或多个电解槽堆叠的大小、电解槽堆叠的技术以及其它考虑因素(如安全要求和产品质量规格)进行了优化。安全和稳定操作BoP需要稳定的辅助电源。辅助电源可以包含任何数量的旨在确保限定的最小水平的电力可用性的电力源。一些具体实例可以是具有用于电网电力的意外损失的电池的与电网的连接。其它替代性方案可以是用于将电力提供给BoP的具有电池的第二光伏阵列。辅助电源的额定功率明显低于直接耦合的太阳能光伏阵列，例如，在一种设计中，辅助电源的额定功率可以是***总功率的10-20％，其中***总功率的80-90％由直接耦合的太阳能光伏阵列提供。在此类***中，可以预期一个或多个电解槽堆叠的大小处于每单个堆叠10kW到10MW的范围内，相关地，直接耦合的太阳能光伏阵列的大小可以被配置成提供10kW到大于10MW的功率。
在如图2所描述的直接耦合的***中，可以精细优化太阳能光伏阵列的功率特性，使得总功率输出特性精细匹配一个或多个电解槽堆叠的要求(图6和图7)。通过使光伏阵列的预先限定的性能曲线与电解槽布置的预先限定的性能曲线匹配来配置所述***。所述***配置包含针对电解槽布置的具体配置来决定光伏阵列的配置，或者针对光伏阵列的具体配置来决定电解槽布置的配置。
光伏模块供应商通常提供包含模块的性能曲线：I-V曲线和P-V曲线的技术数据。对于某种类型的光伏模块，P-V曲线描述了在不同太阳辐照度水平下的功率-电压相关性，并且I-V曲线描述了在不同太阳辐照度水平下的电流-电压相关性。对于单个光伏模块特性的实例，参考图3以获得I-V曲线并且参考图4以获得P-V曲线。针对光伏阵列计算的这些一个或多个性能曲线被称为光伏阵列的一个或多个预定性能曲线。
电解槽供应商可以提供电解槽单元或堆叠的数据，并且这些数据可以用于得出单元或堆叠的极化曲线。电解槽单元或堆叠的极化曲线(I-V曲线)是单元/堆叠电位(V)与施加电流(I)之间的关系，并且是单个单元或电解槽堆叠的性能的最基本和最典型的表示。如果单元极化曲线可用，则可以通过将单元电压范围乘以串联双极布置的单元的总数来获得堆叠极化曲线。一旦得出了电解槽堆叠或单元的极化曲线，就可以进一步从极化曲线数据中得出功率-电压(P-V)关系。为电解槽布置得出的两条曲线(即，P-V曲线和I-V曲线)被称为电解槽布置的预定性能曲线。图5表示电解槽布置的预定I-V性能曲线的实例。
太阳能光伏模块将具有电流与电压之间的限定关系，所述限定关系通常被称为I-V曲线(图3)。对于200W/m2到1000W/m2的辐照度，通过曲线(300)到(320)示出了在不同入射辐照度水平下V与I的关系。V与I的某种组合产生了可从PV模块获得的最大功率，如图表上的点(355)所示。最大功率点的线或MPP线(350)示出了模块的对于所有辐照度的最大功率条件。
在本发明的一个实施例中，已经考虑了太阳能光伏阵列的老化以用于配置电解槽堆叠组件的匹配。由制造商提供的功率曲线仅在太阳能光伏模块和模块阵列的寿命性能开始时适用。太阳能光伏模块和阵列的性能可能由于模块和阵列超时操作而降级。这种降级表现为对于光伏模块的给定电压，电流输出随时间推移减少。通常，太阳能光伏模块供应商将引用降级数字，所述数字表示为一段时间(可能以年为单位)的功率输出损失百分比，并且基于此数据可以得出光伏阵列的年降级速率。通过使用功率的此年降级速率，可以计算对于从阵列寿命开始的任何时间线的光伏阵列的预期性能曲线。
在一个实施例中，通过考虑光伏阵列的寿命结束性能来计算预期性能曲线。在另一个实施例中，通过考虑光伏阵列的中期性能来计算预期性能曲线。
图11示出了具有示例性降级速率“D”的光伏阵列的老化趋势的实例，所述降级速率以从首次使用电解槽布置开始的针对光伏阵列的0到N年时间段的年限标绘的每年功率降级百分比限定。第一性能曲线(1100)表示在特定太阳辐照度下光伏阵列的老化性能曲线的开始，所述特定太阳辐照度可以基于在计划安装电解槽***的特定位置处的最大辐照度来选择。第一和第二预期性能曲线(1110)和(1120)表示在不同的进行时间下光伏阵列的劣化性能曲线的实例。为了计算光伏阵列的预期性能曲线(1110)和(1120)，可以通过从预定性能曲线(1100)中减去具体时间线处的预期降级来修改电流值(I)。
如果“N”是在具体时间线处的光伏阵列的年限(以年为单位)，并且“D”是年功率降级速率(以每年百分比为单位)，则在具体时间线(具体年限N)处的预期电流值(IN)可以通过使用以下公式计算：
IN＝I-(I*N*D/100) (1)
其中I是根据光伏阵列的预定性能曲线(1100)(如图11所示)的具体电压下的电流值。其指示光伏阵列的寿命开始性能。
在本发明的一个实施例中，基于制造商供应的数据计算年降级速率D。
如果制造商引用了Nmax年中的功率输出的R百分比损失的降级，则可以通过使用以下关系来计算D：
D＝R/Nmax (2)。
为了计算P-V曲线的预期性能，可以通过减去具体时间线处的预期降级来修改功率值(P)。如果“N”是在具体时间线处的光伏阵列的年限(以年为单位)，并且“D”是年功率降级速率(以每年百分比为单位)，则在具体时间线(具体年限N)处的预期电流值(PN)可以通过使用以下公式计算：
PN＝P-(P*N*D/100) (3)
其中P是根据如图4所示的光伏阵列的常规P-V曲线在具体电压下的功率值，并且其指示光伏阵列的寿命开始性能。
在本发明的一个实施例中，基于制造商供应的数据计算年降级速率D。
如果制造商引用了Nmax年中的功率输出的R百分比损失的降级，则可以通过使用以下关系来计算D：
D＝R/Nmax。 (4)
在本发明的一个实施例中，已经考虑了电解槽堆叠布置的老化，以用于配置电解槽***组件。
图10示出了具有示例性降级速率“d”的电解槽堆叠的老化趋势的实例，所述降级速率以电解槽布置的针对电解槽布置的0到Tn小时时间段的操作标绘的每个操作小时的电压限定。示出了在电解槽布置的操作开始(0小时)时电解槽布置的特性曲线(1000)。预期性能曲线(1005)、(1010)、(1015)和(1020)指示在进行时间(Tn操作小时)处的电解槽布置的性能曲线。曲线(1005)、(1010)、(1015)表示在电解槽布置的0小时的操作与Tn小时的操作之间的时间线处的电解槽布置的预期性能曲线。操作窗口(1030)，即，性能曲线(1000)的分段，表示电解槽布置在开始阶段(0小时)的操作窗口。当预期性能曲线(1005)和(1010)由于降级而移动到较高电压时，操作窗口相应地移动到较高电压(1045)。预期性能曲线(1020)的部分(1050)表示在Tn操作小时处的电解槽布置的操作窗口。
电解槽布置的预期性能曲线(1005)到(1020)可以通过基于电解槽布置的降级速率来增加具体电流下的电压值来计算。为了计算电解槽布置的预期性能，可以通过在某一限定的操作小时数内应用降级速率来修改电压值(V)。在本文中，“Tn”可以指示在具体时间线处电解槽布置的操作小时，并且“d”是电解槽布置的降级速率，所述降级速率表示为每个操作小时的电压。然后，可以使用以下公式计算具体时间线(Tn操作小时)处的预期电压值(Vn)：
Vn＝V+(V*Tn*d) (5)
其中V是根据图5中所描述的电解槽布置的寿命开始性能曲线(560)在具体电流下的电压值。这指示电解槽布置的寿命开始性能。
电解槽布置的较低操作点(1035)由电解槽布置的最小操作电流(1060)限定。***功率需求随着老化而增加，如在电解槽布置的Tn操作小时处在相同操作电流(1060)处的较高电压(1075)所指示的。
电解槽布置的最大操作点(1040)可以由电解槽布置的最大操作电流来限定，所述最大操作电流是相对于要产生的最大氢气量来限定的。还存在用于保护堆叠的最大可允许电压(1080)。因此，最大功率随着老化而增加，如在电解槽布置的Tn操作小时处的最大操作电压(1080)所指示的。在此区域中，在恒定最大氢气产量下，所需的功率增加。在甚至更大的Tn操作小时处，由于性能曲线(1015、1020)和最大操作电压(1080)的移动，操作窗口缩小。在此区域中，应降低氢气生产潜力，以便不超过最大可允许电压并且保护堆叠。
较低操作点(1035)和最大操作点(1040)限定了电解槽布置的操作窗口(1030)。随着时间的推移，所述操作窗口移动到较高电压，从寿命开始处的操作窗口(1030)移动到一些操作小时Tn处的曲线(1010)的操作窗口(1045)。在甚至更高的操作小时处，操作窗口(1045)缩小到曲线(1020)的操作窗口(1050)。
较高的电压、减小的操作窗口和较低的电流的结果与功率利用率和氢气生产潜力具有相对复杂的关系，并且取决于所采用的匹配策略。通过选择较低电压阵列并最大化电流，使实际功率利用水平和氢气生产潜力最大化。在考虑老化时，如果电解槽布置的最大电流下降快于最大光伏阵列电流，则可能存在问题。例如，如果电解槽***组件在寿命开始性能时匹配，则电解槽堆叠可能接收太多电力。因此，重要的是要注意，可能需要基于预期寿命结束性能对***进行匹配。
在本发明的实施例中，考虑电解槽布置和光伏阵列两者的老化以用于匹配性能曲线。当一起考虑光伏阵列和电解槽布置两者的老化时，来自光伏阵列的总可用功率减小，并且在直接耦合情况下使用的总功率量可能非常稳定。氢气产量随***老化而降低，但是与其中在太阳能电池单元与电解槽之间涉及电力电子器件的典型常规太阳能点解***相比，直接耦合的太阳能水电解***中的相对氢气产生量可能更稳定。
在本发明的一个实施例中，在注意到对DC电连接的实际限制的情况下，首先基于期望的总功率或氢气产量要求来限定电解槽布置。下一个步骤是通过选择串中串联的模块数量(电压)和并联串的数量(电流)来使光伏阵列与电解需求匹配。最大辐照度线应被设置为等于所选位置处的最大实际辐照度。因此，光伏阵列在相应位置处的最大实际辐照度下的性能曲线可以匹配成接近电解槽布置的最大操作点。本文中的接近例如处于+/-2.5％的范围内。高辐照度下的最大光伏输出通常不应超过电解槽线，因此防止了过负载。
图6表示使光伏阵列的P-V曲线与电解槽布置的特性曲线匹配的方法。P-V曲线(600)、(605)、(610)、(615)、(620)表示光伏阵列在不同太阳辐射强度下的P-V曲线。图6还示出了最大功率曲线(650)，其表示太阳能光伏阵列的P-V曲线的最大功率点(655)的绘图。最大功率曲线(650)也可以被称为MPP曲线。还指示了电解槽布置的特性曲线(660)，所述特性曲线还示出了最大操作点(665)和最小连续操作点(670)。在本发明的一个实施例中，P-V曲线(600)、(605)、(610)、(615)、(620)表示光伏阵列在相应时间(N)处的预期性能曲线。在本发明的一个实施例中，电解槽性能线(660)表示电解槽布置在具体时间线(Tn操作小时)处的预期性能曲线。
图7表示使光伏阵列的I-V曲线与电解槽布置的特性曲线匹配的方法。I-V曲线(700)、(705)、(710)、(715)、(720)表示光伏阵列在不同太阳辐射强度下的I-V曲线。图7还指示了最大功率曲线(750)，其表示太阳能光伏阵列的I-V曲线的最大功率点(MPP曲线，755)的绘图。最大功率曲线(750)也可以被称为。在本发明的实施例中，预期性能曲线(700)、(705)、(710)、(715)、(720)表示光伏阵列在具体时间线上的相应时间(N)处的预期性能曲线。在本发明的实施例中，特性曲线(760)表示电解槽布置在具体时间线(Tn操作小时)处的预期性能曲线。
直接耦合到太阳能光伏阵列的水电解槽堆叠的最大配置的大小可能受到不同因素的限制。一个实例可以是对直接耦合的DC电连接上所需的电压和电流的实际限制，在一种情况下，所述电压和电流的限制可以是例如至多1500V和至多4000A。因此，水电解***的大小为10kW、50kW、100kW、1MW到6MW。在此实例中，最大配置将被限定为大约6MW(意味着：直接耦合到至多6MW的一个或多个电解槽堆叠的至多6MW的太阳能光伏阵列)。然而，随着DC电连接材料的未来发展，可以预期最大配置大小超过6MW。
极大型(20kW到多GW规模)太阳能光伏直接耦合的电解槽***的设计可以被限定为需要上述最大配置的两个或更多个重复单元，或可以小于所述最大配置的根据需要用于递送期望量的氢气产物的两个或更多个重复单元。作为说明，这种极大型太阳能光伏直接耦合的电解槽***的单个重复单元的大小可以处于10kW到6MW规模的范围内。
可以根据PV阵列、电解槽堆叠、电解槽平衡设备项目和辅助电源的空间定位来限定极大型太阳能光伏直接耦合的电解槽***的设计。可以通过以下因素来优化此类极大型***的布局：如所需的电气布线的量和距离、在管道中传输气态产物(氢气和/或氧气)所需的量和距离以及电解槽是存在于分散在整个***的多个位置中还是集中式位置中。
在优选实施例中，电解槽堆叠和平衡设备共同定位于限定的定位中，并且被PV阵列围绕(参见图8)。电解槽***分散地定位并位于重复单元的直接耦合的光伏阵列内或尽可能靠近所述直接耦合的光伏阵列。可以进行优化以减少所需的电气布线的距离，从而产生群集设计，其中分散式电解槽的每个重复单元(820)放置得尽可能靠近每个群集(800)中的PV阵列。辅助电源的位置未在图8中示出。在此特定配置中，氢气在多个位置处产生并且必须在某个中心位置处收集以进行利用或传输，从而导致与加压气体的传输中的压力损失和构造管道(840)所需的材料相关的成比例地较高成本。气体传输管道和电气布线的相对成本可以优化。在此设计中，每个电解槽***将含有专用平衡设备，所述专用平衡设备与电解槽堆叠一起定位于群集中。
在另一个优选实施例中，重复单元被布置成优选地通过共享的电解槽平衡设备和***将电解槽堆叠共同定位于集中式位置中(参见图9)，所述电解槽堆叠被直接连接到集中式电解槽***中的一个或多个单独的电解槽堆叠的太阳能光伏阵列围绕。辅助电源的位置未在图9中示出。可以进行优化以在中心位置处产生氢气，因此减少了所需的气体管路(940)的距离。因此，优选地，电解槽(920)与平衡设备共同定位，并且与PV阵列(900)分开定位，优选地定位于中心位置中并且紧邻所述PV阵列。在此特定配置中，功率从太阳能光伏阵列传输到中心电解槽***位置，从而导致与电气布线(930)和在增加的距离之上进行的传输期间的功率损失相关的成比例地较高成本。在这种设计中，长距离传输氢气的需要被最小化。集中式电解槽***的使用还可以通过优化平衡设备的大小和配置来允许降低成本，其中多个电解槽堆叠可以由共同的平衡设备元件服务。
在另一个优选实施例中，可以进行优化以在减少数量的位置中产生氢气，因此通过电解槽堆叠的每个群集优化了电连接、氢气压缩和管路的成本的平衡，以及平衡设备元件的缩放。此实施例表示组合了图8和图9的元件的设计。
给出一些实施例的某些方面的以下实例以促进对本发明的更好的理解。这些实施例决不应理解为限制或限定本发明的范围。
实例
在本发明的一个实施例中，电解槽布置被配置成与光伏阵列功率输出匹配。如本公开的详细描述中所述，计算光伏阵列的性能曲线。光伏模块的降级速率通常由制造商以功率输出随模块年限的降低百分比的形式提供。例如，光伏供应商可以引用15％到25％的范围内的降级速率，例如20年内约20％的功率输出损失。在经历20年的20％的实例中，采用每年约1％的降级速率，并且所述降级速率以短路电流Isc的降低的形式应用。下表1示出了短路电流随着光伏阵列老化而减少的实例。
表1：短路电流随着光伏阵列老化而减少的实例。
可以通过基于在具体电压下得出的年降级速率减小短路电流值来计算对于具体时间线的光伏阵列的预期性能曲线。所考虑的具体时间线可以是光伏阵列寿命结束或光伏阵列的中期。所考虑的具体时间线可以是光伏阵列的寿命开始与寿命结束之间的任何时间线。
下一个步骤是配置需要与光伏布置直接连接的电解槽布置。配置涉及决定需要包含的电解槽堆叠的数量以及每个堆叠中需要包含的电解槽单元的数量，使得可以实现提高效率下的电解***的优化配置和***的安全操作。
过程涉及通过选择电解槽布置中的电解槽堆叠的数量和每个电解槽堆叠中需要布置的电解槽单元的数量来使电解槽布置与光伏阵列功率输出匹配。
匹配过程可以包含以下步骤(参考图6)：
·以使得电解槽布置的最大操作点(665)可以与光伏阵列的预期性能曲线的最大功率点(655)紧密匹配的方式配置电解槽布置。匹配的紧密程度可以基于电解槽布置的设计限制。电解槽布置的每种配置可以具有其自己的性能曲线，并且因此，具有其自己的最大操作点，并且优选地的是具有已经具有接近光伏阵列的最大功率点(665)的最大操作点的配置。
·在先前的步骤中已经考虑的光伏阵列的预期性能曲线应该是考虑到计划操作水电解***的具***置处的最大预期辐照度的曲线。
·在高辐照度下，电解槽性能曲线应高于最大光伏输出，因此防止过负载。
·第一步骤中提到的电解槽布置的最大操作点(665)可以基于电解槽布置的预定性能曲线，或者其可以基于电解槽布置的预期性能曲线，所述预期性能曲线基于电解槽布置的假定或预测的降级速率。
在本发明的另一个实施例中，在注意到对DC电连接的实际限制(所述限制可以是<1500V和大约4000A)的情况下，首先基于期望的总功率或氢气产量要求来限定电解槽布置的配置。如详细描述中所描述的，计算电解槽布置的性能曲线。电解槽布置老化的第一近似值可以通过单元电阻；离子和电气欧姆电阻以及激活超电位的逐渐增加来限定。这可以通过应用于电解槽极化曲线的线性部分的稳定(平均)降级速率来量化。例如，可以假定降级速率为7μV/小时。基于此降级速率，通过增加具体电流值下的电压输出来计算对于具体时间线的电解槽布置的预期性能曲线，如图10所示。具体时间线可以是电解槽布置的预测的寿命结束，并且其可以按照电解槽布置的操作小时来表示。例如，电解槽堆叠的近似寿命可以是80000个操作小时，并且可以通过基于降级水平成比例地增加电压值来计算预期性能曲线。
下一个步骤是配置需要直接与电解槽布置耦合的光伏阵列。配置涉及基于电解槽布置和光伏阵列的性能曲线的匹配来决定每个串中的光伏模块的数量以及需要并联连接以形成光伏阵列的串的数量。
匹配过程可以包含以下步骤：
·以使得光伏阵列的预期性能曲线的最大功率点(655)可以与电解槽布置的最大操作点(665)紧密匹配的方式配置光伏阵列。匹配的紧密程度可以基于光伏阵列的设计限制。光伏阵列的每种配置可以具有其自己的性能曲线，并且因此，具有其自己的最大功率点，并且优选地的是已经具有接近电解槽布置的最大功率点(665)的最大功率点(655)的光伏阵列配置。
·在先前的步骤中已经考虑的光伏阵列的预期性能曲线应该是已经考虑到计划操作水电解***的具***置处的最大预期辐照度的曲线。例如，阿姆斯特丹的太阳辐照通常将小于1000W/m2，而在澳大利亚的某些位置中，太阳辐照通常将小于1250W/m2。
·在高辐照度下，电解槽性能曲线应高于最大光伏输出，因此防止过负载。
·第一步骤中提到的光伏阵列的最大操作点(665)可以基于光伏阵列的预定性能曲线，或者其可以基于光伏阵列的预期性能曲线，所述预期性能曲线基于光伏阵列的假定或预测的降级速率。
在所描述的实施例中，太阳能光伏阵列和电解槽堆叠布置的直接耦合布置需要另外的设备以创建功能齐全的太阳能光伏耦合的水电解槽***。水电解槽***含有电解槽堆叠的布置，以及高效操作电解槽堆叠所需的支持硬件，所述支持硬件通常被称为平衡设备(BoP)。BoP的配置旨在安全且高效地操作电解槽堆叠布置。可以基于电解槽堆叠布置的大小和配置来优化BoP的配置，例如，多个电解槽堆叠可以由单个BoP支持。
稳定和安全操作BoP需要辅助电源，所述辅助电源通常将包含AC电连接。可以基于必须保证向电解槽***BoP供电的时间量来指定辅助电源的配置。可以指定辅助电源在不停电的情况下连续操作。进一步地，可以指定辅助电源持续预定的持续时间供应电力，以允许安全操作和关闭水电解槽***。
极大型(20kW到多GW规模)太阳能光伏直接耦合的电解槽***的设计可以被限定为需要太阳能光伏耦合的水电解配置的两个或更多个重复单元。根据需要选择两个或更多个不同的重复单元以递送期望量的氢气产物。大规模配置的实例在图8和9中示出。
Claims (9)
1.一种配置直接耦合的水电解***的方法，所述直接耦合的水电解***包括至少四个组件，其中第一组件是PV阵列，所述PV阵列直接连接到第二组件，所述第二组件是一个或多个电解槽堆叠，第三组件是电解槽***平衡设备，并且第四组件是辅助电源，所述方法包括以下步骤：
a)提供所述PV阵列的预定初始性能曲线；
b)提供所述PV阵列的平均降级速率；
c)通过基于所述平均降级速率修改所述预定初始性能曲线来计算对于具体时间线的所述PV阵列的预期性能曲线；
d)提供所述一个或多个电解槽堆叠的预定初始性能曲线；
e)提供所述一个或多个电解槽堆叠的平均降级速率；
f)通过基于每个单独的堆叠的所述平均降级速率修改所述预定初始性能曲线来计算对于具体时间线的所述一个或多个电解槽堆叠的预期性能曲线；
g)通过使所预期的一个或多个电解槽堆叠的性能曲线与所预期的PV阵列的性能曲线匹配来配置所述一个或多个电解槽堆叠。
2.根据权利要求1所述的配置水电解***的方法，其中为分别在步骤c)和f)中计算所述预期性能曲线所考虑的所述具体时间线分别是所述PV阵列的寿命开始与寿命结束之间的任何时间以及所述一个或多个电解槽堆叠的寿命开始与寿命结束之间的任何时间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述辅助电源被配置成向所述电解槽平衡设备提供稳定的电力供应。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述辅助电源包括以下中的至少任何一个或多个：风力涡轮机、PV阵列、电网连接、燃料电池单元以及燃料储存或电池储存。
5.一种配置大规模水电解设备的方法，所述大规模水电解设备包括直接耦合到太阳能光伏阵列的电解槽堆叠的两个或更多个重复单元，所述大规模水电解设备根据权利要求1到4所述的方法进行配置。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述重复单元的大小处于10kW到6MW的范围内。
7.一种水电解***，其包括至少四个组件，其中
(1)第一组件是PV阵列，
(2)第二组件是一个或多个电解槽堆叠，所述PV阵列直接连接到所述第二组件，使得直接耦合的连接中不存在电力转换步骤，
(3)第三组件是电解槽***平衡设备，所述电解槽***平衡设备包括高效操作所述电解槽堆叠所需的支持硬件、计算机控制***、安全***和电源，并且
(4)第四组件是用于稳定和安全操作所述第三组件的辅助电源。
8.根据权利要求7所述的水电解***，其中所述一个或多个电解槽堆叠和平衡设备共同定位于限定的位置中并且由PV阵列围绕。
9.根据权利要求7所述的水电解***，其中所述一个或多个电解槽堆叠与所述平衡设备共同定位，优选地共同定位于集中式位置中，并且与所述PV阵列分开定位。
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