电解装置与太阳能电池组合运行的特性研究

电解装置与太阳能电池组合运行的特性研究*

柳博伟程 霞东野晖李 霜魏书荣陈东生

(上海电力学院上海200090)

*上海市大学生科研创新、国家大学生科研创新基金资助.

指导教师：陈东生(1978-)，男，博士，副教授，主要从事新能源发电技术研究等．

摘 要：本文阐述了电解装置的特点及原理，搭建了太阳能电池实验系统，以它为电解装置提供电流，通过实验绘制出相关的特性曲线.为电解装置与太阳能电池组合运行效率的进一步提高提供了参考依据.

关键词：氢能太阳能电解装置

作者简介：柳博伟(1995-)，女，在读本科生．

收稿日期：(2015-02-11)

1引言

在环境污染问题和能源危机的大背景下，对于新能源的开发和应用成为了摆在我们面前的一大主要问题.太阳能和氢能被视为最具潜力的新能源并因此被广泛研究.太阳能具有普遍、无害、长久等特点；氢能具有燃烧热值高、燃烧产物是水、无污染的特点，可循环利用，持续发展.利用太阳能电解水来制取氢气则将两大新能源创新性地结合到了一起.

2实验原理

电解就是将两根金属棒或碳棒(即电极)放在要分解的物质(电解质)中，然后接上电源，使电流通过液体，化合物的阳离子移到带负电的电极(阴极)，阴离子移到带正电的电极(阳极)，在电解装置两极发生化学反应的过程. 水(H2O)被直流电电解生成电解水.电流通过水(H2O)时，氢气在阴极形成，氧气则在阳极形成.

如果利用其他可再生能源如太阳能，来为产生氢气的电解装置提供能量，那么氢燃料技术将变得更加有趣味.我们通过搭建太阳能电池实验系统来观测利用太阳能电池为电解装置提供能量的过程.

在储能方面，以制氢储能方式替代传统的蓄电池储能环节也是本实验探讨的一方面.当日照情况良好时，通过电解水制氢将多余的电能储存起来；在阳光条件下不能使光伏发电系统正常工作时，将储存的氢通过燃料电池转换为电能，继续向负载送电，从而保证了系统供电的连续性.其优点是储能密度高、使用寿命长、运行成本低、没有污染，可最大限度地发挥光伏系统的发电能力.且通过查阅资料我们得知，最新技术——太阳能电解水制氢直接耦合连接技术，即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对电能利用率可高达 94%以上，该技术对降低太阳能-电解水制氢成本和提高系统经济可行性具有重要意义.

而且日前美国杜克大学的研究人员发明了一种可铺设在屋顶的太阳能制氢系统.该系统生产的氢气无明显杂质，在效率上也远高于传统技术，能让太阳能发挥更大的用途.负责该研究的杜克大学工程学院机械工程学和材料学助理教授尼克·霍茨称，该装置可吸收高达95%的太阳热能，由环境散发出去的则非常少.这一装置能让真空管中的温度达到200℃，而相比之下，一个标准的太阳能集热器只能将水加热到60℃到70℃.在高温作用下，该系统制氢的纯度和效率远高于传统技术.

电解装置与太阳能电池组合运行原理图如图1所示,主要由太阳能电池组、电解装置、气体存储装置和万用表组成.该装置能实现水分解制氢的同时又能完成电解装置与太阳能电池组合的特性研究.

图1　电解装置与太阳能电池组合运行原理图

3实验步骤

(1)首先，根据实验原理图所示，建立好实验系统.

(2)测量电解装置的伏安特性曲线.

(3)利用盖帽附件，将气体存储装置右侧的连接套管密封好，防止气体漏出.首先，将电流表的测量范围调至2 000mADC，电压表的测量范围调至20VDC.利用测量装置，对不同的电信号做测量.通过调节器设置预定的电流值，并将对应的电压值记录在相应的表格中，并且描绘出回归曲线.

(4)测量太阳能电池的伏安特性曲线.测量1块太阳能电池以及2块、3块、4块太阳能电池串联时的无负载电压和短路电流.将电流表的测量范围调至2 000mADC，电压表的测量范围调至20VDC.

(5)根据原理图右侧所示，建立好实验系统.现在，测量在1块太阳能电池，2块、3块、4块太阳能电池串联的情况下，通过电解装置的电流，并将数据记录在表格中.

(6)观测气体的产生情况.

4实验数据及分析

实验测量数据如表1和表2所示.

表1　相关参数表

表2　实验数据表

由表格数据绘制出的伏安特性曲线如图2所示.

图2　伏安特性曲线

由以上电解装置的I-U特性曲线的特征可以看出：如果图中特性曲线无交叉点，以2块太阳能电池为例，电解装置此时不工作.为了达到电解装置需要的最小电压，至少需要3块以上太阳能电池串联提供，如图中A点所示.4块太阳能电池能提供充足的电流，并且有足够的氢气产生.图中B点所示，存在一个临界值.若额外增加串联太阳能电池组，电池组模块的无负载电压增加，短路电流保持恒定，无论如何都不会超过短路电流.如果将串联太阳能电池并联相接，短路电流加倍，无负载电压不变，从而图中出现交点C，氢气产生量增加，达到较高的氢气产生效率.多数情况下产生的氢气、氧气的量如表3所示.

表3　不同电流与时间下产生的氢气与氧气的量

由上表拟合出单位时间内氢气、氧气产生量与电流的关系分别为

ΔVH2=11.5I

ΔVO2=5.4I

由此可以看出，单位时间内产生的氧气、氢气量分别与电流呈线性关系，随着电流的增大气体的产生量也在增加，且氢气的产生速率是氧气的2倍.

电解装置的能效因数为氢气储存的化学能Ech和提供的电能Ee之间的比值为

氢燃料的化学能为286 kJ/mol.1mol的氢气体积为24 414 mL.

以电流为0.1 A，温度为20℃时为例

Ee=0.1A×1.55V×360s=55.8J

由以上计算可知，在电流较小的情况下电解装置的能效因数还是较高的.

5结论

太阳能和氢能被视为最具潜力的新能源并因此被广泛研究，太阳能具有普遍、无害、长久等特点，氢能具有燃烧热值高、燃烧产物是水、无污染的特点，可循环利用，持续发展.利用太阳能电解水来制取氢气则将两大新能源创新性地结合到了一起.通过对其曲线研究可知：如果将串联太阳能电池并联相接，短路电流加倍，无负载电压不变，氢气产生量增加，达到较高的氢气产生效率.且通过实验得出单位时间内产生的氧气、氢气量分别与电流呈线性关系，随着电流的增大气体的产生量也在增加，且氢气的产生速率是氧气的2倍，同时得出在电流较小的情况下电解装置的能效因数还是较高的.以上结论均可为后续进一步开展氢能的研究提供一定的参考数据.

参 考 文 献

1王宝辉,吴红军,刘淑芝，等.太阳能分解水制氢技术研究进展.化工进展,2006,25(7):733～738

2康诗钊,杨秋玲,穆劲.太阳能光催化分解水制氢的研究进展.汽车与配件，2009,13(1):45

3陈德明,徐刚.太阳能热利用技术概况.物理，2007,36(11):840～847

4倪萌,M K H Leung,Ksumathy.太阳能制氢技术.可再生能源,2004,3(115):29～31

5黄金昭,徐征,李海玲,等.太阳能制氢技术研究进展.太阳能学报, 2006,27(9):947～954