電力生產(chǎn)的綠色來源

太陽能和風(fēng)能作為綠色能源發(fā)電，為電解制氫提供動(dòng)力。利用太陽能作為光伏系統(tǒng)(PV)、聚光太陽能(CSP)系統(tǒng)和風(fēng)能驅(qū)動(dòng)電解系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了一些應(yīng)用。為了將所有這些綠色能源的功率匹配到電解的輸入，需要一個(gè)轉(zhuǎn)換器(AC/DC或DC/DC)。可再生能源是解決偏遠(yuǎn)地區(qū)電力供應(yīng)的解決方案，而不是高成本的電力傳輸。綠色能源提供的多余能量被用來驅(qū)動(dòng)電解制氫。下圖1展示了用于制氫(PV/H2)的PV系統(tǒng)的原理。

圖 1：用于制氫的光伏系統(tǒng)

與其他可再生能源相比，PV/H2系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是使用直流電壓，所有部件都有保障，不需要大量維護(hù)。CSP/H2系統(tǒng)提供熱量而不是電力來驅(qū)動(dòng)電解系統(tǒng)，并使用SOE將水轉(zhuǎn)化為蒸汽，如下圖2所示。

儲(chǔ)存在CSP/H2系統(tǒng)中可以連續(xù)制氫。已有研究對(duì)各系統(tǒng)在相同工況下的性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，CSP/H2系統(tǒng)的性能優(yōu)于PV/H2系統(tǒng)。

此外，通過使用AC/DC轉(zhuǎn)換器提供電力，風(fēng)能已被用于為電解(風(fēng)能/H2)單元供電。風(fēng)能可以在24小時(shí)內(nèi)使用，而且不僅可以像太陽能那樣在白天使用，而且由于風(fēng)能的性質(zhì)，風(fēng)能是一種不穩(wěn)定的能源。

上圖2顯示了能夠通過驅(qū)動(dòng)綠色能源(PV/H2，CSP/H2和風(fēng)能/H2)的電解單元來生產(chǎn)氫氣的可再生能源的組合。這樣的配置可以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

一、光伏制氫系統(tǒng)

該系統(tǒng)已在不同地點(diǎn)和各種天氣條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。另一項(xiàng)研究表明，與傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)相比，使用光伏跟蹤系統(tǒng)性能，但成本較高，使用聚光光伏系統(tǒng)比傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)效率更高。

另一項(xiàng)基于建模的研究工作與實(shí)驗(yàn)研究得出了相同的結(jié)果。一項(xiàng)基于光伏系統(tǒng)的MPPT的研究表明，使用MPPT時(shí)，其效率與使用或不使用MPPT的光伏系統(tǒng)幾乎接近，但成本略高。此外，研究表明產(chǎn)氫速率取決于MPPT效率。

根據(jù)許多研究工作的報(bào)道，將PV/H2系統(tǒng)與PEM電解結(jié)合使用獲得了有趣的結(jié)果，并且從次實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)在，性能一直在提高。事實(shí)上，2008年使用PV/H2系統(tǒng)的效率只有6%，生產(chǎn)成本約為40美元/公斤。許多研究工作都集中在提高PV/H2系統(tǒng)的效率和提高生產(chǎn)力，從而降低成本。事實(shí)上，在2010年，通過光伏系統(tǒng)與電解裝置的直接耦合，效率得到了提高，達(dá)到了12.4%的值。氫氣的生產(chǎn)成本從2008年的40美元/公斤下降到2022年的3.4美元/公斤。這一結(jié)果是由于PV系統(tǒng)持續(xù)提供的工作電壓系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)電解。許多其他研究調(diào)查了PV系統(tǒng)與電解之間的適用性，結(jié)果表明PV/H2系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)更為合適。此外，所謂的光伏板由于其比水平板具有更高的效率而影響制氫。PV/H2系統(tǒng)不僅可以生產(chǎn)氫氣，還可以通過燃料電池提供電力，這對(duì)于夜間或冬季是必要的。

光伏系統(tǒng)和風(fēng)能的應(yīng)用在偏遠(yuǎn)地區(qū)更為有用，這些地區(qū)由于電力運(yùn)輸價(jià)格非常高而沒有安裝傳統(tǒng)電網(wǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，初始成本取決于土地和光伏系統(tǒng)安裝成本。由于太陽能在偏遠(yuǎn)地區(qū)的巨大潛力，光伏系統(tǒng)的許多應(yīng)用都適用于這些地區(qū)，特別是通過提高PV/H2系統(tǒng)的效率來提供高產(chǎn)量的氫氣。為此，雙面太陽能電池板已被用于提高效率，進(jìn)而增加氫氣產(chǎn)量。

結(jié)果表明，雙面太陽能電池板的效率達(dá)到13.5%，而單面太陽能電池板的效率為11.55%，對(duì)應(yīng)于單面太陽能電池板的產(chǎn)氫量從3.7g/h/m2增加到4.2g/h/m2。

PV/H2系統(tǒng)的另一項(xiàng)應(yīng)用表明，高濃度PV/H2的效率達(dá)到21%，而傳統(tǒng)PV/H2的效率約為9.4%。

使用帶有蓄電池（儲(chǔ)能）的PV/H2系統(tǒng)可以在夜間制氫，然后，它提高了氫氣的生產(chǎn)率。一項(xiàng)對(duì)高效率DC/DC轉(zhuǎn)換器的研究使得整體效率得以提高。光伏熱(PVT)系統(tǒng)提供足夠的電能和熱能。電能提高了電解制氫的生產(chǎn)率，使成本和熱能最小化，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)制氫。

許多聯(lián)合系統(tǒng)已經(jīng)被研究用于提供電力(PV)或產(chǎn)生熱能(PVT)或冷卻系統(tǒng)(PVT/水)。這些系統(tǒng)比傳統(tǒng)的PV/H2系統(tǒng)具有更高的性能。

聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)為電解裝置提供電力，并提供熱能產(chǎn)生蒸汽，為吸收式冷卻循環(huán)提供動(dòng)力，如下圖3所示。這被稱為CSP/H2系統(tǒng)，它由一個(gè)太陽能收集器、一個(gè)拋物面盤收集器和一個(gè)電解裝置組成。它不僅用于制氫，還用于發(fā)電、制冷、供暖和蒸餾水供應(yīng)。當(dāng)太陽輻射增加時(shí)，這種多代系統(tǒng)提高了整體效率，然后，電解的工作溫度降低，使得電流密度增加。事實(shí)上，對(duì)CSP/H2系統(tǒng)的一項(xiàng)調(diào)查顯示，其能源效率分別從近21%到36%和34%到72%不等。

采用多發(fā)電系統(tǒng)的CSP/H2利用其他可用能源如地?zé)崮軄硖岣咝省榱酥苯訌奶柲芫酃馄鳟a(chǎn)生電力，在聚光器的焦點(diǎn)處安裝了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)電解裝置。從氫氣生產(chǎn)效率的角度，PV/H2和CSP/Stirling/H2進(jìn)行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，PV/H2系統(tǒng)的產(chǎn)量約為268公斤，CSP/Sterling/H2系統(tǒng)的產(chǎn)量約為302公斤。

圖3:濃縮CSP/H2多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)原理。

三、風(fēng)能制氫(Wind/H2)系統(tǒng)

一旦氫被綠色能源生產(chǎn)出來，它就會(huì)被儲(chǔ)存和運(yùn)輸。氫氣的儲(chǔ)存是在高壓下使用儲(chǔ)罐安全進(jìn)行的。可能發(fā)生的大問題是高壓下壓縮氣體的泄漏，有爆炸的危險(xiǎn)。另一方面，儲(chǔ)氫系統(tǒng)是影響氫氣生產(chǎn)成本的主要因素之一。

為了提高制氫系統(tǒng)的效率，必須將太陽能和風(fēng)能結(jié)合起來，以獲得較優(yōu)的混合制氫系統(tǒng)，由于采用了兩種綠色能源，因此可以降低氫的成本并實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

●在太陽能/氫氣系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能電池，可以不間斷地連續(xù)工作，提高系統(tǒng)效率。

●混合系統(tǒng)的利用率大于單一系統(tǒng)的利用率。

●通過混合制氫系統(tǒng)中的燃料電池為房屋供電。

因此，用于制氫系統(tǒng)的太陽能/風(fēng)能對(duì)于生產(chǎn)氫氣以及電氣化、冷卻、加熱和海水淡化都很有用。下表2列出了一些混合太陽能/氫氣系統(tǒng)的規(guī)格（為文獻(xiàn)資料，具體數(shù)據(jù)僅供參考，但大概表達(dá)了一個(gè)對(duì)比和趨勢(shì)）。

表2：太陽能/風(fēng)能/氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)格。

文章來源：氫眼所見

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