CN103710724B - 一种风电‑太阳能制氢装置 - Google Patents

Abstract

一种风电‑太阳能制氢装置，属能源领域。其特征是，本装置由电动势起伏的直流电源，起伏直流电压分配器，阳光电解箱方阵，温差发电箱，补水箱及保温层构成；直流电压分配器根据直流电压的大小使导体滚轴连接到电解箱方阵中相应的导电片上，这样就能保证在直流电压随机变化情况下，电解箱仍然在允许的范围内正常工作；温差发电箱中温差发电片的热端固定在电解箱的后璧上，冷端固定在冷却板上；补水箱与电解箱由虹吸管连通；温差发电箱可作为电解水电源；电解箱的侧壁，温差发电箱的侧壁，及补水箱覆盖有保温层。这种装置能显著提高风能、光能利用效率。

Description

一种风电-太阳能制氢装置

技术领域：本发明属能源领域。

技术背景：风力发电无疑是风能利用的一种重要方式，但其储存与运输并不容易。特高压输电尽管在技术上看似可行，然而其风险(自然灾难及战争)极大，而且造价极高。因此国内外并未普遍实行。

风能、太阳能的根本特征在于，两者解释分布式能源。‘集中’不符合其‘分布式’的本性。因此，将随机、起伏的风能、太阳能就地转化为易于保存运输的燃料是必要的，也是可行的。

充分有效地利用、储存风能、太阳能、海浪能这些永不枯竭的绿色能源毫无疑问是极其重要的。特别是对于我国的城镇化，更有重要意义。电力与燃料是城镇生活的重要条件。我国对城乡普遍供电已经实现，而燃料问题却远未解决、也难以解决。

氢气是重要的工业原料；氢气本身就是很好的燃料，汽、柴油加氢可提高石油的燃烧值；氢气与二氧化碳可合成甲烷等气体或液体燃料。毫无疑问，这样的廉价绿色能源装置的市场必然是十分广阔的。因此，用风能、太阳能制作氢气、进而制作安全、易于储存运输的甲烷等燃料是很必要的。

本发明提出了一种风电-太阳能制氢装置，有机结合风能、太阳能，将风电场变为氢气厂，从而部分解决城镇化的燃料问题。

发明内容：1.本装置由电动势随机、起伏的直流电源，起伏直流电压分配器(简称直流电压分配器)，阳光电解箱(简称电解箱)方阵，温差发电箱，补水箱及保温层构成；直流电源与直流电压分配器连通，直流电压分配器上的导体滚轴与电解箱方阵上的导电片连通，直流电压分配器根据直流电压的大小使导体滚轴连接到电解箱方阵中相应的导电片上；温差发电箱中温差发电片的热端固定在电解箱的后壁、也是温差发电箱的前壁上，温差发电片的冷端固定在冷却板、即温差发电箱的后壁上；冷却板上固定有冷却水管，当电解箱温度高于电解适宜温度T₀时，冷却水管中自动流过冷却水，流过冷却水管的水进入补水箱中；补水箱与电解箱由虹吸管连通；温差发电箱作为电解水电源；电解箱的侧壁、温差发电箱的侧壁及补水箱覆盖有保温层。

由于电动势是随机发生、起伏变化的，所以输出的直流电压也是随机、起伏变化的。直流电压分配器就是针对这种起伏变化的直流电压设计的，使得无论直流电压怎样升降，都有相应数目的电解箱正常工作。

不同于传统的电解池，这里的阳光电解箱既能用于电解，也能吸收阳光，从而使得电能与光能得到充分利用。

这里的温差发电箱的作用是为了充分利用电解箱的余热，而余热的利用有多种方式，因此温差发电箱不是完全必要的。例如，可以直接将冷却水管固定在电解箱的壁上，然后直接利用被加热的冷却水，也可以将被加热的冷却水继续加热到适宜的温度，再用于温差发电。

这里的直流电源可以由风力或任何一种起伏不定的动力(如波浪)带动。

2.上述的电解箱方阵是由N²个、电阻为R₀的电解箱，通过开关和导电片串连及并联构成；第n个电解箱方阵由n²个电解箱组成(图2)，n＝1，2···N，并依次连接有(n-1)个开关k₂，k₃···k_n和n个导电片L₁、L₂···L_n，对于第N个电解箱方阵，L_N替换为滑动电阻R_M；当第n个导电片L_n与电源连通时，其它导电片与直流电压分配器断开，开关k₂，k₃···k_n都自动闭合，而开关k_m，m≥n+1，都断开；这样，就将n²电解箱分为n组。每组n个电解箱串连，再将这n组电解箱并联，于是，第n个电解箱方阵的总电阻是

电源内阻也是R₀；每个电解箱的适宜工作电压是V₀，能够在2V₀以下电压正常工作，当直流电压超过额定电压V_M＝NV₀时，导体滚轴将滚动到滑动电阻R_M上，随电压继续升高，连接到回路中的滑动电阻R_M增加。

3.前述的直流电压分配器的一种实现方式是图1所示，由串联有电阻R₁的电磁铁，及固定在弹簧上、并固定有导体滚轴的永久磁铁构成；电磁铁回路与电解箱方阵回路并连到电源上；当电压(n+1)V₀＞V≥nV₀时，滑动导体滚轴与电解箱方阵中的导电片L_n连接。

随着直流电压V增加或减少，导体滚轴依次与导电片L₁、L₂···L_n连通，连通到回路中的电解箱的个数正比于V²增加或减少。

由以上分析可见，尽管连通到回路中的电解箱个数变化，但总电阻不变。只有当电压超过V_M时，电解箱回路总电阻才随电压升高而增加。这样，容易保持外电路总电阻与电源的内电阻匹配，从而任何情况下都有最大输出功率，也保证在电源直流电压随机起伏变化情况下，每个电解箱的工作电压V₀和工作电流I₀仍然在安全、高效率的范围内。

当溶液浓度与催化剂都不变时，R₀实际上还要随电解箱的光照与温度而变化。由于一个电解箱实际上能够允许电解电流I与电压V在一定的范围内变化(随着电压在这个范围内的增减，这个电解箱的产氢量也随之增减)，所以把R₀看作不变时，不显著影响所得结果。

4.前述的起伏直流电压分配器的另一种实现方式，对于N＝4电解箱方阵(图3及图4)，直流电压经保护开关FA引入，由启动器Q₁-Q₄控制其开或关；启动器Q₁-Q₄由光电继电器J₁-J₄对应控制其开或关；光电继电器J₁-J₄受控于电压变化光电信号输出器PV；光电继电器J₁-J₄工作状态由Z₁-Z₄对应显示。

这里仅仅以N＝4说明其结构，对于任意N，结构也都与此相似。

工作过程是：当输入电压为3伏时，PV指针偏转，并挡断光孔1，由此J₁工作，同时Z₁亮，接着Q₁(Q_1-1，Q_1-2)动作、接通电解箱D₁；当电压继续升高，挡断光孔2时，J₂工作，同时Z₂亮，接着Q₂(Q_2-1，Q_2-2，Q_2-3)动作、接通电解箱D₁-D₄，并断开J₁，Z₁，Q₁；以此类推。

当电压下降时，过程与上述情况相反。

5.前述的阳光电解箱由电解板、前壁、后壁及周边围成，电解箱填充有碱、或酸、或盐的水溶液；电解板由负极导电板、正极导电板及位于正、负极导电板中间的离子透膜构成，负极导电板是透光导电膜或均匀分布有许多穿透孔的导电板，一种负极导电板是石墨板，一种正极导电板是钛合金电极板，负、正极导电板分别与电源的负、正极连通；前壁是透光的真空绝热板，这种真空绝热板是高透光率的石英玻璃或普通玻璃制作的真空玻璃；正极导电板可作为后壁；在后壁不对着负极导电板的表面上可以镀有红外线吸收膜层；与碱、或酸、或盐的水溶液接触的表面都是由耐碱、或酸、或盐的水溶液腐蚀的材料制作或涂有耐碱、或酸、或盐的水溶液腐蚀的膜层；在电解箱的顶板上、在离子透膜与前壁之间有氢气出口，在电解箱的顶板上、离子透膜与后壁之间有氧气或其它气体出口，氢气出口上固定有氢气滤气管，氧气或其它气体出口上固定有氧气或其它气体滤气管，在电解箱的顶部有补水口，连通补水箱与电解箱的虹吸管连通到补水口；在电解箱的底板上安装有放水阀门；电解箱的周边覆盖有保温层。

离子透膜是离子能自由通过，而气体分子不能通过膜层。这种膜层有多种，适合于本装置需要的膜层是其导致的电压降尽可能小的膜层。

6.5所述的阳光电解箱的另一种结构是，电解板的负极导电板是均匀分布有穿透孔的导电板，在负极导电板与前壁之间有导电栅网，后壁与所述导电栅网由导体连通。

阳光透过透明真空绝热板照射到电解箱的溶液中，使得溶液中络合水离子变为裸离子，从而减小电阻，提高风电制氢效率。孔的半径小于导电板的厚度。

7.前述的温差发电箱可以是由其前壁、后壁及周边围成的真空箱，其前壁就是电解箱的后壁，其后壁就是铜板或铝板，或由铜或铝制作的冷却水管，在后壁对着前壁的表面上镀有反红外线膜层；温差发电箱中固定有温差发电片，温差发电片的热端与冷端分别固定在温差发电真空箱的前壁与后壁上；冷却水管通有冷却水或冷却气体；周边覆盖有保温层；温差发电片彼此并连或串连成温差发电片组，温差发电片组的正、负极分别连接到电解箱的正、负极上。

温差发电片组使得电解箱的焦耳热得到有效利用，从而提高风电制氢的效率。

8.前述的补水箱由与冷却水管或进水管连通的进水阀门、水箱，通过水箱的滤气管，及连通水箱与电解箱的虹吸管构成；滤气管是底部充满水的U形管，气体通过U形管时，其中的水蒸气及能够溶解在水中的气体就溶解在了水中，并随着U形管底部水量的增加而回流到电解箱中；水箱的水通过虹吸管自动流到电解箱中，从而使得补水箱与电解箱的水位总是相同；补水箱的表面覆盖有保温层；滤气管连通到储气罐，由电解箱产生的氢气和氧气分别经过氢气滤气管和氧气滤气管后，分别被压缩到氢气储气罐和氧气储气罐。

9.在前述的电解箱中碱、或酸、或盐水溶液中，可加入促进水分解的催化剂；也可加入增加光能吸收的悬浮颗粒。

10.在前述的电解箱顶部的气体出口可附加气体分子能自由通过而溶液不能通过的气体透膜，或将气体导出管做成S形，电解箱顶部的补水管也做成S形，S形管的平面垂直于真空玻璃。

气体透膜或S形气体导出管及补水管的作用是防止电解箱倾向于水平位置时溶液流出。

附图说明：图1是起伏直流电压分配器示意图。图中，1是起伏变化的直流电源；2是位置固定的电磁铁；3是固定在弹簧上、并固定有导体滚轴、位置可变的永久磁铁；4是弹簧；5是控制通过电磁铁电流的电阻R₁；6是导体滚轴；7是连结电源电极与电解箱的导线。

图2是起伏直流电压分配装置示意图。图中，8是连接到电解箱方阵上的导电片；9是滑动电阻R_M；10是电解箱。

图3是第二种直流电压分配器电路图。

图4是第二种直流电压分配器连接电解箱部分电路图。图中，D₁-D₁₆是电解箱。

图5是电解箱侧面剖面图。图中，12是真空玻璃；13是有穿透孔的负极导电板；14是离子隔膜；15是电解箱后壁，也是电解箱的正极导电板；16是电解箱中的溶液；17是温差发电片；18是温差发电真空箱的后壁；19是冷却流体管道；20是氢气出口；21是氧气或其它气体出口；22是保温层；23是温差发电真空箱。

图6是电解箱及补水箱正面剖面图。图中，24是滤气管；25是连通电解箱及补水箱的虹吸管；26是与冷却水管或进水管连通的自动进水阀门；27是补水箱；28是放水阀门。

具体实施方式：取一个内阻3.072Ω、额定功率2000W、最大功率为3000W(这时输出电压为96V)的直流风力发电机作电源。

取50X50cm²的真空玻璃、0.2X50X50cm³的钛电极板、0.3X50X50³均匀分布许多穿透孔的石墨板、0.2X50X50cm³铜板各一块，100个内阻小于2欧姆、温差60℃时、端电压为3V、体积为0.3X4X4温差发电片，及50X50cm²的离子透膜一张。

钛电极板的一面镀上红外线吸收膜，铜板的一面镀上红外线反射膜；将每四个温差发电片串连，再将这样的25个温差发电片组并连；用导热硅胶将这50个温差发电片均匀地固定在钛电极板与铜板之间；温差发电片的热端固定在钛电极板的红外线反射膜上，温差发电片的冷端固定在铜板的红外线吸收射膜上；钛电极板与铜板四边对齐，引出导线，并将四周用截面为0.3X1cm²真空橡胶板条密封，然后这个密闭空间抽真空、密封。这样就制成了温差发电真空箱。

将真空玻璃、石墨板、离子透膜、温差发电真空箱四边对齐、依次平行的固定在四周边框之中；使得真空玻璃与石墨板的距离是1cm，离子透膜在石墨板与钛电极板之间，调整石墨板与离子透膜的距离，使得石墨板与钛电极板之间电阻接近于3欧姆。在上边框上，在真空玻璃与石墨板之间开设有直径为1cm的补水孔，在真空玻璃与离子透膜之间开设有直径为1cm的氢气出口，在离子透膜与钛电极板之间开设有直径为0.1cm的氧气出口10个。在下边框上开设一个直径1cm的放水阀门并安装直径1cm的放水管；在铜板外面附设有冷水管。除了真空玻璃的光线入射面和冷却板外，将其余部分用真空绝热板密封。这样就制成了电解箱。

取一个20X50X50cm³水箱作为补水箱。其中如图6安置有U形氢气滤气管和氧气滤气管。U形滤气管的底部用水封住，以便滤去水蒸气和其它溶于水中的气体。补水箱的顶部自动控制水位的装置和进水阀门。U形氢气滤气管一端连通到氢气出口，另一端连通到氢气储罐；U形氧气滤气管一端连通到氧气出口，另一端连通到氧气储罐。

用虹吸管连通补水箱和电解箱，从而两者水位永远相同，补水箱能够向电解箱自动补水。

将16个这样电解箱按图2方式串连与并连，连接好自动开关K₁，K₂，K₃，K₄，再连接好导电片L₁，L₂，L₃和2000欧姆的滑动电阻R_M。这样就制成了N＝4的电解箱方阵。L₁，L₂，L₃和R_M之间距离相等，都是3cm。另外再取第17个这样电解箱作为温差发电的电解箱。

除真空玻璃的光线入射面及冷却板外，其余部分用真空绝热板密封。

图1中的直流电压分配器中的电磁铁的线圈匝数为1000，电磁铁的圆柱软磁铁芯直径2cm、长10cm。永久磁铁直径2cm、高3cm、磁感应强度为2000高斯。选择弹簧的倔强系数k和电阻R₁，使得当电源电压在0至96伏变化时，电磁铁和永久磁铁之间距离变化为12cm。

将20℃时KOH饱和溶液填充到电解箱；将导线如图1-图5链接；将温差发电箱的正负电极与第17个电解箱的正负电极连接好；将电解箱的真空玻璃迎着阳光放好；将各水管连接好、调整补水箱位置及水平面，以便向电解箱自动补水(图中未画出)；将氢气出口和氧气出口分别连通到储氢气罐和储氧气罐。安装好风力发电机。这样，只要有风或阳光，这个装置就能产生氢气与氧气。

本装置不需要交、直流互变，设备简化、风能利用效率提高。

Claims (10)

1.一种风电-太阳能制氢装置，其特征是，这种装置由电动势随机、起伏的直流电源，起伏直流电压分配器，阳光电解箱方阵，温差发电箱，补水箱及保温层构成；直流电源与起伏直流电压分配器连通，起伏直流电压分配器上的导体滚轴与阳光电解箱方阵上的导电片连通，起伏直流电压分配器根据直流电压的大小使导体滚轴连接到阳光电解箱方阵中相应的导电片上；温差发电箱中温差发电片的热端固定在阳光电解箱的后壁上，该后壁也是温差发电箱的前壁，温差发电片的冷端固定在冷却板上，该冷却板即温差发电箱的后壁；冷却板上固定有冷却水管，当阳光电解箱温度高于电解适宜温度T₀时，冷却水管中自动流过冷却水，流过冷却水管的水进入补水箱中；补水箱与阳光电解箱由虹吸管连通；温差发电箱作为电解水电源；阳光电解箱的侧壁、温差发电箱的侧壁，及补水箱覆盖有保温层。

2.根据权利要求1所述的一种风电-太阳能制氢装置，其特征是，其中的阳光电解箱方阵是由N²个、电阻为R₀的阳光电解箱，通过开关和导电片串连及并联构成；第n个阳光电解箱方阵由n²个阳光电解箱组成，n＝1，2…N，并依次连接有(n-1)个开关k₂，k₃…k_n和n个导电片L₁、L₂…L_n，对于第N个阳光电解箱方阵，L_N替换为滑动电阻R_M；当第n个导电片L_n与电源连通时，其它导电片与起伏直流电压分配器断开，开关k₂，k₃…k_n都自动闭合，而开关k_m，m≥n+1，都断开；第n个阳光电解箱方阵的总电阻是

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>nR</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>nR</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>R</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>nR</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>nR</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>R</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>,</mo> </mrow>

电源内阻也是R₀；每个阳光电解箱的适宜工作电压是V₀，能够在2V₀以下电压正常工作，当直流电压超过额定电压V_M＝NV₀时，导体滚轴将滚动到滑动电阻R_M上，随电压继续升高，连接到回路中的滑动电阻R_M增加。

3.根据权利要求1所述的一种风电-太阳能制氢装置，其特征是，其中的起伏直流电压分配器由串联有电阻R₁的电磁铁，及固定在弹簧上、并固定有导体滚轴的永久磁铁构成；电磁铁回路与阳光电解箱方阵回路并连到电源上；当电压(n+1)V₀＞V≥nV₀时，滑动导体滚轴与阳光电解箱方阵中的导电片L_n连接。

4.根据权利要求1所述的一种风电-太阳能制氢装置，其特征是，其中的起伏直流电压分配器的第二种实现方式，对于N＝4的阳光电解箱方阵，直流电压经保护开关FA引入，由启动器Q₁-Q₄控制其开或关；启动器Q₁-Q₄由光电继电器J₁-J₄对应控制其开或关；光电继电器J₁-J₄受控于电压变化光电信号输出器PV；光电继电器J₁-J₄工作状态由Z₁-Z₄对应显示；对于任意N，其结构依此类推。

5.根据权利要求1所述的一种风电-太阳能制氢装置，其特征是，其中的阳光电解箱由电解板、前壁、后壁及周边围成，阳光电解箱填充有碱、或酸、或盐的水溶液；电解板由负极导电板、正极导电板及位于正、负极导电板中间的离子透膜构成，负极导电板是透光导电膜或均匀分布有许多穿透孔的导电板，正极导电板是钛合金电极板，负、正极导电板分别与电源的负、正极连通；前壁是透光的真空绝热板，这种真空绝热板是高透光率的石英玻璃或普通玻璃制作的真空玻璃；正极导电板作为后壁；在后壁不对着负极导电板的表面上镀有红外线吸收膜层；与碱、或酸、或盐的水溶液接触的表面都是由耐碱、或酸、或盐的水溶液腐蚀的材料制作或涂有耐碱、或酸、或盐的水溶液腐蚀的膜层；在阳光电解箱的顶板上、在离子透膜与前壁之间有氢气出口，在阳光电解箱的顶板上、离子透膜与后壁之间有氧气或其它气体出口；氢气出口上固定有氢气滤气管，氧气或其它气体出口上固定有氧气或其它气体滤气管，在阳光电解箱的顶部有补水口，连通补水箱与阳光电解箱的虹吸管连通到补水口；在阳光电解箱的底板上安装有放水阀门；阳光电解箱的周边覆盖有保温层。

6.根据权利要求5所述的一种风电-太阳能制氢装置，其特征是，其中的阳光电解箱的另一种结构是，电解板的负极导电板是均匀分布有穿透孔的导电板，在负极导电板与前壁之间有导电栅网，后壁与所述导电栅网由导体连通。

7.根据权利要求1所述的一种风电-太阳能制氢装置，其特征是，其中的温差发电箱是由其前壁、后壁及周边围成的真空箱，其前壁就是电解箱的后壁，其后壁是铜板或铝板，或由铜或铝制作的冷却水管，在后壁对着前壁的表面上镀有反红外线膜层；温差发电箱中固定有温差发电片，温差发电片的热端与冷端分别固定在温差发电真空箱的前壁与后壁上；冷却水管通有冷却水或冷却气体；周边覆盖有保温层；温差发电片彼此并连或串连成温差发电片组，温差发电片组的正、负极分别连接到电解箱的正、负极上。

8.根据权利要求1所述的一种风电-太阳能制氢装置，其特征是，其中的补水箱由与冷却水管或进水管连通的进水阀门、水箱、通过水箱的滤气管、及连通水箱与电解箱的虹吸管构成；滤气管是底部充满水的U形管，气体通过U形管时，其中的水蒸气及能够溶解在水中的气体就溶解在了水中，并随着U形管底部水量的增加而回流到电解箱中；水箱的水通过虹吸管自动流到电解箱中，从而使得补水箱与电解箱的水位总是相同；补水箱的表面覆盖有保温层；滤气管连通到储气罐，由电解箱产生的氢气和氧气分别经过氢气滤气管和氧气滤气管后，分别被压缩到氢气储气罐和氧气储气罐。

9.根据权利要求1所述的一种风电-太阳能制氢装置，其特征是，其中的电解箱中碱、或酸、或盐水溶液中，加入促进水分解的催化剂；加入增加光能吸收的悬浮颗粒。

10.根据权利要求1所述的一种风电-太阳能制氢装置，其特征是，其中的电解箱顶部的气体出口附加气体分子能自由通过而溶液不能通过的气体透膜，或将气体导出管做成S形，电解箱顶部的补水管也做成S形，S形管的平面垂直于真空玻璃。