厦门大学光伏材料期末考核作业-光伏与电解水制氢技术

厦门大学研究生课程论文课程名称：光伏材料学院：化学化工学院学号：123456788905姓名：XXXX完成时间：2024年1月10日

光伏与电解水制氢技术【摘要】发展清洁能源是人类社会可持续发展的必由之路，氢能作为最具备发展潜力的清洁能源,是可持续社会发展的方向标和发动机，发展氢能将引领全球能源革命。氢气的主要来源包括两个方面：化石燃料(煤炭、天然气等)制氢、电解水制氢。其中化石燃料制氢技术成熟，成本低，但局限指出在于生产过程产生大量温室气体——二氧化碳；作为理想的制氢技术，电解水制氢利用可再生能源制氢，实现二氧化碳零排放，代表了未来的方向，但目前生产成本较高。通过降低发电成本可实现电解水制氢成本的降低，光伏是近年来发电成本下降最快的可再生能源，因此需要加大力度开发新型高效廉价光伏技术。【关键词】电解水；光伏；氢能；可再生能源；太阳能1.1当前能源格局后疫情时代下，受世界经济增速降低以及产业结构出现调整等诸多因素影响，能源需求疲软。与此同时，全球气候变暖问题日益严重，这引发全人类对化石能源使用的思考与担忧，巴黎气候变化大会悄然开启人类化石能源终结时代。新兴市场国家将带动能源需求持续增长，预计未来20年世界能源消费年均增长1.4%左右。全球范围内应对气候变化和大气污染防治将深度改变未来能源结构，预计未来20年清洁能源占一次能源消费比重将提高10个百分点以上。未来能源供应在地域上更趋多极化，能源生产西移，在能源品种上更趋多元化。但到目前为止，以煤炭、石油和天然气为代表的化石能源在能源消费中的主体地位仍不可撼动，但其内部结构却在不断发生变化。自第二次工业革命以来，化石能源的消费量急剧上涨，起初形成了以煤炭为主的消费格局。进入20世纪以后，尤其是第二次世界大战以来，石油和天然气的消费量持续增加，石油取代了煤炭成为最主要的能源。根据BP统计数据[1]，石油占世界一次能源消费量的比重在1973年达到峰值(占比48.7%)后逐年降低，到2015年，石油占比为32.9%；天然气所占份额不断提升，由1965年的15.8%上升到2015年的23.9%，提高了约8个百分点；煤炭的占比在1999年降到最低点后(约25%)，又出现小幅回升，近几年占比维持在30%左右；核能的占比在经历了短暂上升后又开始下滑，到2015年占比不到4.5%；可再生能源的消费量在过去几十年间一直稳步增加(主要以水电为主)，所占比重由1965年的5.6%上升到2015年的9.6%，提高了4个百分点。从能源供应结构看，受碳排放政策日趋严格和能源新技术的快速发展的影响，天然气的供应进入黄金时代，可再生能源的地位持续上升，能源供应持续向更为高效、清洁的多元化方向发展。可再生能源作为一种更加清洁的能源，其不仅从源头上取之不尽，并且在开发使用过程中可以不断再生、用之不竭，最终的副产物对生态、环境危害极小。因此，可再生能源在能源供应多元化发展中扮演愈来愈重要的角色，尤其在发电领域。1.2太阳能的利用可再生能源相对于传统化石能源来说是一种新型清洁能源，主要包括太阳能、水能、海洋能、风能、生物质能、潮汐能及地热能等，其中太阳能最引人注目。据计算太阳每年向地球输送的热和光，相当于1000亿吨石油燃烧所释放的能量。我国有阳光辐照的地区占全国总面积的三分之二以上，每年平均日照时长大于2000h，因此具有大力开发太阳能的先天优势[2]。太阳能可通过两种途径被直接利用，光热和光伏。由于太阳能可转换成可存储、可运输的清洁能源，如氢能，可以更加充分的利用太阳能，因此开发太阳能光伏制氢技术可以实现太阳能高效利用。太阳能制氢，实现了清洁能源生产清洁能源，并可以有效地消纳光伏发电，可以实现两种重要新能源之间的有效结合应用。随着光伏发电和电解水制氢技术的不断发展，成本的逐渐降低，太阳能制氢将能逐渐满足商业化的要求，成为我国能源安全和能源结构调整的又一生力军。典型的太阳能光伏制氢技术主要包括光电化学制氢和光伏电解水制氢两种方式。光电化学制氢的实现在于制备光化学电池，光阳极吸收光子，产生电子，移动至光阴极，产生氢气。光能通过光化学电池系统转换为氢能，光子能量转换从而产生电流，它的优势在于系统集成性较高，有利于电荷存储，但是光电化学制氢的转换效率较低，半导体材料在电解液中易腐蚀、不稳定，因此害处于探索阶段。光伏电解水制氢通过两个能量转换单元：太阳能电池和电解槽系统，将光能转换为电能再转换为氢能，其原理与普通电解水制氢原理类似。该系统分布式作业、灵活稳定，避免了半导体材料在电解质溶液中的腐蚀，同时该技术发展较为成熟。从整体上来讲，目前光伏电解水制氢技术优于光电化学制氢技术。1.3太阳能光伏电解水制氢系统太阳能光伏电解水制氢系统由太阳电池和电解水制氢两个“能量转换单元”构成，有着40年的发展历史，被看作是最有前景的制氢方法之一。光能在太阳电池作用下转换成电能，可直接使用；富余的电能参与电解水制氢，将电能转换成氢能，供存储使用。由于这一过程分别使用转换效率较高的太阳单纯和较好的电化学电极材料以提高光电化学转换效率，同时有效避免了因半导体电极带来的光化学腐蚀问题。图1.1太阳能光伏电解水制氢系统（图片来自网页）1.3.1太阳电池太阳电池是实现光能到电能转换的器件，即通常所说的光伏发电。最早的太阳电池于1954年诞生于美国贝尔实验室，其首次发表的单晶硅pn结太阳电池效率达6%[3]。时至今日，太阳电池的发展历经四代，包括硅片技术、薄膜工艺、聚合物及纳米材料添加和多结叠层组装[4]。目前太阳电池市场仍以每年以20%~30%的增长率稳步发展。然而，硅太阳电池的加工工艺及技术手段已进入发展的瓶颈期，效率提升空间有限。薄膜太阳电池中常用的原材料包括镉、砷、碲及铟等金属，易导致环境污染，并且地球含量相对较低。新兴太阳电池，如有机电池、量子点电池及钙钛矿太阳电池，虽原材料较丰富，但目前器件稳定性较低，且制备工艺难以实现产业化加工[5]。1.3.2电解水制氢电解水制氢系统的工作原理是由浸没在电解液中的一对电极中间隔以防止气体渗透的隔膜而构成的水电解池，当通以一定的直流电时，水就发生分解，在阴极析出氢气，阳极析出氧气。其反应式如下：阴极：4H2O+4e-=2H2↑+4OH阳极：4OH-+4e-=2H2O+O2↑总反应式：2H2O=2H2↑+O2↑1.4太阳能光伏电解水制氢在光伏发电系统中的应用光伏发电制氢主要利用光伏发电系统所发直流电直接供应制氢站制氢。光伏直流发电系统相比传统电站减少了逆变和升压的过程，主要设备设施包括光伏组件、汇流箱、支架、基础、接地装置等，光伏组件可根据制氢站输入电压和电流要求进行串、并连配置，从而提高系统效率。光伏制氢为光伏发电创造了一个新的应用场景和广阔的市场需求。目前全球氢气需求量约6千万吨/年，如果全部由光伏发电来生产，需要超过1500GW的光伏[6]。未来三十年氢的年均新增需求在2000吨以上，每年需要新增约900GW光伏装机。未来氢能在终端能源体系中的占比将达到10%至15%，氢能将与电力协同互补，共同作为终端能源体系的消费主体，并带动形成十万亿级的新兴产业。2总结与展望向氢能扩张成为光伏产业的新潮流，光伏企业开展氢能业务具有独特的产业优势。与用化石燃料制灰氢、蓝氢不同，用清洁能源电解水制绿氢，其生产过程基本不产生温室气体，是更为清洁的氢气，而目前我国绿氢占比仅为4%。在我国太阳能富集区域发展光伏电解水制氢，还可以有效解决弃光现象，避免资源浪费，同时也可降低制氢成本。从中长期看，可再生能源成本仍有大幅下降空间，如按每千瓦时0.11元电价计算，电解水制氢成本将至少下降一半，与化石能源制氢相比更具竞争力。当前，无论是从技术储备还是产业规模而言，氢能产业都走到了爆发的临界点。在不少光伏企业看来，只有提前布局氢能，才能赢得未来。但与光伏不同，氢能产业链条更长，技术要求更高，且缺乏清晰的商业模式，还需在政策与资本的助推下，实现技术与商业化的持续突破，氢能崛起注定是一场持久战。

参考文献[1]2021年版《bp世界能源统计年鉴》报告[M].[2]ZiniG,Tartarini,P.Solarhydrogenenergysystems:Scienceandtechnologyforthehydrogeneconomy.NewYork:SpringerMilan,2012.[3]ChapinDM,FullerCS,PearsonGL.Anewsiliconp-njunctionphotocellforconvertingsolarradiationintoel