太阳能制氢装置性能的评估方法、系统、设备及存储介质与流程

1.本发明涉及新能源技术领域，特别涉及一种太阳能制氢装置性能的评估方法、系统、设备及存储介质。


背景技术：

2.利用可再生能源清洁生产氢气是全球供应替代燃料和减少温室气体排放的主要目标之一，其中，太阳能加氢站最为引人关注。
3.太阳能加氢站在制氢的过程中伴随着不同性质和形态的能量传输。在此过程中，不可避免的存在能量耗散，部分高品质能量转为低品质能量。太阳能加氢站不同的子系统中的能量损耗及能量品质降级有所不同。
4.而传统的能源优化方案通常以牺牲其他子系统的效益来完成，并且不考虑能量品质降级的问题，降低了能量综合利用效率。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中传统的性能评估以及能源优化方案由于未考虑能量品质降级而导致能量综合利用效率降低的缺陷，提供一种太阳能制氢装置性能的评估方法、系统、设备及存储介质。
6.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
7.本发明第一方面提供了一种太阳能制氢装置性能的评估方法，所述评估方法包括：
8.获取太阳辐照产生的输入以及所述太阳能制氢装置输出氢气的第一输出
9.基于所述第一输入和所述输出计算得到所述太阳能制氢装置的效率值；
10.基于所述太阳能制氢装置的效率值对所述太阳能制氢装置进行分析，以评估所述太阳能制氢装置的性能。
11.较佳地，在所述太阳能制氢装置包括光伏发电系统的情况下，所述基于所述太阳能制氢装置的效率值对所述太阳能制氢装置进行分析，以评估所述太阳能制氢装置的性能的步骤包括：
12.获取所述光伏发电系统的输出电能以及所述光伏发电系统的输出
13.基于所述输出电能以及所述光伏发电系统的输出计算得到所述光伏发电系统的效率值；
14.基于所述光伏发电系统的效率值对所述光伏发电系统进行分析，以评估所述光伏发电系统的性能；
15.和/或，
16.在所述太阳能制氢装置包括电化学压缩机的情况下，所述基于所述太阳能制氢装置的效率值对所述太阳能制氢装置进行分析，以评估所述太阳能制氢装置的性能的步
骤还包括：
17.获取所述电化学压缩机产生氢气的质量流量值、氢气的低热值、所述电化学压缩机的功率值以及所述电化学压缩机输出氢气的第二输出
18.基于所述质量流量值、所述氢气的低热值以及所述功率值计算得到所述电化学压缩机的能量效率值；
19.基于所述第二输出以及所述功率值计算得到所述电化学压缩机的效率值；
20.基于所述电化学压缩机的能量效率值和/或所述电化学压缩机的效率值对所述电化学压缩机进行分析，以评估所述电化学压缩机的性能。
21.较佳地，在所述太阳能制氢装置包括pem电解槽的情况下，所述基于所述太阳能制氢装置的效率值对所述太阳能制氢装置进行分析，以评估所述太阳能制氢装置的性能的步骤还包括：
22.获取pem电解槽的输入功率值、入口水的焓值以及所述pem电解槽入口水的输入
23.基于所述质量流量值、所述氢气的低热值、所述输入功率值以及所述入口水的焓值计算得到所述pem电解槽的能量效率值；
24.基于所述第一输出所述输入功率值以及所述pem电解槽入口水的输入计算得到所述pem电解槽的效率值；
25.基于所述pem电解槽的能量效率值和/或所述pem电解槽的效率值对所述pem电解槽进行分析，以评估所述pem电解槽的性能；
26.和/或,
27.在所述太阳能制氢装置包括锂电池的情况下，所述基于所述太阳能制氢装置的效率值对所述太阳能制氢装置进行分析，以评估所述太阳能制氢装置的性能的步骤还包括：
28.获取所述太阳能制氢装置中各个子装置所需由锂电池供电的时间；
29.基于所述电化学压缩机的功率值以及所述pem电解槽的输入功率值计算得到所述锂电池的存储能量值；
30.基于所述存储能量值对所述锂电池进行分析，以评估所述锂电池的性能。
31.较佳地，所述评估方法还包括：
32.对所述太阳能制氢装置以及所述太阳能制氢装置中的各个子装置进行热经济分析，以分别评估所述太阳能制氢装置以及所述太阳能制氢装置中的各个子装置的成本平衡值。
33.本发明第二方面提供了一种太阳能制氢装置性能的评估系统，所述评估系统包括：
34.第一获取模块，用于获取太阳辐照产生的输入以及所述太阳能制氢装置输出氢气的第一输出
35.第一计算模块，用于基于所述第一输入和所述输出计算得到所述太阳能制氢装置的效率值；
36.第一评估模块，用于基于所述太阳能制氢装置的效率值对所述太阳能制氢装置
进行分析，以评估所述太阳能制氢装置的性能。
37.较佳地，在所述太阳能制氢装置包括光伏发电系统的情况下，所述第一评估模块包括：
38.第一获取单元，用于获取所述光伏发电系统的输出电能以及所述光伏发电系统的输出
39.第一计算单元，用于基于所述输出电能以及所述光伏发电系统的输出计算得到所述光伏发电系统的效率值；
40.第一评估单元，用于基于所述光伏发电系统的效率值对所述光伏发电系统进行分析，以评估所述光伏发电系统的性能；
41.和/或，
42.在所述太阳能制氢装置包括电化学压缩机的情况下，所述第一评估模块还包括：
43.第二获取单元，用于获取所述电化学压缩机产生氢气的质量流量值、氢气的低热值、所述电化学压缩机的功率值以及所述电化学压缩机输出氢气的第二输出
44.第二计算单元，用于基于所述质量流量值、所述氢气的低热值以及所述功率值计算得到所述电化学压缩机的能量效率值；
45.第三计算单元，用于基于所述第二输出以及所述功率值计算得到所述电化学压缩机的效率值；
46.第二评估单元，用于基于所述电化学压缩机的能量效率值和/或所述电化学压缩机的效率值对所述电化学压缩机进行分析，以评估所述电化学压缩机的性能。
47.较佳地，在所述太阳能制氢装置包括pem电解槽的情况下，所述第一评估模块还包括：
48.第三获取单元，用于获取pem电解槽的输入功率值、入口水的焓值以及所述pem电解槽入口水的输入
49.第四计算单元，用于基于所述质量流量值、所述氢气的低热值、所述输入功率值以及所述入口水的焓值计算得到所述pem电解槽的能量效率值；
50.第五计算单元，用于基于所述第一输出所述输入功率值以及所述pem电解槽入口水的输入计算得到所述pem电解槽的效率值；
51.第三评估单元，用于基于所述pem电解槽的能量效率值和/或所述pem电解槽的效率值对所述pem电解槽进行分析，以评估所述pem电解槽的性能；
52.和/或,
53.在所述太阳能制氢装置包括锂电池的情况下，所述第一评估模块还包括：
54.第四获取单元，用于获取所述太阳能制氢装置中各个子装置所需由锂电池供电的时间；
55.第六计算单元，用于基于所述电化学压缩机的功率值以及所述pem电解槽的输入功率值计算得到所述锂电池的存储能量值；
56.第四评估单元，用于基于所述存储能量值对所述锂电池进行分析，以评估所述锂电池的性能。
57.较佳地，所述评估系统还包括：
58.第二评估模块，用于对所述太阳能制氢装置以及所述太阳能制氢装置中的各个子装置进行热经济分析，以分别评估所述太阳能制氢装置以及所述太阳能制氢装置中的各个子装置的成本平衡值。
59.本发明第三方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时实现第一方面所述的太阳能制氢装置性能的评估方法。
60.本发明第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述的太阳能制氢装置性能的评估方法。
61.在符合本领域常识的基础上，所述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实施例。
62.本发明的积极进步效果在于：
63.本发明通过获取太阳辐照产生的输入以及太阳能制氢装置输出氢气的第一输出基于第一输入和输出计算得到太阳能制氢装置的效率值；基于太阳能制氢装置的效率值对太阳能制氢装置进行分析，以评估太阳能制氢装置的性能。实现了对太阳能制氢装置进行分析，保证了氢气生产的速率，提高了能源利用率，降低了高品质能量的损失。
附图说明
64.图1为本发明实施例1的太阳能制氢装置性能的评估方法的流程图。
65.图2为本发明实施例1和2的太阳能制氢装置的结构示意图。
66.图3为本发明实施例1的太阳能制氢装置性能的评估方法的步骤103的第一流程图。
67.图4为本发明实施例1的太阳能制氢装置性能的评估方法的步骤103的第二流程图。
68.图5为本发明实施例1的太阳能制氢装置性能的评估方法的步骤103的第三流程图。
69.图6为本发明实施例1的太阳能制氢装置性能的评估方法的步骤103的第四流程图。
70.图7为本发明实施例2的太阳能制氢装置性能的评估系统的模块示意图。
71.图8为本发明实施例3的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
72.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
73.实施例1
74.本实施例提供一种太阳能制氢装置性能的评估方法，如图1所示，所述评估方法包括：
75.步骤101、获取太阳辐照产生的输入以及太阳能制氢装置输出氢气的第一输出
76.步骤102、基于第一输入和输出计算得到太阳能制氢装置的效率值；
77.本实施例中，为了对太阳能加氢装置整个装置进行分析，就需要分析各流体寂态(即标准条件，温度为298k，压力为101kpa)时的量。通过太阳能加氢装置中的pem电解槽和电化学压缩机的数值分析，可以得到流体的焓值和熵值。流体的可以通过公式(1)进行计算：
78.ex
ph
＝(h-h0)-t0(s-s0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
79.其中，h表示流体的焓值，s表示流体的熵值，下角标0表示处于标准条件。
80.在已知物质摩尔分数的情况下，通过公式(2)计算出太阳能加氢装置中pem电解槽和电化学压缩机的输入和输出物质的化学量。
[0081][0082]
其中，xk和分别表示第k种流体的摩尔分数和化学量。每种流体的总量通过公式(3)计算得到：
[0083]
ex＝ex
ch
ex
ph
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0084]
再通过流体进、出口的计算各部件的损失率，具体计算公式如公式(4)所示：
[0085][0086]
其中，exi表示进口量，exo表示出口量，表示热率，表示有用功，表示损率。
[0087]
根据以上方程，整个太阳能制氢装置的效率值的计算公式如公式(5)所示：
[0088][0089]
其中，表示太阳辐照产生的输入表示太阳辐照产生的输入表示太阳能制氢装置输出氢气的第一输出
[0090]
步骤103、基于太阳能制氢装置的效率值对太阳能制氢装置进行分析，以评估太阳能制氢装置的性能。
[0091]
在一可实施的方案中，太阳能制氢装置可以利用太阳能产生的电力电解水产生氢气和氧气，并且不生成二氧化碳，当进行偏远地区的能源供应时具有显著的经济性。具体地，如图2所示，太阳能制氢装置包括光伏发电系统1、电解制氢系统2和储氢系统3。其中，光伏发电系统1包含光伏发电组件11(例如光伏面板)、锂电池12和dc/dc转换模块13，电解制氢系统2包含储水箱21、pem电解槽22，储氢系统3包含电化学压缩机311、储氢罐312和加氢站313。
[0092]
在具体实施过程中，太阳能制氢装置中的光伏发电系统1产生的电能被传输到pem电解槽22中，在pem电解槽22中通过电解水，产生氢气和氧气。pem电解槽22产生的低压氢气通过电化学压缩机311将其压力升高变为高压氢气，高压氢气储存在储氢罐312中，通过加氢站313可为氢能汽车加注氢气，方便了用户使用，提升了用户体验度。
[0093]
本实施例通过对太阳能制氢装置的整体进行分析，基于太阳能制氢装置的损失率对自身装置进行优化，减少太阳能制氢装置的损失，实现了对太阳能制氢装置的性能评估。
[0094]
本实施通过获取太阳辐照产生的输入以及太阳能制氢装置输出氢气的第一输出基于第一输入和输出计算得到太阳能制氢装置的效率值；基于太阳能制氢装置的效率值对太阳能制氢装置进行分析，以评估太阳能制氢装置的性能。实现了对太阳能制氢装置进行分析，保证了氢气生产的速率，提高了能源利用率，降低了高品质能量的损失。
[0095]
在一可实施的方案中，如图3所示，在太阳能制氢装置包括光伏发电系统的情况下，步骤103包括：
[0096]
步骤1031、获取光伏发电系统的输出电能以及光伏发电系统的输出
[0097]
步骤1032、基于输出电能以及光伏发电系统的输出计算得到光伏发电系统的效率值；
[0098]
步骤1033、基于光伏发电系统的效率值对光伏发电系统进行分析，以评估光伏发电系统的性能；
[0099]
在具体实施过程中，光伏发电系统为pem电解槽和电化学压缩机提供电力，当太阳能发电能力不足时，锂电池继续提供电力，保证太阳能制氢装置正常运行。光伏发电系统的电压与电流的关系如公式(6)和(7)所示：
[0100][0101][0102]
其中，i表示光伏发电系统的输出电流，v表示光伏发电系统的输出电压，id表示二极管电流，p表示电子电荷等于1.602
×
10-19
，a表示一个系数(晶体电池时a＝1，非晶电池时a＝2)，表示光伏发电系统工作温度，单位为k。n
p
表示模块中并行单元的数量，ns表示模块中串行单元的数量。
[0103]
光伏发电系统的电压-电流特性可以根据太阳辐照和光伏电池的工作温度得到，利用上述方程，得到各光伏发电系统的特性曲线，光子电流与太阳辐照成正比。电流取决于光伏电池的温度，其计算方法如公式(8)所示：
[0104][0105]
其中，ga表示太阳辐照强度，光伏电池的工作温度t
cell
取决于太阳辐照情况，i
sc
表示标准条件下的短路电流，g
as
表示标准辐照强度(1000w/m2)，k0表示短路温度系数，ts表示标准温度(25℃)。
[0106]
光伏电池的工作温度与太阳辐照强度有近似成正比的关系，可用公式(9)进行计算：
[0107]
t
cell
＝ta g
t
gaꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0108]gt
可用公式(10)进行计算：
[0109][0110]
其中，noct表示光伏电池的正常工作温度，一般与制造工艺有关。光伏发电系统的输出功率通过公式(11)计算：
[0111][0112]
光伏发电系统中光伏组件的输出功率在本实施例中需满足pem电解槽，锂电池和电化学压缩机的功率需求，即：
[0113]
p
pv
＝p
stack,comp
p
stack,elec
p
bat
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0114]
其中，p
stack,comp
表示电化学压缩机功率，p
stack,elec
表示pem电解槽功率，p
bat
表示锂电池功率。
[0115]
光伏发电系统的能源效率定义为光伏组件所产生的电能与光伏组件所接收到的太阳辐照强度的比值，即：
[0116][0117]
s定义为辐照强度，计算如下：
[0118]
s＝n
snp
gaa
pv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0119]
太阳辐照的输入计算如下：
[0120][0121]
其中，t
sun
表示太阳表面温度，a
pv
表示光伏组件(例如光伏板)表面积。
[0122]
光伏组件的输出表示为热和电之和，即：
[0123][0124]
其中，热计算公式为：
[0125][0126]
q＝ua(t
cell,eff-ta)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0127]
u表示为总热损失系数，包括对流损失和辐射损失，即：
[0128]
u＝hc hrꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0129]
其中，hc表示光伏组件和周围环境的对流换热系数，hr表示光伏组件和周围环境的辐射换热系数，计算公式分别如下：
[0130]
hc＝5.7 3.86
×vꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0131][0132]
其中，v表示风速，ε和σ分别表示光伏组件的发射率和斯忒藩-玻尔兹曼常数。t
cell,eff
和t
a,day
分别表示光伏组件中太阳能电池的日平均温度和白天的平均温度。
[0133]
根据以上式子，可以得出光伏发电系统的效率值，即：
[0134][0135]
其中，的值等于光伏发电系统的输出电能。
[0136]
在一可实施的方案中，如图4所示，在太阳能制氢装置包括电化学压缩机的情况下，步骤103还包括：
[0137]
步骤10300、获取电化学压缩机产生氢气的质量流量值、氢气的低热值、电化学压缩机的功率值以及电化学压缩机输出氢气的第二输出
[0138]
步骤10301、基于质量流量值、氢气的低热值以及功率值计算得到电化学压缩机的能量效率值；
[0139]
步骤10302、基于第二输出以及功率值计算得到电化学压缩机的效率值；
[0140]
步骤10303、基于电化学压缩机的能量效率值和/或电化学压缩机的效率值对电化学压缩机进行分析，以评估电化学压缩机的性能。
[0141]
在具体实施过程中，根据加氢站所需的氢气流量和电化学压缩机的进口电流确定电化学压缩机所需单元的数量，即：
[0142][0143]
其中，f表示法拉第常数，n表示转移的电子数，i
comp
表示电化学压缩机输入电流，表示出口氢气的质量流量值，表示氢气摩尔数，n
cell,comp
表示电化学压缩机所需单元数量。
[0144]vstack,comp
＝n
cell,comp
×vcell,comp
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)
[0145]
p
stack,comp
＝i
comp
×vstack,comp
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(25)
[0146]
其中，v
stack,comp
表示电化学压缩机电压，n
cell,comp
表示电化学压缩机所需单元数量，v
cell,comp
表示电化学压缩机单元电压，p
stack,comp
表示电化学压缩机功率值，i
comp
表示电化学压缩机电流。
[0147]
首先，通过公式(23)得到电化学压缩机的单元数量，数值分析确定电化学压缩机的极化曲线(电压-电流密度曲线)，然后通过公式(24)和(25)得到电化学压缩机的工作电压和所需功率值。
[0148]
可以根据能量平衡计算电化学压缩机单元散热的能量，即：
[0149][0150]
式中，表示电化学压缩机单元的耗散热量，它通过确定电化学压缩机单元的氢气输入流和输出流的焓值计算出，表示电化学压缩机单元的氢气输入焓值，表示电化学压缩机单元的氢气输出焓值。另一方面，利用数值模型计算给定电流密度下的电压，得到电化学压缩机的输入功率值。根据公式(27)将电化学压缩机单元的散热扩展到整个电化学压缩机组。
[0151][0152]
其中，表示电化学压缩机组耗散热量，n
cell,comp
表示电化学压缩机所需单元数量，表示电化学压缩机单元的耗散热量。
[0153]
通过公式(28)和式(29)分别计算电化学压缩机系统的能量效率值和效率值：
[0154][0155][0156]
式中，η
pem，comp
表示电化学压缩机能量效率值，ψ
pem,comp
表示电化学压缩机效率值，表示电化学压缩机产生氢气的质量流量值，lhv表示氢气的低热值，表示电化学压缩机输出氢气的第二输出
[0157]
在一可实施的方案中，如图5所示，在太阳能制氢装置包括pem电解槽的情况下，步骤103还包括：
[0158]
步骤103001、获取pem电解槽的输入功率值、入口水的焓值以及pem电解槽入口水的输入
[0159]
步骤103002、基于质量流量值、氢气的低热值、输入功率值以及入口水的焓值计算得到pem电解槽的能量效率值；
[0160]
步骤103003、基于第一输出输入功率值以及pem电解槽入口水的输入计算得到pem电解槽的效率值；
[0161]
步骤103004、基于pem电解槽的能量效率值和/或pem电解槽的效率值对pem电解槽进行分析，以评估pem电解槽的性能；
[0162]
在具体实施过程中，忽略氢气泄漏的影响，pem电解槽阴极产生的氢气应该等于电化学压缩机入口的氢气，通过公式(30)可计算pem电解槽所需的单元数量：
[0163][0164]ncell,elec
表示pem电解槽所需单元数量，f表示法拉第常数，n表示转移的电子数，表示出口氢气的质量流量，i
elec
表示pem电解槽输入电流，电解
[0165]vstack,elec
＝n
cell,elec
×vcell,elec
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(31)
[0166]
p
stack,elec
＝i
elec
×vstack,elec
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(32)
[0167]
其中，v
stack,elec
表示pem电解槽电压，n
cell,elec
表示pem电解槽所需单元数量，v
cell,elec
表示pem电解槽单元电压。p
stack,elec
表示pem电解槽功率，i
elec
表示pem电解槽电流。
[0168]
pem电解槽的单元热耗散率可以根据能量公式(33)计算得出：
[0169][0170]
其中，表示pem电解槽单元热耗散率，p
cell,elec
表示pem电解槽单元功率，表示pem电解槽单元入口水的焓值，表示pem电解槽单元出口氢气焓值，表示pem电解槽单元出口氧气焓值。
[0171]
在数值分析的基础上，计算了进水口和出氧、出氢口的焓值。电解槽的热功率损失计算如下：
[0172][0173]
其中，表示pem电解槽热功率损失，n
cell,elec
表示pem电解槽单元数量，表示pem电解槽单元热功率损失。
[0174]
pem电解槽的能量效率值和效率值分别通过公式(35)和(36)进行计算：
[0175][0176][0177]
其中，η
pem，elec
表示pem电解槽能量效率值，表示电化学压缩机产生氢气的质量流量值，lhv表示氢气的低热值，p
stack,elec
表示pem电解槽的输入功率值，表示入口水的焓值。ψ
pem，elec
表示pem电解槽的效率值，表示出口氢气的表示出口氢气的表示入口水的
[0178]
在一可实施的方案中，如图6所示，在太阳能制氢装置包括锂电池的情况下，步骤103还包括：
[0179]
步骤10310、获取太阳能制氢装置中各个子装置所需由锂电池供电的时间；
[0180]
步骤10311、基于电化学压缩机的功率值以及pem电解槽的输入功率值计算得到锂电池的存储能量值；
[0181]
步骤10312、基于存储能量值对锂电池进行分析，以评估锂电池的性能。
[0182]
在具体实施过程中，锂电池的容量要满足在阴天，雨天或者黑夜时光伏发电系统发电不理想或者不能发电的情况下整个太阳能制氢装置的用电需求。锂电池的容量可以用公式(37)进行计算：
[0183]ebat
＝c
×vbat
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(37)
[0184]
其中，e
bat
表示锂电池需要提供的能量，c表示锂电池容量，v
bat
表示锂电池电压。
[0185]
锂电池需要储存的能量可由下列公式(38)得到：
[0186]ebat
＝(p
stack,comp
p
stack,elec
)
×
t
no-sun
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(38)
[0187]
其中，p
stack,comp
表示电化学压缩机的功率值，p
stack,elec
表示pem电解槽功率值，
t
no-sun
表示没有太阳能提供电力时各子装置所需由锂电池供电的时间。可以通过公式(38)确定锂电池中储存的能量，需要计算氢气加气站所需的电池数量。总容量除以每个锂电池的比容量，即可得到所需锂电池的数量。
[0188]
需要说明的是，太阳能制氢装置中的光伏发电系统不能持续发电，发电量完全取决于天气情况。锂离子电池比其他电池提供更高的能量密度，可以随时充电而性能下降很少。因此，采用锂电池等能源存储单元可以在光照条件不好时供应电力需求，太阳能制氢装置可以不依赖于电网而独立运行。
[0189]
另外，在一可实施的方案中，对于太阳能制氢装置中的储氢罐，将电化学压缩机产生的高压氢气储存在储氢罐内，氢气罐的体积计算如下：
[0190]vtank
＝m
tank
×
t
tank
×
r/p
tank
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(39)
[0191]
其中，v
tan k
表示氢气罐的体积，r表示氢气常数，p
tan k
表示氢气罐的压力，t
tan k
表示氢气罐的温度。
[0192]
本实施例通过对太阳能制氢装置的整体以及太阳能制氢装置中各个子装置分别进行分析，减少了太阳能制氢装置的损失，同时保证光伏发电系统的组件数量，光伏的间歇发电特性，氢气的生产速率，储氢罐的压力和容量等各项指标满足氢能汽车的消耗需求，并有15％左右冗余，使得太阳能制氢装置可以维持正常稳定运转。
[0193]
在一可实施的方案中，该评估方法还包括：
[0194]
对太阳能制氢装置以及太阳能制氢装置中的各个子装置进行热经济分析，以分别评估太阳能制氢装置以及太阳能制氢装置中的各个子装置的成本平衡值。
[0195]
在具体实施过程中，在热力系统中，可以考虑与环境传热和功相关的几个进出口能量流。质量和能量流伴随着的输入和输出太阳能制氢装置。在分析中，这些流动的成本率应该与转移率相联系。对环境的输入能量流、输出能量流、功或热传递的成本分别计算如下：
[0196][0197][0198][0199][0200]
其中，表示环境输入能量流的成本率，表示环境输出能量流的成本率，表示功成本率，表示热传递成本率，c表示成本系数，下角标表示第k项。
[0201]
热力学循环的成本平衡方程如下：
[0202][0203]
公式(44)中左侧表示第k项单元的输出成本率，右侧表示第k项单元的输入成本率，表示做功成本率，表示传热成本率，总费用z是根据有效参考资料和设备容量计
算得到，一般是初始投资费用(z
ci
)和维护费用(z
om
)的总和，定义如下：
[0204]
z＝z
ci
z
om
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(45)
[0205]
其中，z表示总费用，z
ci
表示初始投资费用，z
om
表示维护费用。
[0206]
维护费用z
om
为初始投资费用z
ci
的3％，初始投资费用z
ci
计算方法如公式(46)：
[0207][0208]
其中，φ表示维护因子，通常取值为1.06。acc表示年度投资成本，τ表示系统年度运行时间，取值为7200h。年度投资成本acc和资本回收可以通过公式(47)和(48)进行计算：
[0209]
acc＝c
cap
×
crf(ir,n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(47)
[0210][0211]
式中，c
cap
表示设备的投资成本，crf表示资本回收系数，n表示子系统的寿命，ir表示假设的通货膨胀率，设为7％。
[0212]
各个子装置的成本平衡方程分别为：
[0213]
pem电解槽的成本平衡通过公式(49)进行计算：
[0214][0215]
其中，表示pem电解槽输入水成本率，表示输入水cw表示pem电解槽做功成本率，表示pem电解槽做的功，z
pem,elec
表示pem电解槽总费用，表示pem电解槽输出氧气成本率，表示pem电解槽输出的氧气表示pem电解槽输出的氧气表示pem电解槽输出氢气成本率，表示输出的氢气
[0216]
电化学压缩机的成本平衡通过公式(50)进行计算：
[0217][0218]
其中，表示电化学压缩机氢气成本率，表示电化学压缩机输入氢气cw表示电化学压缩机做功成本率，表示电化学压缩机做功，z
pem,comp
表示电化学压缩机总费用，表示电化学压缩机输出氢气
[0219]
太阳能制氢装置整体的成本平衡通过公式(51)进行计算：
[0220][0221]
其中，c
pv
表示太阳能制氢装置总体成本率，ex
in,solar
表示太阳能制氢装置总体光照输入照输入表示太阳能制氢装置总体水的输入成本率，表示太阳能制氢装置总体水的输入z
total
表示太阳能制氢装置总体费用，表示太阳能制氢装置总体氢气成本率，表示太阳能制氢装置总体氢气输出假设所有设备的使用寿命为20年，pem电解槽和电化学压缩机都需要在10年后进行更换，费用为初始投资成本的一半。
[0222]
氢气的成本计算以资金为基础，并且需要考虑运行和维护成本。计算方式如下：
[0223][0224]
其中，表示氢气的生产成本，单位为人民币/千瓦时。c
cap
表示加氢站的投资费用，f表示年系数，单位为1/年，τ表示系统年运行时间，单位小时/年，c
o&m
表示系统运行维护费用，占投资费用的3％。同时，表示生成氢的能量，等于生成氢的质量流量乘以氢的lhv。年系数f的计算方法如下：
[0225][0226][0227]
其中，r表示年度通货膨胀率，k表示摊销回报，值分别取7％和20年。
[0228]
本实施例通过热经济分析考虑了环境有关的输入能流、输出能流，做功和热传递的成本之间的关系，并且分析考虑了各子装置的成本平衡关系。
[0229]
本实施例以减少损失为目标对太阳能制氢装置以及各个子装置的能量效率以及效率进行评估分析，减少了太阳能制氢装置以及各个子装置的损失，并且能够有针对性的监测各个子装置的状态，同时还以热经济性对太阳能制氢装置以及各个子装置的成本进行评估分析，避免了初始及维护成本投入，有效提高了太阳能制氢装置的能源利用效率的同时也增加了经济效益。
[0230]
实施例2
[0231]
本实施例提供一种太阳能制氢装置性能的评估系统，如图7所示，该评估系统包括：
[0232]
第一获取模块211，用于获取太阳辐照产生的输入以及太阳能制氢装置输出氢气的第一输出
[0233]
第一计算模块212，用于基于第一输入和所述输出计算得到太阳能制氢装置的效率值；
[0234]
本实施例中，为了对太阳能加氢装置整个装置进行分析，就需要分析各流体寂态(即标准条件，温度为298k，压力为101kpa)时的量。通过太阳能加氢装置中的pem电解槽和电化学压缩机的数值分析，可以得到流体的焓值和熵值。流体的可以通过实施例1中的公式(1)进行计算；
[0235]
在已知物质摩尔分数的情况下，通过实施例1中的公式(2)计算出太阳能加氢装置中pem电解槽和电化学压缩机的输入和输出物质的化学量；
[0236]
每种流体的总量通过实施例1中的公式(3)计算得到；再通过流体进、出口的计算各部件的损失率，具体计算公式如实施例1中的公式(4)所示；
[0237]
根据以上方程，整个太阳能制氢装置的效率值的计算公式如实施例1中的公式(5)所示。
[0238]
第一评估模块213，用于基于太阳能制氢装置的效率值对太阳能制氢装置进行
分析，以评估太阳能制氢装置的性能。
[0239]
在一可实施的方案中，太阳能制氢装置可以利用太阳能产生的电力电解水产生氢气和氧气，并且不生成二氧化碳，当进行偏远地区的能源供应时具有显著的经济性。具体地，如图2所示，太阳能制氢装置包括光伏发电系统1、电解制氢系统2和储氢系统3。其中，光伏发电系统1包含光伏发电组件11(例如光伏面板)、锂电池12和dc/dc转换模块13，电解制氢系统2包含储水箱21、pem电解槽22，储氢系统3包含电化学压缩机311、储氢罐312和加氢站313。
[0240]
在具体实施过程中，太阳能制氢装置中的光伏发电系统1产生的电能被传输到pem电解槽22中，在pem电解槽22中通过电解水，产生氢气和氧气。pem电解槽22产生的低压氢气通过电化学压缩机311将其压力升高变为高压氢气，高压氢气储存在储氢罐312中，通过加氢站313可为氢能汽车加注氢气，方便了用户使用，提升了用户体验度。
[0241]
本实施例通过对太阳能制氢装置的整体进行分析，基于太阳能制氢装置的损失率对自身装置进行优化，减少太阳能制氢装置的损失，实现了对太阳能制氢装置的性能评估。
[0242]
本实施通过获取太阳辐照产生的输入以及太阳能制氢装置输出氢气的第一输出基于第一输入和输出计算得到太阳能制氢装置的效率值；基于太阳能制氢装置的效率值对太阳能制氢装置进行分析，以评估太阳能制氢装置的性能。实现了对太阳能制氢装置进行分析，保证了氢气生产的速率，提高了能源利用率，降低了高品质能量的损失。
[0243]
在一可实施的方案中，如图7所示，在太阳能制氢装置包括光伏发电系统的情况下，第一评估模块213包括：
[0244]
第一获取单元2131，用于获取光伏发电系统的输出电能以及光伏发电系统的输出
[0245]
第一计算单元2132，用于基于输出电能以及光伏发电系统的输出计算得到光伏发电系统的效率值；
[0246]
第一评估单元2133，用于基于光伏发电系统的效率值对光伏发电系统进行分析，以评估光伏发电系统的性能；
[0247]
在具体实施过程中，光伏发电系统为pem电解槽和电化学压缩机提供电力，当太阳能发电能力不足时，锂电池继续提供电力，保证太阳能制氢装置正常运行。光伏发电系统的电压与电流的关系如实施例1中的公式(6)和(7)所示；
[0248]
光伏发电系统的电压-电流特性可以根据太阳辐照和光伏电池的工作温度得到，利用上述方程，得到各光伏发电系统的特性曲线，光子电流与太阳辐照成正比。电流取决于光伏电池的温度，其计算方法如实施例1中的公式(8)所示；
[0249]
光伏电池的工作温度与太阳辐照强度有近似成正比的关系，可用实施例1中的公式(9)进行计算；g
t
可用实施例1中的公式(10)进行计算；光伏发电系统的输出功率通过实施例1中的公式(11)计算得到；光伏发电系统中光伏组件的输出功率在本实施例中需满足pem电解槽，锂电池和电化学压缩机的功率需求，其可通过实施例1中的公式(12)计算得到；
[0250]
光伏发电系统的能源效率定义为光伏组件所产生的电能与光伏组件所接收到的
太阳辐照强度的比值，可通过实施例1中的公式(13)计算得到；s定义为辐照强度，计算如实施例1中的公式(14)所示；太阳辐照的输入计算如实施例1中的公式(15)所示；
[0251]
光伏组件的输出表示为热和电之和，其计算公式如实施例1中的公式(16)所示；其中，热计算公式为实施例1中的公式(17)和(18)；u表示为总热损失系数，包括对流损失和辐射损失其通过实施例1中的公式(19)计算得到，其中，hc表示光伏组件和周围环境的对流换热系数，hr表示光伏组件和周围环境的辐射换热系数，计算公式分别如实施例1中的公式(20)和(21)所示；
[0252]
根据以上式子，可以得出光伏发电系统的效率值的计算公式如实施例1中的公式(22)所示。
[0253]
在一可实施的方案中，如图7所示，在太阳能制氢装置包括电化学压缩机的情况下，第一评估模块213还包括：
[0254]
第二获取单元2134，用于获取电化学压缩机产生氢气的质量流量值、氢气的低热值、电化学压缩机的功率值以及电化学压缩机输出氢气的第二输出
[0255]
第二计算单元2135，用于基于质量流量值、氢气的低热值以及功率值计算得到电化学压缩机的能量效率值；
[0256]
第三计算单元2136，用于基于第二输出以及所述功率值计算得到电化学压缩机的效率值；
[0257]
第二评估单元2137，基于电化学压缩机的能量效率值和/或电化学压缩机的效率值对电化学压缩机进行分析，以评估电化学压缩机的性能。
[0258]
在具体实施过程中，根据加氢站所需的氢气流量和电化学压缩机的进口电流确定电化学压缩机所需单元的数量，其计算公式如实施例1中的公式(23)所示；
[0259]
电化学压缩机电压v
stack,comp
以及电化学压缩机功率值p
stack,comp
分别通过实施例1中的公式(24)和(25)计算得到；具体地，首先，通过公式(23)得到电化学压缩机的单元数量，数值分析确定电化学压缩机的极化曲线(电压-电流密度曲线)，然后通过公式(24)和(25)得到电化学压缩机的工作电压和所需功率值。
[0260]
可通过实施例1中的公式(26)根据能量平衡计算电化学压缩机单元散热的能量，根据公式(27)将电化学压缩机单元的散热扩展到整个电化学压缩机组。再通过公式(28)和式(29)分别计算电化学压缩机系统的能量效率值和效率值。
[0261]
在一可实施的方案中，如图7所示，在太阳能制氢装置包括pem电解槽的情况下，第一评估模块213还包括：
[0262]
第三获取单元2138，用于获取pem电解槽的输入功率值、入口水的焓值以及pem电解槽入口水的输入
[0263]
第四计算单元2139，用于基于质量流量值、氢气的低热值、输入功率值以及入口水的焓值计算得到pem电解槽的能量效率值；
[0264]
第五计算单元2140，用于基于第一输出输入功率值以及pem电解槽入口水的输入计算得到pem电解槽的效率值；
[0265]
第三评估单元2141，用于基于pem电解槽的能量效率值和/或pem电解槽的效率值对pem电解槽进行分析，以评估pem电解槽的性能；
[0266]
在具体实施过程中，忽略氢气泄漏的影响，pem电解槽阴极产生的氢气应该等于电化学压缩机入口的氢气，通过实施例1中的公式(30)计算pem电解槽所需的单元数量；通过实施例1中的公式(31)和(32)分别计算得到pem电解槽电压v
stack,elec
以及pem电解槽功率p
stack,elec
；
[0267]
本实施例中，pem电解槽的单元热耗散率可以根据实施例1中的能量公式(33)计算得出；pem电解槽热功率损失通过实施例1中的公式(34)计算得到；pem电解槽的能量效率值和效率值分别通过实施例1中的公式(35)和(36)进行计算。
[0268]
在一可实施的方案中，如图7所示，在太阳能制氢装置包括锂电池的情况下，第一评估模块213还包括：
[0269]
第四获取单元2142，用于获取太阳能制氢装置中各个子装置所需由锂电池供电的时间；
[0270]
第六计算单元2143，用于基于电化学压缩机的功率值以及pem电解槽的输入功率值计算得到锂电池的存储能量值；
[0271]
第四评估单元2144，用于基于存储能量值对锂电池进行分析，以评估锂电池的性能。
[0272]
在具体实施过程中，锂电池的容量要满足在阴天，雨天或者黑夜时光伏发电系统发电不理想或者不能发电的情况下整个太阳能制氢装置的用电需求。锂电池的容量可以用实施例1中的公式(37)进行计算；锂电池需要储存的能量可由实施例1中的公式(38)计算得到，即可以通过公式(38)确定锂电池中储存的能量，需要计算氢气加气站所需的电池数量。总容量除以每个锂电池的比容量，即可得到所需锂电池的数量。
[0273]
需要说明的是，太阳能制氢装置中的光伏发电系统不能持续发电，发电量完全取决于天气情况。锂离子电池比其他电池提供更高的能量密度，可以随时充电而性能下降很少。因此，采用锂电池等能源存储单元可以在光照条件不好时供应电力需求，太阳能制氢装置可以不依赖于电网而独立运行。
[0274]
另外，在一可实施的方案中，对于太阳能制氢装置中的储氢罐，将电化学压缩机产生的高压氢气储存在储氢罐内，氢气罐的体积计算如实施例1中的公式(39)所示；
[0275]
本实施例通过对太阳能制氢装置的整体以及太阳能制氢装置中各个子装置分别进行分析，减少了太阳能制氢装置的损失，同时保证光伏发电系统的组件数量，光伏的间歇发电特性，氢气的生产速率，储氢罐的压力和容量等各项指标满足氢能汽车的消耗需求，并有15％左右冗余，使得太阳能制氢装置可以维持正常稳定运转。
[0276]
在一可实施的方案中，该评估系统还包括：
[0277]
第二评估模块214，用于对太阳能制氢装置以及太阳能制氢装置中的各个子装置进行热经济分析，以分别评估太阳能制氢装置以及太阳能制氢装置中的各个子装置的成本平衡值。
[0278]
在具体实施过程中，在热力系统中，可以考虑与环境传热和功相关的几个进出口能量流。质量和能量流伴随着的输入和输出太阳能制氢装置。在分析中，这些流动的成本率应该与转移率相联系。对环境的输入能量流、输出能量流、功或热传递的成本分别计算如实施例1中的公式(40)、(41)、(42)和(43)所示；热力学循环的成本平衡方程如实施例1中
的公式(44)所示，初始投资费用(z
ci
)和维护费用(z
om
)的总和，其定义如实施例1中的公式(45)所示；
[0279]
本实施例中，维护费用z
om
为初始投资费用z
ci
的3％，初始投资费用z
ci
计算方法如实施例1中的公式(46)所示；年度投资成本acc和资本回收可以通过实施例1中的公式(47)和(48)进行计算；pem电解槽的成本平衡通过实施例1中的公式(49)进行计算；电化学压缩机的成本平衡通过实施例1中的公式(50)进行计算；太阳能制氢装置整体的成本平衡通过实施例1中的公式(51)进行计算；
[0280]
本实施例中，假设所有设备的使用寿命为20年，pem电解槽和电化学压缩机都需要在10年后进行更换，费用为初始投资成本的一半。
[0281]
氢气的成本计算以资金为基础，并且需要考虑运行和维护成本。计算方式如实施例1中的公式(52)所示；年系数f的计算方法如实施例1中的公式(53)和(54)所示。
[0282]
本实施例通过热经济分析考虑了环境有关的输入能流、输出能流，做功和热传递的成本之间的关系，并且分析考虑了各子装置的成本平衡关系。
[0283]
本实施例以减少损失为目标对太阳能制氢装置以及各个子装置的能量效率以及效率进行评估分析，减少了太阳能制氢装置以及各个子装置的损失，并且能够有针对性的监测各个子装置的状态，同时还以热经济性对太阳能制氢装置以及各个子装置的成本进行评估分析，避免了初始及维护成本投入，有效提高了太阳能制氢装置的能源利用效率的同时也增加了经济效益。
[0284]
实施例3
[0285]
图8为本发明实施例3提供的一种电子设备的结构示意图。电子设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现实施例1的太阳能制氢装置性能的评估方法。图8显示的电子设备30仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
[0286]
如图8所示，电子设备30可以以通用计算设备的形式表现，例如其可以为服务器设备。电子设备30的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理器31、上述至少一个存储器32、连接不同系统组件(包括存储器32和处理器31)的总线33。
[0287]
总线33包括数据总线、地址总线和控制总线。
[0288]
存储器32可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器(ram)321和/或高速缓存存储器322，还可以进一步包括只读存储器(rom)323。
[0289]
存储器32还可以包括具有一组(至少一个)程序模块324的程序/实用工具325，这样的程序模块324包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
[0290]
处理器31通过运行存储在存储器32中的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如本发明实施例1的太阳能制氢装置性能的评估方法。
[0291]
电子设备30也可以与一个或多个外部设备34(例如键盘、指向设备等)通信。这种通信可以通过输入/输出(i/o)接口35进行。并且，模型生成的设备30还可以通过网络适配器36与一个或者多个网络(例如局域网(lan)，广域网(wan)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图8所示，网络适配器36通过总线33与模型生成的设备30的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合模型生成的设备30使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限
于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、raid(磁盘阵列)系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
[0292]
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了电子设备的若干单元/模块或子单元/模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。
[0293]
实施例4
[0294]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现实施例1所提供的太阳能制氢装置性能的评估方法。
[0295]
其中，可读存储介质可以采用的更具体可以包括但不限于：便携式盘、硬盘、随机存取存储器、只读存储器、可擦拭可编程只读存储器、光存储器件、磁存储器件或上述的任意合适的组合。
[0296]
在可能的实施方式中，本发明还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当程序产品在终端设备上运行时，程序代码用于使终端设备执行实现实施例1所述的太阳能制氢装置性能的评估方法。
[0297]
其中，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明的程序代码，程序代码可以完全地在用户设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户设备上部分在远程设备上执行或完全在远程设备上执行。
[0298]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。