CN101974764A - 一种太阳能热光伏制氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明专利是一种利用太阳能热光伏系统进行电解水制氢的装置，属于太阳能利用和电解制氢技术领域。该装置有两大主要部分组成：改进的太阳能热光伏系统和电解水制氢系统。太阳能热光伏系统相对于一般的光伏技术其转换效率和输出功率更高，能够为各种规模的电解水制氢装置提供充足的直流电源。通过该装置把系统产生的电能用于电解制氢，再对氢气进行储存，可以解决光伏发电随着天气，昼夜变化而输出不稳定的问题。另外，本装置中光伏电池的冷却方式为液冷，电解的水溶液在通入电解槽之前得到了预热，可降低电解过程中的电耗，从而可进一步提高太阳能的利用率。

Description

一种太阳能热光伏制氢装置
技术领域
本发明属于太阳能热光伏利用领域，属一种新型太阳能制氢技术，特指一种太阳能热光伏制氢装置。
背景技术
随着全球经济的发展以及人口的增长，人们对能源的需求量也越来越大。目前以石油和煤为代表的化石燃料仍然是能源的主要来源，然而由于化石燃料的不可再生性和有限的储量，日益增长的能源需求也引起了严重的能源危机和环境污染。
基于这种状况，太阳能、风能、生物质能、地热能、潮汐能等具有丰富、清洁、可再生的优点，近年来受到了国际社会的广泛关注，尤其是以太阳能、风能以及生物质能，更被视为未来能源的主力军。然而，这些可再生资源具有间歇性、地域特性以及不易存储和运输的特点，因而大力推广时也受到了一些限制。氢是这些能源理想的载体，同其它传统的能源物质相比，它具有无污染、能量密度高、热转化效率高等诸多特点，不仅可作为高能燃料、保护气、石化工业原料、冶金工业还原剂、气象观测中气球的填充气等，而且可用在人造黄油、食用油、润滑剂、清洗剂等产品中的脂肪氢化过程中。因此，氢作为一种绿色能源发展前景十分光明，人们对氢能的开发和利用一直进行着不懈的努力。
目前常用的氢气制取方法主要有矿物燃料制氢、电解水制氢、太阳能光解水制氢和生物制氢这几种，其中矿物燃料制氢采用宝贵的石油、天然气等一次能源，因此会造成能源的极大浪费。太阳能光解水制氢和生物制氢是两种新兴的制氢技术，也是未来氢气生产的发展趋势，但目前由于生产工艺还不成熟，具有可再生能源利用低、产氢量小等缺点，离大规模的工业化生产尚有一段距离。相比之下，电解水制氢是一种已经成熟的传统制氢方法，其装置简单、制出的氢纯度高，但生产过程中需要消耗大量的电能。随着电解水技术的不断发展，发电技术的不断改进，在电能成本降低的情况下，电解水制氢在未来制氢工业中所占的比例将大大提高。
近年来，国内外学者作了一些利用太阳能光伏发电进行电解水制氢的尝试。太阳能是一种洁净的可再生能源，它有着矿物质能源不可比拟的优越性，资源十分丰富，取之不尽用之不竭，因此这时制氢所需电能的成本也只体现在装置的初期投资上。但目前的光伏系统对太阳能的利用效率不高，电能输出功率较小，这也限制了太阳能光伏制氢规模的扩大。 
太阳能热光伏是一种新型的太阳能利用技术，它的整体效率要高于一般光伏发电系统，据报道装置的整体效率可超过35%。普通的热光伏技术中的太阳光是直接照射在光电池上进行光电转换的，而太阳能热光伏技术的原理是利用太阳能聚光器将自然太阳光汇聚成高能量密度的聚焦光斑后，投射到辐射器表面并将其加热，这时高温辐射器释放的热辐射能同电池光电转化的波长进行很好的匹配，故而装置对太阳能的利用率可大大提高。太阳能热光伏系统无运动部件、输出功率密度大、可靠性高，因此用它来为电解水制氢过程提供电能将有着重要的现实意义。
发明内容
本发明以一种改进的太阳能热光伏发电系统为核心，结合电解水制氢工艺过程的的特点和要求，设计出一种新型的太阳能热光伏制氢装置。
本发明装置由太阳能热光伏系统和电解水制氢系统两大部分组成，其中太阳能热光伏系统由碟式反射镜、二次透镜、圆锥反射镜、辐射器以及光伏电池等部件组成，而电解水制氢系统则由质子交换膜、阳极、阴极以及氢气收集器等部件组成；在工作时，首先使太阳光垂直入射到碟式反射镜上并结合二次透镜进行聚光，接着通过圆锥反射镜把光线全部照射到辐射器上并对其进行加热，高温辐射器表面发射的射线到达光伏电池板上进行光电转换，产生的电能通过蓄电池进行存储；辐射器和光伏电池板之间设置成真空室，从而可通过减小对流换热损失来维持辐射器表面的温度；光伏电池板背后安装了冷却通道，采用循环冷却水来对光电池进行冷却，以维持光伏电池的合理工作温度，保证光电转换的效率；电解水制氢系统中的电解槽采用聚合物电解槽，工作时电解槽的阳极和阴极分别接在蓄电池的正负极上，需电解的水从蓄水池处由水泵抽至冷却通道中对光电池进行冷却，然后被预热的水经储水箱注入靠近电解槽阳极的电解水流道中进行电解，电解水的流量则由电控阀门控制。电解时，水分子在阳极处因电流作用被分解成氧气、氢离子和电子（方程式如下），氢离子以水合的形式（                                                
Figure 2010105186009100002DEST_PATH_IMAGE001
）透过质子交换膜达到阴极，并同阴极上的电子结合生成氢气后经产氢通道排出，这个过程中同时也有部分水被带到阴极，因此产氢通道排出的混合物还要经过氢气分离器进行气液分离后才能进入氢气收集器加压存储。
电解方程式：
阳极    ；
阴极    。
本发明的优点是装置弥补了电解水制氢电耗高和太阳能光伏发电输出功率不稳定的缺点。整个工作过程能够充分利用太阳能，电解的水首先对装置中的光伏电池进行冷却，从而可以提高水槽中水的温度，文献资料显示这可以减少电解过程中电能的消耗；太阳能热光伏系统的光电转换效率比一般的光伏系统要高，可以保证电解水过程的电能需要；电解装置采用聚合物电解槽，不仅电解效率高，而且电解液可采用纯水，这使得电解过程可比使用碱性电解槽更加安全可靠；通过该装置把系统产生的电能用于电解制氢，再对氢气进行储存，可以解决光伏发电随着天气，昼夜变化而输出不稳定的问题；装置一次性投资建成后生产持续性好，安全性能高，设备维护量小，后续费用少，不仅原料获取方便而且整个生产过程无污染，特别适合在阳光和水资源都充足的海岛地区进行大规模的投产。
附图说明
图1为太阳能热光伏制氢装置示意图；
其中1.碟式反射镜，2.二次透镜，3.圆锥反射镜，4.辐射器，5.光伏电池， 6.蓄电池，7.真空室，8.冷却通道，9.阳极，10.阴极，11.蓄水池，12.水泵，13.蓄水箱，14.电解水流道，15.电控阀门，16.质子交换膜，17.产氢通道，18.氢气分离器，19. 氢气收集器 20 电解槽。
具体实施方式
如图1所示的太阳能热光伏制氢装置，包括碟式反射镜1、二次透镜2、圆锥反射镜3、辐射器4、光伏电池5、蓄电池6、真空室7、冷却通道8、阳极9、阴极10、蓄水池11、水泵12、蓄水箱13、电解水流道14、电控阀门15、质子交换膜16、产氢通道17、氢气分离器18、氢气收集器19以及电解槽20。
在本发明中，为使光线垂直入射到碟式反射镜1上，系统中应设有太阳光跟踪器来保证太阳位置同聚光器主光轴重合，碟式反射镜1可由多块组合而成；二次透镜2材质为石英玻璃，其中心与碟式反射镜1的聚焦点重合，通过这种组合聚焦目的要使聚光比达到5000左右，以保证辐射器表面的高温；圆锥反射镜3的入口很小，可以保证从辐射器4上辐射出的光线全部辐射到光伏电池5上而不从圆锥反射镜3的入口射出；辐射器4采用SiC材料制成，其表面发射率为0.9；光伏电池5采用GaSb电池，其能带隙为0.72eV，电池表面表面涂有光学过滤膜，可以把能量低于GaSb光伏电池禁带宽度（即波长大于1.73μm的）的光子反射回辐射器上，来提高辐射器温度，进而提高能量的利用率；电解槽的质子交换膜可选用Nafion膜、poly膜或者Ballerd膜等，阳极9和阴极10则由较强催化作用的多孔铂材料制成后紧贴在交换膜表面，其工作电压稳定在2.1V；系统中的水泵12、电控阀门15以及电解装置等所需的电能均可由蓄电池6提供；蓄水箱13外表面敷设保温材料，以维持合适的电解水温。

Claims (7)

1.一种太阳能热光伏制氢装置，包括太阳能热光伏系统、电解水制氢系统、蓄水池（11），其特征在于：所述太阳能热光伏系统由碟式反射镜（1）、二次透镜（2）、圆锥反射镜（3）、辐射器（4）、光伏电池（5）和蓄电池（6）组成，在工作时，首先使太阳光垂直入射到碟式反射镜（1）上并结合二次透镜（2）进行聚光，接着通过圆锥反射镜（3）把光线全部照射到辐射器（4）上并对辐射器（4）进行加热，辐射器（4）表面发射的射线到达光伏电池（5）上进行光电转换，产生的电能通过蓄电池（6）进行存储；光伏电池（5）背后安装了冷却通道（8），采用循环冷却水来对光伏电池（5）进行冷却，以维持光伏电池（5）的合理工作温度，保证光电转换的效率；由蓄电池（6）对电解水制氢系统供电进行电解制氢。
2.如权利要求1所述的一种太阳能热光伏制氢装置，其特征在于：所述电解水制氢系统由质子交换膜（16）、电解水流道（14）、产氢通道（17）、氢气分离器（18）、氢气收集器（19）、电解槽（20）、蓄水池（11）和蓄水箱（13）组成，电解槽（20）的阳极（9）和阴极（10）分别接在蓄电池（6）的正负极上，需电解的水从蓄水池（11）处由水泵（12）抽至冷却通道（8）中对光伏电池（5）进行冷却，然后被预热的水经蓄水箱（13）注入靠近电解槽阳极（9）的电解水流道（14）中进行电解制氢，电解时水分子在阳极（9）处因电流作用被分解成氧气、氢离子和电子，氢离子以水合的形式透过质子交换膜（16）达到阴极（10），并同阴极（10）上的电子结合生成氢气后通过靠近电解槽阴极（10）的产氢通道（17）经过氢气分离器（18）分离再由氢气收集器（19）收集。
3.如权利要求1所述的一种太阳能热光伏制氢装置，其特征在于：所述辐射器（4）和光伏电池（5）之间设置成真空室（7），通过减小对流换热损失来维持辐射器（4）表面的温度。
4.如权利要求1所述的一种太阳能热光伏制氢装置，其特征在于：所述二次透镜（2）的材质为石英玻璃，二次透镜（2）中心与碟式反射镜（1）的聚焦点重合，使聚光比达到5000。
5.如权利要求2所述的一种太阳能热光伏制氢装置，其特征在于：所述电解水制氢系统中的电解槽（20）采用聚合物电解槽。
6.如权利要求2所述的一种太阳能热光伏制氢装置，其特征在于：所述进入电解水流道（14）中的电解水的流量则由电控阀门（15）控制。
7.如权利要求2所述的一种太阳能热光伏制氢装置，其特征在于：所述质子交换膜（16）为Nafion膜、poly膜或者Ballerd膜，所述阳极（9）和阴极（10）则由多孔铂材料制成后紧贴在质子交换膜（16）表面，工作电压稳定在2.1V。
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