光伏光热耦合PEM制氢系统的热力性能应用研究

作     者：陈柏旭 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：陈海平;郭江龙

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：氢能 光伏光热 聚光 可再生能源制氢 (火用)_分析 过程模拟 

摘      要：氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源,被认为是未来能源革命的重要方向。我国具有良好的制氢基础和大规模的应用市场,发展氢能优势显著。但是,我国氢能产业也面临着制氢成本高、碳排放大的问题。目前,我国制氢原料以化石能源为主导,占比约80%,在生产过程中会有大量二氧化碳排放。虽然可再生能源制氢(绿氢)是未来重点发展方向,我国可再生能源发电成本仍然高于化石燃料发电成本,而电解水制氢的成本主要取决于电力价格。因此,可再生能源制氢的经济性还不具备竞争力。本文重点关注两种近年来比较热门的光伏光热耦合制氢系统与聚光光伏光热耦合制氢系统,并对其性能进行对比,为可再生能源制氢的发展提供了新的模拟仿真结果和运行模式参考。首先,进行了光伏光热耦合制氢系统的热力性能应用研究。通过对比相关文献,采用增量电导法作为光伏系统的最大功率点追踪算法(MPPT),并结合某地某日的太阳辐照强度与环境温度进行模拟。拟定了光伏光热(PV/T)系统的热平衡算法求解过程,并使用过程模拟软gPROMS程序求解在给定环境条件下PV/T系统的光、热、电转换情况。其次,采用gPROMS程序与联立方程法,搭建了控制循环水入口温度的PEM制氢系统,确定了其热力性能评价指标。研究发现,在适当的运行参数下,既阳极入口水温控制在70℃,循环水的入口水温度不超过64.71℃,该制氢系统具有较高的能量转换效率和产氢量,同时能保证系统运行安全性。搭建了 PV/T耦合制氢系统,以某日实际环境参数为基础,对系统进行模拟研究。结果表明,其总能量转换效率在39.0%至49.1%之间,并且在较高太阳辐照强度与环境温度条件下其总效率较大,产氢量较多,但制氢能量效率较低。最后,对聚光光伏光热(CPV/T)系统进行了模拟。搭建了三种基于不同冷却水处理方式的CPV/T耦合制氢系统。结果表明,冷却水直接汇入法在光氢转换效率和系统稳定性方面具有更大的优势。对比分析了光伏光热耦合制氢系统和聚光光伏光热耦合制氢系统,发现后者在能量转换效率、产氢量以及总(火用)_效率方面表现更优,分别达到55.7%,0.0989kg/s和14.6%,但其能量效率与总(火用)_效率在高太阳辐照条件下相较于前者优势更小,这表明聚光光伏光热耦合制氢系统不建议在极端高太阳辐照条件下运行。系统在环境保护方面表现良好,标准节煤率为15.5吨/日,二氧化碳减排率为38.0吨/日。研究成果为光伏光热耦合制氢技术的工程化应用提供参考,有助于推动该领域的技术进步。