GB/T 26916-2011 小型氢能综合能源系统性能评价方法

　　ICS 27. 160 F 19

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 26916—2011

　　小型氢能综合能源系统性能评价方法

　　Methodsforperformanceevaluation ofsmall-sizeintegrative

　　hydrogen energy system

　　2011-09-29发布 2012-03-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 26916—2011

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　本标准由全国能源基础与管理标准化技术委员会(SAC/TC20)提出 。

　　本标准由全国氢能标准化技术委员会(SAC/TC309)归 口 。

　　本标准起草单位 : 中国电子工程设计院 、深圳市标准技术研究院 、中国标准化研究院 、清华大学核能与新能源技术研究院 、天津市大陆制氢设备有限公司 、苏州竞立制氢设备有限公司 、江苏省宏观经济研究院 。

　　本标准主要起草人 :李法兵 、刘光军 、王赓 、刘志祥 、王益群 、顾卫东 、詹炜 、许卫 、张碧航 、章光护 。

　　Ⅰ

　　GB/T 26916—2011

　　小型氢能综合能源系统性能评价方法

　　1 范围

　　本标准规定了以可再生能源为动力源的小型氢能综合能源系统的术语和定义 、系统及技术性能参数和监测评价方法 。

　　本标准适用于 100 kW 以下的小型氢能综合能源系统的性能评价 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的 。凡是注 日期的引用文件 ,仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB 755 旋转电机 定额和性能

　　GB 1207 电磁式电压互感器

　　GB 1208 电流互感器

　　GB/T 3634. 1 氢气 第 1部分 :工业氢

　　GB 4962 氢气使用安全技术规程

　　GB 5831 气体中微量氧的测定 比色法

　　GB 5832. 1 气体湿度的测定 第 1部分 : 电解法

　　GB 5832. 2 气体中微量水分的测定 第 2部分 :露点法

　　GB 6285 气体中微量氧的测定 电化学法

　　GB/T 18709 风电场风能资源测量方法

　　GB/T 18710 风电场风能资源评估方法

　　GB/T 19068. 2 离网型风力发电机组 第 2部分 :试验方法

　　GB/T 19774 水电解制氢系统技术要求

　　GB/T 20513 光伏系统性能监测 测量 、数据交换和分析导则

　　GB 50016 建筑设计防火规范

　　GB 50057 建筑物防雷设计规范

　　GB 50058 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范

　　GB 50177 氢气站设计规范

　　JB/T 5492 电位器式压力传感器

　　JJG 874 温度指示控制仪检定规程

　　SJ/T 11209 光伏器件 第 6部分 :标准太阳电池组件的要求

　　IEC 60904-2 光电器件 第 2 部 分 : 标 准 太 阳 能 装 置 的 要 求(Photovoltaic devices—Part2: Re- quirements for refernce solar devices)

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　1

　　GB/T 26916—2011

　　3. 1

　　标准状况 normalconditions

　　温度为 0 ℃ 、压力为 101. 3 kPa条件下的气体状况 。

　　3. 2

　　水电解制氢装置 the installation ofhydrogen gasproduced by electrolyzing water

　　以水电解工艺制取氢气 , 由水电解装置 、分离器 、冷却器等设备组成的统称 。

　　3. 3

　　小型氢能综合能源系统 small-sizeand integrativehydrogen energy system

　　利用间断式 、不均衡的可再生能源制氢 、储氢和发电 ,供电能力等于或小于 100 kW 的综合能源系统 ,该系统包括可再生能源发电装置 、水电解制氢系统 、储氢装置 、燃料电池发电装置 、配电设施及有关的管线 。

　　3. 4

　　太阳能-氢能综合能源系统 solar-hydrogen integrativeenergy system

　　太阳能-氢能综合能源系统是一种包含太阳能光伏发电 、水电解制氢 、存储及燃料电池的独立发供电装置 。

　　3. 5

　　风能-氢能综合能源系统 wind-hydrogen integrativeenergy system

　　风能-氢能综合能源系统是一种包含风力发电 、水电解制氢 、存储及燃料电池的独立发供电装置 。

　　4 系统类型及性能指标

　　4. 1 系统类型

　　4. 1. 1 小型氢能综合能源系统宜按可再生能源发电装置的不同形式分为风能 、太阳能 、水能等综合能源系统 。

　　4. 1. 2 在可再生能源发电装置发电能力大于电力需求时 ,采用水电解制氢装置利用多余电力制取氢气 ,并以压力储存装置储存氢气 ; 当可再生能源发电装置不发电或发电能力不能满足用户所需电量时 ,利用储存的氢气送入燃料电池装置发电供应电力 。

　　4. 1. 3 储氢装置包括以高压气态氢形式储存的压力容器 、填充储氢材料的储氢罐或者两种方式共存的储氢装置 。

　　4. 1. 4 小型氢能综合能源系统 ,宜采用离网独立运行系统 ,也可与城市电网并网运行 。

　　4. 2 制氢设备

　　4. 2. 1 制氢设备应对可再生能源 ,尤其是风力发电 、太阳能光伏发电的间歇性具有较好的适应性 。

　　4. 2. 2 制氢设备应对可再生能源的波动性具有很好的响应 , 即在一定的区间内 ,可再生能源电流的变化对制氢效率的影响不大 , 以保证可再生能源直接发电应用于电解水制氢的实用性 。

　　4. 2. 3 可再生能源对制氢设备供电可采用恒压变电流的直流供电形式 。

　　4. 2. 4 根据水电解制氢装置的规模和当地对氧气的需求情况 ,经技术经济比较设置氧气回收利用设施 。

　　4. 3 太阳能-氢能综合能源系统

　　4. 3. 1 太阳能电池在有太阳光照射时发电 ,若没有负载用电或发电量大于负载时 ,将所发电力的全部或富余电力利用压力型水电解制氢装置制取一定压力的氢气 ,储存于压力储氢罐中 , 当太阳能电池不发电或少发电时 ,启动燃料电池装置发电供应电力 ,运行过程中产生的热量还可以提供生活热水 。该系统的流程示意见图 1。

　　2

　　GB/T 26916—2011

　　图 1 太阳能-氢能综合能源系统流程示意

　　4. 3. 2 独立的太阳能-氢能综合能源系统 ,应按发电/用电能量平衡方程式(1) ,选择太阳能光伏阵列发电能力和水电解槽 、储氢罐及燃料电池等的规格型号 。

　　太阳能光伏电池总发电量 = (负载总用电量 +水电解制氢装置用电量 + 电损耗) -

　　燃料电池发电量 ………………………………( 1 )

　　4. 3. 3 根据可利用太阳能资源和用电负载 ,按式(2)确定太阳能电池组件的容量 PPV 。

　　PPV

　　式中 :

　　PPV — 太阳能电池阵列容量计算值 ,单位为千瓦(kW) ;

　　Wload — 用户年用电量 ,单位为千瓦时每年(kW · h/a) ;

　　Wirr — 太阳能年总辐射量 ,单位为兆焦每平方米年[MJ/(m2 · a)] ;

　　R — 太阳能电池阵 列 表 面 接 收 到 的 太 阳 能 年 总 辐 射 量 与 水 平 面 年 总 辐 射 量 比 值 (宜 取1. 15) ;

　　0. 2778— 年总辐射量换算为相当与标准光强(1kW/m2 )下的 日照小时数(h · m2/MJ) ;

　　ηsys — 系统总效率 。

　　ηsys = (1- α1 ) × (1- α2 ) × (1- α3 ) × (1- α4 ) × η0 … … … … … ( 3 )

　　式中 :

　　α1— 光伏阵列表面灰尘遮蔽及玻璃盖板老化损失因子 ;

　　α2— 光伏方阵组合损失因子 ;

　　α3— 工作点偏离峰值功率点损失因子 ;

　　α4— 线路损失因子 ;

　　η0— 逆变器效率 。

　　4. 3. 4 根据用电负载确定水电解槽和燃料电池的额定功率 。

　　供应水电解槽制氢的额定功率宜以用户负载的最小使用功率计算确定 ,见式(4) 。

　　Pelec = PPV - Pload, min ……………………( 4 )

　　式中 :

　　Pelec — 水电解槽的额定用电功率 ,单位为千瓦(kW) ;

　　PPV — 太阳能光伏电池的输出功率 ,单位为千瓦(kW) ;

　　Pload, min— 用户负载的最小用电功率 ,单位为千瓦(kW) 。

　　燃料电池的额定发电功率以用户负载的最大电功率确定 ,见式(5) 。

　　PFC = Pload, max …………………………………………( 5 )

　　3

　　GB/T 26916—2011

　　4. 3. 5 储氢罐的容量宜采用水电解制氢装置 8 h~ 12 h 的制氢量设置 。储氢罐工作压力应与水电解制氢装置的工作压力一致 ,通常为 1. 6 MPa~ 3 MPa,宜设置两组储氢罐 。

　　主要设备选型实例见附录 A。

　　4. 4 风能-氢能综合能源系统

　　4. 4. 1 风能-氢能综合能源系统流程示意见图 2。风能发电充足时 , 由风力发电向用户负载供电 ,过剩的电能供给水电解槽制氢 ,所获得的氢气储存在压力储氢罐中 ; 当风力发电减少或不发电时 , 为满足用户电力需求 ,启动燃料电池利用储存的氢发电供应电能 ,运行过程中产生的热量还可以提供生活热水 。风力发电装置与氢气制备系统不在同一场所时 ,需增加输电线路 。

　　图 2 风能-氢能综合能源系统流程示意

　　4. 4. 2 独立的风能-氢能综合能源系统 ,依据发电/用电能量平衡式(6) ,选择风力发电机发电能力和水电解制氢装置 、储氢罐及燃料电池等的规格型号 。

　　风力发电机发电量 = (负载总用电量 +水电解制氢装置用电量 + 电损耗) -

　　燃料电池发电量 ………………………………………( 6 )

　　4. 4. 3 根据可利用风能资源和用电负载 ,风力发电机的额定功率 Pw 计算见式(7) 。

　　Pw …………………………( 7 )

　　式中 :

　　Pw — 风力发电机的额定功率 ,单位为千瓦(kW) ;

　　Wload — 用户年用电量 ,单位为千瓦时每年(kW · h/a) ;

　　K — 风力发电机年利用系数 ;

　　ηtra — 风能传输效率 ;

　　8 760— 年平均小时数 。

　　4. 4. 4 根据用电负载确定水电解制氢装置和燃料电池的额定功率 。

　　供应水电解槽制氢的额定功率宜以用户负载的最小使用功率计算确定 ,见式(8) 。

　　Pelec = Pw - Pload, min …………………………( 8 )

　　式中 :

　　Pelec — 水电解槽的额定用电功率 ,单位为千瓦(kW) ;

　　Pw — 风力发电机组的输出功率 ,单位为千瓦(kW) ;

　　Pload, min— 用户负载的最小用电功率 ,单位为千瓦(kW) 。

　　燃料电池的额定发电功率应符合 4. 3. 4 的要求 。

　　4. 4. 5 储氢罐的选择应符合 4. 3. 5 的要求 。

　　4

　　GB/T 26916—2011

　　主要设备选型实例见附录 B。

　　4. 5 小型氢能综合能源系统主要技术指标

　　4. 5. 1 输出电力容量 :2 kW~ 100 kW(直流 、交流) 。

　　4. 5. 2 水电解制氢装置单位制氢电耗 :不宜大于 4. 5 kW · h/m3 。

　　4. 5. 3 燃料电池发电单位耗氢量 :≤0. 65 m3/(kW · h) 。

　　4. 5. 4 储氢罐设计压力宜为 1. 6 MPa~ 3. 0 MPa。

　　5 性能参数和检测

　　5. 1 太阳能-氢能综合能源系统性能参数

　　5. 1. 1 为评价太阳能-氢能综合能源系统的技术性能 ,应按图 3 和表 1 给出的性能参数进行实时检测 。

　　5. 1. 2 性能参数的实时检测 ,可采用综合能源系统运行中的各项分部能源装置设置的有关仪器 、仪表 。

　　5. 1. 3 根据评价要求和被评价系统的特点 ,可增加必要的需检测的性能参数 。

　　图 3 太阳能-氢能综合能源系统实时检测性能参数示意

　　表 1 实时检测的性能参数

　　序号

　　性能参数

　　符号

　　单位

　　1

　　光伏电池阵列

　　方阵平面总辐照度

　　辐射阴影区内环境大气温度

　　输出电压

　　输出电流

　　输出功率

　　组件温度

　　G

　　Tam

　　VA

　　IA

　　PA

　　Tm

　　W · m- 2

　　℃

　　V

　　A

　　kW

　　℃

　　2

　　水电解槽及储氢罐

　　槽电压

　　槽电流

　　槽功率

　　氢气产量

　　氢气纯度

　　储氢罐温度

　　储氢罐压力

　　Ve

　　Ie

　　Pe

　　Q1

　　CH 2

　　T1

　　P1

　　V

　　A

　　kW

　　m3 /h

　　%

　　℃

　　MPa

　　3

　　燃料电池

　　入口氢气温度

　　入口氢气压力

　　T2

　　P2

　　℃

　　MPa

　　5

　　GB/T 26916—2011

　　表 1 (续)

　　序号

　　性能参数

　　符号

　　单位

　　3

　　入口氢气流量输出电压

　　输出电流

　　输出功率

　　Q2

　　Vf

　　If

　　Pf

　　m3 /h

　　V

　　A

　　kW

　　4

　　负载

　　负载电压

　　负载电流

　　负载功率

　　VL

　　IL

　　PL

　　V

　　A

　　kW

　　5. 2 风能-氢能综合能源系统性能参数

　　5. 2. 1 为评价风能-氢能综合能源系统的技术性能 ,应按图 4 和表 2 给出的性能参数进行实时检测 。

　　5. 2. 2 性能参数的实时检测 ,可采用综合能源系统运行中的各项分部能源装置设置的有关仪器 、仪表 。

　　5. 2. 3 根据评价要求和被评价系统的特点 ,可增加必要的需检测的性能参数 。

　　图 4 风能-氢能综合能源系统实时检测性能参数示意

　　表 2 实时检测的性能参数

　　序号

　　性能参数

　　符号

　　单位

　　1

　　风力发电系统

　　风速

　　风向

　　风力发电机转速

　　风轮转速

　　风力发电机温度

　　输出电压

　　输出电流

　　输出功率

　　v

　　D

　　vg

　　vt

　　Tg

　　Vw

　　Iw

　　Pw

　　m/s

　　(°)

　　m/s

　　m/s

　　℃

　　V

　　A

　　kW

　　2

　　水电解槽及储氢罐

　　槽电压

　　槽电流

　　槽功率

　　氢气产量

　　氢气纯度

　　储氢罐温度

　　储氢罐压力

　　Ve

　　Ie

　　Pe

　　Q1

　　CH 2

　　T1

　　P1

　　V

　　A

　　kW

　　m3 /h

　　%

　　℃

　　MPa

　　6

　　GB/T 26916—2011

　　表 2 (续)

　　序号

　　性能参数

　　符号

　　单位

　　3

　　燃料电池

　　入口氢气温度

　　入口氢气压力

　　入口氢气流量

　　输出电压

　　输出电流

　　输出功率

　　T2

　　P2

　　Q2

　　VF

　　IF

　　PF

　　℃

　　MPa

　　m3 /h

　　V

　　A

　　kW

　　4

　　负载

　　负载电压

　　负载电流

　　负载功率

　　VL

　　IL

　　PL

　　V

　　A

　　kW

　　5. 3 检测方法

　　5. 3. 1 辐照度检测 ,记录光伏电池阵列平面内的辐照度数据 ,倾斜面辐照度应采用经标定的标准电池或辐照 计 在 光 伏 电 池 阵 列 相 同 平 面 内 进 行 测 量 。 如 果 使 用 标 准 电 池 或 组 件 进 行 测 量 , 应 按 照IEC 60904-2或 SJ/T 11209进行标定和维护 。所用传感器的位置应具有代表性 ,精度应优于其读数的5% ,应符合 GB/T 20513的有关要求 。

　　5. 3. 2 环境温度检测 ,其位置应具有代表性 ,采用温度控制仪设置在太阳辐射阴影中 。 温度控制仪的精度应优于 1 ℃ ,应符合 JJG 874的有关要求 。

　　5. 3. 3 风速和风向的检测 ,所选位置的附近应无高大建筑物 、树木等障碍 物 , 每 1 s采 集 一 次 风 速 数据 , 自动计算和记录每 10 min的平均风速 , 同步采集该风速的风向 。测风仪的风速测量范围为 0 m/s ~ 60 m/s,精度应 优 于 0. 5 m/s,风 向 测 量 范 围 为 0°~ 360°, 精 度 优 于 2. 5°。 应 符 合 GB/T 18709 和GB/T 18710的有关要求 。

　　5. 3. 4 风力发电机转速和风轮转速的检测 ,应符合 GB/T 19068. 2 的有关规定 。风力发电机转速测量范围应为 0~ 2倍风轮额定转速 ,误差应优于 2%转速值 。

　　5. 3. 5 风力发电机温度检测 ,温度测量方法主要有四种 : 电阻法 、埋置检温计(ETD)法 、温度计法和叠加法(亦称双桥带电测温法) ,不同的方法不应作为相互校核之用 。 温度测量方法应符合 GB 755 的有关要求 。

　　5. 3. 6 电压和电流的检测 , 电压和电流参数可以是直流的或交流的 。 电压互感器的精度应优于其读数的 1% ,应符合 GB 1207的有关要求 。 电流互感器的精度应优于其读数的 1% ,应符合 GB 1208的有关要求 。

　　5. 3. 7 电功率检测 , 电功率参数的检测包括直流和交流 。直流功率宜用实时测量的电压和电流采样值的乘积计算 ,或用功率传感器直接测量 。交流功率应用能记录功率因数和谐波失真的功率传感器进行测量 。功率传感器精度应优于其读数的 2% ,应符合 GB/T 20513的有关要求 。

　　5. 3. 8 氢气压力和温度检测 ,压力传感器的精度等级不低于 0. 5 级 ,应符合 JB/T 5492 的有关要求 。温度控制仪的精度应优于 1 ℃ ,应符合 JJG 874的有关要求 。

　　5. 3. 9 氢气流量检测 ,包括气体流量计法和容积法 。气体流量法宜采用质量流量计检测 ,并应由计量部门标定 ,在有效认证期内使用 。容积法检测气体流量法 ,应符合 GB/T 19774的有关规定 。

　　5. 3. 10 氢气纯度的检测 ,水电解制氢装置出口的氢气应进行实时检测 ,氢气纯度应符合GB/T 3634. 1或 GB/T 19774的有关要求 。

　　7

　　GB/T 26916—2011

　　5. 3. 11 氢气中 杂 质 含 量 的 检 测 , 根 据 氢 气 应 用 需 要 , 对 氢 气 中 的 一 些 杂 质 含 量 进 行 检 测 , 宜 符 合GB/T 3634. 1、GB 5831、GB 5832. 1、GB 5832. 2 和 GB 6285的有关要求 。

　　5. 3. 12 燃料电池发电量的测量 ,燃料电池的输出电压和电流分别用电压表和电流表检测 ,精度等级不低于 0. 5 级 。应采用固定工作电压 ,测量一段时间的电流安时数得到平均电流,计算该段时间内燃料电池的发电量 。

　　6 性能评价

　　6. 1 一般规定

　　6. 1. 1 为核定小型氢能综合能源系统的技术性能和节能减排效果 ,确保其安全 、稳定和经济的运行 ,应对系统进行科学的 、规范化的评价 。

　　6. 1. 2 实施性能评价时 ,应以本规范规定的性能参数 、检测方法获得的数据为依据 ,在进行核算 、分析后与相似或相近的 “能源系统 ”比对 ,并给出评价结论 。

　　6. 1. 3 对小型氢能综合能源系统的性能评价 ,应包括能源利用 、经济效益和安全性评价 ,其评价依据除本规范的规定外 ,还应符合国家有关标准 、规范的规定 。

　　6. 2 能源利用评价

　　6. 2. 1 小型氢能综合能源系统的能源利用评价 ,应以可再生能源发电装置发出的电力为起始点 ,不包括各类发电装置自身的能源转换效率 。

　　6. 2. 2 小型氢能综合能源系统的能源利用效率(ηt) ,应按式(9)进行计算 。

　　ηt =η1 ·η2 ·η3 ·η4 ……………………( 9 )

　　式中 :

　　η1— 从可再生能源发电装置直流或交流输出端至水电解装置电源输入点的电力输送效率 ;

　　η2— 水电解装置的能源转换效率 ;

　　η3— 燃料电池发电装置的能源转换效率 ;

　　η4— 燃料电池发电装置电能输出端至用户电力网的电力输送效率 。

　　6. 3 经济效益评价

　　6. 3. 1 对小型氢能综合能源系统的经济效益评价的起始点与 6. 2. 1相同 。

　　6. 3. 2 经济效益的核算应以实时检测所得的水电解制氢用电量 、氢气产量 、燃料电池发电量等实测数据为依据 ,并在计入必要损耗后 ,计算运行费用 。

　　6. 3. 3 以实时检测的用户消耗电量为依据 ,计算售电收入 ,其计算电价应取电网 日平均电价或国家规定的电价 。

　　6. 3. 4 根据国家的有关政策规定 ,在进行小型氢能综合能源系统经济效益评价时应计入环境效益贡献的应得收入 。

　　6. 4 安全性评价

　　6. 4. 1 小 型 氢 能 综 合 能 源 系 统 中 的 氢 气 设 备 、管 道 的 设 计 、制 造 和 安 装 , 应 符 合 GB 50177 和GB/T 19774的有关规定 。

　　6. 4. 2 根据安全 、稳定 、可靠运行的要求 , 氢气设备 、管道应设置必须的安全设施 、安 全 距 离 , 应 符 合GB 50177和 GB 50016的有关规定 。

　　6. 4. 3 氢气设备 、管道以及相关环境的电气设施的设置 ,应符合 GB 50177、GB 50057和 GB 50058 的有关规定 。