太阳能电解水制氢直接耦合连接技术

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1、研究与设计太阳能电解水制氢直接耦合连接技术刘业凤，周明杰（上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093）摘要：对太阳能-电解水制氢系统中光伏阵列与电解槽直接耦合连接技术做了理论研究与计算，得出直接耦合连接方式对电能利用率可高达94%以上，而传统的间接连接方式利用率最高仅为75.3%。得出的结论对降低太阳能-电解水制氢成本和提高系统经济可行性具有重要意义。关键词：直接耦合；电能利用率；太阳能-制氢系统；光伏阵列中图分类号：TM91文献标识码：A文章编号：1002-087X(2013)07-1171-03Directcouplingofanelectrolysertoaso

2、larPVsystemforhydrogengenerationLIUYe-feng,ZHOUMing-jie(CollegeofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)Abstract:DirectcouplingofanelectrolysertoasolarPVsystemforgeneratinghydrogenwasanalyzedandcalculated.Thepowerutilizedratioisashighas94

3、%bydirectcoupling,butasforthetraditionalindirectcoupling,thetoppowerutilizedratioisonly75.3%.Itisveryimportanttoenhancetheeconomicviabilityandsubstantialcostreductionofhydrogensystems.Keywords:directcoupling;powerutilizedratio;solar-hydrogensystem;solararray太阳能作为当前最受青睐的可再生能源之一，围绕其开电解槽的直接连接

4、方式作了大量研究。发利用的能源技术研究是各研究机构争相研究的焦点之一。1光伏阵列与电解槽连接方式简介氢是一种理想的二次能源，具有能量密度高、可储存、可运输、光伏阵列与电解槽的连接方式有间接连接和直接连接两无污染等优点，被视为理想的能源载体。氢能利用有三个关键种。间接连接方式是目前绝大多数系统采用的连接方式，如图技术，即制氢、储氢和燃料电池。随着以燃料电池为代表的各1所示。包括的主要部件有：光伏阵列、控制器、蓄电池、DC/DC种氢能利用技术的迅猛发展，未来人类对氢的需求量将大幅转换器、电解槽。从图1中可知，该连接方式利用蓄电池进行度上升。目前，氢能主要是通过化石燃料的重整来制

5、取（比如蓄能缓和后，通过DC/DC转换器调节输出电压、电流，使其满天然气重整），具有产量大、技术成熟、适合大规模生产等优足电解槽运行需要。此方式的优势表现在可以充分发挥电解点，但是化石燃料面临枯竭，环境问题日益严峻，必须寻找一槽的性能，使其在合适的电压、电流下高效运行，在德国、美国种清洁、安全的制氢方法。利用太阳能制氢的方法有：太阳能[4]加利福尼亚有类似的光伏制氢项目。发电与电解水制氢、太阳能光电化学或光催化分解水制氢、太阳能热化学分解水及生物质制氢与光生物制氢等[1]。据国内外相关资料表明，电解水制氢已有较成熟的生产工艺，并且电解水系统的电-氢转化效率已达到60%~73

6、%[2]。然而目前通过电解水方法获取的氢仅占全世界商业用氢供应量的4%左右[3]，这主要是由于电解水过程消耗的电能成本过高，缺乏商业竞图1光伏阵列与电解槽间接连接示意图争力。此外，过高的太阳能发电成本也制约了这一制氢方法的直接连接方式如图2所示。与图1中的连接方式相比，直应用。所以，提高光伏电解制氢效率是解决这一问题的关键所接连接方式省去了控制器、蓄电池、DC/DC转换器，使系统更在。为了更有效地提高光伏电解制氢效率，本文对光伏阵列与收稿日期：2012-12-13基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助课题(20113120120006)；上海市研究生创新基金项

7、目(JWCXSL1102)作者简介：刘业凤(1973—)，女，山东省人，博士，副教授，主要研究方向为太阳能制氢和热泵。图2光伏阵列与电解槽直接连接示意图通信作者：周明杰，E-mail:mjzhou1988@163.com11712013.7Vol.37No.7研究与设计为简单、有效，而且增强了系统的经济性，降低系统故障出现可以表示为：率，减少日后维护成本。澳大利亚、墨西哥、西班牙等已有类似Output(,fIV)-Input(,fIV)（1）
的示范项目[5]。在直接耦合连接中，期望的结果是像图3所示的一样