風力/太陽能–混合發(fā)電/制氫系統(tǒng)方案

　　在最近幾年，對于可再生能源的開發(fā)利用急劇增長。根據(jù)美國能源信息管理局的報告(EIA)，在2013的上半年，可再生能源占美國總能源消耗的9.81%和總能源生產(chǎn)的11.82%，相比十年前，其比例約高出了60%。然而，隨著可再生能源的增長，其價值的爭論從未停止。人們主要關注的問題是可再生能源發(fā)電并網(wǎng)后是否能夠產(chǎn)生足夠的實際的經(jīng)濟價值。由于大部分的可再生能源，特別是風能和太陽能，坐落在人口較少的地區(qū)，遠離電網(wǎng)，導致將電力傳給用戶需要巨大的費用。此外，太陽能不連續(xù)性的自然特性和其發(fā)電不易并網(wǎng)的特點導致了嚴重的電力閑置問題，這進一步增加了可再生能源發(fā)電的生產(chǎn)成本。但隨著技術的發(fā)展和電網(wǎng)的擴展，到2018年，發(fā)電成本預期將達到風能為0.14美元/kwh、太陽能為0.08美元/kwh，但這仍然比天然氣(0.06美元/kwh)的售價更昂貴。評論家甚至認為風力/太陽能發(fā)電將產(chǎn)生更多的二氧化碳排放量，因為發(fā)電過程中需要更多的煤來維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性 。

　　一定程度上他們可能是對的，但這并不意味著發(fā)展可再生能源是沒有意義的，因為在存儲能源的方案得到應用后，現(xiàn)存問題都可以有效地解決。在能源存儲系統(tǒng)的幫助下，必要時，過多的可再生能源，可以在電力需求低時保留下來用于用電需求高的時候。據(jù)估計，可再生能源的利用率可以從30%提高到60%，預計將減少電力生產(chǎn)成本的一半。此外，從能源存儲裝置中產(chǎn)生的再生電力是非常穩(wěn)定、連續(xù)的，所以不需要更多的煤來維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。唯一的問題是：目前存在有效的能源儲存的解決方案嗎?答案是肯定的!

　　電池系統(tǒng)已被廣泛用于儲存多余的太陽能。到目前為止，由于相關技術的成熟和鉛低廉的價格，鉛酸電池系統(tǒng)是最具成本效益的電池系統(tǒng)。其對環(huán)境的負面影響也是最小的(由于鉛的回收率高——97%鉛可回收用于生產(chǎn)新的電池)。但由于電極硫化引起的相對較短的使用周期，在某種程度上限制了它的應用。鋰離子電池近年來吸引了大量的關注，因為它有更長的循環(huán)使用壽命并且重量明顯減輕。此外，由于鋰離子電池沒有記憶，所以它不需要定期完全放電，節(jié)省了大量的維修費用。然而，由于鋰元素在地球上的儲備較低，這種電池的生產(chǎn)成本非常高。更重要的是，根據(jù)來自斯坦福大學的研究人員進行的一項研究說明大部分的電池解決方案是不適合風能儲存的。“由于其低儲存生產(chǎn)投資比值(ESOI)為5-32”，項目負責人查爾斯Barnhart 說：“這意味著需要儲存風力發(fā)電的能源比實際存儲的能源成本更高。正如查爾斯所說“你不會花100美元來安全存放一塊10美元的手表”。因此，有必要開發(fā)新的解決方案來提高風力發(fā)電的儲能效率。

　　作為地球上最輕的元素，氫具有最高的能源密度，可以通過電將水分解產(chǎn)生。如果水電解槽與風力發(fā)電或太陽能電池板集成，氫氣作為能量儲存的媒介可由多余的風力、太陽能發(fā)電產(chǎn)生。在電網(wǎng)高峰時段，質子交換膜(PEM)燃料電池站發(fā)電來滿足電網(wǎng)要求。由于PEM燃料電池發(fā)電過程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉換率高;發(fā)電時不產(chǎn)生污染，發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時也沒有噪音。所以，質子交換膜燃料電池電源是一種清潔、高效的綠色環(huán)保電源。

　　相比傳統(tǒng)的電池存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有兩個顯著的優(yōu)點：

　　(1)循環(huán)壽命長。制氫設備通常設計為20年的使用壽命，質子交換膜燃料電池站通常可以可靠運行40,000小時。最近，Adzic在Brookhaven國家實驗室(BNL)在質子交換膜燃料電池穩(wěn)定性上取得突破，將進一步增加該系統(tǒng)的壽命。在Charles Barnhart的研究的基礎上，增加電池(PEM燃料電池可以被視為一種類型的電池)ESOI的最可行的方法是提高循環(huán)壽命。因此本系統(tǒng)有效地儲存風能是非常有前景的；

　　(2)產(chǎn)氫所需的原材料只有純水(常見的水電解技術需要10%--30%的堿性水以增加水的電導率，然而在聚合物電解質膜分離技術中只需要純水)另外質子交換膜燃料電池的排放又是純凈的水。因此，該系統(tǒng)是非常符合成本效益和環(huán)境友好的宗旨；

　　這種方法的問題是，傳統(tǒng)的發(fā)電機電解制氫過程中需要穩(wěn)定的電流和電壓。由于風力/太陽能發(fā)電是間歇性的，連接到該電源的制氫設備很難正常工作，除非安裝額外的變壓器，但是這也提高了運行成本。但最近發(fā)明的Verde制氫設備克服這個障礙。這項專利技術使制氫設備在任何的電流和電壓下得以運行，尤其提高了在間歇性的風力/太陽能發(fā)電的下的產(chǎn)氫效率。此外，基于PLC芯片的自動控制系統(tǒng)，Verde制氫設備也能強制性的保證在這個系統(tǒng)的各個組成部分之間的相互協(xié)作運行。

　　總之，與風能或太陽能一體化的能量存儲系統(tǒng)能顯著提高可再生能源的利用效率，給并網(wǎng)發(fā)電帶來相當積極的經(jīng)濟影響。因此，從提高其經(jīng)濟性和環(huán)境保護的方面來考慮，穩(wěn)步持續(xù)發(fā)展可再生能源和提高可持續(xù)能源并網(wǎng)率是必要的。