CN109987581A - 一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置，包括光热耦合反应器和储液箱等；圆弧形二次反射器件的开口方向朝下并设置在储液箱的正上方，储液箱的中间通过控温流体层连通，且光热耦合反应器包裹在控温流体层内，光热耦合反应器的正下方对称设置有两个固态分频器，储液箱两侧的内侧依次设置有吸热流体层和真空层，若干反射镜并排设置在储液箱的正下方；工作时，含有光热催化剂的测试样品放置在光热耦合反应器内，光源通过固态分频器将光源分为红外光部分和紫外光部分，红外光部分能量最终传递给光热耦合反应器，紫外光部分投射到光热催化剂上。本发明用于催化剂颗粒的光热耦合制氢实验，具有环保、高效，操作简单方便等优点。
Description
技术领域
本发明属于新能源制备技术领域，具体涉及一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置。
背景技术
近年来美日欧等在氢燃料电池汽车商业化上展开了激烈竞争，我国政府也在积极推进氢能产业的发展，氢燃料电池供能技术已经快速向商业化推进，然而我国并还没有形成完备的氢能供给技术体系，储氢、氢气运输等关键技术不成熟，氢能供给产业链薄弱，加氢企业实力不强，氢气纯化、存储和运输企业较少，因此，制氢技术的发展仍然十分必要。通过光热耦合分解水制取氢气是一种低成本、高效、无污染的制氢手段，另外太阳能本身取之不尽用之不竭，是一种很好的清洁能源，所以通过太阳能光热耦合分解水制氢的方式能有效缓解加氢站建设的压力。
光催化反应是以适宜的半导体材料为光催化剂，在特定波长的光照下，光催化剂内部受光激发产生电子和空穴对，并分别迁移至催化剂表面与水或有机物分子发生氧化、还原反应而将太阳辐射光能储存到目标产物内(如生成氢气)。既往的研究多从材料及化学的角度，仅关注光催化材料本身的结构性质及其化学反应，忽略了催化材料与其所处的能源转化体系之间的强烈耦合作用，致使该过程的总能转化效率始终在低水平徘徊。传统的太阳能热化学制氢技术主要将太阳能的红外部分转化为化学能，无法有效利用占太阳能光谱近一半的紫外可见光区能量。而太阳能光催化制氢技术主要利用太阳能紫外可见区的能量，而将红外部分无谓的浪费。显然，如能将上述两种技术有效结合，即实现光热耦合制氢，则有望突破两种技术各自的太阳能转化效率上限，大幅提高太阳能制氢效率。然而现阶段国内外研究光热耦合光热分解水制氢的科研院所和机构并不多，研究的实验装置也相对较少，因此需要设计一种新型的太阳能光热耦合分解水制氢装置来进行实验探究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置，利用此装置可对一系列的光热催化剂颗粒进行制氢效果研究。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置，包括圆弧形二次反射器件、光热耦合反应器、若干反射镜以及具有中空腔体的储液箱；其中，
储液箱呈倒U形状，圆弧形二次反射器件的开口方向朝下并设置在储液箱的正上方，储液箱中间通过控温流体层连通，且光热耦合反应器包裹在控温流体层内，光热耦合反应器的正下方对称设置有两个固态分频器，储液箱两侧的内侧依次设置有吸热流体层和真空层，若干反射镜并排设置在储液箱的正下方；工作时，含有光热催化剂的测试样品放置在光热耦合反应器内，光源通过并排的反射镜收集至固态分频器，固态分频器将光源分为红外光部分和紫外光部分，红外光部分能量通过真空层和吸热流体层后，将能量传递给控温流体层，控温流体层将热能传递给光热耦合反应器，紫外光部分直接透过控温流体层将光投射到光热耦合反应器内的光热催化剂上。
本发明进一步的改进在于，反射镜采用线性菲涅尔反射镜，且其反射面能够根据太阳辐射光的不同方位来进行旋转。
本发明进一步的改进在于，储液箱两侧的外侧还设置有板式二次反射器件，用于反射未被吸热流体层完全吸收的红外光部分能量，并通过吸热流体层吸收。
本发明进一步的改进在于，板式二次反射器件的高度与储液箱两侧的高度一致。
本发明进一步的改进在于，固态分频器能够根据实际光/热单元比例需要来对红外光和紫外光的不同频率或波长进行设定。
本发明进一步的改进在于，真空层的高度以及吸热流体层的高度均与储液箱两侧的高度一致。
本发明进一步的改进在于，该装置整体沿中心轴线呈对称结构。
本发明进一步的改进在于，光源为一年四季照射到地球表面的太阳辐射光。
本发明进一步的改进在于，光热催化剂为半导体催化剂，其吸收光为紫外光部分和部分可见光，相应的波长范围在180nm-700nm以内。
本发明进一步的改进在于，储液箱内的工质为水和乙二醇混合液。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置，将含有光热催化剂的测试样品放置在光热耦合反应器内，光源通过并排的反射镜收集至固态分频器，固态分频器将光源分为红外光部分和紫外光部分，红外光部分能量通过真空层和吸热流体层后，将能量传递给控温流体层，控温流体层将热能传递给光热耦合反应器，紫外光部分直接透过控温流体层将光投射到光热耦合反应器内的光热催化剂上，光热耦合反应器上方放置圆弧形二次反射器件，在紫外光部分透过固态分频器和光热耦合反应器之后，再一次将紫外光反射至催化剂表面，增强光的利用率。因而，本发明能够为光热耦合催化分解水催化剂提供一种耦合光、热两种物理场的催化剂性能测试环境，为科学研究者进一步研究光热耦合催化剂分解水制氢的催化机理提供实验装置。本发明可以根据不同季节不同时刻太阳能的光辐射特性，通过智能分频器的设置，动态调控光热耦合制氢系统光热输入比例及工作模式,为光热耦合反应提供特定的反应条件。光、热单元的输入比例，反应的时间等都可以人为控制。
进一步，线性菲涅尔反射镜上方放置对称的固态分频器件，用来对太阳辐射光不同频率的红外光区域和紫外光区域进行分离，同时可以控制各自的输入比例。
进一步，储液箱内侧与空气接触的地方用来放置真空层，避免吸热流体于空气对流造成更多的热损失。
进一步，储液箱两侧吸热流体层放置在真空层和板式二次反射器件之间，便于最大程度上吸收太阳辐射光的红外部分的热能。
进一步，储液箱外侧与空气接触的部分放置板式二次反射器件，便于将红外光未完全吸收的部分再次反射至吸热流体层，以保证红外光线部分的吸收率。
进一步，光热耦合反应器被均一、稳定的控温流体层包住，恒温的流体能够保证光热反应器受热均匀，催化剂吸热效果更好。
进一步，整个装置呈轴对称结构，稳定性较好。
进一步，实验过程中采用的光源就是一年四季照射到地球表面的太阳辐射光。
综上所述，本发明通过低成本的聚光器大幅提高入射光强，在分频器件上将太阳能主要分开为红外部分和紫外部分两部分能量，红外部分能量被吸热流体吸收后继而通过板式换热器将热能传递给以水/乙二醇为工质的控温流体层，紫外部分能量透过分频器及控温流体直接照射在光热催化剂表面，诱导催化剂产生作用，达到光热耦合的目的。光热反应的温度通过不同季节、不同时刻太阳能辐射特性等来定向调控光热耦合制氢系统光热输入比例及工作模式，可实现智能化。此外，板式二次反射器件和真空层能尽量避免热流体与空气的对流热损，亦可保证反应部分紫外光的充分利用。本发明用于催化剂颗粒的光热耦合制氢实验，具有环保、高效、智能化程度高，操作简单方便等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记说明：
1、光源；2、线性菲涅尔反射镜；3、固态分频器；4、吸热流体层；5、真空层；6、圆弧式二次反射器件；7、控温流体层；8、光热耦合反应器；9、板式二次反射器件；10、储液箱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下具体实例有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，在不脱离本发明构思的前提下，都可以对装置做出若干的变形和改造。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置，包括圆弧形二次反射器件6、光热耦合反应器8、若干线性菲涅尔反射镜2以及具有中空腔体且底部开口的储液箱10；其中，圆弧形二次反射器件6的开口方向朝下并设置在储液箱10的正上方，以水/乙二醇为工质的储液箱10的中间通过控温流体层7连通，且光热耦合反应器8包裹在控温流体层7内，光热耦合反应器8的正下方对称设置有两个固态分频器3，储液箱10两侧的内侧依次设置有吸热流体层4和真空层5，若干线性菲涅尔反射镜2并排设置在储液箱10的正下方；工作时，含有光热催化剂的测试样品放置在光热耦合反应器8内，光源1通过并排的反射镜收集至固态分频器3，固态分频器3将光源1分为红外光部分和紫外光部分，红外光部分能量通过真空层5和吸热流体层4后，将能量传递给控温流体层7，控温流体层7将热能传递给光热耦合反应器8，紫外光部分直接透过控温流体层7将光投射到光热耦合反应器8内的光热催化剂上。
优选的，制氢装置整体的正下方并排放置若干线性菲涅尔反射镜2，线性菲涅尔反射镜2的反射面可以根据太阳辐射光的不同方位来进行旋转。线性菲涅尔反射镜2将太阳辐射光反射至固态分频器3，固态分频器3能够根据实际光/热单元比例需要来对红外光和紫外光的不同频率或波长进行设定。
优选的，吸热流体层4左侧与空气接触部分用来设置真空层5，真空层的高度与储液箱10两侧高度一致。吸热流体层4放置在真空层5和控温流体层7之间，吸热流体层4高度与储液箱10两侧高度一致。
优选的，储液箱10外侧与空气接触的位置用来放置板式二次反射器件9，板式二次反射器件9的高度与储液箱10两侧一致，用于反射未被吸热流体层4吸收的红外光部分能量，并通过吸热流体层4吸收。
优选的，整个装置应该沿中心轴线呈对称结构。光热反应器四周被均一、稳定的控温流体层7包住。光源1为一年四季照射到地球表面的太阳辐射光。
本发明提供的基于智能分频技术太阳能光热耦合制氢装置，其具体工作过程如下：
光源1照射在并排线性菲涅尔反射镜2上，通过镜面反射作用将太阳辐射光反射到固态分频器3。线性菲涅尔反射镜2的方向可以根据太阳辐射光辐射的方向进行调节，保证最佳方位将光线反射至固态分频器3。固态分频器3根据光热反应在反应过程中的温度地将光线按不同比例分开为红外光部分和紫外光部分。红外光部分通过真空层5后，被吸热流体层4吸收，将光能转化为热能储存在吸热流体中，吸热流体层4与控温流体层7通过板式换热器将热能传递给控温流体层7。控温流体层7将光热耦合反应器8包住，类似“水浴”加热的原理。紫外光部分透过固态分频器3和控温流体7后直接照射到混合在反应流体中的催化剂表面，诱导发生光化学反应。结合之前的红外光部分光线转化得到的热能，实现光热耦合的效果。
实验过程中应时刻根据太阳辐射光方位调节线性菲涅尔反射镜2方位，保证从固态分频器3反射出来光线尽量水平投射到吸热流体层，保证能量的利用率。
固态分频器3能够根据光/热单元的工作的比例，即反应实际所需温度和光强度来智能调节频率的范围，进而对太阳辐射光更好地分离。此方法简单方便，易于操作。
反应过程中光热催化剂和反应流体充分混合后，通入到光热耦合反应器8，通过调节固态分频器3和线性菲涅尔反射镜2的方位，准确实现对光热两种物理场的定量比动态调控，完成不同工况下对光热催化剂的性能测试。
Claims (10)
1.一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置，其特征在于，包括圆弧形二次反射器件(6)、光热耦合反应器(8)、若干反射镜以及具有中空腔体的储液箱(10)；其中，
储液箱(10)呈倒U形状，圆弧形二次反射器件(6)的开口方向朝下并设置在储液箱(10)的正上方，储液箱(10)中间通过控温流体层(7)连通，且光热耦合反应器(8)包裹在控温流体层(7)内，光热耦合反应器(8)的正下方对称设置有两个固态分频器(3)，储液箱(10)两侧的内侧依次设置有吸热流体层(4)和真空层(5)，若干反射镜并排设置在储液箱(10)的正下方；工作时，含有光热催化剂的测试样品放置在光热耦合反应器(8)内，光源(1)通过并排的反射镜收集至固态分频器(3)，固态分频器(3)将光源(1)分为红外光部分和紫外光部分，红外光部分能量通过真空层(5)和吸热流体层(4)后，将能量传递给控温流体层(7)，控温流体层(7)将热能传递给光热耦合反应器(8)，紫外光部分直接透过控温流体层(7)将光投射到光热耦合反应器(8)内的光热催化剂上。
2.根据权利要求1所述的一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置，其特征在于，反射镜采用线性菲涅尔反射镜(2)，且其反射面能够根据太阳辐射光的不同方位来进行旋转。
3.根据权利要求1所述的一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置，其特征在于，储液箱(10)两侧的外侧还设置有板式二次反射器件(9)，用于反射未被吸热流体层(4)完全吸收的红外光部分能量，并通过吸热流体层(4)吸收。
4.根据权利要求3所述的一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置，其特征在于，板式二次反射器件(9)的高度与储液箱(10)两侧的高度一致。
5.根据权利要求1所述的一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置，其特征在于，固态分频器(3)能够根据实际光/热单元比例需要来对红外光和紫外光的不同频率或波长进行设定。
6.根据权利要求1所述的一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置，其特征在于，真空层(5)的高度以及吸热流体层(4)的高度均与储液箱(10)两侧的高度一致。
7.根据权利要求1所述的一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置，其特征在于，该装置整体沿中心轴线呈对称结构。
8.根据权利要求1所述的一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置，其特征在于，光源(1)为一年四季照射到地球表面的太阳辐射光。
9.根据权利要求1所述的一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置，其特征在于，光热催化剂为半导体催化剂，其吸收光为紫外光部分和部分可见光，相应的波长范围在180nm-700nm以内。
10.根据权利要求1所述的一种基于分频技术太阳能光热耦合制氢装置，其特征在于，储液箱(10)内的工质为水和乙二醇混合液。
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