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电力生产的绿色来源

 更新时间:2023-09-08    点击量:356

太阳能和风能作为绿色能源发电,为电解制氢提供动力。利用太阳能作为光伏系统(PV)、聚光太阳能(CSP)系统和风能驱动电解系统已经进行了一些应用。为了将所有这些绿色能源的功率匹配到电解的输入,需要一个转换器(AC/DC或DC/DC)。可再生能源是解决偏远地区电力供应的解决方案,而不是高成本的电力传输。绿色能源提供的多余能量被用来驱动电解制氢。下图1展示了用于制氢(PV/H2)的PV系统的原理。

1:用于制氢的光伏系统


光伏板通过太阳能充电器和DC/DC转换器,通过功率点跟踪器(MPPT)电子电路驱动电解。电池被认为是在低太阳辐射情况下的能量储存。


与其他可再生能源相比,PV/H2系统的优点是使用直流电压,所有部件都有保障,不需要大量维护。CSP/H2系统提供热量而不是电力来驱动电解系统,并使用SOE将水转化为蒸汽,如下图2所示。


图2:太阳能/风能制氢系统原理图


储存在CSP/H2系统中可以连续制氢。已有研究对各系统在相同工况下的性能进行了研究。结果表明,CSP/H2系统的性能优于PV/H2系统。

此外,通过使用AC/DC转换器提供电力,风能已被用于为电解(风能/H2)单元供电。风能可以在24小时内使用,而且不仅可以像太阳能那样在白天使用,而且由于风能的性质,风能是一种不稳定的能源。

上图2显示了能够通过驱动绿色能源(PV/H2,CSP/H2和风能/H2)的电解单元来生产氢气的可再生能源的组合。这样的配置可以提高整个系统的效率。

一、光伏制氢系统


PV/H2系统是一种基于光伏发电系统的绿色制氢源,光伏发电系统为电解装置供电。PV/H2系统因其成本、性能和可行性而成为绿色制氢常用的方法。


该系统已在不同地点和各种天气条件下进行了实验测试。另一项研究表明,与传统光伏系统相比,使用光伏跟踪系统性能,但成本较高,使用聚光光伏系统比传统光伏系统效率更高。

另一项基于建模的研究工作与实验研究得出了相同的结果。一项基于光伏系统的MPPT的研究表明,使用MPPT时,其效率与使用或不使用MPPT的光伏系统几乎接近,但成本略高。此外,研究表明产氢速率取决于MPPT效率。

根据许多研究工作的报道,将PV/H2系统与PEM电解结合使用获得了有趣的结果,并且从次实验到现在,性能一直在提高。事实上,2008年使用PV/H2系统的效率只有6%,生产成本约为40美元/公斤。许多研究工作都集中在提高PV/H2系统的效率和提高生产力,从而降低成本。事实上,在2010年,通过光伏系统与电解装置的直接耦合,效率得到了提高,达到了12.4%的值。氢气的生产成本从2008年的40美元/公斤下降到2022年的3.4美元/公斤。这一结果是由于PV系统持续提供的工作电压系统来驱动电解。许多其他研究调查了PV系统与电解之间的适用性,结果表明PV/H2系统在偏远地区更为合适。此外,所谓的光伏板由于其比水平板具有更高的效率而影响制氢。PV/H2系统不仅可以生产氢气,还可以通过燃料电池提供电力,这对于夜间或冬季是必要的。

光伏系统和风能的应用在偏远地区更为有用,这些地区由于电力运输价格非常高而没有安装传统电网。研究发现,初始成本取决于土地和光伏系统安装成本。由于太阳能在偏远地区的巨大潜力,光伏系统的许多应用都适用于这些地区,特别是通过提高PV/H2系统的效率来提供高产量的氢气。为此,双面太阳能电池板已被用于提高效率,进而增加氢气产量。

结果表明,双面太阳能电池板的效率达到13.5%,而单面太阳能电池板的效率为11.55%,对应于单面太阳能电池板的产氢量从3.7g/h/m2增加到4.2g/h/m2。

PV/H2系统的另一项应用表明,高浓度PV/H2的效率达到21%,而传统PV/H2的效率约为9.4%。

使用带有蓄电池(储能)的PV/H2系统可以在夜间制氢,然后,它提高了氢气的生产率。一项对高效率DC/DC转换器的研究使得整体效率得以提高。光伏热(PVT)系统提供足够的电能和热能。电能提高了电解制氢的生产率,使成本和热能最小化,从而实现连续制氢

许多联合系统已经被研究用于提供电力(PV)或产生热能(PVT)或冷却系统(PVT/水)。这些系统比传统的PV/H2系统具有更高的性能


二、聚光型太阳能电池板制氢系统(CSP/H2)


聚光太阳能发电系统为电解装置提供电力,并提供热能产生蒸汽,为吸收式冷却循环提供动力,如下图3所示。这被称为CSP/H2系统,它由一个太阳能收集器、一个抛物面盘收集器和一个电解装置组成。它不仅用于制氢,还用于发电、制冷、供暖和蒸馏水供应。当太阳辐射增加时,这种多代系统提高了整体效率,然后,电解的工作温度降低,使得电流密度增加。事实上,对CSP/H2系统的一项调查显示,其能源效率分别从近21%到36%和34%到72%不等。

采用多发电系统的CSP/H2利用其他可用能源如地热能来提高效率。为了直接从太阳能聚光器产生电力,在聚光器的焦点处安装了斯特林发动机来驱动电解装置。从氢气生产效率的角度,PV/H2和CSP/Stirling/H2进行了比较。研究发现,PV/H2系统的产量约为268公斤,CSP/Sterling/H2系统的产量约为302公斤。



图3:浓缩CSP/H2多联产系统原理。

三、风能制氢(Wind/H2)系统


由于风的随机出现,风能的性能不如太阳能。因此,风力涡轮机产生的电力在其运行期间是可变的。因此,在电力过剩的情况下,已经提出使用风能将其存储为氢气,用于制氢(W/H2) 系统,如下图4所示。产生的氢气可以在低风速期间和高风速期间使用燃料电池转化为电力;一部分氢气可以储存和出售,而另一部分则转化为电力。因此,结合风力涡轮机与电解单元和燃料电池形成足够的绿色能源,并允许风力涡轮机的性能的改善。
图4:用于氢气和电力生产的风/氢系统
结合实验工作,对风/H2系统进行了理论和仿真实验。事实上,用四个数值模型建立了电解模型。在风速条件下,本文提出的模型取得了较好的效果。其他的研究工作则是利用一种控制方法和一种新的策略来研究改善风/氢系统性能的方法。阐述了不同的技术和方法,以限度地降低风/氢系统下氢气的生产成本。据观察,价格不仅取决于初始成本,还取决于安装风力/氢气系统的地理位置。下表1给出了世界上一些地方的例子,其中包括以氢气生产和电力成本为基础的风能系统的相应价格。
表1:基于风能系统的制氢成本和电力成本


一旦氢被绿色能源生产出来,它就会被储存和运输。氢气的储存是在高压下使用储罐安全进行的。可能发生的大问题是高压下压缩气体的泄漏,有爆炸的危险。另一方面,储氢系统是影响氢气生产成本的主要因素之一。


四、太阳能/风能制氢(PV-Wind /H2)系统
在没有电网的偏远地区,光伏发电系统的应用更有用。此外,生产氢基太阳能和风能为电解装置提供电力是非常有趣的,特别是在能量过剩的情况下,氢可以被出售或储存,或通过燃料电池转化为电力。


为了提高制氢系统的效率,必须将太阳能和风能结合起来,以获得较优的混合制氢系统,由于采用了两种绿色能源,因此可以降低氢的成本并实现连续生产。


PV-Wind /H2系统的原理如文章开始的图2所示。与PV/H2和Wind/H2系统相比,PV - Wind/H2系统的性能,因为这种混合绿色能源提供了巨大的电力潜力。混合系统由PV/H2和wind/H2系统组成。混合系统比单一系统(如PV/H2或Wind/H2)更具生产力。由于电解装置输入电量的增加以及电解内部水温的提高,PV-Wind /H2系统的效率正在提高。
许多其他的实验应用已经使用不同的技术来提高太阳风/氢气系统的性能。作为例子,给出了以下结果:


在太阳能/氢气系统中加入储能电池,可以不间断地连续工作,提高系统效率。

混合系统的利用率大于单一系统的利用率。

通过混合制氢系统中的燃料电池为房屋供电。

因此,用于制氢系统的太阳能/风能对于生产氢气以及电气化、冷却、加热和海水淡化都很有用。下表2列出了一些混合太阳能/氢气系统的规格(为文献资料,具体数据仅供参考,但大概表达了一个对比和趋势)。


表2:太阳能/风能/氢气生产系统的规格。


文章来源:氢眼所见

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