光伏與風電是一種無碳排放的可再生能源，但是其能量具有波動性的特征，對電網系統的安全運行沖擊較大，國内很多地區可供并網的風電、光伏裝機容量已達上限。如何大規模消納新增的光伏與風電，是國家“碳中和、碳達峰”政策在實施過程中面臨的重大難題。氫氣不僅是一種重要的大宗化工品，也是一種無碳排放的能源載體，在化工冶金、氫能、天然氣摻氫等領域都有重要的應用前景（圖 1）。使用光伏、風能進行耦合離網電解水制氫，不但可以解決光伏、風電的消納難題，還有助于國家在工業、交通運輸及民用領域深度脫碳。

圖 1.綠氫的生産及消納

目前風光耦合制取綠氫具有多個技術難點。首先，光伏輸出直流電（DC），而風電輸出交流電（AC），國際上沒有成熟的方案可基于AC、DC耦合技術設計電解槽電源。此外，市售的堿性電解槽系統均需要供應穩定的直流電（DC），光伏和風電的波動性會導緻電解槽陰陽極的氫氧互竄，損壞電解槽的催化劑與隔膜，并引發爆炸風險。

為解決離網風光耦合制取綠氫的卡脖子問題，2021年唐叔賢院士牽頭在利记官方网站建立按需零碳供能研究中心，“牽手”材料科學姑蘇實驗室設立院士工作室，開展氫能系統基礎和應用相結合的前沿研究，立項無碳能源研究的課題項目，旨在解決綠氫的制取及消納難題。依托利记官方网站按需零碳供能研究中心和姑蘇實驗室院士工作室，唐院士聯合固德威技術股份有限公司、明陽智慧能源集團股份公司等光伏、風電領軍企業，在院士樓構建離網光伏電解水制綠氫系統（圖 2）。該系統包含寬負載功率電解槽及離網制氫電源，實現了離網光伏電流驅動堿性電解槽制綠氫，氫氣無須提純即可達到99.98%以上。

圖 2.離網光伏電解水制氫系統。（a）屋頂離網光伏系統；（b）和（c）堿性電解槽及其後處理系統。

依據光照能源波動性的特點，唐叔賢院士團隊采用IGBT方案開發設計了新型的離網光伏制氫電源（圖 3）。電源預留交流電（AC）接口，融合DC/DC和AC/DC電源轉化模塊，動态追蹤光伏的最大輸出功率點（MPP），通過優化系統軟件算法實現直流電（DC）和交流電（AC）耦合轉化成電解槽所需的直流電（DC），使制氫電源可穩定輸出約200V電壓，并根據光照強度變化動态改變輸出電流，進而調整電解槽工作IV曲線，最大程度上優化界面耦合，使得光伏直流電轉換成電解槽所需直流電的效率達到96%，完美匹配電解槽運行工況，運行過程中氫氧純度達到電解槽的設計标準。未來制氫電源的AC接口可以接入風電，實現純離網風光互補耦合制綠氫（圖 3）。

圖 3. 基于IGBT方案設計的200V制氫電源系統。（a）設計原理；（b）研制的制氫電源設備。

根據離網光伏和風電波動性的特點，唐院士團隊與蘇州希倍優氫能源科技有限公司定制了寬負載功率電解槽系統，額定輸入電壓200V，直流能耗≤4.1kW·h/Nm³，電流密度3200 A/㎡，可在額定負載20%-110%範圍内動态運行，能匹配光伏電流的波動性特點。在正常光照強度波動下，電解槽出口氫氣無須進行提純即可穩定達到99.98%，并可以承受極端電流擾動，可以在30秒内響應5倍的電流波動。實驗過程中，整個光伏制氫系統可以将100%額定負載功率30秒内降至20%，或者将20%負載功率30秒内升至100%，過程中氫氣純度始終維持在99.8%以上。

圖 4. 離網光伏電解水制氫實驗。（a）堿性電解水槽操作界面；（b）離網光伏電解水制氫的氫氣純度随光照和電流的變化，綠色區域内為正常光照變化下的氫氣純度，棕色區域為人工模拟極端情況下将輸出電流調整數倍導緻的氫氣純度變化。

該示範項目的成功運行對氫能科學研究及技術應用産生重要影響，已經得到地方政府及龍頭企業的重點關注與支持，将引領國内綠氫事業的發展。目前已有多家中國500強企業有意引入唐叔賢院士團隊開發的離網制氫技術，與利记官方网站簽訂橫向科研經費超過一千萬，且到賬經費已達數百萬。唐院士還在低成本管道輸氫、天然氣摻氫等領域提前布局，全力打造綠氫制取、儲運及消納的完整示範産業鍊，積極在國内風光資源較好的内蒙古實現技術推廣及落地，将利记官方网站的科研成果書寫在中國的大地上。