太阳能制氢的能量转换储存及利用系统--氢经济时代的科学和技术/国际电气工程先进技术

 原书序 

 可再生能源在未来的能源中将发挥非常重要的作用。这是我在法国国家太阳能研究所（INES）下属的太阳能系统实验室开展工作的驱动力，这也是Gabriele Zini选择在同一个团队中研究光伏系统的原因。随着光伏组件和系统的价格降低，欧洲南部的一些地区已经开始达成市电平价，这意味着太阳能发电销售价格已经可以与传统电力竞争。在未来十年，太阳能光伏发电甚至能够与许多地区的传统电力竞争。风力发电的应用也有类似的发展趋势。
 然而，可再生能源与传统能源之间的巨大差异会成为市场障碍。太阳能系统只能在阳光灿烂时产生能源。风能随风速的变化而变化。因为没有工具来控制它们，所以传统电力运营商，特别是在法国，往往把可再生能源称为“致命的”能源来源。
 在可再生能源的市场渗透性很低的时候，这些波动是无关紧要的。然而，一旦可再生能源入网，需要创新性的解决方案以确保给客户提供可靠的电力供应。这对于岛屿上的能源供应非常重要；对于我们今天可以看到像德国这样可再生能源渗透性高的大陆电网也是至关重要的。
 个解决方案可能是提供大规模的太阳能发电与电力需求来匹配。然而，这对于整体电力需求是无法完成的。而且实现匹配快速波动的需求是更加困难的。这就是为什么我们要准备解决问题的第二套方案——储能一体化。氢能便于能源存储和运输，是一种很有前途的存储选择。这是本书正在探索和作者多年来一直在研究的内容。我确信读者可以在这里找到关于氢能可再生能源系统的有趣简介。我也相信读者会发现氢能是能提高可再生能源市场渗透率的一个有趣工具。
 Jens Merten 

 国家太阳能研究所（INES）太阳能系统实验室主任 

 
 化石能源完全枯竭或者成本过高难以开采，只是时间问题。如果延续这种趋势，化石能源时代终将要画上句号。人类面临的问题除了化石能源日益减少之外，还有燃料在开采、运输、加工和使用过程中所引起的环境污染问题，这就是我们为什么必须尽快找寻到解决当前现状的措施，从而尽快进入新能源时代的原因。
 氢能被视为在这个历史过渡期间可能充当领导角色的候选者之一。毋庸置疑，不能通过化石能源来提供制备氢气所需要的能量。因此，有必要求助于取之不尽、用之不竭、环境影响尽可能小的可再生能源。在可再生能源当中，作者认为太阳能是的选择之一，其原因将在本书中进行阐述。
 本书共分为11章来给读者展示太阳能制氢的能量转换、储存及利用
 系统的运行和实施的知识。该系统结合不同的技术，有效、协调地将可再生能源转换为化学能并以氢的形式储存起来，然后转化为更容易利用的能源形式——电能。
 本书第1章介绍了以氢为基础的新能源系统相关的宏观经济、技术和历史。第2章介绍了氢的理化性质、生产、应用以及用于氢储存和运输材料的失效现象和相容性。第3章详细探讨了电解槽和燃料电池的性能和建模。第4章和第5章分别描述了光伏和风能的技术基础。第6章讨论了其他潜在可用于制氢的可再生能源。第7章阐述了另一个重要问题的全过程：氢存储。第8章提供了许多关于在标准电池和其他更先进电池替代品中化学存储的相关信息。第9章详细讨论了实际实现氢气的完整系统和利用数学模型模拟系统的性能。第10章列举了现实生活中一些很有趣的应用实例。第11章给出了终结论。在每章的末尾为进一步探讨该主题的读者列出了相关参考文献。
 本书的目标是与大家分享太阳能制氢的能量转换、储存及利用
 系统的科学和技术，并帮助建立一个新的可持续能源经济。我们希望我们将会成功。
 非常感谢西蒙娜·佩得拉茨（Simone Pedrazzi）为本书部分模型和模拟提供的帮助，感谢意大利维基董事会秘书安德列·赞尼（Andrea Zanni）帮助正确使用来自维基媒体数据库知识共享（Creative Commons）授权图片。
 作者还要感谢PeiShu Wu的翻译和编辑，大大提高了本书定稿的质量。后，我们还要感谢施普林格意大利公司的Francesca Bonadei、Maria Cristina Acocella和Pierpaolo Riva在本书终出版阶段给予的帮助！ 

 缩略语 

 第1章绪论 

 1.1现状 

 1.2石油峰值理论 

 1.3能源的种类以及对环境的影响 

 1.4能源系统的可持续性 

 1.5氢新能源系统 

 1.6前景 

 1.7氢能的替代品 

 参考文献 

 第2章氢 

 2.1氢气和能源载体 

 2.2性质 

 2.3生产 

 2.3.1蒸汽重整 

 2.3.2固体燃料汽化 

 2.3.3部分氧化 

 2.3.4电解水 

 2.3.5热裂解 

 2.3.6氨裂解 

 2.3.7其他体系：光化学、光生物学、半导体及它们的组合 

 2.4用法 

 2.4.1直接燃烧 

 2.4.2催化燃烧 

 2.4.3直接燃烧蒸汽法 

 2.4.4燃料电池 

 2.5退化现象和材料兼容性 

 2.5.1材料退化 

 2.5.2材料选择 

 2.6配件：管道、接头和阀门 

 2.7传输 

 参考文献 

 第3章电解槽和燃料电池 

 3.1引言 

 3.2化学动力学 

 3.3热力学 

 3.4电极动力学 

 3.4.1活化极化 

 3.4.2欧姆极化 

 3.4.3浓差极化 

 3.4.4反应极化 

 3.4.5转移极化 

 3.4.6输运现象 

 3.4.7温度和压力对极化损耗的影响 

 3.5电池的能量和效用能 

 3.6电解槽 

 3.6.1电解槽的功能 

 3.6.2电解槽技术 

 3.6.3热力学 

 3.6.4数学模型 

 3.6.5热模型 

 3.7燃料电池 

 3.7.1燃料电池功能 

 3.7.2燃料电池技术 

 3.7.3热力学 

 3.7.4数学模型 

 3.7.5热模型 

 参考文献 

 第4章太阳辐射和光电转换 

 4.1太阳辐射 

 4.2光伏效应、半导体和pn结 

 4.3晶体硅光伏电池 

 4.4其他电池技术 

 4.5转换损失 

 4.6IU曲线中的变化 

 4.7光伏电池和组件 

 4.8光伏电站的种类 

 4.9表面接收的辐射 

 4.10工作点的选择 

 参考文献 

 第5章风能 

 5.1简介 

 5.2风的数学描述 

 5.3风的等级划分 

 5.4风力发电机的数学模型 

 5.5功率控制及其系统设计 

 5.6风力发电机的级别划分 

 5.7发电机 

 5.8计算实例 

 5.9环境影响 

 参考文献 

 第6章其他能用于制氢的可再生能源 

 6.1太阳热能 

 6.2水力发电 

 6.3潮汐能、波浪能和海洋温差能 

 6.4生物质能 

 参考文献 

 第7章储氢 

 7.1储氢过程中的问题 

 7.2物理存储 

 7.2.1压缩存储 

 7.2.2液化存储 

 7.2.3玻璃或塑料容器存储 

 7.3物理化学存储 

 7.3.1物理吸附 

 7.3.2分子间相互作用的经验模型 

 7.3.3吸附和脱附速率 

 7.3.4吸附和脱附的实验测试 

 7.3.5等温吸附线 

 7.3.6吸附热动力学 

 7.3.7其他的吸附等温线 

 7.3.8吸附等温线的分类 

 7.3.9碳材料在物理吸附氢气中的应用 

 7.3.10替代碳的物理吸附 

 7.3.11沸石材料 

 7.3.12金属氢化物 

 7.4化学存储 

 7.4.1化学氢化 

 参考文献 

 第8章其他电力储能技术 

 8.1引言 

 8.2电化学储能 

 8.2.1阀控式铅酸电池 

 8.2.2锂离子电池 

 8.2.3钒电池 

 8.3超级电容器储能 

 8.4压缩空气储能 

 8.5地下抽水蓄能 

 8.6抽热蓄能 

 8.7天然气生产储能 

 8.8飞轮储能 

 8.9超导磁储能 

 参考文献 

 第9章太阳能制氢的能量转换、储存及利用系统的仿真研究 

 9.1太阳能制氢的能量转换、储存及利用系统 

 9.2逻辑控制 

 9.3性能分析 

 9.3.1收集系统效率 

 9.3.2整体效率 

 9.4光伏转换和压缩存储的仿真 

 9.5光伏转换和活性炭存储的仿真 

 9.6风能转换、压缩和活性炭存储的仿真 

 9.7有关火用分析的说明 

 9.8太阳能制氢的能量转换、储存及利用系统仿真的评论 

 参考文献 

 第10章太阳能制氢的能量转换、储存及利用系统的实际应用 

 10.1简介 

 10.2FIRST项目 

 10.3Schatz太阳能制氢项目 

 10.4ENEA项目 

 10.5Zollbruck小镇的村镇发电系统 

 10.6GlasHusEtt项目 

 10.7TroisRivière（三河）发电站 

 10.8SWB工业电站 

 10.9HaRI项目 

 10.10从实际应用中得出的结论 

 参考文献 

 第11章结语