国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志
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婴儿Pooja1萨特南·辛格·杜布2， Parveen Lehana3.
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| 有关文章载于Pubmed，谷歌学者 |
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目前，作为满足世界能源需求的主要能源来源的化石燃料正在迅速枯竭。他们的废料也造成了全球性的环境问题。解决办法之一是用非化石燃料能源系统取代现有的化石燃料能源系统。先进非化石燃料发电的相对成本和二氧化碳减排效益。在脱离公共电网的电力系统中使用光伏发电通常需要短期存储以补偿昼夜周期，同时也需要长期存储以消除季节性能量收集的差异。本文提出了一种基于太阳能氢燃料的小型发电模型，解决了能源长期储存的问题。在太阳能-氢能源系统中，一些光伏阵列将提供当前的电力需求，而另一些将用于生产氢气储存，然后用于燃料电池发电。本文还介绍了太阳能-氢燃料系统之间不间断发电的系统设计，即不受天气、气候和太阳的影响。
关键字 |
| 电解工艺，负载，万用表，PEM燃料电池，太阳能电池板 |
介绍 |
| 能源是社会和经济发展的重要投入。由于农业、工业和家庭活动的普遍化，对能源的需求显著增加，尤其是在新兴国家。这意味着温室气体排放水平的迅速增长和燃料价格的上涨，这是努力更有效地利用可再生能源的主要动力，即来自自然资源的能源，也可以自然补充。尽管可再生能源具有明显的优势，但它也存在重要的缺点，如发电的不连续，因为大多数可再生能源依赖于气候，这就是为什么它们的使用需要复杂的设计、规划和控制优化方法。由于季节性和周期性的变化，单独的太阳能系统和氢能系统都不能为独立系统提供持续的电力供应，这是谨慎的。不同类型的能源如图1所示。所有生活的基本必需品都依赖于充足和不间断的能源供应。然而，我们认为这是理所当然的——能源需求年复一年地持续增长。本文提出了一种基于太阳能-氢燃料的小发电量模型，解决了能源长期储存的问题。在太阳能-氢能源系统中，一些光伏阵列将提供当前的电力需求，而另一些将用于电解产生氢气储存，然后用于燃料电池发电。 |
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| 从长远来看，以氢为基础的经济将对所有部门产生影响。氢在很多方面都是一种理想的能源载体或能源货币。生命周期评价是一种系统的分析方法，有助于识别和评价竞争过程对环境的影响。 |
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| 如图2所示，创建了一个生命周期清单，其中包括可归因于氢气[2]生产的所有流量的总输入和输出。如图3所示，可再生能源产生的电力可以通过电解水来制造氢气和氧气，氢气和氧气在燃料电池中重新结合，在需要时发电。这项工作解决了与开发用于能量回收的机载制氢新概念[3]有关的问题。 |
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| 太阳能制氢在多云天气可能很难实现。因此，为了实现不间断的能源供应，基于太阳能的系统应该得到替代能源生产机制的支持。例如，基于太阳能氢存储的系统可能有助于实现这一目标，如图3所示。它允许测试能量管理策略，以最好地满足燃料电池的功率需求。没有其他能源生产技术能像燃料电池那样兼备各种优点。其中一些好处如下。 |
| 能源安全:资源丰富 |
| 供应安全:高效、模块化、燃料灵活 |
| 物理安全:资源在自然界中均匀分布 |
| 高可靠性 |
| 高品质电能和高效率——高达85% |
| 环境友好的 |
| 本文的目的是研究太阳能氢燃料电池系统的时间功率分析。第二部分介绍了太阳能氢燃料电池系统，该系统由太阳能电池板、水电解过程和氢燃料三部分组成。方法载于第三节，结果和讨论载于第四节，结论载于第五节。 |
太阳能氢燃料电池系统 |
| 太阳能-氢燃料电池系统是由太阳能电池板、水电解过程和氢燃料以及聚合物电解质膜(PEM)燃料电池三部分组成的系统。它由太阳能电池板、电解槽和通过燃料电池[4]发电三部分组成。 |
| 太阳能电池板:燃料价格不断上涨，全球石油储量濒临下降，可再生能源正在被关注，作为永不枯竭的未来能源。现在发展中国家最需要太阳能。传统的太阳能电池被称为光伏电池，用于获取太阳能。它通过太阳能电池将太阳光直接转化为能量。光伏是指通过光产生电压。太阳能光伏系统直接将阳光转化为有用的电能。这个过程被称为光电效应，由Alexander Bequerel在1839年发现。光伏效应描述了当光照射固体表面时，正负电荷载流子的释放。PV系统中的能量发生器是太阳能电池。这些太阳能电池是由半导体材料制成的，通常是硅。 When light hits the cells, they absorb energy through photons. This absorbed energy knocks out electrons in the silicon, allowing them to flow. By adding different impurities to the silicon such as phosphorus and boron, an electric field can be established. This electric field acts a as a diode, because it only allow electrons to flow in one direction. Consequently, the end result is a current of electrons, better known to us as electricity. For given solar irradiation, the efficiency of PEC (Photo Electrochemical Cell) hydrogen energetic output is lower than the Photo Voltaic electrical output [6]. The output power (product of current and voltage) of a solar cell is temperature dependent. Higher cell temperature lead to lower output and hence to lower efficiency. The level of efficiency indicates how much of the radiated quantity of light is converted into usable electrical energy. The electrical system powered by solar arrays requires special design considerations due to varying nature of the solar power generated resulting from unpredictable and sudden changes in weather conditions which change the solar irradiation level as well as the cell operating temperature [7]. |
| 电解过程:电解是一种通过电流分离结合的元素和化合物的方法，或被定义为通过电流分解物质。当电流通过含有电解质的水时，水分子通过氧化还原反应分解。如图4所示，氧气在阳极产生，氢气在阴极产生。 |
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| 硫酸钠等电解质的作用是提供离子，使电流通过溶液。根据电解液的性质，在水溶液电解过程中，在阳极和阴极可能会发生不同的反应。 |
| 氢燃料电池:氢是一种能量载体，可用于存储、移动和传递从其他来源产生的能量。它是地球上最简单的元素，也是宇宙中最丰富的元素;但是，尽管它简单而丰富，氢在地球上并不是以气体的形式自然存在的。它总是与其他元素结合，例如水是氢和氧的结合。氢也存在于许多有机化合物中，尤其是构成燃料的“碳氢化合物”，如汽油、天然气、甲醇和丙烷等。使用纯氢发电首先必须从含氢化合物中提取出来，然后才能用于燃料电池[8]。例如，在电解水的过程中，电被用来产生氢和氧。在燃料电池中，反向反应发生;氢和氧反应生成水和电。当氢燃烧时，氢和氧之间发生反应，生成水，而能量则以热的形式释放出来。 In A fuel cell, the process is split in two parts. The two processes take place on each respective side of the electrolyte which keeps the gases separated, but which transports ions. The negatively charged electrons move in an outer electrical circuit. With this apparatus a portion of chemical energy is converted directly to electrical energy. In reality, the efficiency is lower, but compared to traditional technology, the fuel cell is very efficient. There are several fuel cells with different characteristics and uses. They are usually classified according to the electrolyte that is used i.e. alkaline (AFC), proton exchange membrane (PEMEC), phosphoric acid (PAFC), molten carbonate (MCFC), solid oxide (SOFC) etc. [2]. Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell is also sometimes referred to as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). PEM fuel cells are the serious candidate for small-scale distributed stationary power generation [9]. |
方法 |
| 对太阳能氢燃料电池系统的时间功率分析进行了研究。在本研究论文中，目标是利用氢燃料电池发电。实验设置如下图5所示。首先，太阳能电池板利用太阳能并将太阳能转换成电能。转换后，太阳能电池板将产生的电能应用于电解器，使水发生电解过程。当电流通过含有电解质的水时，水分子通过氧化还原反应分解。氧气在阳极产生，氢气在阴极产生，氧气和氢气收集在不同的烧瓶中。现在，收集到的纯氢和氧(以空气的形式)被应用到燃料电池中。燃料电池是一种将氢燃料直接转化为电和热而不燃烧的电化学装置。由于其电化学反应的性质，燃料电池的效率是内燃机的两倍多。 |
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| 内燃机燃烧燃料产生热量，然后将热量转化为机械能，最后转化为电能。燃料电池直接从氢和氧中产生电、水和热，然后将产生的可再生能源应用于各自的负载。本实验的硬件系统如图6所示。在本实验中，将太阳能组件在460欧姆的电阻负载下暴露于太阳辐射一小时后与电路连接。所有的读数都要间隔一分钟。 |
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结果与讨论 |
| 利用燃料电池系统对太阳能氢燃料电池的电学性能进行了研究。研究发现，在1.31 V(伏特)和27.5 μA(微安)电流下，功率输出最大功率点为36.025 nW(纳瓦)。因此，在1.31 V(伏特)和27.5 μA(微安)电流下，最大功率点为36.025 nW(纳瓦)，在0.21 V(伏特)和4.9 μA(微安)电流下，最大功率输出降至1.029 nW(纳瓦)。太阳能-氢燃料电池设置的最大功率输出在太阳能电池板从电路中取出后读数。所有读数每隔1分钟进行一次，如下表1所示。 |
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| 计算值以图表形式表示，如图7所示。所有这些在进步一体化和热电联产的概念中都是必要的，以减少每个单元的高能耗和困难。本文重点研究了太阳能氢预处理部分，它是太阳能氢预处理系统的重要组成部分。膜技术是一种很有前景的替代技术，采用该技术后PEM系统性能的克服与初步的数学模拟和无外需能条件的判据吻合较好。 |
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结论 |
| 通过对太阳能-氢燃料电池系统的实验研究可以得出，系统的功率随着氢气体积的减小而减小。随着时间的推移，它可以提供相当稳定的电压。此外，系统产生的氧气、热量和水等废物对环境当然是无害的。因此，我们研究了电解过程中氢气体积减小，输出功率也会减小。因此，在太阳能电解过程中采用储氢工艺可以克服这一缺点。 |
鸣谢 |
| 作者想对物理学和电子学博士学者Jang Bahadur Singh先生表达深深的感激之情，感谢他的知识和帮助。他不断的指导和鼓励使这项研究成为可能。 |
参考文献 |
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