一种光伏光热一体化制氢系统

摘要：本文提出了一种光伏热管一体化电解制氢系统，系统可以同时的输出氢能和热能。通过分析可以知道光系统可以取得很好的氢能转换效率和热转换效率。同时对参数的优化可以获得更好的系统表现，是一个很有推广意义的太阳能综合利用形式。

关键词：氢能；光伏光热；太阳能利用

太阳能具有间歇性、波动性、能量密度低等特点，科学、经济合理利用太阳能成为目前研究的热点。为了克服间歇性的问题，氢能成为各种能量形式之間转化的最优良载体，是最有效、最清洁、最轻的一种能源。氢能利用方式丰富，形式灵活。将可替代的太阳能转换成没有污染的氢能的形式，是个非常有发展前途的方向。

太阳能光伏发电和电解槽制氢技术是两个相对比较成熟的技术，但是由于太阳能的波动性，将两者有效的连接制氢，仍然存在着巨大的挑战。第一个太阳能光伏制氢系统是德国研究者在1986年报道的，1989年Ogden和Williams评价了光伏电解水制氢的方。PEM电解槽不需要电解液，只需要纯水可以大大的降低整个结构的复杂性，使得结构设计更加简单。

1 光伏光热一体化储能系统

从文献之中可以看出太阳能电解制氢系统主要有光电系统和电解系统组成，国内外实验研究光伏电解制氢系统[12]，从中也可以看出系统的整体效率不是很高。光伏电解制氢效率由于光电转换效率只有6%18%之间，电解槽的效率在80%左右，所以限定了光伏制氢的效率。直连系统有效的减少成本，但是电解槽和电池板不合理的匹配会对氢能转换效率有这很大的影响，许多研究者进行了相关的匹配优化的研究。电解槽和电池板的性能匹配对太阳能直连制氢效率有这非常明显的影响。

在光伏光热一体化系统之中[34]，系统采用换热可以有效的降低整个太阳能电池板的温度，从而提高电池板光电转换效率。进而光伏光热一体化系统与电解槽直连制氢的话有效的提高了制氢效率。实现光热效率和制氢效率的双重提高，对太阳能全光谱的充分有效利用。基于此提出了光伏光热一体化制氢系统的储能概念。

整个系统从图1可以看出主要包括光伏光热电池板，电解槽，水箱装置等设备。整个系统的工作原理可以表述为通过光伏热管面板的一部分太阳能通过光电转换成电能，输出的电能作为电解槽的电解能量来源，其他太阳能被光伏光热面板吸收，除了散热损失的热量大部分被光伏面板吸收。通过热管换热过程传递给循环水，对循环水进行加热，加热后的热水送入水箱中。可以实现整个能源的高效利用。

2 分析讨论

这种新型光伏热管一体化制氢的储能系统，整个系统的可以获得额外的热能效率以及稳定的氢能转换效率。通过文献可以知道[5]的分析可以得出，当增加电解池数，电解槽运行还在太阳能电池板最大功率点左侧的情况下，系统的电解效率得到明显的提高，而工作在最大功率点附近虽然系统效率有提高，但是稳定性不好；完全工作在最大功率点右侧的情况下，系统效率低下，稳定性也不好。而通过文献[34]可以知道通过增加换热器来水流速不仅可以提高单纯的光伏光热系统的热效率，两个合并来看而且对于工作在最大功率点左右波动的电解池数情况下，系统有这比较明显的效率提升。同时提高入口的水流速对于在最大功率点左右波动的情况，可以明显的提高系统的运行的稳定性，使得系统在电解制氢的过程中更加长时间的运行在电流工作区，系统运行更加高效。合理的选择系统的结构参数，可以使得系统获得好的热效率和制氢效率。光伏光热一体化的制氢系统不仅可以高效的储能，同时在改变光伏光热结构的同时提高光伏光热总体效率，实现光伏电能制氢的效率提高。是一个很好的实现太阳能能量高品质利用的途径。

参考文献：

[1]Zhixiang Liu，et al.Operation of first solarhydrogen system in China[J].International journal of Hydrogen Energy，2010：27622766.

[2]Ahmad， G. E. Optimized photovoltaic system for hydrogen production[J].Renewable Energy，2006：10431054.

[3]Tripanagnostopoulos al.Energy，cost and LCA results of PV and hybrid PV/T solar systems.Prog Photovolt： Res Appl 2005，13：235–50.

[4]Ji J， He H， Chow T， Pei G， He W， Liu K.Distributed dynamic modeling and experimental study of PV evaporator in a PV/T solarassisted heat pump.International Journal of Heat and Mass Transfer 2009，52：1365–73.

[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.