蓄电池与氢实现了离网型住宅光伏发电系统的技术可行性

芬兰研究人员已经证实了将短期蓄电池储能与季节性储氢相结合的离网型住宅光伏发电系统的技术可行性。建议的模型只适用于北方气候，因为南部地区太阳辐射量较高意味着季节性储能需求减少。该发电系统在芬兰一栋现有的独户住宅中完成了测试，该住宅采用一个21千瓦的屋顶光伏阵列和一台6千瓦的地源热泵。

芬兰拉普兰塔理工大学（LUT）的科学家发现，只有在同时结合短期蓄电池储能和季节性储氢，且家庭高峰耗电量不太高的情况下，离网型住宅光伏发电解决方案才具有技术可行性。

在发表于《太阳能》（Solar Energy）杂志上的《在北方气候下结合蓄电池和氢储能的、基于太阳能光伏的离网型家庭能源系统的技术可行性评估》一文中，研究小组模拟了芬兰一栋现有的独户住宅的类似方法，该住宅采用集成在用电系统中的一个21千瓦的屋顶光伏阵列和一台6千瓦的地源热泵。

他们收集了从2017年1月至2019年12月的三年期间的光伏发电和用电的每小时平均功率数据。

这座两层的住宅采用零能耗建筑设计，其东西向的光伏系统依靠一台16千瓦的逆变器。科学家们表示：“与光伏峰值功率容量相比，减少逆变器的负载对北方地区发电设施而言在经济上更可取。”他们进一步解释道：“光伏系统的容量已经到了无法通过增加光伏峰值功率来进一步提高自给自足率的程度了。”且补充说这座住宅的自给自足率为36.81%，这与所有北欧国家的数值都相符。年均剩余光伏电力估计在200%左右。

在他们的模拟中，学者们使用电池组进行短期储能并控制峰值需求，并使用与水电解槽和燃料电池相连的储氢罐进行季节性储能。剩余光伏电力主要用来为蓄电池充电，且只有在给蓄电池充满电时才用来为电解槽供电。另一方面，过度需求始终首先由蓄电池来满足。他们还指出：“通过根据蓄电池的充电状态来限制其输出功率，可以最大限度地减少不必要的燃料电池突然启动和关闭。”

通过敏感度分析和功率平衡分析，该芬兰研究小组顺利收集到在储能阶段后未满足的电力需求以及年度氢消耗总量和产量相关的数据。研究报告的作者总结道：“根据模拟结果，很明显单独的蓄电池或氢储能系统都不足以在北方气候和日照条件下维持全年的离网运行。”他们的研究结果表明，如果仅使用蓄电池，则这样一个项目将需要一套“不切实际”的大型系统，而单单产氢又会由于低能量转

换效率而造成浪费。但是，结合这两种技术使得离网型住宅太阳能成为了一种可行的解决方案，尽管限制高峰值功效仍然至关重要。

建议的系统只能使用最小储能容量为20千瓦时的蓄电池以及装机容量至少为4至7千瓦的燃料电池和电解槽来运行。“在冬季，为了维持系统运行，储氢容量需要达到大约170至190公斤。因此，除非使用额外的压缩机，否则住宅中需要留出相对较大的物理储氢面积。”科学家们肯定道。

研究小组接着表示，这些研究结果的有效性仅限于北方气候，因为南方地区的太阳辐射量更高意味着季节性储能需求减少。