转自 设施农业工程学人
【研究背景】
本研究介绍了一种新型的太阳能聚光光热发电-固体氧化物电解电池系统，该系统通过优化电能和热能的利用来提高制氢效率。该系统集成了一个热发电机，将多余的高温热能转化为电能，解决了高温水电解带来的能量损失。热力学分析表明，热电机组的集成将能量效率和火用效率分别提高到0.60和0.52，同时将最佳工作温度降低到1173 K。系统的效率对火力发电机提供的电能比例敏感，最佳范围在0.1和0.2之间。较高的温度可以提高氢气的产量和效率，但增加的电压会对热力学效率产生负面影响。这些发现表明，与传统的太阳能制氢方法相比，该系统提供了实质性的改进，使其成为可持续制氢的有希望的候选方案。进一步的研究将集中在系统集成、材料成本和商业应用的可扩展性上。
目前，相关成果以“Full-spectrum solar water decomposition for hydrogen production via a concentrating photovoltaic-thermal power generator-solid oxide electrolysis cell system”为题发表在《Energy Conversion and Management》(IF2023=9.9, CiteScore=19.0)上。文章第一单位为西南交通大学机械工程学院，文章第一作者为Heng Pan，文章通讯作者为Shaoqi Wang和Youjun Lu。
【文章解读】
图1. (a) CPV-TPG-SOEC系统概念流程图；(b) AM1.5太阳和c-Si吸收光谱辐照度；(c)太阳能驱动CPV-TPG-SOEC制氢系统示意图.
图1a给出了所提出的CPV-TPGSOEC系统的概念流程图，该系统使用吸收光谱范围为250-1100 nm的c-Si光伏电池。在这个系统中，分散的太阳能首先使用太阳能收集装置进行集中。聚光的太阳能随后通过一个光谱分压器，该分压器将250-1100nm波长范围内的太阳光引导到CPV单元。CPV单元处理的能量随后被分为电能和热能，如图1b所示的比例。
为了最大限度地提高整个系统的效率，CPV废热回收单元被纳入捕获热能，否则会损失。该回收装置具有双重优势：利用回收的热能对工艺水进行预热，从而提高能源利用率；降低CPV机组的热负荷，提高运行效率，延长CPV机组的使用寿命。此外，在目标波长范围之外的集中太阳能被引导到空腔接收器（CR）单元，在那里它是转化为高温热能。然后将这种高温热能分成两股：一股提供SOEC单元所需的热能，另一股通过TPG单元转换为电能，为固体氧化物电解电池（SOEC）单元提供所需的电能。这种综合方法旨在通过优化来自太阳能输入的热能和电能的分配来提高系统的整体能源效率。在该系统中，总电能来自两个主要组件：CPV单元和TPG单元。为了量化火力发电机（TPG）机组的贡献，引入变量h，表示TPG机组提供的总电能的比例。该参数可以精确分析能量分布和系统效率，明确集成系统中每个组件的贡献。
图1c为典型的CPV-TPG-SOEC系统设计的水电解制氢示意图。该系统由几个关键部件组成：一个频谱分频单元、一个CPV单元、一个TPG单元、一个SOEC储罐和四个热交换器。这些组件战略性地集成在一起，以最大限度地提高能源效率，特别强调从产品和反应物气体中回收显热的热交换器。在运行过程中，氢气和未电解的水蒸气从电解槽的阴极释放出来，而氧气从阳极排出。这些高温输出物——氢、氧和水蒸气——被引导通过热交换器，其中很大一部分热能被回收并用于预热补给水。热交换后，氧气被冷却到环境温度，氢-水混合物也被冷却和分离。氢气被储存为燃料，而剩余的水在标准条件下与进水混合，并通过热交换器循环，进一步帮助加热补给水。随后，利用CR机组提供的高温热能，将预热水带到SOEC的工作温度。最后，高温水蒸气在SOEC罐内进行高效电解，完成制氢循环。
图2. (a)有和没有TPG的系统的热力学效率；(b)产生一摩尔H2所需的太阳能；(c)有和没有TPG的系统中电能与热能的比率；(d)有和没有TPG系统的能量分数.
图2a示出了含TPG和不含TPG的系统的热力学效率。在没有TPG的系统中，效率最初随着温度的升高而增加，在1400 K左右达到峰值，然后下降。这一趋势归因于在较低温度下SOEC水电解的效率提高与在较高温度下增加热损失之间的平衡。随着温度的升高，SOEC水电解效率提高，导致系统整体效率的提高。然而，超过一定的阈值，热损失占主导地位，导致效率下降。TPG的加入显著提高了系统性能，将最大能量和火用效率分别提高到0.60和0.52，同时将峰值效率发生的温度降低到约1173 K。这种改进是由于TPG在较低温度下提供额外的电能，从而减少了对热能的依赖，并优化了整个系统的能量分配。为了获得最高效率，最佳温度的变化表明系统可以在较低温度下有效运行，这对反应堆设计和材料选择具有重要意义，因为较低的工作温度通常会减轻材料应力和降解。
图2b显示了产生一摩尔氢所需的总太阳能，比较了有和没有TPG的系统。该图表明，在这两种情况下，太阳能需求都随着温度的升高而降低，直到达到最小值，然后开始上升。这个最低温度对应于热力学效率最大化，强调效率和能量输入之间的直接关系。采用TPG的系统需要更少的太阳能，进一步强调了采用TPG所获得的效率提升。
图2c显示了系统提供的电能和热能的比例。在1073 K和1273 K的温度下，最佳SOEC运行所需的理论比率分别为4.0和3.4。然而，没有TPG的系统就不足了，分别只有1.4和1.6。这种不匹配表明，没有TPG，系统提供的热能相对于电能过多，导致大量的能量损失。相比之下，配备TPG的系统在1073 K和1273 K时将这些比率分别提高到1.8和2.0。
这一改进突出了TPG在平衡能量输入方面的作用，从而提高了系统的功能效率并减少了能量损失。图2d通过说明有和没有TPG的系统的能量分数进一步验证了这些发现。TPG的加入大大减少了热损失（Qother），提高了燃料产量（Qfuel），强调了其对提高热力学效率的贡献。总的来说，TPG的加入不仅减少了能量损失，还优化了操作条件，使系统能够在更低的温度下实现更高的效率。
图3. (a)热力学效率随h变化；(b)系统能量分数随h的变化.
如前所述，TPG提供的电能比例(h)是决定系统热力学效率的关键因素。研究h变化对系统效率的影响，重点关注两种TPG效率：ƞTPG=0.76，代表基于朗肯循环的理想情况，ƞTPG=0.40，反映当前的行业标准。
从图3a可以看出，当ƞTPG=0.76时，热力学效率随着h的增加而增加，直到h=0.2处出现拐点。超过这一点，由于对高温热能的需求增加，效率提高的速度减慢，这超过了CR装置的可用供应。这种额外的需求需要补充太阳能输入，这降低了整体效率。相反，当ƞTPG=0.40时，系统的效率先增加后下降，在h=0.12左右达到峰值。这种行为表明，在一定条件下，与没有TPG的系统相比，即使TPG效率较低，系统也可以获得更高的整体效率。
图3b显示了能量分数随不同h值的变化。与没有TPG的系统相比，有TPG的系统始终表现出更高的Qfuel。当ƞTPG较高时，系统热能损失显著降低，燃料产量相应提高。
但是，随着h的增大，高温发电过程中与TPG单元相关的能量损失（QTPG-loss）也随之增大，说明随着h的增大，TPG的效率对系统整体性能的影响越来越大。这些发现表明，h的最佳范围在0.1到0.2之间，尽管这个范围可能会根据温度和其他操作条件而变化。
图4. (a)热动力效率随工作电压变化；(b)电流密度和H2产率随工作电压变化；(c)不同工作电压下h = 0的能量分数；(d)不同工作电压下h = 0.1的能量分数.
工作电压是影响系统热力学效率的另一个关键参数。本研究在1273 K时，标准电位E0为0.92 V，开路电压Eocv为1.04 V。从图4a可以看出，增加工作电压会导致热力学效率下降。当电压从1.1 V增加到2.0 V时，无TPG系统的效率从0.62下降到0.34，而有TPG系统的效率从0.70下降到0.40。
尽管效率会降低，但较高的工作电压也会增加电解槽的电流密度，提高单位面积的氢气产量，如图4b所示。这种权衡表明，虽然较高的电压降低了热力学效率，但它们提高了氢气的输出，这可能取决于系统的运行目标。
图4c和图4d给出了h=0和h=0.1时系统的能量分数在不同工作电压下，分别为0和h=0.1。随着电压的升高，SOEC电解过程中极化电阻等因素造成的能量损失也随之增加。虽然燃料产率增加，但Qfuel的分数明显下降，导致观察到的热力学效率下降。这些发现强调了精确的电压控制对于平衡效率和氢气产量的重要性。根据应用的具体需要仔细设置工作电压是至关重要的。较低的电压通常可以使效率最大化，而适度的增加可以促进氢气的生产。最佳电压通常在1.1 V到1.5 V之间，在此电压下，系统可以在效率和氢气输出之间取得平衡，而不会产生显著的能量损失。然而，更高的电压，在增加电流密度和氢气产量的同时，可能会导致额外的低效率，进一步强调需要仔细的电压管理。
【文章总结】
该文介绍了一种新型太阳能CPV-TPG-SOEC系统旨在通过优化电能和热能的利用，显著提高氢气生产的效率。热发电机的集成解决了通常与高温水电解相关的能量损失，提高了系统性能和可持续性。热力学分析表明，该系统的能量效率和火用效率分别为0.60和0.52，同时将最佳工作温度降低到约1173 K，从而在较低温度下实现更高效的运行。结果强调了火力发电机的关键作用，其对电能(h)的贡献被确定为优化效率的关键因素，特别是在0.1到0.2的范围内。虽然温度升高可以提高氢气产量和系统效率，但较高的工作电压虽然会提高氢气产量，但会对整体热力学效率产生不利影响。这些发现为平衡电能和热能输入以实现最佳制氢提供了新的见解。
总之，CPV-TPG-SOEC系统在最小化能量损失和提高整体效率方面比传统的CPV-SOEC系统有了显著的进步。它能够在较低温度下高效运行，减少材料降解和运行成本，使其成为大规模可持续制氢的有希望的候选者。然而，进一步的理论和实验研究对于优化系统集成，开发具有成本效益的材料以及在实际应用中验证性能至关重要。这项工作为未来太阳能氢能技术的创新奠定了基础，有助于实现向可再生能源解决方案过渡的更广泛目标。
【文献来源】
Heng Pan, Shaoqi Wang, Yuhao Zhao, et al. Full-spectrum solar water decomposition for hydrogen production via a concentrating photovoltaic-thermal power generator-solid oxide electrolysis cell system. Energy Conversion and Management, 2024; 322: 119158.
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.119158
#太阳能 #全光谱 #制氢 #火力发电机
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