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電力生產(chǎn)的綠色來源

 更新時間:2023-09-08    點擊量:1136

太陽能和風(fēng)能作為綠色能源發(fā)電,為電解制氫提供動力。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)動電解系統(tǒng)已經(jīng)進行了一些應(yīng)用。為了將所有這些綠色能源的功率匹配到電解的輸入,需要一個轉(zhuǎn)換器(AC/DC或DC/DC)。可再生能源是解決偏遠地區(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)動電解制氫。下圖1展示了用于制氫(PV/H2)的PV系統(tǒng)的原理。

1:用于制氫的光伏系統(tǒng)


光伏板通過太陽能充電器和DC/DC轉(zhuǎn)換器,通過功率點跟蹤器(MPPT)電子電路驅(qū)動電解。電池被認(rèn)為是在低太陽輻射情況下的能量儲存。


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


圖2:太陽能/風(fēng)能制氫系統(tǒng)原理圖


儲存在CSP/H2系統(tǒng)中可以連續(xù)制氫。已有研究對各系統(tǒng)在相同工況下的性能進行了研究。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系統(tǒng)的效率。

一、光伏制氫系統(tǒng)


PV/H2系統(tǒng)是一種基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的綠色制氫源,光伏發(fā)電系統(tǒng)為電解裝置供電。PV/H2系統(tǒng)因其成本、性能和可行性而成為綠色制氫常用的方法。


該系統(tǒng)已在不同地點和各種天氣條件下進行了實驗測試。另一項研究表明,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。

另一項基于建模的研究工作與實驗研究得出了相同的結(jié)果。一項基于光伏系統(tǒng)的MPPT的研究表明,使用MPPT時,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,并且從次實驗到現(xiàn)在,性能一直在提高。事實上,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)用在偏遠地區(qū)更為有用,這些地區(qū)由于電力運輸價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到13.5%,而單面太陽能電池板的效率為11.55%,對應(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)的另一項應(yīng)用表明,高濃度PV/H2的效率達到21%,而傳統(tǒng)PV/H2的效率約為9.4%。

使用帶有蓄電池(儲能)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。一項對高效率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


二、聚光型太陽能電池板制氫系統(tǒng)(CSP/H2)


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)提供動力,如下圖3所示。這被稱為CSP/H2系統(tǒng),它由一個太陽能收集器、一個拋物面盤收集器和一個電解裝置組成。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,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。事實上,對CSP/H2系統(tǒng)的一項調(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,在聚光器的焦點處安裝了斯特林發(fā)動機來驅(qū)動電解裝置。從氫氣生產(chǎn)效率的角度,PV/H2和CSP/Stirling/H2進行了比較。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)


由于風(fēng)的隨機出現(xiàn),風(fēng)能的性能不如太陽能。因此,風(fēng)力渦輪機產(chǎn)生的電力在其運行期間是可變的。因此,在電力過剩的情況下,已經(jīng)提出使用風(fēng)能將其存儲為氫氣,用于制氫(W/H2) 系統(tǒng),如下圖4所示。產(chǎn)生的氫氣可以在低風(fēng)速期間和高風(fēng)速期間使用燃料電池轉(zhuǎn)化為電力;一部分氫氣可以儲存和出售,而另一部分則轉(zhuǎn)化為電力。因此,結(jié)合風(fēng)力渦輪機與電解單元和燃料電池形成足夠的綠色能源,并允許風(fēng)力渦輪機的性能的改善。
圖4:用于氫氣和電力生產(chǎn)的風(fēng)/氫系統(tǒng)
結(jié)合實驗工作,對風(fēng)/H2系統(tǒng)進行了理論和仿真實驗。事實上,用四個數(shù)值模型建立了電解模型。在風(fēng)速條件下,本文提出的模型取得了較好的效果。其他的研究工作則是利用一種控制方法和一種新的策略來研究改善風(fēng)/氫系統(tǒng)性能的方法。闡述了不同的技術(shù)和方法,以限度地降低風(fēng)/氫系統(tǒng)下氫氣的生產(chǎn)成本。據(jù)觀察,價格不僅取決于初始成本,還取決于安裝風(fēng)力/氫氣系統(tǒng)的地理位置。下表1給出了世界上一些地方的例子,其中包括以氫氣生產(chǎn)和電力成本為基礎(chǔ)的風(fēng)能系統(tǒng)的相應(yīng)價格。
表1:基于風(fēng)能系統(tǒng)的制氫成本和電力成本


一旦氫被綠色能源生產(chǎn)出來,它就會被儲存和運輸。氫氣的儲存是在高壓下使用儲罐安全進行的。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。另一方面,儲氫系統(tǒng)是影響氫氣生產(chǎn)成本的主要因素之一。


四、太陽能/風(fēng)能制氫(PV-Wind /H2)系統(tǒng)
在沒有電網(wǎng)的偏遠地區(qū),光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用更有用。此外,生產(chǎn)氫基太陽能和風(fēng)能為電解裝置提供電力是非常有趣的,特別是在能量過剩的情況下,氫可以被出售或儲存,或通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電力。


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現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。


PV-Wind /H2系統(tǒng)的原理如文章開始的圖2所示。與PV/H2和Wind/H2系統(tǒng)相比,PV - Wind/H2系統(tǒng)的性能,因為這種混合綠色能源提供了巨大的電力潛力。混合系統(tǒng)由PV/H2和wind/H2系統(tǒng)組成。混合系統(tǒng)比單一系統(tǒng)(如PV/H2或Wind/H2)更具生產(chǎn)力。由于電解裝置輸入電量的增加以及電解內(nèi)部水溫的提高,PV-Wind /H2系統(tǒng)的效率正在提高。
許多其他的實驗應(yīng)用已經(jīng)使用不同的技術(shù)來提高太陽風(fēng)/氫氣系統(tǒng)的性能。作為例子,給出了以下結(jié)果:


在太陽能/氫氣系統(tǒng)中加入儲能電池,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(為文獻資料,具體數(shù)據(jù)僅供參考,但大概表達了一個對比和趨勢)。


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

注:以獲得轉(zhuǎn)載權(quán)



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