电力生产的绿色来源

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。

图 1：用于制氢的光伏系统

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。

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

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。

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

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。

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。

●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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