電解裝置與太陽能電池組合運(yùn)行的特性研究*

柳博偉程 霞東野暉李 霜魏書榮陳東生

(上海電力學(xué)院上海200090)

*上海市大學(xué)生科研創(chuàng)新、國家大學(xué)生科研創(chuàng)新基金資助.

指導(dǎo)教師：陳東生(1978-)，男，博士，副教授，主要從事新能源發(fā)電技術(shù)研究等．

摘 要：本文闡述了電解裝置的特點(diǎn)及原理，搭建了太陽能電池實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以它為電解裝置提供電流，通過實(shí)驗(yàn)繪制出相關(guān)的特性曲線.為電解裝置與太陽能電池組合運(yùn)行效率的進(jìn)一步提高提供了參考依據(jù).

關(guān)鍵詞：氫能太陽能電解裝置

作者簡介：柳博偉(1995-)，女，在讀本科生．

收稿日期：(2015-02-11)

1引言

在環(huán)境污染問題和能源危機(jī)的大背景下，對(duì)于新能源的開發(fā)和應(yīng)用成為了擺在我們面前的一大主要問題.太陽能和氫能被視為最具潛力的新能源并因此被廣泛研究.太陽能具有普遍、無害、長久等特點(diǎn)；氫能具有燃燒熱值高、燃燒產(chǎn)物是水、無污染的特點(diǎn)，可循環(huán)利用，持續(xù)發(fā)展.利用太陽能電解水來制取氫氣則將兩大新能源創(chuàng)新性地結(jié)合到了一起.

2實(shí)驗(yàn)原理

電解就是將兩根金屬棒或碳棒(即電極)放在要分解的物質(zhì)(電解質(zhì))中，然后接上電源，使電流通過液體，化合物的陽離子移到帶負(fù)電的電極(陰極)，陰離子移到帶正電的電極(陽極)，在電解裝置兩極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程. 水(H2O)被直流電電解生成電解水.電流通過水(H2O)時(shí)，氫氣在陰極形成，氧氣則在陽極形成.

如果利用其他可再生能源如太陽能，來為產(chǎn)生氫氣的電解裝置提供能量，那么氫燃料技術(shù)將變得更加有趣味.我們通過搭建太陽能電池實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來觀測利用太陽能電池為電解裝置提供能量的過程.

在儲(chǔ)能方面，以制氫儲(chǔ)能方式替代傳統(tǒng)的蓄電池儲(chǔ)能環(huán)節(jié)也是本實(shí)驗(yàn)探討的一方面.當(dāng)日照情況良好時(shí)，通過電解水制氫將多余的電能儲(chǔ)存起來；在陽光條件下不能使光伏發(fā)電系統(tǒng)正常工作時(shí)，將儲(chǔ)存的氫通過燃料電池轉(zhuǎn)換為電能，繼續(xù)向負(fù)載送電，從而保證了系統(tǒng)供電的連續(xù)性.其優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)能密度高、使用壽命長、運(yùn)行成本低、沒有污染，可最大限度地發(fā)揮光伏系統(tǒng)的發(fā)電能力.且通過查閱資料我們得知，最新技術(shù)——太陽能電解水制氫直接耦合連接技術(shù)，即太陽能電解水制氫系統(tǒng)中光伏陣列與電解槽直接耦合連接技術(shù)對(duì)電能利用率可高達(dá) 94%以上，該技術(shù)對(duì)降低太陽能-電解水制氫成本和提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可行性具有重要意義.

而且日前美國杜克大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種可鋪設(shè)在屋頂?shù)奶柲苤茪湎到y(tǒng).該系統(tǒng)生產(chǎn)的氫氣無明顯雜質(zhì)，在效率上也遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)技術(shù)，能讓太陽能發(fā)揮更大的用途.負(fù)責(zé)該研究的杜克大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)和材料學(xué)助理教授尼克·霍茨稱，該裝置可吸收高達(dá)95%的太陽熱能，由環(huán)境散發(fā)出去的則非常少.這一裝置能讓真空管中的溫度達(dá)到200℃，而相比之下，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的太陽能集熱器只能將水加熱到60℃到70℃.在高溫作用下，該系統(tǒng)制氫的純度和效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)技術(shù).

電解裝置與太陽能電池組合運(yùn)行原理圖如圖1所示,主要由太陽能電池組、電解裝置、氣體存儲(chǔ)裝置和萬用表組成.該裝置能實(shí)現(xiàn)水分解制氫的同時(shí)又能完成電解裝置與太陽能電池組合的特性研究.

圖1　電解裝置與太陽能電池組合運(yùn)行原理圖

3實(shí)驗(yàn)步驟

(1)首先，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖所示，建立好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).

(2)測量電解裝置的伏安特性曲線.

(3)利用蓋帽附件，將氣體存儲(chǔ)裝置右側(cè)的連接套管密封好，防止氣體漏出.首先，將電流表的測量范圍調(diào)至2 000mADC，電壓表的測量范圍調(diào)至20VDC.利用測量裝置，對(duì)不同的電信號(hào)做測量.通過調(diào)節(jié)器設(shè)置預(yù)定的電流值，并將對(duì)應(yīng)的電壓值記錄在相應(yīng)的表格中，并且描繪出回歸曲線.

(4)測量太陽能電池的伏安特性曲線.測量1塊太陽能電池以及2塊、3塊、4塊太陽能電池串聯(lián)時(shí)的無負(fù)載電壓和短路電流.將電流表的測量范圍調(diào)至2 000mADC，電壓表的測量范圍調(diào)至20VDC.

(5)根據(jù)原理圖右側(cè)所示，建立好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).現(xiàn)在，測量在1塊太陽能電池，2塊、3塊、4塊太陽能電池串聯(lián)的情況下，通過電解裝置的電流，并將數(shù)據(jù)記錄在表格中.

(6)觀測氣體的產(chǎn)生情況.

4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)如表1和表2所示.

表1　相關(guān)參數(shù)表

表2　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表格數(shù)據(jù)繪制出的伏安特性曲線如圖2所示.

圖2　伏安特性曲線

由以上電解裝置的I-U特性曲線的特征可以看出：如果圖中特性曲線無交叉點(diǎn)，以2塊太陽能電池為例，電解裝置此時(shí)不工作.為了達(dá)到電解裝置需要的最小電壓，至少需要3塊以上太陽能電池串聯(lián)提供，如圖中A點(diǎn)所示.4塊太陽能電池能提供充足的電流，并且有足夠的氫氣產(chǎn)生.圖中B點(diǎn)所示，存在一個(gè)臨界值.若額外增加串聯(lián)太陽能電池組，電池組模塊的無負(fù)載電壓增加，短路電流保持恒定，無論如何都不會(huì)超過短路電流.如果將串聯(lián)太陽能電池并聯(lián)相接，短路電流加倍，無負(fù)載電壓不變，從而圖中出現(xiàn)交點(diǎn)C，氫氣產(chǎn)生量增加，達(dá)到較高的氫氣產(chǎn)生效率.多數(shù)情況下產(chǎn)生的氫氣、氧氣的量如表3所示.

表3　不同電流與時(shí)間下產(chǎn)生的氫氣與氧氣的量

由上表擬合出單位時(shí)間內(nèi)氫氣、氧氣產(chǎn)生量與電流的關(guān)系分別為

ΔVH2=11.5I

ΔVO2=5.4I

由此可以看出，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的氧氣、氫氣量分別與電流呈線性關(guān)系，隨著電流的增大氣體的產(chǎn)生量也在增加，且氫氣的產(chǎn)生速率是氧氣的2倍.

電解裝置的能效因數(shù)為氫氣儲(chǔ)存的化學(xué)能Ech和提供的電能Ee之間的比值為

氫燃料的化學(xué)能為286 kJ/mol.1mol的氫氣體積為24 414 mL.

以電流為0.1 A，溫度為20℃時(shí)為例

Ee=0.1A×1.55V×360s=55.8J

由以上計(jì)算可知，在電流較小的情況下電解裝置的能效因數(shù)還是較高的.

5結(jié)論

太陽能和氫能被視為最具潛力的新能源并因此被廣泛研究，太陽能具有普遍、無害、長久等特點(diǎn)，氫能具有燃燒熱值高、燃燒產(chǎn)物是水、無污染的特點(diǎn)，可循環(huán)利用，持續(xù)發(fā)展.利用太陽能電解水來制取氫氣則將兩大新能源創(chuàng)新性地結(jié)合到了一起.通過對(duì)其曲線研究可知：如果將串聯(lián)太陽能電池并聯(lián)相接，短路電流加倍，無負(fù)載電壓不變，氫氣產(chǎn)生量增加，達(dá)到較高的氫氣產(chǎn)生效率.且通過實(shí)驗(yàn)得出單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的氧氣、氫氣量分別與電流呈線性關(guān)系，隨著電流的增大氣體的產(chǎn)生量也在增加，且氫氣的產(chǎn)生速率是氧氣的2倍，同時(shí)得出在電流較小的情況下電解裝置的能效因數(shù)還是較高的.以上結(jié)論均可為后續(xù)進(jìn)一步開展氫能的研究提供一定的參考數(shù)據(jù).

參 考 文 獻(xiàn)

1王寶輝,吳紅軍,劉淑芝，等.太陽能分解水制氫技術(shù)研究進(jìn)展.化工進(jìn)展,2006,25(7):733～738

2康詩釗,楊秋玲,穆勁.太陽能光催化分解水制氫的研究進(jìn)展.汽車與配件，2009,13(1):45

3陳德明,徐剛.太陽能熱利用技術(shù)概況.物理，2007,36(11):840～847

4倪萌,M K H Leung,Ksumathy.太陽能制氫技術(shù).可再生能源,2004,3(115):29～31

5黃金昭,徐征,李海玲,等.太陽能制氫技術(shù)研究進(jìn)展.太陽能學(xué)報(bào), 2006,27(9):947～954