電力生產的綠色來源

太陽能和風能作為綠色能源發電，為電解制氫提供動力。利用太陽能作為光伏系統(PV)、聚光太陽能(CSP)系統和風能驅動電解系統已經進行了一些應用。為了將所有這些綠色能源的功率匹配到電解的輸入，需要一個轉換器(AC/DC或DC/DC)。可再生能源是解決偏遠地區電力供應的解決方案，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動電解制氫。下圖1展示了用于制氫(PV/H2)的PV系統的原理。

圖 1：用于制氫的光伏系統

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

儲存在CSP/H2系統中可以連續制氫。已有研究對各系統在相同工況下的性能進行了研究。結果表明，CSP/H2系統的性能優于PV/H2系統。

此外，通過使用AC/DC轉換器提供電力，風能已被用于為電解(風能/H2)單元供電。風能可以在24小時內使用，而且不僅可以像太陽能那樣在白天使用，而且由于風能的性質，風能是一種不穩定的能源。

上圖2顯示了能夠通過驅動綠色能源(PV/H2，CSP/H2和風能/H2)的電解單元來生產氫氣的可再生能源的組合。這樣的配置可以提高整個系統的效率。

一、光伏制氫系統

該系統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，與傳統光伏系統相比，使用光伏跟蹤系統性能，但成本較高，使用聚光光伏系統比傳統光伏系統效率更高。

另一項基于建模的研究工作與實驗研究得出了相同的結果。一項基于光伏系統的MPPT的研究表明，使用MPPT時，其效率與使用或不使用MPPT的光伏系統幾乎接近，但成本略高。此外，研究表明產氫速率取決于MPPT效率。

根據許多研究工作的報道，將PV/H2系統與PEM電解結合使用獲得了有趣的結果，并且從次實驗到現在，性能一直在提高。事實上，2008年使用PV/H2系統的效率只有6%，生產成本約為40美元/公斤。許多研究工作都集中在提高PV/H2系統的效率和提高生產力，從而降低成本。事實上，在2010年，通過光伏系統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。這一結果是由于PV系統持續提供的工作電壓系統來驅動電解。許多其他研究調查了PV系統與電解之間的適用性，結果表明PV/H2系統在偏遠地區更為合適。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系統不僅可以生產氫氣，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。

光伏系統和風能的應用在偏遠地區更為有用，這些地區由于電力運輸價格非常高而沒有安裝傳統電網。研究發現，初始成本取決于土地和光伏系統安裝成本。由于太陽能在偏遠地區的巨大潛力，光伏系統的許多應用都適用于這些地區，特別是通過提高PV/H2系統的效率來提供高產量的氫氣。為此，雙面太陽能電池板已被用于提高效率，進而增加氫氣產量。

結果表明，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%，對應于單面太陽能電池板的產氫量從3.7g/h/m2增加到4.2g/h/m2。

PV/H2系統的另一項應用表明，高濃度PV/H2的效率達到21%，而傳統PV/H2的效率約為9.4%。

使用帶有蓄電池（儲能）的PV/H2系統可以在夜間制氫，然后，它提高了氫氣的生產率。一項對高效率DC/DC轉換器的研究使得整體效率得以提高。光伏熱(PVT)系統提供足夠的電能和熱能。電能提高了電解制氫的生產率，使成本和熱能最小化，從而實現連續制氫。

許多聯合系統已經被研究用于提供電力(PV)或產生熱能(PVT)或冷卻系統(PVT/水)。這些系統比傳統的PV/H2系統具有更高的性能。

聚光太陽能發電系統為電解裝置提供電力，并提供熱能產生蒸汽，為吸收式冷卻循環提供動力，如下圖3所示。這被稱為CSP/H2系統，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，還用于發電、制冷、供暖和蒸餾水供應。當太陽輻射增加時，這種多代系統提高了整體效率，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系統的一項調查顯示，其能源效率分別從近21%到36%和34%到72%不等。

采用多發電系統的CSP/H2利用其他可用能源如地熱能來提高效率。為了直接從太陽能聚光器產生電力，在聚光器的焦點處安裝了斯特林發動機來驅動電解裝置。從氫氣生產效率的角度，PV/H2和CSP/Stirling/H2進行了比較。研究發現，PV/H2系統的產量約為268公斤，CSP/Sterling/H2系統的產量約為302公斤。

圖3:濃縮CSP/H2多聯產系統原理。

三、風能制氫(Wind/H2)系統

一旦氫被綠色能源生產出來，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，儲氫系統是影響氫氣生產成本的主要因素之一。

為了提高制氫系統的效率，必須將太陽能和風能結合起來，以獲得較優的混合制氫系統，由于采用了兩種綠色能源，因此可以降低氫的成本并實現連續生產。

●在太陽能/氫氣系統中加入儲能電池，可以不間斷地連續工作，提高系統效率。

●混合系統的利用率大于單一系統的利用率。

●通過混合制氫系統中的燃料電池為房屋供電。

因此，用于制氫系統的太陽能/風能對于生產氫氣以及電氣化、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/氫氣系統的規格（為文獻資料，具體數據僅供參考，但大概表達了一個對比和趨勢）。

表2：太陽能/風能/氫氣生產系統的規格。

文章來源：氫眼所見

注：以獲得轉載權