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麻省理工新技术

太阳能制氢技术效率达40%

麻省理工学院近日发表的一项研究中,工程师们提出了一个系统的概念设计,该系统可以有效地产生“太阳能热化学氢”。该系统利用太阳的热量直接分解水并产生氢,可以为长途卡车、轮船和飞机提供动力,同时在这个过程中不会排放温室气体。目前,氢气主要是通过天然气、煤炭和其他化石燃料生产的。相比之下,太阳能热化学氢(简称STCH)提供了一种完全零排放的替代方案,因为它完全依赖可再生太阳能来驱动氢的生产。但到目前为止,现有的STCH设计效率有限:只有大约7%的入射阳光能量被用来制造氢气,结果是低产量和高成本。

研究小组估计,他们的新设计可以利用高达40%的太阳热量来产生更多的氢气,这是实现太阳能燃料的一大步。效率的提高可以降低系统的总体成本,使STCH成为一个潜在的可扩展的、负担得起的选择,以帮助运输行业脱碳。



STCH系统的核心是两步热化学反应。在第一步中,水以蒸汽的形式暴露在金属中。这使得金属从蒸汽中吸收氧,留下氢。这种金属“氧化”类似于铁在水中的生锈,但发生的速度要快得多。一旦氢被分离,氧化(或生锈)的金属在真空中重新加热,这可以逆转生锈过程并使金属再生。除去氧气后,金属可以冷却并再次暴露在蒸汽中以产生更多的氢,这个过程可以重复数百次。研究人员对概念设计进行了详细的模拟,发现它将显著提高太阳能热化学制氢的效率,从之前设计的7%提高到40%。

钙钛矿半导体

集成催化剂生产氢气

近日美国莱斯大学的工程师们,将下一代卤化物钙钛矿半导体与电催化剂,集成在一个单一、耐用、经济、可扩展的设备中,创造出一种能将阳光转化为氢气的装置,其效率达到了破纪录的水平。这种装置本质上是一种光电化学电池,其采用了新一代卤化物钙钛矿半导体和电催化剂,可以利用太阳能来驱动各种化学反应,将原料转化为燃料。该技术是清洁能源向前迈出的重要一步,可以作为一个广泛的化学反应平台,利用太阳能收集的电力将原料转化为燃料。

根据研究人员的说法,该装置的设计关键在于一个“防腐层”,可以有效地将半导体与水隔离,同时不影响电子的传递。据称,该装置拥有惊人的20.8%的太阳能转氢能效率。



研究人员表示:“利用阳光作为能源来制造化学品是清洁能源经济的最大障碍之一,我们的目标是建立经济上可行的平台,可以产生太阳能衍生燃料。在这里,我们设计了一个吸收光并在其表面完成电化学水分解反应的系统。”据了解,这种装置被称为光电化学电池,因为其在同一个设备中完成了光的吸收、转化为电力和利用电力来驱动化学反应的过程。以前,使用光电化学技术来生产绿色氢气受到了低效率和半导体成本高昂的限制。

具体而言,研究人员将太阳能电池改造成了一个反应器,可以利用收集到的能量将水分解为氧气和氢气。但他们必须克服的挑战是,卤化物钙钛矿在水中极不稳定,而且用来隔绝半导体的涂层会干扰或损坏它们。

制造绿氢的同时

剩余热量也可以使用

当今世界,约95%的氢气主要用于生产化肥和其他化工产品,或用于炼油,这些氢气都是通过裂解天然气制成的。氢气作为飞机、船舶、家庭供暖和发电的燃料,有着广阔的前景。而要让氢气成为可持续性燃料,生产氢气就必须使用可再生能源或碳排放很小的核能。制造氢气最可持续的方法之一是利用太阳能将水分解为氢气和氧气。这可以使用光电化学系统,这种系统吸收太阳光产生电力,用电力分解水。“我们不必设计和支付两个独立的系统。”澳洲研究人员表示:“这是一个单一的集成系统,最终具备成本优势。”

该团队在《自然•能源》杂志上报告了这个千瓦级系统,他们建造了一个直径7米的太阳能抛物面,其反射镜将太阳辐射集中到一点,强度为太阳正常输出的约1000倍。该抛物面追踪太阳的时间达6到8个小时。并不是所有集中在该太阳能电池上的太阳能都会转化为电能,其中一部分被转化为废热,该团队用热交换器提取这些废热,这些热量可以用于空间供暖或建筑物内的热水,也可以为工业生产提供燃料。



光伏制氢还得看中国

400℃制氢+万吨项目投产

早在年初,中国科学院工程热物理研究所首次实现了400°C温和条件下“净零排放”的天然气制氢原理突破。通过有序分离氢气和CO2产物,天然气制氢反应温度由传统的800-1000°C降至400°C以下,实现了99%以上甲烷直接转化为高纯氢与高纯CO2,并实现了基于化石能源的制氢与脱碳的完全协同。制氢与脱碳能耗下降幅度达20-40%。

基于此,该工作结合商业化中温槽式聚光技术,实现了太阳能驱动的天然气制氢与脱碳,进一步减少化石能源制氢的碳足迹,展示了化石能源与可再生能源互补实现可持续氢能利用的可行性。反应温度的降低使工业余热与氢能的结合成为可能。迄今为止,研究人员已完成了超过6000次的稳定循环实验,验证了该方法的可靠性,并初步展示了技术转化应用的广阔前景。



今年,全球最大的光伏绿氢生产项目在新疆正式开建,这是我国首个万吨级光伏绿氢示范项目,一旦正式投产年产量可以达到20000吨,对于推动我国绿氢产业链有着重要意义,也意味着氢能产业将会进入黄金发展期。该项目是国内第一次大规模将光伏发电直接用来制氢,此次项目总投资更是达到近30亿。项目主要需要解决五大技术难题,包括光伏发电、输变电、电解水制氢,以及氢气的储存和运输5个方面。

该项目新建的装机容量达到300兆瓦,光伏电站每年发电量预计能达到6.18亿千瓦时,电解水制氢厂年产能达到2万吨,装备储氢球罐能够储存21万立方气体,可见其规模之大。该项目预计将会在2023年6月建成并投产,预计每年能够为GDP贡献1.3亿元,创造税收1800多万。


目前全球使用的制氢技术主要有4种,分别是化工原料制氢、化石原料制氢、工业尾气制氢以及电解水制氢。在此之前,我们一直使用煤等化石燃料制氢,但是日本科研团队不久前在太阳能制氢技术方面取得突破,实现氢能领域的革命性突破,令人没想到的是,日本率先取得技术破冰,中国直接坐收红利,全球最大的光伏氢能项目直接落户新疆,每年都能给当地创收1.3亿。

氢能作为一种能真正实现零碳排放的新能源,在社会发展中的需求也会越来越多,因此实现这种低成本且环保的方式制氢,便于对氢能进行后续的推广和使用。我国此次集中 力量发展 光伏氢能项目对于国家发展、保障国家能源安全等方面都有重要作用。而项目中使用的光伏组件、电解槽、储氢球罐等关键装备已经全部实现国产,我们不需要依赖外部力量就能发展制氢产业,对我国新能源发展有着重要意义。

太阳能制氢前

真空镀膜最为重要

在太阳能电池的生产中,镀膜、刻蚀、封装是三大核心工艺环节:

镀膜:钙钛矿的制备工艺与其他薄膜电池类似,需要通过溶液涂布法、溶液喷涂法、气相沉积法等方式,制备高纯度、缺陷少、高覆盖率、致密的钙钛矿层薄膜与传输薄膜,以改善不同层结构之间的电学接触,减少传输过程中的损耗,实现高的电池转换效率。

刻蚀:通过多道激光刻蚀,可以构建钙钛矿电池中的电路结构,把多个钙钛矿电池串联成组件。

封装:目前的封装技术采用了类似晶硅的技术,主要是替换掉原本晶硅用的EVA胶膜,因为EVA是聚醋酸乙烯酯,它的聚合不可能100%完成,里面一定会存在醋酸的残基,而醋酸会跟胺类反应成氨基酸,所以从原理上EVA不可用在钙钛矿,钙钛矿主要用POE材料。



无论是哪种太阳能,都离不开表面镀膜:目前所有的技术方法,都不能很好的解决镀膜膜层均匀性的问题。喷涂法镀膜过程中,喷中心镀膜液富集多,造成花斑;表面刻蚀法因压花玻璃表面成分难以均一,导致刻蚀反应的速度不一致造成膜厚不均匀;即使均匀性辊涂法,受制于玻璃厚薄差、辊道传输抖动等多种因素的制约,也难以达到高精度的一致性。在镀膜均匀性无法进一步提高的情况下,其结果一方面造成组件的色差影响外观,另一方面由于镀膜玻璃各区域透光率不一致造成热斑效应,影响组件的耐久性。



针对这一问题,在制备太阳能电池时,一般是需要使用真空镀膜手套箱的:由真空镀膜系统和真空手套箱系统集成而成,可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀,并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。在手套箱氮气环境里里旋涂钙钛矿前驱液,避免接触水和空气,可以直接通过连接藏舱将制备好的钙钛矿电池传到蒸发舱里,蒸发电极,全程实验都可以做到无水无氧的环境下操作。



方腔室自动门热蒸发镀膜机嵌入手套箱内,配套膜厚仪,分子泵,机械泵,4个蒸发源,合理的蒸发源布局,保证每个蒸发源到基片的距离完全一样,提高了成膜质量和均匀性;整套系统由真空镀膜系统和手套箱系统集成而成,可在高真空蒸镀腔室中完成薄膜蒸镀,并在手套箱高纯惰性气体氛围下进行样品的存放、制备以及蒸镀后样品的检测。主要用于太阳能电池钙钛矿、OLED和PLED、半导体制备等实验研究与应用。



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