一種光伏光熱一體化制氫系統

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，系統可以同時的輸出氫能和熱能。通過分析可以知道光系統可以取得很好的氫能轉換效率和熱轉換效率。同時對參數的優化可以獲得更好的系統表現，是一個很有推廣意義的太陽能綜合利用形式。

關鍵詞：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，科學、經濟合理利用太陽能成為目前研究的熱點。為了克服間歇性的問題，氫能成為各種能量形式之間轉化的最優良載體，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換成沒有污染的氫能的形式，是個非常有發展前途的方向。

太陽能光伏發電和電解槽制氫技術是兩個相對比較成熟的技術，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。第一個太陽能光伏制氫系統是德國研究者在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構的復雜性，使得結構設計更加簡單。

1 光伏光熱一體化儲能系統

從文獻之中可以看出太陽能電解制氫系統主要有光電系統和電解系統組成，國內外實驗研究光伏電解制氫系統[12]，從中也可以看出系統的整體效率不是很高。光伏電解制氫效率由于光電轉換效率只有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換效率有這很大的影響，許多研究者進行了相關的匹配優化的研究。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之中[34]，系統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換效率。進而光伏光熱一體化系統與電解槽直連制氫的話有效的提高了制氫效率。實現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。基于此提出了光伏光熱一體化制氫系統的儲能概念。

整個系統從圖1可以看出主要包括光伏光熱電池板，電解槽，水箱裝置等設備。整個系統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水，對循環水進行加熱，加熱后的熱水送入水箱中。可以實現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，整個系統的可以獲得額外的熱能效率以及穩定的氫能轉換效率。通過文獻可以知道[5]的分析可以得出，當增加電解池數，電解槽運行還在太陽能電池板最大功率點左側的情況下，系統的電解效率得到明顯的提高，而工作在最大功率點附近雖然系統效率有提高，但是穩定性不好；完全工作在最大功率點右側的情況下，系統效率低下，穩定性也不好。而通過文獻[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的熱效率，兩個合并來看而且對于工作在最大功率點左右波動的電解池數情況下，系統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左右波動的情況，可以明顯的提高系統的運行的穩定性，使得系統在電解制氫的過程中更加長時間的運行在電流工作區，系統運行更加高效。合理的選擇系統的結構參數，可以使得系統獲得好的熱效率和制氫效率。光伏光熱一體化的制氫系統不僅可以高效的儲能，同時在改變光伏光熱結構的同時提高光伏光熱總體效率，實現光伏電能制氫的效率提高。是一個很好的實現太陽能能量高品質利用的途徑。

參考文獻：

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[5]Su ziyun，et al.Optimization and sensitivity analysis of a photovoltaicelectrolyser directcoupling system in Beijing [J].International journal of Hydrogen Energy，2014，39（14）：72027215.