朱 倩, 劉祎琳, 王希平, 趙青松

(1.北京市公用工程設計監(jiān)理有限公司, 北京 100124; 2.北京市燃氣集團有限責任公司第四分公司, 北京 100176; 3.河北水利電力學院, 河北 滄州 100190)

1 概述

北方沿海地區(qū)灘涂遍布,適合水產(chǎn)養(yǎng)殖,但夏天陽光直射不利于某些魚類生長,需要搭建遮陰棚或養(yǎng)殖水草遮陰,增加成本和養(yǎng)殖難度。在深秋、冬季和次年的4月之前,海水溫度比較低,無法開展水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)。在開放性的水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘內(nèi),水體的耗氧量非常大,需要設置增氧壓縮機等養(yǎng)殖設備,停電易導致發(fā)生水產(chǎn)死亡的嚴重養(yǎng)殖事故。為了安全生產(chǎn),降低養(yǎng)殖風險,目前的水產(chǎn)養(yǎng)殖密度不高,單位面積的水產(chǎn)養(yǎng)殖效益非常有限。

漁光互補是指漁業(yè)養(yǎng)殖與光伏發(fā)電相結(jié)合,在魚塘水面上方架設光伏板陣列,光伏板下方水域可以進行魚蝦養(yǎng)殖,形成上可發(fā)電、下可養(yǎng)魚的發(fā)電新模式。但目前不少已建成的漁光互補項目,占用了養(yǎng)殖池塘的面積,造成了養(yǎng)殖水產(chǎn)喂食和捕撈困難,降低了水產(chǎn)的產(chǎn)量[1]。

近年來,大規(guī)模光伏電站不斷并網(wǎng)發(fā)電,但光伏發(fā)電功率具有隨機性和波動性[2-3]。采用光伏發(fā)電電解制氫可實現(xiàn)就地儲存電能,很好解決白天光伏發(fā)電的消納問題。在夜晚利用電網(wǎng)谷電制氫,可以保證制電解制氫工藝的連續(xù)性。因此,光伏發(fā)電電解制氫起到了電力削峰填谷的作用[4-5]。

氫能具有來源廣、能量密度高、零碳排放、易儲存等優(yōu)點[6-7]。電解制氫工藝過程中大量的副產(chǎn)氧氣和余熱[8-10],正是水產(chǎn)養(yǎng)殖所需要的寶貴資源。在漁光互補項目中,充分利用電氫氧熱等多種能源,在進一步提高單位面積土地價值的同時,有利于促進漁業(yè)生產(chǎn)和節(jié)能減排,具有重大的經(jīng)濟價值和社會效益。

本文介紹電氫氧熱漁光互補系統(tǒng)設計,對系統(tǒng)技術經(jīng)濟性進行分析。

2 漁光互補系統(tǒng)設計

2.1 漁光互補系統(tǒng)

隨著我國近海漁業(yè)資源的枯竭,利用灘涂進行水產(chǎn)養(yǎng)殖是提高沿海地區(qū)漁民收入、增加水產(chǎn)品供應、豐富居民菜籃子的有效途徑。目前,我國的灘涂水產(chǎn)養(yǎng)殖大多為開放式養(yǎng)殖,管理比較粗放,養(yǎng)殖的品種比較單一,且受天氣影響比較大,尤其是北方地區(qū),當水溫低于15 ℃時,漁業(yè)生產(chǎn)基本停止,嚴重限制了水產(chǎn)養(yǎng)殖[11]。

本研究在沿海灘涂上建設養(yǎng)殖池塘,池塘四周建設圍墻并搭建大棚。大棚具有一定的保溫和透光效果,為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供一個相對封閉的環(huán)境,降低外界環(huán)境的影響。電氫氧熱漁光互補系統(tǒng)見圖1。

圖1 電氫氧熱漁光互補系統(tǒng)

大棚的棚頂一側(cè)設置光伏板,另外一側(cè)設置透光板,允許陽光進入養(yǎng)殖池塘內(nèi),為養(yǎng)殖池塘微生物提供陽光和照明。這種設計可以根據(jù)各地的光照靈活調(diào)節(jié)光伏板的設置比例,保障水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)。

在養(yǎng)殖大棚的側(cè)面設置排風機,調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的空氣流動,保障水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境溫度。在養(yǎng)殖池塘上方設置補光燈,在惡劣天氣、夜晚為養(yǎng)殖池塘補光,增加水產(chǎn)的采食時間,提高水產(chǎn)的產(chǎn)量。

2.2 光伏系統(tǒng)

按照自發(fā)自用、余電上網(wǎng)原則運行。電解制氫裝置優(yōu)先使用光伏發(fā)電,不足部分由電網(wǎng)補充。當光伏發(fā)電超過電解制氫裝置需求時,剩余部分上網(wǎng)。光伏板產(chǎn)生的直流電經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?給補光燈、排風機等供電,部分經(jīng)整流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姽╇娊庵茪溲b置,剩余部分上網(wǎng)。電解制氫裝置產(chǎn)生的副產(chǎn)氧氣通過增氧壓縮機送入養(yǎng)殖池塘內(nèi),提高水體含氧量。電解制氫裝置余熱用于池水加熱,冬天也能進行水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)。

2.3 電解制氫系統(tǒng)

電解制氫裝置是將電能轉(zhuǎn)變氫能的核心裝置,采用國內(nèi)技術成熟的堿性電解制氫裝置。受太陽輻照度影響,光伏發(fā)電具有波動性和隨機性,光伏板發(fā)出的直流電波動性較大。為確保電解制氫裝置可靠工作,先將光伏發(fā)電(直流電)經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?然后經(jīng)整流器變?yōu)橹绷麟?供給電解制氫裝置。夜間以及白天光伏板發(fā)電量不足時,電解制氫裝置由電網(wǎng)補電。

電解制氫的產(chǎn)品是氫氣,氫氣從電解制氫裝置出來后儲存到氫氣儲罐內(nèi),然后通過管道運輸銷售。副產(chǎn)氧氣從電解制氫裝置出來后儲存到氧氣儲罐內(nèi),然后通過增氧壓縮機,將氧氣送入養(yǎng)殖池塘內(nèi),提高水體含氧量。電解制氫裝置在制氫過程中,需要及時將產(chǎn)生的熱量導出,以避免催化劑高溫失效。這部分余熱可用于提高養(yǎng)殖池塘的水溫,增加水產(chǎn)的采食活性,提高水產(chǎn)的產(chǎn)量,從而在冬季實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖。

3 技術經(jīng)濟性分析

3.1 技術分析

電氫氧熱漁光互補系統(tǒng)實現(xiàn)了多種能源的高效利用,白天利用光伏發(fā)電電解制氫,降低了光伏發(fā)電棄光率。養(yǎng)殖池塘大棚為光伏板提供了安裝位置,實現(xiàn)了分布式發(fā)電,光伏發(fā)電和電解制氫又促進了水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的提高。

集約利用了養(yǎng)殖池塘大棚安裝光伏板。在夏季,光伏板既實現(xiàn)了光伏發(fā)電,又為養(yǎng)殖池塘提供了部分遮陰,增加了養(yǎng)殖水產(chǎn)的活性,延長了采食時間,可以縮短養(yǎng)殖期,提高產(chǎn)量。在冬季,大棚為養(yǎng)殖池塘提供了必要的保溫措施,為冬季開展水產(chǎn)養(yǎng)殖提供了必要的條件。

光伏發(fā)電電解制氫和氫儲存技術實現(xiàn)了電力削峰填谷,提高了制氫經(jīng)濟性。電解制氫的副產(chǎn)氧氣和熱能,可為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供必要的氧氣和熱量,提高養(yǎng)殖密度和產(chǎn)量,可養(yǎng)殖經(jīng)濟性更高的熱帶水產(chǎn)。實現(xiàn)了水產(chǎn)的多批次養(yǎng)殖,提高水產(chǎn)養(yǎng)殖效益。

3.2 經(jīng)濟性分析

某6 000 m2養(yǎng)殖池塘建設電氫氧熱漁光互補系統(tǒng),總投資940×104元。漁光互補系統(tǒng)日耗電量為20 400 kW·h/d,光伏發(fā)電量為8 130 kW·h/d,需要從電網(wǎng)購電12 270 kW·h/d。年運行時間按365 d計算,電網(wǎng)合約電價為0.27 元/(kW·h),年電費約120.92×104元/a。出售氫氣年利潤為312.88×104元/a。每年可進行3次水產(chǎn)養(yǎng)殖,與增設電氫氧熱漁光互補系統(tǒng)前相比年利潤增加81×104元/a。經(jīng)計算,3.44 a可收回投資。

4 結(jié)語

電氫氧熱漁光互補系統(tǒng)實現(xiàn)了多能互補。水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘為光伏板的安裝提供了位置,光伏板為養(yǎng)殖池塘水池提供了部分遮陰,冬季提供必要的保溫措施。光伏發(fā)電電解制氫降低了棄光率,實現(xiàn)了電力削峰填谷,電解制氫裝置的副產(chǎn)氧氣和余熱促進水產(chǎn)養(yǎng)殖價值的提升。電氫氧熱漁光互補系統(tǒng)技術可行、經(jīng)濟性合理。