能源安全关系国家经济社会全局和战略,全球能源格局正转向清洁高效能源。清洁可再生能源正在成为中国能源供给结构改革的重要力量,弃光、弃风、弃水（三弃）日益凸显,水电站弃水弃电损失高达万亿,储能技术创新突破引领全球颠覆性能源格局调整。规模化储能耦合发电站可破解“三弃”消纳难题,氢储能密度大、零污染。论文提出水电站耦合氢储能能源系统创新突破弃水消纳难题,研究水电站弃水发电耦合Mg基固态氢储能系统概念设计,提出水电-氢储能耦合能源系统概念,构建耦合能源系统评价方法;研究耦合系统关键固态储能系统热管理,设计固态储氢换热结构,为水电站弃水消纳路径提供新思路和新技术。水电站弃水发电耦合氢储能系统概念设计研究。研究水电站发电系统叠加氢储能系统,提出水电站弃水发电耦合氢储能能源系统概念,构建了耦合能源系统拓扑结构,包括水力发电子系统、高密度氢能储/放子系统、交直流变换子系统和调节控制系统;研究设计了耦合能源系统工作机制,研究了耦合能源子系统元件设计模型;基于水电站弃水特性研究,构建了不同容量配置的弃水发电制氢耦合氢储能电力系统结构模型,提出了计及氢储能系统的能量调度优化策略;研究设计了耦合能源系统性能评价指标,构建了评价指标计算方法,以系统功率、技术和经济等方面为约束条件,结合多方位、可执行性的效益评价体系,提出了多目标协同优化评价计算方法。高密度固态储氢装置热管理研究。耦合能源系统工作关键在于氢储能子系统,为满足高密度固态储氢装置良好的工作温度保障,构建了固态储氢装置热管理系统,统筹考虑固态储氢装置储放H₂过程约束条件,建立了相关数学模型;结合固态储氢装置储放氢气特性分析工作过程热管理性能,以确保换热系统安全可靠高效。基于有限元法数值仿真研究了Mg基固态储氢材料储放氢温度影响规律。研究发现受储氢材料自身热导率影响,床体不同节点反应速率差异明显,远离换热流体区反应速率较慢且不连续,靠近换热流体区反应速率较快且可持续进行。在放氢过程中,随着高压氢放出至环境压降低于平衡氢压,储氢材料才开始反应析氢;床体初始温度和反应驱动力对放氢性能有一定的影响,随着初始温度的增大,床体温度在经历骤降后上升趋势明显,可快速恢复至初始值,反应速率提高明显,放氢的完成周期明显缩短;增大反应驱动力,在一定程度上可提高反应速率,随着储氢装置含氢量的减小,反应驱动力影响作用不大。储氢换热结构设计及优化分析。选型设计了计轻质型、可操作性强的嵌入型多U管束换热结构三维模型。在传热传质方面:给定储氢材料床体有效导热率和氢气渗透率范围内,床体传热行为对放氢性能影响显著,随着有效导热率的增大,放氢速率明显提高,放氢周期缩短显著;床体传质行为对放氢性能影响不大,反应分数下降趋势基本不变,反应速率无明显提高。在结构参数设计方面:增大储氢材料与外部换热流体间的换热强度,可增大床体与外部热交换量,增强床体传热性能,提高放氢速率,随着进一步增大换热强度,作用效果有所减弱。增大储氢装置长径比,可缩短床体径向间距,增大热交换面积,床体温度降幅减小,定流量放氢的完成周期缩短。储氢材料床体嵌入翅片,可改善床体反应温度分布不均衡现象,显著增强床体远离换热流体区域传热效果,有助于提高整体放氢率。进一步增大储氢装置长径比和翅片量,作用效果减弱的同时影响着储能密度的大小,故设计确定长径比和嵌入翅片量参数时应综合考虑。