CN104539222B - 一种太阳能连续发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳能连续发电系统。本发明的太阳能连续发电系统，包括复合光伏发电装置和氢燃料电池，所述复合光伏发电装置包括从上至下依次设置的上电极层、窗口层、光吸收层、下电极层、半导体电极层和对电极层，所述上电极层、窗口层、光吸收层、下电极层和半导体电极层均为透光设置，并且在所述半导体电极层与所述对电极层之间填充有水或电解液；所述氢燃料电池设置在所述复合光伏发电装置的外部，在所述氢燃料电池与所述半导体电极层之间设有第一氢气输送管道。该太阳能连续发电系统能够提高对太阳能的利用率，并实现连续发电。
Description
技术领域
本发明属于太阳能发电技术领域，特别涉及一种太阳能连续发电系统。
背景技术
太阳能是一种洁净并且可再生的新能源，太阳能发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式，其包括光伏发电、光化学发电、光感应发电、光生物发电等多种形式。利用太阳能发电不受资源分布及地域的限制，可就近发电，不仅获取能源所花费的时间短，而且能源质量高，是一种较为经济、清洁、环保的发电方式，应用前景广阔。
光伏发电是利用太阳能光伏电池将太阳光转化为电能，太阳能光伏电池主要分为硅基太阳能电池和薄膜太阳能电池两类，前者主要包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶体硅太阳能电池，后者主要包括微晶硅薄膜硅太阳能电池(简称c-Si)、非晶硅薄膜太阳能电池(简称a-Si)、Ⅱ-Ⅵ族化合物太阳能电池(例如碲化镉、硒化铟铜等)和Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳能电池(例如砷化镓、磷化铟、磷化镓铟等)。当半导体材料受到光照时，半导体的两端会产生电势差，在接入负载后可形成电流，光子能量即转换成电能。
目前，单晶硅太阳能电池的转换效率为16％～20％，多晶硅太阳能电池的转化效率为14％～16％，而薄膜太阳能电池中，除Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳能电池的转换效率可高达30％以外，其他太阳能电池的转换效率一般在10％以下，太阳能利用率普遍较低；此外，利用太阳能发电受季节、昼夜以及阴晴等气象状况的影响较大，因此无法实现连续发电。
发明内容
本发明提供一种太阳能连续发电系统，用于解决现有技术中的太阳能发电系统对太阳能的利用率低、无法实现连续发电等技术缺陷。
本发明提供的一种太阳能连续发电系统，包括复合光伏发电装置和氢燃料电池，
所述复合光伏发电装置包括从上至下依次设置的上电极层、窗口层、光吸收层、下电极层、半导体电极层和对电极层，所述上电极层、窗口层、光吸收层、下电极层和半导体电极层均为透光设置，并且在所述半导体电极层与所述对电极层之间填充有水或电解液；
所述氢燃料电池设置在所述复合光伏发电装置的外部，在所述氢燃料电池与所述半导体电极层之间设有第一氢气输送管道。
本发明所述的复合光伏发电装置包括太阳能光伏电池和光催化制氢装置，光催化制氢装置位于太阳能光伏电池的正下方。具体地，所述上电极层、窗口层、光吸收层、下电极层和半导体电极层构成太阳能光伏电池，同时半导体电极层、对电极层和填充在所述半导体电极层与所述对电极层之间的水或电解液构成光催化制氢装置；所述各层及水或电解液可以采用常规方式封装成一体。其中，所述太阳能光伏电池是能够将太阳光直接转化为电能的电池；所述光催化制氢装置是能够利用太阳光制氢的装置；所述氢燃料电池是能够将氢气和氧气反应发电的化学电池；其结构均可以为本领域的常规结构。
进一步地，所述太阳能光伏电池可为单层或多层设置，例如双层或三层。包括双层太阳能光伏电池的复合光伏发电装置的结构包括从上至下依次设置的上电极层、窗口层、光吸收层、下电极层、半导体电极层、上电极层、窗口层、光吸收层、下电极层、半导体电极层和对电极层。采用多层太阳能光伏电池能够进一步提高太阳能连续发电系统的光电转换率。
本发明所述的复合光伏发电装置，通过将上电极层、窗口层、光吸收层、下电极层和半导体电极层设置为透光，从而使照射至太阳能光伏电池中的未被利用或不能利用的太阳光进入位于太阳能光伏电池下方的光催化制氢装置中制造氢气，制造的氢气进而通过第一氢气输送管道进入氢燃料电池中成为储备能源。该方式不仅有利于提高太阳能的利用率，同时在太阳光不足的条件下还可以利用氢燃料电池发电，从而实现连续发电。
进一步地，所述半导体电极层为由化合物半导体制成的气凝胶层，所述气凝胶层的孔径(介孔尺寸)为2～50nm，例如2～30nm。更进一步地，所述光吸收层为由化合物半导体制成的气凝胶层，所述气凝胶层的孔径为2～50nm，例如2～30nm。
本发明所述的气凝胶层具有纳米孔洞效应，因此具有较大的比表面积，其能够使水或电解液与半导体电极层的接触更加充分，从而有利于提高水或电解液的光解效率；此外，在常温常压或加压状态下，气体分子(氢气)在气凝胶层中会失去气体自由移动特性而静止吸附在气凝胶层的孔洞内，从而积累大量气体。该设置方式的复合光伏发电装置在白天可利用太阳能光伏电池进行发电，同时将没有被吸收的透过光进入下方的光催化制氢装置进行光解氢，并利用气凝胶层的纳米孔洞效应将光解产生的氢气储存于气凝胶层的纳米孔洞内，在需要时，通过加热或减压方式释放储存的氢气，并输送到燃料电池中，从而利用配备的氢燃料电池进行发电，更好地实现利用太阳能进行连续发电。
特别是，将光吸收层设置为气凝胶形式，能够使进入太阳能光伏电池的太阳光在气凝胶层内部具有充分的光子激发半导体材料的时间，相对于常规的无孔隙半导体层结构，其光电转化效率大大提高；此外，其还有利于增强复合光伏发电装置的贮氢能力，同时吸附从气凝胶形式的半导体电极层中逸出的氢气，从而能量利用率更高。
本发明所述的化合物半导体是指由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。本发明对制备气凝胶的化合物半导体不作严格限定，其可以选自氧化锌、二氧化钛、四氧化三铁、三氧化钨、二氧化锆、砷化镓、砷化锗、硫化镉和碲化镉中的一种。
本发明所述的气凝胶层的制备方法可以为本领域常规方法或公开号为CN103272539 A的专利中所公开的减压干燥法。其中，在制备气凝胶时，可以通过控制所加入的溶剂量来控制气凝胶层的孔径大小，溶剂量越大则孔径越大。在制备气凝胶后，按照尺寸要求将气凝胶切割成所需的大小和厚度，即可制得所述气凝胶层。
进一步地，其他各层均可以为本领域常规结构，例如所述上电极层和下电极层均可以为由银丝墨或石墨烯制成的透明电极层，并且所述对电极层可以为镀铂电极层。在采用石墨烯制备电极层时，可采用单层或多层石墨烯。
特别是，在所述半导体电极层的朝向所述对电极层的一侧负载有染料敏化材料。染料敏化材料在可见光下有较大的激发因子的特性，其能将光生电子输送到半导体材料的导带，从而扩大激发波长范围，增加光解反应的效率；染料敏化材料可以包括但不限于菁染料、酞菁、香豆素、叶绿素、曙红、联吡啶钌等，可以采用常规方式将染料敏化材料负载在所述半导体电极层上。
在一具体方案中，所述半导体电极层和所述光吸收层均为气凝胶层，并且在所述下电极层上分布有第一气孔，在所述半导体电极层上分布有第二气孔。进一步地，所述第一气孔的孔径为0.5～2mm，所述第一气孔的总面积占所述下电极层面积的50％以上；所述第二气孔的孔径为0.5～2mm，所述第二气孔的总面积占所述半导体电极层面积的50％以上。该设置方式有利于使从半导体电极层逸出的氢气进入光吸收层，从而使氢气充分回收并利用。
进一步地，在所述氢燃料电池与所述光吸收层之间设有第二氢气输送管道，从而将光吸收层中的氢气输送至氢燃料电池进行发电。
本发明提供的一种太阳能连续发电系统，还包括与所述半导体电极层连接的加热装置或减压装置。所述加热装置或减压装置用于对所述半导体电极层实施加热或减压处理，从而使吸附在所述半导体电极层内部的氢气释放并进入氢燃料电池。进一步地，所述加热装置或减压装置还可以与所述光吸收层连接，从而使吸附在所述光吸收层内部的氢气释放并进入氢燃料电池。此外，利用加热装置或减压装置对氢气进行释放时，可加热至65～95℃，或减压至绝对压力为0.05～0.07MPa。
进一步地，本发明提供的一种太阳能连续发电系统还可以包括其它常规部件，例如逆变器、控制器等。
本发明的实施，至少具有以下优势：
1、本发明的太阳能连续发电系统，通过依次设置的上电极层、窗口层、光吸收层、下电极层、半导体电极层和对电极层，从而使照射至太阳能光伏电池中的未被利用或不能利用的太阳光能够进入光催化制氢装置中制造氢气，太阳能利用率大大提高；该系统同时还设有氢燃料电池，其将光催化制氢装置制造的氢气作为储备能源，在太阳光不足的条件下可利用氢燃料电池发电，从而实现连续发电。
2、本发明的光催化制氢装置采用气凝胶形式的半导体电极层，其具有较大的比表面积，因此能够使水或电解液与半导体电极层的接触更加充分，从而有利于提高光解效率；此外，2～50nm孔径范围的气凝胶层能够限制氢气的自由运动，从而能够使氢气较好地吸附在气凝胶内部。
3、本发明的太阳能光伏电池采用气凝胶形式的光吸收层，其能够使进入太阳能光伏电池的太阳光在气凝胶内部具有充分的光子激发半导体材料的时间，从而光电转化效率大大提高。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的太阳能连续发电系统的结构示意图；
图2为本发明另一实施例提供的太阳能连续发电系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图和实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例的太阳能连续发电系统，包括复合光伏发电装置和氢燃料电池，复合光伏发电装置包括从上至下依次设置的上电极层11、窗口层12、光吸收层13、下电极层14、半导体电极层15和对电极层21，上电极层11、窗口层12、光吸收层13、下电极层14和半导体电极层15均为透光设置，并且在半导体电极层15与对电极层21之间填充有水22；氢燃料电池3设置在复合光伏发电装置的外部，在氢燃料电池3与半导体电极层15之间设有第一氢气输送管道41。
其中，上电极层11、窗口层12、光吸收层13、下电极层14、半导体电极层15构成单层太阳能光伏电池，同时半导体电极层15、对电极层21和填充在其之间的水22构成光催化制氢装置，各层和水22采用常规方法封装成一体。
进一步地，光吸收层13为由砷化镓制成的无孔隙电极层，在其它实施例中，还可由氧化锌、四氧化三铁、三氧化钨、二氧化锆、砷化锗、硫化镉或碲化镉电极层；半导体电极层15为由二氧化钛制成的无孔隙电极层，在其它实施例中，还可由其它化合物半导体制成；上电极层11和下电极层14均为由银丝墨制成的透明电极层，在其它实施例中，还可由单层或多层石墨烯制成。并且，对电极层21为镀铂电极层；上述各层的厚度均为本领域的常规厚度。
本实施例的太阳能连续发电系统，当光吸收层13受到光照时，半导体材料两端会产生电势差，在接入外部的负载(系统终端)后可形成电流实现发电；此外，太阳光辐射至半导体电极层15上时，当辐射的能量大于或相当于半导体的禁带宽度时，半导体内电子受激发从价带跃迁到导带，而空穴则留在价带，使电子和空穴发生分离，从而将水还原成氢气；对电极层21主要用于聚集和传递电子，促进水解水反应。
该太阳能连续发电系统，当太阳光照射至太阳能光伏电池中时进行光伏发电，同时太阳能光伏电池中的未被利用或不能利用的太阳光能够进入下方的光催化制氢装置中用以制造氢气，因此太阳能的利用率大大提高；此外，光催化制氢装置还与氢燃料电池3连接，氢燃料电池3可直接对光催化制氢装置制造的氢气进行利用，在氢和氧分别供给至阴极和阳极后，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应，放出的电子可通过外部的负载到达阳极，氢燃料电池3可作为储备能源，其能在太阳光不足的条件下进行发电，因而可实现发电系统的连续发电。
实施例2
本实施例的太阳能连续发电系统是在实施例1的基础上所作的改进。
具体地，光吸收层13为由砷化镓材料制成的气凝胶层，气凝胶层的孔径为30～50nm；半导体电极层15为由二氧化钛制成的气凝胶层，气凝胶层的孔径为30～50nm；并且，在半导体电极层15朝向对电极层21的一侧负载有染料敏化材料(例如菁染料)23。此外，在下电极层14上分布有孔径为1mm左右的第一气孔，第一气孔的总面积占下电极层14面积的60％左右，在半导体电极层15上分布有孔径为1mm左右的第二气孔，第二气孔的总面积占半导体电极层15面积的60％左右。
进一步地，该太阳能连续发电系统还包括分别与半导体电极层21和光吸收层13连接的加热装置或减压装置(未图示)，并且在氢燃料电池3与光吸收层13之间设有第二氢气输送管道42。此外，还可以根据实际需要设置控制器、逆变器等部件。
本实施例将光吸收层13和半导体电极层15均设置为气凝胶形式，其具有纳米孔洞效应，不仅光解效率高，此外可将光解产生的氢气大量储存于气凝胶层的纳米孔洞内，在太阳光不足或需要时，通过加热装置加热至90℃左右或通过减压装置减压至0.06MPa左右以释放储存的氢气，并通过氢气输送管道输送到氢燃料电池3中，从而更好地实现利用太阳能进行连续发电。
砷化镓能隙1.4eV，发电理论效率为28％左右；经检测，本实施例太阳能连续发电系统的太阳能光伏电池的实际效率达到20～27％，染料敏化光解氢光利用率达到10-13％的转化效率，利用单层太阳能光伏电池和光催化制氢装置结合可达到30-40％的光电转换率。
实施例3
本实施例的太阳能连续发电系统是在实施例2的基础上所作的改进。
具体地，如图2所示，本实施例太阳能连续发电系统的复合光伏发电装置包括双层太阳能光伏电池和光催化制氢装置，即：复合光伏发电装置包括从上至下依次设置的上电极层11、窗口层12、光吸收层13、下电极层14、半导体电极层15、上电极层11、窗口层12、光吸收层13、下电极层14、半导体电极层15和对电极层21，其中上层太阳能光伏电池中的光吸收层13为由砷化镓材料制成的气凝胶层，气凝胶层的孔径为10～30nm，下层太阳能光伏电池中的光吸收层13为由碲化镉材料制成的气凝胶层，气凝胶层的孔径为10～30nm。
进一步地，上层太阳能光伏电池的半导体电极层15和光吸收层13分别通过第三氢气输送管道43和第四氢气输送管道44与氢燃料电池3连接；下层太阳能光伏电池的半导体电极层15和光吸收层13分别通过第一氢气输送管道41和第二氢气输送管道42与氢燃料电池3连接。
砷化镓能隙1.4eV，发电理论效率为28％左右，碲化镉能隙1.44eV，发电理论效率为28％左右；经检测，本实施例太阳能连续发电系统的上层太阳能光伏电池的实际效率达到20～27％，下层太阳能光伏电池的实际效率达到20～27％，并且利用双层太阳能光伏电池和光催化制氢装置结合可达到50-60％的光电转换率。
对照例1
本对照例的太阳能发电系统包括蓄电池、控制器和实施例1的太阳能光伏电池，蓄电池用于储存太阳能光伏电池所发出的电能，以便在需要的时候进行释放发电。尽管该太阳能发电系统设置有蓄电池进行储能，然而其所储存能量来自太阳能光伏电池所发出的电能，在光线不足时无法实现连续发电。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种太阳能连续发电系统，其特征在于，
所述太阳能连续发电系统包括复合光伏发电装置和氢燃料电池；
所述复合光伏发电装置包括太阳能光伏电池和光催化制氢装置，所述光催化制氢装置位于所述太阳能光伏电池的正下方；所述复合光伏发电装置包括从上至下依次设置的上电极层、窗口层、光吸收层、下电极层、半导体电极层和对电极层；所述上电极层、窗口层、光吸收层、下电极层和半导体电极层均为透光设置，并且在所述半导体电极层与所述对电极层之间填充有水或电解液；其中，所述上电极层、窗口层、光吸收层、下电极层和半导体电极层构成所述太阳能光伏电池，同时所述半导体电极层、对电极层和填充在所述半导体电极层与所述对电极层之间的水或电解液构成所述光催化制氢装置；
所述氢燃料电池设置在所述复合光伏发电装置的外部，在所述氢燃料电池与所述半导体电极层之间设有第一氢气输送管道，在所述氢燃料电池与所述光吸收层之间设有第二氢气输送管道；
所述半导体电极层和所述光吸收层均为由化合物半导体制成的气凝胶层，所述气凝胶层的孔径为2～50nm，并且在所述下电极层上分布有第一气孔，在所述半导体电极层上分布有第二气孔。
2.根据权利要求1所述的太阳能连续发电系统，其特征在于，所述化合物半导体选自氧化锌、二氧化钛、四氧化三铁、三氧化钨、二氧化锆、砷化镓、砷化锗、硫化镉和碲化镉中的一种。
3.根据权利要求1所述的太阳能连续发电系统，其特征在于，所述上电极层和下电极层均为由银丝墨或石墨烯制成的透明电极层，并且所述对电极层为镀铂电极层。
4.根据权利要求1至3中任一所述的太阳能连续发电系统，其特征在于，在所述半导体电极层浸入水或电解液一侧，即朝向所述对电极层的一侧负载有染料敏化材料。
5.根据权利要求1所述的太阳能连续发电系统，其特征在于，所述第一气孔的孔径为0.5～2mm，所述第一气孔的总面积占所述下电极层面积的50％以上；所述第二气孔的孔径为0.5～2mm，所述第二气孔的总面积占所述半导体电极层面积的50％以上。
6.根据权利要求1所述的太阳能连续发电系统，其特征在于，还包括与所述半导体电极层连接的加热装置或减压装置。
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