CN105483745A - 一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置 - Google Patents

一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置，包括聚光太阳能发电模块和电解制氢模块，聚光太阳能发电模块的总输出电极对应地与电解制氢模块的总输入电极连接；聚光太阳能发电模块包括至少1个聚光太阳能发电模组。本发明将聚光太阳能发电模块直接与电解制氢模块连接，为光能-电能-化学能的转换。与现有的光能-电能-化学能-电能-化学能的转换过程相比，省略了中间的一个化学能-电能的转换阶段，减少了这个转换阶段中电能的损耗，进而提高了太阳能的光能的转化效率。本发明的装置成本低，效率高，且光电能转换氢能的效率能够量产化，能够作为氢源装置应用至以氢为能源的设备中。

Description

一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置
技术领域
本发明涉及太阳能光电制氢技术领域，尤其涉及一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置。
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。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。
现有传统制氢方法中，电解水制氢是一种已经成熟的制氢方法，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。因此，太阳能的光电转化技术与电解制氢的结合的技术应用而生。利用太阳能进行光电制氢的技术越来越多，但是由于受光电转换效率以及电解水制氢效率双重的限制，以及两者的最大功率点的匹配度差，导致太阳能光电制氢效率比较低，限制了太阳能光电制氢技术的工业化进展。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷和问题，本发明的目的是提供一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置。解决现有太阳能光电制氢效率低的技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置，包括聚光太阳能发电模块和电解制氢模块，所述聚光太阳能发电模块的总输出电极对应地与所述电解制氢模块的总输入电极连接；所述聚光太阳能发电模块包括至少1个聚光太阳能发电模组，当聚光太阳能发电模块包括多个聚光太阳能发电模组时，多个聚光太阳能发电模组之间采用并联和/或串联的连接方式连接，连接后引出的电极线对应地与所述总输出电极连接。
进一步地，还包括发电控制模块，所述发电控制模块包括发电控制器和多个控制开关，所述多个发电控制开关接入每个聚光太阳能发电模组的负极与总输出电极的正极和负极的连接线路中，通过发电控制开关的打开或者关闭实现多个聚光太阳能发电模组的并联和/或串联；所述多个发电控制开关的控制端与所述发电控制器的输出端连接；所述发电控制器具有数据处理功能，能够根据太阳能光伏发电的最大功率点计算公式，输出多个聚光太阳能发电模组的最优连接方式；发电控制器依据该最优连接方式控制多个发电控制开关的打开或者关闭，实现多个聚光太阳能发电模组按最优连接方式连接。
进一步地，所述电解制氢模块包括多个电解制氢单元，所述多个电解制氢单元之间采用并联和/或串联的连接方式连接，连接后引出的电极线对应地与所述总输入电极连接。
进一步地，还包括制氢控制模块，所述制氢控制模块包括制氢控制器和多个控制开关，所述多个控制开关接入每个电解制氢单元的负极与总输入电极的正极和负极的连接线路中，通过制氢控制开关的打开或者关闭实现多个电解制氢单元的并联和/或串联；所述多个制氢控制开关的控制端与所述制氢控制器的输出端连接；所述制氢控制器与所述发电控制器连接，接收发电控制器的最大功率点，分析得到与该最大功率点相匹配的电解制氢模块中多个电解制氢单元的最优连接方式，制氢控制器依据该最优连接方式控制多个电解制氢单元的打开或者关闭，实现多个电解制氢单元按最优连接方式连接。
进一步地，所述聚光太阳能发电模组采用聚光倍数为20-2000倍的聚光太阳能发电模组；聚光方式为穿透式聚光、反射式聚光或者槽式聚光。聚光太阳能发电模组的聚光倍数越高相对应的光电转换效率越高所产生的氢转换效率同样的越高。
进一步地，所述电解制氢模块中采用由多个聚合物化学电解制氢单元连接构成的聚合物化学电解制氢模块；所述聚合物化学电解制氢单元可以为碱性或者酸性。
进一步地，所述多个聚光太阳能发电模组的个数为3-6个；所述多个聚合物化学电解制氢单元的个数为3-6个。
进一步地，所述聚光太阳能发电模块和聚合物化学电解制氢模块的工作电压均为1-60V。
进一步地，还包括外壳，所述外壳上开设太阳光入射窗口、氢气出口、氧气出口和加料口，所述外壳的太阳光入射窗口上活动连接盖板；所述聚光太阳能发电模组的太阳能聚光口设置在所述太阳光入射窗口处；所述电解制氢模块的氢气排气管与所述氢气出口连接，所述电解制氢模块的氧气排气管与所述氧气出口连接；所述加料口与所述电解制氢模块中每个电解制氢单元的加料口连接。
进一步地，还包括监控模块，所述监控模块包括控制器、报警器和多个电解质浓度传感器，所述每个电解质浓度传感器的感应端设置在对应的所述电解制氢单元内部，输出端与所述控制器连接；当电解质浓度传感器检测到电解制氢单元的电解质浓度高于控制器预设的最高浓度值时，控制器向报警器发出信号，报警器报警，提示添加电解质。
进一步地，本发明的高倍聚光太阳能光电氢气转换装置作为氢源装置应用至以氢为能源的设备中。所述以氢为能源的设备包括氢燃料电池设备或者其他动力能源设备。
本发明的工作原理为：高效率聚光太阳能发电模组在接收太阳光的同时将光能转换成电能，确实实现了光电转换然后将高效率聚光太阳能发电模组的电能给了聚合物化学电解模块，聚合物化学电解模块产生化学电解效应后在聚合物化学电解模块的负极供(氢H2)，正极供(氧O2)，进而达到产出高效率的氢。
本发明的一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置中，将聚光太阳能发电模块的总输出电极直接与电解制氢模块的总输入电极连接，为光能-电能-化学能的转换。而与现有的太阳能的光伏发电的电能储存至蓄电池中后再利用来制氢的技术(为光能-电能-化学能-电能-化学能的转换过程)相比，省略了中间的一个化学能-电能的转换阶段，减少了这个转换阶段中电能的损耗，进而提高了太阳能的光能的转化效率。
本发明中，聚光太阳能发电模组的最大功率点需要和聚合物化学电解模块匹配才可发挥最大转换效率。因此，增设了发电控制模块和制氢控制模块，实现自动化地对聚光太阳能发电模块和电解制氢模块中的连接关系进行优化，快速得到能够达到最大功率点的最优连接方式，提高本发明的高倍聚光太阳能光电氢气转换装置的转换效率。
本发明中采用的聚光太阳能发电模块的光电转换效率大于36％-41％，因此，可使本发明可以产生氢转换效率大于24％-29％的效果。
本发明的高倍聚光太阳能光电氢气转换装置成本低，效率高，且光电能转换氢能的效率能够量产化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种具体的高倍聚光太阳能光电氢气转换装置结构连接示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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
结合图1所示，说明本发明的一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置，包括聚光太阳能发电模块1和电解制氢模块2，所述聚光太阳能发电模块1的总输出电极对应地与所述电解制氢模块2的总输入电极连接；所述聚光太阳能发电模块1包括至少1个聚光太阳能发电模组(如，图1中的101、102和103)，当聚光太阳能发电模块1包括多个聚光太阳能发电模组时，多个聚光太阳能发电模组之间采用并联和/或串联的连接方式连接，连接后引出的电极线对应地与所述总输出电极连接。
所述聚光太阳能发电模块1中可以只有一个或者多个聚光太阳能发电模组，相应地，所述电解制氢模块2中的电解制氢单元的个数可以为1个或者多个。
优选地，所述聚光太阳能发电模组采用聚光倍数为20-2000倍的聚光太阳能发电模组；聚光方式为穿透式聚光、反射式聚光或者槽式聚光。聚光太阳能发电模组的聚光倍数越高相对应的光电转换效率越高所产生的氢转换效率同样的越高。
优选地，所述电解制氢模块2中采用由多个聚合物化学电解制氢单元连接构成的聚合物化学电解制氢模块2；所述聚合物化学电解制氢单元可以为碱性或者酸性。
优选地，所述聚光太阳能发电模块1和聚合物化学电解制氢模块2的工作电压均为1-60V。依据实际情况确定即可。
当采用多个聚光太阳能发电模组(如，图1中的101、102和103)以及多个电解制氢单元(如，图1中的201、202和301等)时；优选地，所述多个聚光太阳能发电模组的个数为3-6个；所述多个聚合物化学电解制氢单元的个数为3-6个。本发明优选的技术方案是还包括发电控制模块(图未示)，所述发电控制模块包括发电控制器和多个控制开关，所述多个发电控制开关接入每个聚光太阳能发电模组的负极与总输出电极的正极和负极的连接线路中，通过发电控制开关的打开或者关闭实现多个聚光太阳能发电模组的并联和/或串联；所述多个发电控制开关的控制端与所述发电控制器的输出端连接；所述发电控制器具有数据处理功能，能够根据太阳能光伏发电的最大功率点计算公式，输出多个聚光太阳能发电模组的最优连接方式；发电控制器依据该最优连接方式控制多个发电控制开关的打开或者关闭，实现多个聚光太阳能发电模组按最优连接方式连接。
相应地，还包括制氢控制模块(图未示)，所述制氢控制模块包括制氢控制器和多个控制开关，所述多个控制开关接入每个电解制氢单元的负极与总输入电极的正极和负极的连接线路中，通过制氢控制开关的打开或者关闭实现多个电解制氢单元的并联和/或串联；所述多个制氢控制开关的控制端与所述制氢控制器的输出端连接；所述制氢控制器与所述发电控制器连接，接收发电控制器的最大功率点，分析得到与该最大功率点相匹配的电解制氢模块中多个电解制氢单元的最优连接方式，制氢控制器依据该最优连接方式控制多个电解制氢单元的打开或者关闭，实现多个电解制氢单元按最优连接方式连接。
实现聚光太阳能发电模组的最大功率点和聚合物化学电解模块匹配才可发挥最大转换效率。
如图1中所示的，3个聚光太阳能发电模组串联组成的聚光太阳能发电模块1。电解制氢单元201和202串联，电解制氢单元301、302、303和304并联构成的电解制氢模块2。
实施例2
本实施例2中给出了一种具体的实现聚光太阳能发电模组的最大功率点与聚合物化学电解模块匹配的过程分析。
本实施例2中的聚光太阳能发电模组采用的高效率的聚光电池在1000倍的太阳下聚光，采用140x140mm的聚光透镜然后采用的聚光电池是4x4mm的聚光电池，实际的几何聚光倍数是140x140mm/4x4mm等于1,225倍的几何聚光倍数。聚光电池的材质为聚合物电池。单一的高效率聚光太阳能发电模组在1000倍聚光下的参数如表1所示。
表1
聚光倍数 Voc(V) Isc(A) Im(A) Vm(V) Pmax(W) Eff(％) F.F(％)
1000 3.221 2.304 2.308 2.907 6.594 40.11 88.88
利用高效率聚光太阳能发电模组直接产生的电能给聚合物化学电解模块，聚合物化学电解模块产生化学电解效应后在聚合物化学电解模块的负极供(氢H2)，正极供(氧O2)，进而达到产出高效率的氢。
如何产生高效率的氢，将高效率聚光太阳能发电模组以下简称(STH)，利用高效率聚光太阳能发电模组和聚合物化学电解模块的最大功率点匹配才可以发挥出最高的氢转换效率。如表2所示。
ΔG°＝(1.23V)2F
F(＝96500Cmo1-1)是法拉第常数，
STH＝(Pm/Psun)(Pop/Pm)(1.23V/Vop)(IH2/Iop)
其中，Psun代表是太阳的功率；
Pm代表是高效率聚光太阳能发电模组的最大输出功率；
Pop代表是聚合物化学电解模块的实际功率；
Iop代表是聚合物化学电解模块的实际电流；
IH2代表是聚合物化学电解模块的实际氢分子；
高效率聚光太阳能发电模组和STH的匹配关系。
表2
因此，由表2得知本发明在高效率聚光太阳能发电模组的最大输出功率和聚合物化学电解模块的数量上需要达到一定的匹配才能产生高效率的STH。表2可以得知高效率聚光太阳能发电模组3个，聚合物化学电解模块5个的串接/并接关系才可以达到最高效率的STH。
实施例3
本实施例3的高倍聚光太阳能光电氢气转换装置，是在上述实施例1和实施例2的基础上进行的优化完善。还包括外壳(图未示)，所述外壳上开设太阳光入射窗口、氢气出口、氧气出口和加料口，所述外壳的太阳光入射窗口上活动连接盖板；所述聚光太阳能发电模组的太阳能聚光口设置在所述太阳光入射窗口处；所述电解制氢模块的氢气排气管与所述氢气出口连接，所述电解制氢模块的氧气排气管与所述氧气出口连接；所述加料口与所述电解制氢模块中每个电解制氢单元的加料口连接。
为了及时发现电解制氢模块中电解质的消耗情况，增设了监控模块，所述监控模块包括控制器、报警器和多个电解质浓度传感器，所述每个电解质浓度传感器的感应端设置在对应的所述电解制氢单元内部，输出端与所述控制器连接；当电解质浓度传感器检测到电解制氢单元的电解质浓度高于控制器预设的最高浓度值时，控制器向报警器发出信号，报警器报警，提示添加电解质。
优选地，还可以在外壳的底部连接行走轮，方便移动。
实施例4
本发明的高倍聚光太阳能光电氢气转换装置作为氢源装置应用至以氢为能源的设备中。所述以氢为能源的设备包括氢燃料电池设备或者其他动力能源设备。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置，其特征在于，包括聚光太阳能发电模块和电解制氢模块，所述聚光太阳能发电模块的总输出电极对应地与所述电解制氢模块的总输入电极连接；所述聚光太阳能发电模块包括至少1个聚光太阳能发电模组，当聚光太阳能发电模块包括多个聚光太阳能发电模组时，多个聚光太阳能发电模组之间采用并联和/或串联的连接方式连接，连接后引出的电极线对应地与所述总输出电极连接。
2.根据权利要求1所述的一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置，其特征在于，还包括发电控制模块，所述发电控制模块包括发电控制器和多个控制开关，所述多个发电控制开关接入每个聚光太阳能发电模组的负极与总输出电极的正极和负极的连接线路中，通过发电控制开关的打开或者关闭实现多个聚光太阳能发电模组的并联和/或串联；所述多个发电控制开关的控制端与所述发电控制器的输出端连接；所述发电控制器具有数据处理功能，能够根据太阳能光伏发电的最大功率点计算公式，输出多个聚光太阳能发电模组的最优连接方式；发电控制器依据该最优连接方式控制多个发电控制开关的打开或者关闭，实现多个聚光太阳能发电模组按最优连接方式连接。
3.根据权利要求1或者2所述的一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置，其特征在于，所述电解制氢模块包括多个电解制氢单元，所述多个电解制氢单元之间采用并联和/或串联的连接方式连接，连接后引出的电极线对应地与所述总输入电极连接。
4.根据权利要求3所述的一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置，其特征在于，还包括制氢控制模块，所述制氢控制模块包括制氢控制器和多个控制开关，所述多个控制开关接入每个电解制氢单元的负极与总输入电极的正极和负极的连接线路中，通过制氢控制开关的打开或者关闭实现多个电解制氢单元的并联和/或串联；所述多个制氢控制开关的控制端与所述制氢控制器的输出端连接；所述制氢控制器与所述发电控制器连接，接收发电控制器的最大功率点，分析得到与该最大功率点相匹配的电解制氢模块中多个电解制氢单元的最优连接方式，制氢控制器依据该最优连接方式控制多个电解制氢单元的打开或者关闭，实现多个电解制氢单元按最优连接方式连接。
5.根据权利要求1、2或者4所述的一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置，其特征在于，所述聚光太阳能发电模组采用聚光倍数为20-2000倍的聚光太阳能发电模组；聚光方式为穿透式聚光、反射式聚光或者槽式聚光。
6.根据权利要求1、2或者4所述的一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置，其特征在于，所述电解制氢模块中采用由多个聚合物化学电解制氢单元连接构成的聚合物化学电解制氢模块；所述聚合物化学电解制氢单元可以为碱性或者酸性。
7.根据权利要求6所述的一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置，其特征在于，所述多个聚光太阳能发电模组的个数为3-6个；所述多个聚合物化学电解制氢单元的个数为3-6个；所述聚光太阳能发电模块和聚合物化学电解制氢模块的工作电压均为1-60V。
8.根据权利要求1、2、4或者7所述的一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置，其特征在于，还包括外壳，所述外壳上开设太阳光入射窗口、氢气出口、氧气出口和加料口，所述外壳的太阳光入射窗口上活动连接盖板；所述聚光太阳能发电模组的太阳能聚光口设置在所述太阳光入射窗口处；所述电解制氢模块的氢气排气管与所述氢气出口连接，所述电解制氢模块的氧气排气管与所述氧气出口连接；所述加料口与所述电解制氢模块中每个电解制氢单元的加料口连接。
9.根据权利要求8所述的一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置，其特征在于，还包括监控模块，所述监控模块包括控制器、报警器和多个电解质浓度传感器，所述每个电解质浓度传感器的感应端设置在对应的所述电解制氢单元内部，输出端与所述控制器连接；当电解质浓度传感器检测到电解制氢单元的电解质浓度高于控制器预设的最高浓度值时，控制器向报警器发出信号，报警器报警，提示添加电解质。
10.根据权利要求1、2、4、7或9所述的一种高倍聚光太阳能光电氢气转换装置，其特征在于，所述高倍聚光太阳能光电氢气转换装置作为氢源装置应用至以氢为能源的设备中。
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