CN109336051A - 全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光谱太阳能制氢‑储氢一体化系统，包括：聚光部件、光电转化部件、光热转化部件、制氢子系统和储氢子系统；其中，聚光部件将入射的全光谱太阳能聚焦反射至光电转化部件和光热转化部件，光电转化部件将与光电转化部件带隙相匹配的波段太阳能转化为光‑电能量，光热转化部件将全光谱的剩余波段太阳能转化为光‑热能量；制氢子系统中，利用光‑电能量电解水产生氢气；储氢子系统中，利用制氢子系统产生的氢气与第一反应物发生吸氢的吸热反应，该吸热反应的热量来源为所述光‑热能量，利用氮气与第二反应物发生吸氮的放热反应，第一反应物与第二反应物互为反应物‑产物的关系。实现了全光谱制氢、储氢一体化。

Description

全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统
技术领域
本发明属于太阳能全光谱综合利用技术领域，涉及一种全光谱太阳能 制氢-储氢一体化系统。
背景技术
太阳能作为储量最大的可再生能源，可为人类生产、生活源源不断地 提供能源。太阳能全光谱可划分为紫外、可见和红外波段，其中，紫外波 段光子能量最强，其次是可见波段光子能量，红外波段光子能量最低。在 光伏发电过程中，受光子能量与半导体带隙间匹配关系，红外波段太阳能 不具有发电能力，紫外波段太阳能发电效率较低，从而限制了光伏发电过 程中太阳能转电效率。
此外，入射太阳能辐照强度随时间具有波动性，为消纳太阳能的光伏 产电，日前通常的做法是利用光伏并网的方式。但是，这种方式会对电网 造成一定程度的负荷冲击。而利用物理储电或者化学储电的方式，其规模 较小且成本过高。因此，将太阳能以电能的方式利用还面临着一些实际挑 战。
有的研究中通过太阳能光伏电解水制氢的方式，将太阳能转化为氢燃 料，实现了对太阳能的利用，可有效解决太阳能波动的问题，与此同时， 氢能作为清洁、友好的燃料，被认为是替代化石燃料的未来能源。但是在 氢气存储方面，存在储氢容量低、成本高和耗能高的缺陷。
因此，如何实现对全光谱太阳能的高效利用并且克服现有技术中储氢 的容量低、成本高和耗能高的缺陷，成为亟需解决的技术问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，以解决全光谱 太阳能高效利用以及氢气储能中存在的上述问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种全光谱太阳能制氢-储氢一体化系 统，包括：聚光部件、光电转化部件、光热转化部件、制氢子系统和储氢 子系统；其中，聚光部件将入射的全光谱太阳能聚焦反射至光电转化部件 和光热转化部件，光电转化部件将与光电转化部件带隙相匹配的波段太阳 能转化为光-电能量，光热转化部件将全光谱的剩余波段太阳能转化为光- 热能量；制氢子系统中，利用光-电能量电解水产生氢气；储氢子系统中，利用制氢子系统产生的氢气与第一反应物发生吸氢的吸热反应，该吸热反 应的热量来源为所述光-热能量，利用氮气与第二反应物发生吸氮的放热反 应，第一反应物与第二反应物互为反应物-产物的关系，实现全光谱制氢、 储氢一体化。
在本公开的一些实施例中，制氢子系统包括：电解池5，与光电转化 部件相连，利用光电转化部件产生的光-电能量在电解池5中进行电解水反 应，产生氢气和氧气；以及氢气循环泵6，将电解池5产生的氢气通入到 储氢子系统。
在本公开的一些实施例中，储氢子系统包括：光热反应器3，该光热 反应器3包含隔离的第一部分和第二部分，第一部分用于存放第一反应物， 朝向聚光部件；第二部分用于存放第二反应物，背离聚光部件；该光热反 应器3的第一部分和第二部分均为光热转化部件；氮气循环泵10，用于将 氮气通入到光热反应器3的第二部分中，与第二反应物发生吸氮的放热反 应；氮气冷凝器11，与氮气循环泵10和光热反应器3相连，将光热反应 器3中未反应完的氮气进行冷却，并使未反应完的氮气再次通过氮气循环 泵10进入光热反应器3参与反应；混合气冷凝器7，将光热反应器3的第 一部分发生吸氢的吸热反应后产生的氨气和未反应完的氢气的混合气进 行冷却，得到气态氢气和液态氨；以及气液分离器8，将混合气冷凝器7 中得到的气态氢气和液态氨进行气液分离，气态氢气通入到储氢子系统中 再次参与反应，液态氨存储于储氨罐9中，实现储氢。
在本公开的一些实施例中，光热反应器3的第一部分和第二部分的位 置可实现互换，以实现吸热反应和放热反应的连续进行。
在本公开的一些实施例中，光热反应器3的第一部分和第二部分沿轴 向对称分布，通过轴向旋转实现第一部分和第二部分的位置互换。
在本公开的一些实施例中，光热反应器3的第一部分和第二部分通过 绝热材料进行隔离；和/或，第一反应物和第二反应物为氮化金属或氢化金 属。
在本公开的一些实施例中，聚光部件包括：第一聚光部件1和第二聚 光部件2，第一聚光部件1将与光电转化部件带隙相匹配的波段太阳能聚 焦反射至光电转化部件；第二聚光部件2，将全光谱的剩余波段太阳能聚 焦反射至光热转化部件。
在本公开的一些实施例中，第一聚光部件1为选择性聚光镜；和/或， 第二聚光部件2为通用槽式聚光镜；和/或，光电转化部件4为光伏电池。
在本公开的一些实施例中，聚光部件的反射波段范围和光电转化部件 4的材料为最优反射波段和最优材料，该最优反射波段和最优材料使得储 氢子系统中的放热反应和吸热反应速率匹配最优。
在本公开的一些实施例中，全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，还包 括：跟踪控制系统，利用该跟踪控制系统使全光谱太阳能垂直入射至聚光 部件。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的全光谱太阳能制氢-储氢一体 化系统，具有以下有益效果：
(1)通过利用聚光部件将入射的全光谱太阳能聚焦反射至光电转化 部件和光热转化部件，进而将全光谱太阳能转化为光-电能量和光-热能量， 其中，可见波段能量转化为光-电能量，该光-电能量用于在制氢子系统中 电解水制氢，紫外和红外波段能量转化为光-热能量，该光-热能量用于在 储氢子系统中驱动储氢反应的进行，且制氢子系统制得的氢气在储氢子系 统中以液态氨的形式存储，实现制氢-储氢一体化，克服了太阳能利用过程 中因太阳能波动对过程运行产生的影响，使太阳能的利用过程不可逆损失 减少，实现了太阳能的全光谱高效利用；
(2)将太阳能以液态氨的形式存储，克服了常规储氢过程储氢容量 低、成本高和耗能高的难题；
(3)利用太阳能作为制氢和储氢过程的唯一能源输入，实现了产能 和用能的清洁化、绿色化；
(4)储氢过程可以在常压、中温下进行，较压力大于100bar、温度 大于700℃的工业制氨储氢过程，可行性优势显著，可实现宽辐照、高效 率利用太阳能；
(5)聚焦部件可采用成熟可靠的线聚焦聚光方式，系统运行简单、 可靠性强，无技术瓶颈问题，可为分布式供能和智能电网领域提供清洁能 源；
(6)光热反应器的第一部分和第二部分的位置可实现互换，以实现 吸热反应和放热反应的连续进行，另外可消除线聚焦下的光热反应器热应 力集中导致变形的问题；
(7)可通过优化设置聚光部件的反射波段范围和光电转化部件的材 料为最优反射波段和最优材料，使得储氢子系统中的放热反应和吸热反应 速率匹配最优。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的全光谱太阳能制氢-储氢一体化系 统的结构示意图。
【符号说明】
1-第一聚光部件； 2-第二聚光部件；
3-光热反应器； 4-光电转化部件；
5-电解池； 6-氢气循环泵；
7-混合气冷凝器； 8-气液分离器；
9-储氨罐； 10-氮气循环泵；
11-氮气冷凝器。
具体实施方式
本公开基于全光谱太阳能的光电和光热属性，并结合两步法常压、中 温储氢的特点，提供了一种全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，将全光谱 太阳能转化为光-电能量和光-热能量，该光-电能量用于在制氢子系统中电 解水制氢，该光-热能量用于在储氢子系统中驱动储氢反应的进行，且制氢 子系统制得的氢气在储氢子系统中以液态氨的形式存储，实现制氢-储氢一 体化，克服了太阳能利用过程中因太阳能波动对过程运行产生的影响，使 太阳能的利用过程不可逆损失减少，其中，可见光谱用于制氢，紫外和红 外光谱用于液态储氢，进而实现太阳能的高效、低成本利用，实现了太阳 能的全光谱高效利用。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种全光谱太阳能制氢- 储氢一体化系统。
图1为根据本公开一实施例所示的全光谱太阳能制氢-储氢一体化系 统的结构示意图。
参照图1所示，本公开的全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，包括： 聚光部件、光电转化部件、光热转化部件、制氢子系统和储氢子系统；其 中，聚光部件将入射的全光谱太阳能聚焦反射至光电转化部件和光热转化 部件，光电转化部件将与光电转化部件带隙相匹配的波段太阳能转化为光 -电能量，光热转化部件将全光谱的剩余波段太阳能转化为光-热能量；制 氢子系统中，利用光-电能量电解水产生氢气；储氢子系统中，利用制氢子系统产生的氢气与第一反应物发生吸氢的吸热反应，该吸热反应的热量来 源为所述光-热能量，利用氮气与第二反应物发生吸氮的放热反应，第一反 应物与第二反应物互为反应物-产物的关系，实现全光谱制氢、储氢一体化。
下面结合本实施例的具体构造对全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统 的各个部分进行详细介绍。
参照图1所示，本实施例中，聚光部件包括：第一聚光部件1和第二 聚光部件2，第一聚光部件1将与光电转化部件带隙相匹配的波段太阳能 聚焦反射至光电转化部件；第二聚光部件2，将全光谱的剩余波段太阳能 聚焦反射至光热转化部件。
本实施例中，第一聚光部件1为选择性聚光镜。
本实施例中，第二聚光部件2为通用槽式聚光镜。
聚焦部件采用成熟可靠的线聚焦聚光方式，系统运行简单、可靠性强， 无技术瓶颈问题，可为分布式供能和智能电网领域提供清洁能源。
本实施例中，光电转化部件4为光伏电池。
文中直接使用选择性聚光镜1、通用槽式聚光镜2、光伏电池4来进 行表述。
本实施例中，光热转化部件为光热反应器3中的光热反应管。
本实施例中，制氢子系统包括：电解池5，与光电转化部件相连，利 用光电转化部件产生的光-电能量在电解池5中进行电解水反应，产生氢气 和氧气；以及氢气循环泵6，将电解池5产生的氢气通入到储氢子系统。
本实施例中，储氢子系统包括：光热反应器3，该光热反应器3包含 隔离的第一部分和第二部分，第一部分用于存放第一反应物，朝向聚光部 件；第二部分用于存放第二反应物，背离聚光部件；该光热反应器3的第 一部分和第二部分均为光热转化部件；氮气循环泵10，用于将氮气通入到 光热反应器3的第二部分中，与第二反应物发生吸氮的放热反应；氮气冷 凝器11，与氮气循环泵10和光热反应器3相连，将光热反应器3中未反 应完的氮气进行冷却，并使未反应完的氮气再次通过氮气循环泵10进入 光热反应器3参与反应；混合气冷凝器7，将光热反应器3的第一部分发 生吸氢的吸热反应后产生的氨气和未反应完的氢气的混合气进行冷却，得 到气态氢气和液态氨；以及气液分离器8，将混合气冷凝器7中得到的气 态氢气和液态氨进行气液分离，气态氢气通入到储氢子系统中再次参与反 应，液态氨存储于储氨罐9中，实现储氢。
本实施例中，光热反应器3的第一部分和第二部分通过绝热材料进行 隔离。第一部分用于存放第一反应物，朝向聚光部件，本实施例中，光热 反应器3的下部分朝向通用槽式聚光镜2；第二部分用于存放第二反应物， 背离聚光部件，本实施例中，光热反应器3的上部分背离通用槽式聚光镜 2。
本实施例中，第一反应物和第二反应物为氮化金属或氢化金属，第一 反应物与第二反应物互为反应物-产物的关系。
光热反应器3的第一部分和第二部分的位置可实现互换，以实现吸热 反应和放热反应的连续进行。本实施例中，光热反应器3的上部分和下部 分沿轴向对称分布，通过轴向旋转实现位置互换，在一实例中，利用机械 结构使光热反应器3进行轴向旋转实现第一部分和第二部分的位置互换， 参照图1中光热反应器3截面中上部分和下部分的旋转箭头所示。在其它 实施例中，光热反应器3的第一部分和第二部分的位置互换的方式还可以 是错位互换，本公开中不限定第一部分和第二部分的位置互换的方式。
该全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统还包括：跟踪控制系统，利用该 跟踪控制系统使全光谱太阳能垂直入射至聚光部件。
参照图1所示，该全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统的聚光过程由选 择性聚光镜1和通用槽式聚光镜2完成，通过跟踪控制系统保证太阳能垂 直入射到聚光部件，入射的太阳能先直射到选择性聚光镜1表面发生聚光 和分光过程，选择性聚光镜1将与光伏电池4带隙相匹配的波段能量聚光 到光伏电池4表面用于发电，同时将剩余波段太阳能透射到通用槽式聚光 镜2，随后，这部分透射的太阳能经通用槽式聚光镜2聚光到光热反应器 3下部分表面发生光热转换。
在制氢子系统中发生制氢过程，本实施例中，该制氢过程为：
光伏电池4与电解池5相连，并为电解水制氢过程提供电能，此过程 实现选择性聚光镜1反射、聚光的太阳能转化为氢气的化学能。电解水制 氢过程产生的氢气通过氢气循环泵6通入到光热反应器3中发生储氢、制 氨的过程。电解水制氢过程的副产品氧气可进行存储或者直接利用。
在储氢子系统中发生储氢过程，储氢过程可以在常压、中温下进行， 较压力大于100bar、温度大于700℃的工业制氨储氢过程，可行性优势显 著，可实现宽辐照、高效率利用太阳能。
本实施例中，第一反应物和第二反应物以氮化金属为例，该储氢过程 为：
在光热反应器3的上、下部分分别填充第二反应材料MaNb-δ和第一反 应材料MaNb。氮气通过氮气循环泵10流入进光热反应器3的上部分与第 二反应材料MaNb-δ发生如下放热反应：
使第二反应材料MaNb-δ变为MaNb；
反应产热通过剩余的氮气带出并在氮气冷凝器11中冷却或者再利用。
氢气通过氢气循环泵6注入到光热反应器3的下部分与第一反应材料 MaNb发生如下吸热反应：
使第一反应材料MaNb变为MaNb-δ。
化学反应式(1)和(2)中，M代表金属元素，a、b、δ为化学计量 数，N2为氮气，H2为氢气，NH3为氨气。
吸热过程的热量由通用槽式聚光镜2聚光到光热反应器3的下部分表 面的太阳能提供。
吸热过程产生的氨气NH3和氢气H2的混合气经混合气冷凝器7和气 液分离器8实现冷却分离，氨气NH3存储在储氨罐9中实现储氢，未反应 的氢气H2继续通入到光热反应器3中进行反应从而实现储氢。
在其它实施例中，除了氮化金属可作为第一反应物和第二反应物参与 化学反应外，部分氢化金属的吸热和放热化学反应同样可以采用：
MH+N2→MNH (3)
MNH+H2→MH+NH3 (4)
本实施例中，储氢的吸热过程和放热过程连续运行：在光热反应器3 的上部分发生吸氮过程，反应材料由MaNb-δ变为MaNb，此过程MaNb-δ逐渐变 少，MaNb逐渐变多；在光热反应器3的下部分发生吸氢过程，反应材料由 MaNb变为MaNb-δ，此过程MaNb逐渐变少，MaNb-δ逐渐变多；放热过程的产物 为吸热过程的反应物，而吸热过程的产物则为放热过程的反应物。当光热 反应器3的上部分中第二反应物MaNb-δ反应到规定程度或者光热反应器3 的下部分中第一反应物MaNb反应到规定程度后，光热反应器3可沿轴向旋 转实现上、下部分转置，实现位置互换，以保证储氢过程连续进行，另外 可消除线聚焦下的光热反应器热应力集中导致变形的问题。
在一实例中，当光热反应器3的上部分中的第二反应物或者下部分中 的第一反应物反应完全后，通过机械结构使光热反应器3沿轴向旋转，此 时，光热反应器3的上、下部分位置互换，以实现放热反应和吸热反应的 连续进行。
优选的，可通过优化设置聚光部件的反射波段范围和光电转化部件的 材料为最优反射波段和最优材料，使得储氢子系统中的放热反应和吸热反 应速率匹配最优。本实施例中，通过调节选择性聚光镜1的反射波段范围、 光伏电池4的材料以优化吸热反应和放热反应的反应速率匹配。
综上所述，本公开提供了一种全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，通 过利用聚光部件将入射的全光谱太阳能聚焦反射至光电转化部件和光热 转化部件，并将全光谱太阳能转化为光-电能量和光-热能量，其中，可见 波段能量转化为光-电能量，该光-电能量用于在制氢子系统中电解水制氢， 紫外和红外波段能量转化为光-热能量，该光-热能量用于在储氢子系统中 驱动储氢反应的进行，且制氢子系统制得的氢气在储氢子系统中以液态氨 的形式存储，实现制氢-储氢一体化，克服了太阳能利用过程中因太阳能波 动对过程运行产生的影响，使太阳能的利用过程不可逆损失减少，实现了 太阳能的全光谱高效利用；将太阳能以液态氨的形式存储，克服了常规储 氢过程储氢容量低、成本高和耗能高的难题；利用太阳能作为制氢和储氢 过程的唯一能源输入，实现了产能和用能的清洁化、绿色化；储氢过程可 以在常压、中温下进行，较压力大于100bar、温度大于700℃的工业制氨储氢过程，可行性优势显著，可实现宽辐照、高效率利用太阳能；聚焦部 件采用成熟可靠的线聚焦聚光方式，系统运行简单、可靠性强，无技术瓶 颈问题，可为分布式供能和智能电网领域提供清洁能源；光热反应器的第 一部分和第二部分的位置可实现互换，以实现吸热反应和放热反应的连续 进行，另外可消除线聚焦下的光热反应器热应力集中导致变形的问题；可 通过优化设置聚光部件的反射波段范围和光电转化部件的材料为最优反 射波段和最优材料，使得储氢子系统中的放热反应和吸热反应速率匹配最 优。
需要说明的是，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表 示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公 开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考 符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件 或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元 件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等 的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也 不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的 使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做 出清楚区分。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一 个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征 有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将 该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个 权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要 求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方 式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而 已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，包括：聚光部件、光电转化部件、光热转化部件、制氢子系统和储氢子系统；
其中，聚光部件将入射的全光谱太阳能聚焦反射至光电转化部件和光热转化部件，光电转化部件将与光电转化部件带隙相匹配的波段太阳能转化为光-电能量，光热转化部件将全光谱的剩余波段太阳能转化为光-热能量；制氢子系统中，利用光-电能量电解水产生氢气；储氢子系统中，利用制氢子系统产生的氢气与第一反应物发生吸氢的吸热反应，该吸热反应的热量来源为所述光-热能量，利用氮气与第二反应物发生吸氮的放热反应，第一反应物与第二反应物互为反应物-产物的关系，实现全光谱制氢、储氢一体化。
2.根据权利要求1所述的全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，其中，所述储氢子系统包括：
光热反应器(3)，包含隔离的第一部分和第二部分，第一部分用于存放第一反应物，朝向聚光部件；第二部分用于存放第二反应物，背离聚光部件；该光热反应器(3)的第一部分和第二部分均为光热转化部件；
氮气循环泵(10)，用于将氮气通入到光热反应器(3)的第二部分中，与第二反应物发生吸氮的放热反应；
氮气冷凝器(11)，与氮气循环泵(10)和光热反应器(3)相连，将光热反应器(3)中未反应完的氮气进行冷却，并使未反应完的氮气再次通过氮气循环泵(10)进入光热反应器(3)参与反应；
混合气冷凝器(7)，将光热反应器(3)的第一部分发生吸氢的吸热反应后产生的氨气和未反应完的氢气的混合气进行冷却，得到气态氢气和液态氨；以及
气液分离器(8)，将混合气冷凝器(7)中得到的气态氢气和液态氨进行气液分离，气态氢气通入到储氢子系统中再次参与反应，液态氨存储于储氨罐(9)中，实现储氢。
3.根据权利要求2所述的全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，其中，所述光热反应器(3)的第一部分和第二部分沿轴向对称分布，通过轴向旋转实现第一部分和第二部分的位置互换，以实现吸热反应和放热反应的连续进行。
4.根据权利要求2所述的全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，其中，所述光热反应器(3)的第一部分和第二部分通过绝热材料进行隔离；和/或，所述第一反应物和所述第二反应物为氮化金属或氢化金属。
5.根据权利要求1所述的全光谱太阳能制氢-储氢一体化系统，其中，所述聚光部件包括：第一聚光部件(1)和第二聚光部件(2)，第一聚光部件(1)将与光电转化部件带隙相匹配的波段太阳能聚焦反射至光电转化部件，并转化为光-电能量；第二聚光部件(2)，将全光谱的剩余波段太阳能聚焦反射至光热转化部件，为储氢过程提供光-热能量。
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