一種光伏光熱一體化制氫系統(tǒng)

曲閃亮 孟琳

摘要：本文提出了一種光伏熱管一體化電解制氫系統(tǒng)，系統(tǒng)可以同時的輸出氫能和熱能。通過分析可以知道光系統(tǒng)可以取得很好的氫能轉(zhuǎn)換效率和熱轉(zhuǎn)換效率。同時對參數(shù)的優(yōu)化可以獲得更好的系統(tǒng)表現(xiàn)，是一個很有推廣意義的太陽能綜合利用形式。

關(guān)鍵詞：氫能；光伏光熱；太陽能利用

太陽能具有間歇性、波動性、能量密度低等特點(diǎn)，科學(xué)、經(jīng)濟(jì)合理利用太陽能成為目前研究的熱點(diǎn)。為了克服間歇性的問題，氫能成為各種能量形式之間轉(zhuǎn)化的最優(yōu)良載體，是最有效、最清潔、最輕的一種能源。氫能利用方式豐富，形式靈活。將可替代的太陽能轉(zhuǎn)換成沒有污染的氫能的形式，是個非常有發(fā)展前途的方向。

太陽能光伏發(fā)電和電解槽制氫技術(shù)是兩個相對比較成熟的技術(shù)，但是由于太陽能的波動性，將兩者有效的連接制氫，仍然存在著巨大的挑戰(zhàn)。第一個太陽能光伏制氫系統(tǒng)是德國研究者在1986年報道的，1989年Ogden和Williams評價了光伏電解水制氫的方。PEM電解槽不需要電解液，只需要純水可以大大的降低整個結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計更加簡單。

1 光伏光熱一體化儲能系統(tǒng)

從文獻(xiàn)之中可以看出太陽能電解制氫系統(tǒng)主要有光電系統(tǒng)和電解系統(tǒng)組成，國內(nèi)外實驗研究光伏電解制氫系統(tǒng)[12]，從中也可以看出系統(tǒng)的整體效率不是很高。光伏電解制氫效率由于光電轉(zhuǎn)換效率只有6%18%之間，電解槽的效率在80%左右，所以限定了光伏制氫的效率。直連系統(tǒng)有效的減少成本，但是電解槽和電池板不合理的匹配會對氫能轉(zhuǎn)換效率有這很大的影響，許多研究者進(jìn)行了相關(guān)的匹配優(yōu)化的研究。電解槽和電池板的性能匹配對太陽能直連制氫效率有這非常明顯的影響。

在光伏光熱一體化系統(tǒng)之中[34]，系統(tǒng)采用換熱可以有效的降低整個太陽能電池板的溫度，從而提高電池板光電轉(zhuǎn)換效率。進(jìn)而光伏光熱一體化系統(tǒng)與電解槽直連制氫的話有效的提高了制氫效率。實現(xiàn)光熱效率和制氫效率的雙重提高，對太陽能全光譜的充分有效利用?；诖颂岢隽斯夥鉄嵋惑w化制氫系統(tǒng)的儲能概念。

整個系統(tǒng)從圖1可以看出主要包括光伏光熱電池板，電解槽，水箱裝置等設(shè)備。整個系統(tǒng)的工作原理可以表述為通過光伏熱管面板的一部分太陽能通過光電轉(zhuǎn)換成電能，輸出的電能作為電解槽的電解能量來源，其他太陽能被光伏光熱面板吸收，除了散熱損失的熱量大部分被光伏面板吸收。通過熱管換熱過程傳遞給循環(huán)水，對循環(huán)水進(jìn)行加熱，加熱后的熱水送入水箱中?？梢詫崿F(xiàn)整個能源的高效利用。

2 分析討論

這種新型光伏熱管一體化制氫的儲能系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的可以獲得額外的熱能效率以及穩(wěn)定的氫能轉(zhuǎn)換效率。通過文獻(xiàn)可以知道[5]的分析可以得出，當(dāng)增加電解池數(shù)，電解槽運(yùn)行還在太陽能電池板最大功率點(diǎn)左側(cè)的情況下，系統(tǒng)的電解效率得到明顯的提高，而工作在最大功率點(diǎn)附近雖然系統(tǒng)效率有提高，但是穩(wěn)定性不好；完全工作在最大功率點(diǎn)右側(cè)的情況下，系統(tǒng)效率低下，穩(wěn)定性也不好。而通過文獻(xiàn)[34]可以知道通過增加換熱器來水流速不僅可以提高單純的光伏光熱系統(tǒng)的熱效率，兩個合并來看而且對于工作在最大功率點(diǎn)左右波動的電解池數(shù)情況下，系統(tǒng)有這比較明顯的效率提升。同時提高入口的水流速對于在最大功率點(diǎn)左右波動的情況，可以明顯的提高系統(tǒng)的運(yùn)行的穩(wěn)定性，使得系統(tǒng)在電解制氫的過程中更加長時間的運(yùn)行在電流工作區(qū)，系統(tǒng)運(yùn)行更加高效。合理的選擇系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以使得系統(tǒng)獲得好的熱效率和制氫效率。光伏光熱一體化的制氫系統(tǒng)不僅可以高效的儲能，同時在改變光伏光熱結(jié)構(gòu)的同時提高光伏光熱總體效率，實現(xiàn)光伏電能制氫的效率提高。是一個很好的實現(xiàn)太陽能能量高品質(zhì)利用的途徑。

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